ТЕПЛООБМЕННИК И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 2019 года по МПК F28F1/24 F28F1/40 

Изобретение относится к теплообменнику, содержащему внутреннюю направляющую для направления текучей среды и теплоотводящее тело для отвода тепла текучей среды, при этом теплоотводящее тело имеет проходящее в продольном направлении полое пространство, внутри которого проходит по меньшей мере концевой элемент внутренней направляющей, при этом концевой элемент имеет входное отверстие, которое обращено к донной поверхности полого пространства, для направления текучей среды в зону дна полого пространства, при этом между наружной боковой поверхностью внутренней направляющей и внутренней боковой поверхностью теплоотводящего тела образовано проходящее в продольном направлении проточное пространство для направления текучей среды из зоны дна.

Кроме того, изобретение относится к способу изготовления теплообменника.

В первом примере выполнения теплообменник применяется в тракте отработавших газов транспортного средства, с целью отвода возможно большей части тепла создаваемых в двигателе транспортного средства горячих отработавших газов, например, за счет переноса в транспортирующую тепло жидкость. За счет этого можно предотвращать возможный перегрев выхлопного тракта. Кроме того, извлекаемое из отработавших газов тепло используется для нагревательных целей, например, для отопления пассажирского салона транспортного средства. Во втором примере выполнения теплообменник является частью нагревательного прибора или соединен с нагревательным прибором, например, в транспортном средстве.

Возможности использования указанного в этой заявке теплообменника не ограничивается сектором транспортных средств. В принципе теплообменник пригоден для каждого применения, в котором из текучей среды, т.е. жидкой или газообразной среды, извлекается или вводится тепло.

Задачей изобретения является создание теплообменника, который, с одной стороны, возможно более просто структурирован и в соответствии с этим является простым в изготовлении, и, с другой стороны, имеет высокий коэффициент полезного действия, т.е. возможно большую степень переноса тепла. Эта задача решена с помощью отличительного признака пункта 1 формулы изобретения.

Кроме того, задачей изобретения является создание возможно более не сложного способа изготовления такого теплообменника. Эта задача решена с помощью признаков пункта 13 формулы изобретения.

Теплообменник, согласно изобретению, основываясь на уровне техники, отличается тем, что внутренняя боковая поверхность теплоотводящего тела имеет первый и второй участок, при этом первый участок имеет по меньшей мере два смещенных трансверсально относительно друг друга ребра, и при этом второй участок имеет по меньшей мере два трансверсально смещенных относительно друг друга ребра, и при этом по меньшей мере одно ребро второго участка трансверсально смещено относительно каждого ребра первого участка, или по меньшей мере одно ребро первого участка трансверсально смещено относительно каждого ребра второго участка, причем между по меньшей мере двумя ребрами второго участка выполнен канал, и причем ребро первого участка полностью перекрывает канал второго участка. Предпочтительно по меньшей мере два, три, четыре, пять или шесть ребер первого или второго участка смещены трансверсально относительно каждого ребра второго, соответственно, первого участка. Оптимальным является вариант выполнения, в котором каждое ребро первого участка трансверсально смещено относительно каждого ребра второго участка. Ребро теплообменника является расположенным в зоне потока теплообменника конструктивным элементом, который увеличивает эффективную поверхность теплообменника и тем самым улучшает коэффициент полезного действия теплообменника. Каждый участок может быть, например, волнистым или рифленым. В этом случае каждый гребень волны, соответственно, каждое возвышение рифления образует ребро. Ребра любого участка проходят параллельно друг другу и на одинаковом расстоянии друг от друга. Это способствует возможно более равномерному прохождению потока текучей среды через полое пространство. Ребра могут быть удлиненными. Например, длина каждого ребра может более чем в три раза или даже более чем в 10 раз превышать максимальный размер ребра поперек пути потока. Направление поперек продольного направления называется также трансверсальным направлением. Как указывалось выше, ребра обоих участков смещены трансверсально относительно друг друга. Тем самым внутренняя поверхность теплоотводящего тела является прерывистой на границе между обоими участками. Это благоприятствует возникновению турбулентностей на границе между участками и тем самым улучшает смешивание близких к поверхности частей текучей среды с далекими от поверхности частями текучей среды в переходе между первым участком и вторым участком. За счет этого улучшается коэффициент полезного действия теплообменника по сравнению с теплообменником с полностью непрерывной внутренней боковой поверхностью. Может быть предпочтительным, что предусмотрено больше двух таких следующих друг за другом участков. Каждое ребро первого участка может иметь обращенную ко второму участку торцевую поверхность. Каждое ребро второго участка может иметь обращенную к первому участку торцевую поверхность. Предпочтительно, ребро первого участка (первое ребро) считается трансверсально смещенным относительно ребра второго участка точно тогда, когда проекция торцевой поверхности на поперечную плоскость (первая проекция) и проекция торцевой поверхности второго ребра на ту же поперечную поверхность (вторая проекция) смещены относительно друг друга так, что ни одна из этих проекций не перекрывает полностью другую проекцию. Упрощенно говоря, это означает, что ни одна из указанных торцевых поверхностей не проецируется полностью на соответствующую другую торцевую поверхность; таким образом, торцевая поверхность первого ребра не проецируется или проецируется лишь частично на торцевую поверхность второго ребра, и торцевая поверхность второго ребра не проецируется или проецируется лишь частично на торцевую поверхность первого ребра. Поперечная или трансверсальная плоскость является перпендикулярной продольному направлению плоскостью, т.е. плоскостью с вектором нормали, который параллелен продольному направлению. Под проекцией понимается ортогональная проекция. Например, может быть предусмотрено, что первая проекция перекрывает меньше 70%, меньше 20% или даже меньше 10% поверхности второй проекции. В качестве альтернативного решения, может быть предусмотрено, что вторая проекция перекрывает меньше 70%, меньше 20% или даже меньше 10% поверхности первой проекции. В частности, может быть предусмотрено, что обе проекции не перекрываются. Возможно меньшее перекрывание обеих проекций рассматривается как предпочтительное для создания турбулентностей. Предусмотрено, что каждое ребро первого участка полностью перекрывает канал второго участка или, соответственно, что обращенная от второго участка торцевая поверхность ребра полностью перекрывает трансверсальное поперечное сечение канала на своем обращенном к началу канала или концу канала первом участке. Другими словами, поперечное сечение канала на своем обращенном к первому участку начале канала или конце канала в продольном направлении полностью проецируется на обращенную к второму участку торцевую поверхность ребра.

Особенно предпочтительно, что ребра второго участка образуют несколько каналов, причем каждое ребро первого участка полностью перекрывает канал второго участка.

Теплоотводящее тело может иметь литой или прессованный первый сегмент с первым участком и литой или прессованный второй сегмент со вторым участком. Таким образом, теплоотводящее тело можно изготавливать не сложным образом посредством изготовления сначала первого сегмента и второго сегмента, а затем соединения их вместе. Тем самым указанный выше резкий переход от первого устройства ко второму участку может быть реализован простым образом. Оба отдельных сегмента можно изготавливать, например, с помощью уже разработанных и существующих машин.

Первый сегмент и второй сегмент могут быть конструктивно одинаковыми. В этом случае отпадает необходимость изготовления различных сегментов, и получается особенно дешевый способ изготовления. Теплоотводящее тело может иметь более двух конструктивно одинаковых сегментов.

Первый и второй участок могут быть расположены так, что каждое ребро первого участка проходит до проходящего между двумя соседними ребрами второго участка канала. Таким образом, в этом случае каждое ребро первого участка переходит в канал второго участка. В переходе от ребра к каналу в текучей среде могут образовываться вихри. Может быть предусмотрено, что ребро полностью или частично перекрывает канал, до которого оно проходит. То есть, обращенная к каналу торцевая поверхность ребра и трансверсальная поверхность поперечного сечения канала полностью или частично перекрываются на своем примыкающим к ребру начале канала или конце канала. Например, может быть предусмотрено, что ребро перекрывает поверхность поперечного сечения канала, до которого оно проходит, более чем на 20%, более чем на 50%, более чем на 80% или даже на 100%.

Также между двумя соседними ребрами первого участка может проходить соответствующий канал, который проходит до ребра второго участка. Тем самым образованный между соседними ребрами первого участка канал переходит на границе между обоими участками в ребро второго участка. Резкий переход от канала к ребру способствует перемешиванию текучей среды. Может быть предусмотрено, что ребро полностью или частично перекрывает канал, до которого оно проходит. То есть, обращенная к каналу торцевая поверхность ребра и трансверсальная поверхность поперечного сечения канала полностью или частично перекрываются на своем примыкающим к ребру начале канала или конце канала. Например, может быть предусмотрено, что ребро перекрывает поверхность поперечного сечения канала, до которого оно проходит, более чем на 20%, более чем на 50%, более чем на 80% или даже на 100%.

Теплоотводящее тело или, по меньшей мере, его внутренняя боковая поверхность может иметь ось симметрии вращения. Это означает, что теплоотводящее тело или по меньшей мере его внутренняя боковая поверхность при воображаемом повороте вокруг оси симметрии вращения могут переходить в самое себя, т.е. являются инвариантными при соответствующем повороте. Такая симметрия может обеспечивать большой коэффициент полезного действия, а также облегчать изготовление теплоотводящего тела.

Например, первый и второй участок могут иметь каждый N ребер, при этом положение i-того ребра первого участка имеет азимутальный угол 360°/N•i, где i=0,…,N-1, и при этом имеется постоянная α в интервале (0;1/2], так что положение j-того ребра второго участка имеет азимутальный угол 360°/N•(j+α), где j=0,…,N-1. Предпочтительно, постоянная α лежит в интервале [1/10;1/2], т.е. 0,1<α<0,5. В случае α=1/2, внутренняя боковая поверхность или даже все теплоотводящее тело может быть симметричным при повороте на 180°/N вокруг оси симметрии вращения. Если предусмотрено в целом М сегментов, то может быть предпочтительным, что положение j-того ребра k-того участка (20’)имеет азимутальный угол 360°/N•(j+k/M), где j=0,…,N-1 и k=0,…,M-1. В этом случае может иметься симметрия при вращении на 360°/N•М вокруг оси симметрии вращения.

Ребра первого участка и ребра второго участка могут быть удлиненными и проходить в продольном направлении, в частности, ребра могут быть ориентированы по существу параллельно продольному направлению. Такая ребристая структура особенно проста в изготовлении. Например, каждое из ребер может иметь по существу постоянное трансверсальное поперечное сечение. Это означает, что трансверсальное поперечное сечение ребра, по меньшей мере, на одном участке вдоль продольного направления является по существу постоянным. Этот участок называется «участком ребер с постоянным поперечным сечением». Длина участка ребер с постоянным поперечным сечением может составлять, например, более 50%, более 80% или даже более 90% длины ребра. Под "длиной" в этой заявке всегда следует понимать размер в продольном направлении, если из конкретной взаимосвязи не следует другое. Трансверсальное поперечное сечение является перпендикулярным продольному направлению поперечным сечением. Трансверсальное поперечное сечение ребра может быть по существу постоянным в том смысле, что на участке ребер с постоянным поперечным сечением все изменения трансверсального поперечного сечения являются небольшими по сравнению с размерами поперечного сечения, например, по сравнению с шириной и/или высотой поперечного сечения. Другими словами, может быть предусмотрено, что участок ребер с постоянным поперечным сечением имеет по существу форму конечного участка геометрического тела, которое является инвариантным при бесконечно малой трансляции в продольном направлении. Множество геометрических точек является инвариантным при бесконечно малой трансляции, когда бесконечно малая трансляция каждой из точек переводит в другую точку того же множества. Например, участок ребер с постоянным поперечным сечением или даже все ребро имеют форму цилиндра. Поверхность поперечного сечения цилиндра может иметь любую форму, например, по существу форму прямоугольника.

Кроме того, предпочтительно, что ребра первого участка и ребра второго участка проходят в продольном направлении по всему соответствующему участку. Такое теплоотводящее тело сравнительно просто изготавливать.

Внутренняя направляющая может содержать камеру сгорания или может сообщаться с камерой сгорания. Таким образом, часть создаваемого при сгорании тепла может отводиться с помощью теплоотводящего тела и подаваться в место назначения, например, в пассажирский салон транспортного средства.

Кроме того, может быть предусмотрено, что внутренняя боковая поверхность теплоотводящего тела имеет примыкающий ко второму участку третий участок по меньшей мере с двумя трансверсально смещенными относительно друг друга ребрами, при этом по меньшей мере одно ребро третьего участка трансверсально смещено относительно каждого ребра второго участка, или при этом по меньшей мере одно ребро второго участка трансверсально смещено относительно каждого ребра третьего участка. Трансверсально означает, как указывалось выше, поперек продольного направления. За счет этого создается другая зона завихрения, а именно, на границе между вторым и третьим участком. Кроме того, возможно, что внутренняя боковая поверхность теплоотводящего тела имеет другие участки с указанными применительно к первому и второму участку признаками.

В частности, теплообменник может быть изготовлен способом, который имеет следующие стадии: изготовления первого сегмента, который имеет первый участок; изготовления второго сегмента, который имеет второй участок; и сборки первого сегмента и второго сегмента. Этот способ можно особенно просто выполнять, поскольку внутренние боковые поверхности обоих отдельных сегментов структурированы проще, чем собранная внутренняя боковая поверхность. В альтернативном способе теплообменник изготавливается в виде единого целого, например, с помощью способа с соляным сердечником.

Первый и второй сегмент можно, например, изготавливать по отдельности посредством литья или прессования. Однако, в качестве альтернативного решения, сегменты можно также составлять из отдельных конструктивных элементов, например, посредством сварки.

Поскольку оба сегмента являются конструктивно одинаковыми, то их можно изготавливать друг за другом с применением общего устройства для изготовления. Если выбирается способ литья, то их можно последовательно отливать в одну и ту же литейную форму. Таким образом, литейную форму можно использовать дважды.

Первый сегмент и второй сегмент можно соединять друг с другом, например, с помощью сварки. При этом соединение является соединением с замыканием по материалу. За счет этого можно осуществлять одновременно герметизацию полого пространства в месте соединения между обоими сегментами. В качестве альтернативного решения, соединение обоих сегментов можно осуществлять с помощью механических элементов, например, заклепок или винтов. В этом случае может требоваться герметизация места соединения между обоими сегментами с помощью уплотнительных средств.

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг. 1 - поперечное сечение одного примера выполнения теплообменника;

фиг. 2 – первый и второй сегмент полого тела теплообменника, на виде сверху;

фиг. 3 – первый сегмент, в укороченной изометрической проекции;

фиг. 4 – первый сегмент, в неукороченной изометрической проекции;

фиг. 5 - теплоотводящее тело теплообменника, на виде сверху;

фиг. 6 - теплоотводящее тело теплообменника, согласно другому примеру выполнения, на виде сверху;

фиг. 7 – сегмент, согласно другому примеру выполнения, на виде сверху;

фиг. 8 – два сегмента, согласно другому примеру выполнения, на виде сверху;

фиг. 9 - теплоотводящее тело теплообменника с сегментами из фиг. 7, на виде сверху;

фиг. 10 - внутренняя боковая поверхность с тремя участками;

фиг. 11 – блок-схема способа изготовления теплообменника;

фиг. 12 – два сегмента, согласно другому примеру выполнения, на виде сверху.

В данной заявке вид сверху является изображением, в котором продольное направление проходит перпендикулярно плоскости чертежа, если из контекста не следует другое. В последующем описании чертежей одинаковыми позициями обозначаются одинаковые или сравнимые компоненты.

На фиг. 1 схематично показан пример выполнения теплообменника 10 с внутренней направляющей 32 для направления текучей среды и с теплоотводящим телом 12, 12’ для отвода тепла текучей среды. Внутренняя направляющая 32 может быть полым проводником, например, трубой. Она может иметь, в принципе, любое поперечное сечение, например, круглое или квадратное поперечное сечение. В показанном примере выполнения внутреннее пространство 38 служит для внутренней направляющей 32 в качестве камеры сгорания. Поэтому внутренняя направляющая 32 может называться также пламенной трубой. При работе топливо (не изображено) сжигается в зоне 40 сгорания. При этом возникают горячие отходящие газы. Внутренняя направляющая 32 имеет первый выход 42, через который горячие отходящие газы покидают внутреннюю направляющую.

Теплоотводящее тело 12, 12’ имеет проходящее в продольном направлении 36 полое пространство 14, 14’. Теплоотводящее тело 12, 12’ и/или внутренняя направляющая 32 могут иметь ось 16 симметрии вращения. В этом случае продольное направление 36 параллельно оси 16 симметрии вращения. Внутри полого пространства 14, 14’ проходит по меньшей мере один называемый концевым элементом 34 концевой участок внутренней направляющей 32. Концевой элемент 34 имеет выход 42. Выход 42 обращен к донной поверхности 44 полого пространства 14, 14’. Во время работы текучая среда, в данном примере отходящие газы, из внутренней направляющей 32 через выход 42 проходит в донную зону 46 полого пространства 14, 14’ (поток обозначен на чертеже стрелками).

Между наружной боковой поверхностью 48 внутренней направляющей 32 и внутренней боковой поверхностью 20, 20’ теплоотводящего тела 12, 12’ образовано проточное пространство для направления текучей среды из донной зоны 46. Проточное пространство проходит в продольном направлении 36. Внутренняя боковая поверхность 20, 20’ теплоотводящего тела 12, 12’ имеет первый участок 20 и примыкающий к первому участку 20 второй участок 20’. В одном не изображенном варианте выполнения показанного примера выполнения теплоотводящее тело 12, 12’ имеет боковой выход для выпуска текучей среды.

Первый участок 20 имеет по меньшей мере два ребра (см. фиг. 2-9), которые трансверсально смещены относительно друг друга. Трансверсально означает перпендикулярно продольному направлению 36. Второй участок 20’ имеет по меньшей мере два ребра, которые трансверсально смещены относительно друг друга. Кроме того, каждое ребро 22’ второго участка 20’ трансверсально смещено относительно каждого ребра 22 первого участка.

В показанном примере (см. фиг. 1) теплоотводящее тело 12, 12’ имеет первый сегмент 12 и примыкающий к нему второй сегмент 12’. Первый сегмент 12 может иметь форму горшка. Второй сегмент 12’ может быть кольцеобразным. В показанном примере горшкообразный первый сегмент имеет донный участок, внутренняя поверхность которого образует донную поверхность 44 полого пространства. С первым сегментом 12 сопряжен первый участок 20 внутренней боковой поверхности 20, 20’ теплоотводящего тела, а также первый участок 14 полого пространства 14, 14’. Со вторым сегментом 12’ сопряжены второй участок 20’ внутренней боковой поверхности 20, 20’ теплоотводящего тела, а также первый участок 14 полого пространства 14, 14’.

На фиг. 2 схематично показан первый сегмент 12 и второй сегмент 12’ теплоотводящего тела. В показанном примере оба сегмент 12 и 12’ конструктивно одинаковы. Поэтому во избежание повторов приводится сначала описание лишь первого сегмент 12. Сегмент 12 состоит по существу из кольцеобразного или трубчатого тела 24 сегмента, через которое проходит полое пространство 14. В показанном примере тело 24 сегмента имеет квадратный контур, однако возможны другие формы. Согласно одному предпочтительному варианту выполнения (не изображен) контур тела 24 сегмента является круглым. Из тела 24 сегмента возвышаются по меньшей мере два, в показанном примере точно четыре ребра 22 в полом пространстве 14. Тело 24 сегмента и ребра 22 могут быть выполнены в виде единого целого. Тело 24 сегмента и ребра 22 предпочтительно выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например, из металла или металлического сплава. Сегмент 12 имеет задающую полое пространство 14 внутреннюю направляющую поверхность 20, которая образует в теплообменнике указанный первый участок. Четыре ребра 22 смещены относительно друг друга на 90° относительно оси 16 симметрии вращения. Таким образом, показанный здесь пример сегмента 12 является симметричным при вращении на 90° вокруг оси симметрии вращения. При работе теплообменника поток текучей среды, например горячие отходящие газы, проходит через полое пространство 14 в основном направлении потока, которое в показанном примере параллельно оси 16 симметрии вращения. В показанном примере каждое из ребер 22 проходит параллельно продольному направлению, т.е. здесь параллельно оси 16 симметрии, по всей внутренней боковой поверхности от зоны впуска до зоны выпуска тела 24 сегмента. В другом примере (не изображен) одно или несколько ребер короче соответствующего участка, т.е. проходят не по всему участку. В одном варианте выполнения этого примера ребра 22’ в трансверсальном направлении (здесь в радиальном направлении) короче ребер 22.

На фиг. 3 схематично показан в изометрической проекции сегмент 12, в котором по причинам наглядности сегмент 12 изображен укороченным. Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, ребра являются удлиненными в продольном направлении (смотри не укороченное изображение на фиг. 4). Это обеспечивает возможность создания с помощью сравнительно небольшого количества сегментов сравнительно длинного пути теплообмена.

На фиг. 5 схематично показаны два сегмента 12 и 12’ (см. фиг. 2) теплоотводящего тела теплообменника 10. Теплоотводящее тело имеет дополнительно к сегменту 12 на фиг. 1 соответствующий донный сегмент (не изображен). Теплоотводящее тело 12, 12’ служит для передачи тепла от текучей среды в теплоотводящее тело 12, 12’ или с теплоотводящего тела 12, 12’ в текучую среду. Теплоотводящее тело 12, 12’ имеет составленное из полых пространств 14 и 14’ полое пространство 14, 14’, которое предназначено для прохождения потока текучей среды в продольном направлении. Путь потока проходит на фиг. 4 перпендикулярно плоскости чертежа. Внутренняя боковая поверхность 20 первого сегмента 12 образует первый участок внутренней поверхности 20, 20’ теплоотводящего тела 12, 12’. Внутренняя боковая поверхность 20’ второго сегмента 12’ образует примыкающий к первому участку 20 второй участок внутренней боковой поверхности теплоотводящего тела 12, 12’. Таким образом, первый участок 20 имеет по меньшей мере два ребра 22, в показанном примере точно четыре резьба 22. Также второй участок 20’ имеет по меньшей мере два ребра 22’, в показанном примере точно четыре резьба 22’.

Как показано на фиг. 5, ребра 22 и 22’ первого сегмент 12, соответственно, второго сегмента 12’ смещены относительно друг друга трансверсально, т.е. поперек основного направления потока. В показанном примере это достигается тем, что второй сегмент 12’ расположен относительно первого сегмента 12 с поворотом на 45º вокруг общей оси 16, 16’ симметрии вращения. Точнее, каждое ребро 22’ второго участка 20’ смещено трансверсально относительно каждого ребра 22 первого участка. Находящаяся между двумя соседними ребрами 22 часть полого пространства 14 называется в данной заявке также каналом 26 (см. фиг. 2). То же относится аналогично ко второму сегменту 12’. Таким образом, сегменты 12 и 12’ имеют по меньшей мере два канала 26, соответственно, 26’. В показанном примере имеется точно четыре канала 26, соответственно, 26’ в каждом сегменте. Указанное относительно фиг. 5 смещение ребер 22 относительно ребер 22’ приводит к тому, что на границе между обоими сегментами 12 и 12’ каждый канал 26 попадает на ребро 22’, в то время как каждое ребро 22 попадает на канал 26’. Это расположение благоприятствует перемешиванию внутри текучей среды, которая проходит через теплоотводящее тело 12, 12’.

При показанной на фиг. 5 геометрии может быть необходимо дополнительное уплотнение между сегментами 12 и 12’ в не закрытых зонах 28 и 28’. Предпочтительно, сегменты 12 и 12’ выполнены так, что между ними не возникают возможные места утечки (см. фиг. 6).

На фиг. 7 схематично показан пример сегмента 12 точно с восемью ребрами 22 и восьмиугольным контуром. В других примерах (не изображены) сегмент 12 имеет больше восьми ребер.

На фиг. 8 и 9 показан пример варианта выполнения, в котором теплоотводящее тело имеет первый и конструктивно такой же второй сегмент с первым, соответственно, вторым участком, при этом первый сегмент и второй сегмент расположены с поворотом на 180º относительно друг друга вокруг перпендикулярной продольному направлению оси. Оба сегмента могут быть выполнены, например, по существу в виде прямоугольных рам, при этом на двух противоположно лежащих внутренних поверхностях рамы образовано множество параллельных, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга ребер. В показанном примере тело 24, соответственно, 24’ сегмента 12, соответственно, 12’ имеет по существу прямоугольное поперечное сечение. Показанная на фиг. 8 ориентация второго сегмента 12’ получается из ориентации первого сегмента 12 посредством поворота сегмента 12 на 180° вокруг перпендикулярной основному направлению потока оси 30.

На фиг. 10 схематично показан пример варианта выполнения, в котором внутренняя боковая поверхность теплоотводящего тела имеет по меньшей мере три следующих друг за другом участка, например, первый участок с ребрами 22, примыкающий к нему второй участок с ребрами 22’ и примыкающий ко второму участку третий участок с ребрами 22”. Указанные в данной заявке относительно комбинации из первого и второго участка возможности выполнения и преимущества справедливы, соответственно, для комбинации из второго и третьего участка. Третий участок может, например, представлять повторение первого участка, т.е. он может быть геометрически подобен первому участку. С геометрической точки зрения третий участок может быть переведен в первый участок посредством сдвига в продольном направлении. В показанном примере каждое ребро 22 первого участка и каждое ребро 22” третьего участка трансверсально смещено относительно каждого ребра 22’ второго участка. В противоположность этому, каждое ребро 22 первого участка находится на одной линии с каждым ребром 22” третьего участка.

Внутренняя боковая поверхность может иметь чередующуюся последовательность из N участков. Количество N участков может составлять, например, 3, 4, 5, 6 или больше. Участки могут иметь номера с 1 до N. Последовательность может быть чередующейся в том смысле, что каждый участок с номером l+2 (l=1 до N-2) геометрически может быть переведен в участок с номером l посредством геометрического, т.е. абстрактного или гипотетического сдвига параллельно продольному направлению. Такое выполнение приводит к большому переносу тепла. Каждый участок может быть реализован с помощью модуля или сегмента, что обеспечивает возможность эффективного изготовления.

Пример способа изготовления иллюстрируется с помощью блок-схемы на фиг. 11. На первой стадии S1 изготавливают отдельные сегменты. Предпочтительно, по меньшей мере два сегмента являются идентичными, с целью возможно большего снижения стоимости изготовления. На следующей стадии S2 сегменты соединяют вместе, так что отдельные полые пространства сегментов объединяются в одно единственное проточное полое пространство. Предпочтительно, сегменты свариваются непосредственно друг с другом, т.е. без применения промежуточных элементов и, в частности, без применения уплотнений. При этом следующие непосредственно друг за другом сегменты ориентируются относительно друг друга так, что ребра следующего сегмента трансверсально смещены относительно ребер предыдущего сегмента.

На фиг. 12 схематично показан на виде сверху пример варианта выполнения, в котором каждое ребро 22 первого участка 20 полностью или частично перекрывает канал 26’ второго участка. Это означает, что обращенная ко второму участку торцевая поверхность ребра 22 перекрывает полностью поверхность трансверсального поперечного сечения канала 26’ на его обращенном к первому участку 20 начале или конце канала. Другими словами, поверхность поперечного сечения канала 26’ на своем обращенном к первому участку 20 начале или конце канала проецируется в продольном направлении полностью на обращенную ко второму участку 22’ торцевую поверхность ребра 22.

В показанном примере обращенная ко второму участку 20’ торцевая поверхность ребра 22 первого участка 20 больше поверхности поперечного сечения перекрываемого этим ребром 22 канала 26’ на его обращенном к первому участку 20 начале или конце канала. Обращенная ко второму участку 20’ торцевая поверхность ребра 22 перекрывает полностью поверхность поперечного сечения канала 26’ на его обращенном к первому участку 20 начале или конце канала, в то время как поверхность поперечного сечения канала 26’ на его обращенном к первому участку 20 начале или конце канала перекрывает лишь не полностью обращенную ко второму участку 20’ торцевой поверхности ребра 22.

В одном варианте выполнения (не изображен) этого примера канал 26’ второго участка 20’ и ребро 22 первого участка 20 трансверсально перекрывают друг друга полностью. То есть, обращенная ко второму участку 20’ торцевая поверхность ребра 22 перекрывает полностью поверхность поперечного сечения канала 26’ на его обращенном к первому участку 20 начале или конце канала, и поверхность поперечного сечения канала 26’ на его обращенном к первому участку 20 конце или начале канала перекрывает также полностью обращенную ко второму участку 20’ торцевую поверхность ребра 22. За счет этого достигается при возможно меньшем используемом материале для ребер хороший перенос тепла.

Кроме того, в показанном на фиг. 12 примере по меньшей мере одно из ребер 22 первого участка 20 выше каждого из ребер 22’ второго участка 20’. Под высотой ребра понимается трансверсальный размер, исходя из внутренней направляющей 32, т.е. от начала ребра. Другими словами, в этом примере по меньшей мере одно из ребер первого участка проходит в трансверсальном направлении дальше в полое пространство 14 (см. фиг. 1), чем ребра 22’ примыкающего второго участка 20’. В случае концентрического выполнения теплоотводящего тела, как, например, в варианте выполнения, согласно фиг. 7, высота ребра может быть определена как его радиальный размер. С помощью более высоких ребер можно получать больший поток тепла. Большая высота ребра на первом участке 20 может быть предпочтительной, в частности, в случае, когда первый участок лежит по потоку перед вторым участком, например, как показано на фиг. 1, поскольку в этом случае газ на первом участке, как и следует ожидать, является более горячим, чем на втором участке. Например, первый участок 20 может иметь по меньшей мере одно ребро 22, которое по меньшей мере на 10%, по меньшей мере на 20%, по меньшей мере на 50% или даже по меньшей мере на 100% выше каждого ребра 22’ второго участка 20’.

Ребра 22, соответственно, 22’ каждого участка плотно расположены в примере, согласно фиг. 12. Например, расстояния между соседними ребрами участка меньше по сравнению с измеренной поперек продольного направления толщиной ребер. В качестве альтернативного решения или дополнительно, по меньшей мере в одном или даже в каждом месте первого и/или второго участка заданная комбинированная в соответствующем месте поверхность поперечного сечения всех ребер больше комбинированной поверхности поперечного сечения образованных между ребрами каналов. Комбинированная поверхность поперечного сечения ребер, соответственно, каналов является суммой поверхностей поперечного сечения отдельных ребер, соответственно, каналов в соответствующем месте, т.е. в соответствующей трансверсальной плоскости.

Поясненные применительно к фиг. 12 признаки можно аналогично переносить на каждый из вариантов выполнения, согласно фиг. 1-10. Например, в случае концентрического выполнения, согласно фиг. 7, для создания турбулентностей может быть предпочтительным, что ребра 22 первого участка 20 имеют большую высоту, т.е. больший радиальный размер, чем ребра 22’ второго участка 20’. В этом случае расстояние от оси 16 симметрии вращения до ребра 22 первого участка меньше расстояния от оси 16’ симметрии вращения до ребра 22’.

В каждом из поясненных здесь вариантов выполнения, ребра 22 проходят в трансверсальном направлении внутри полого пространства 14, 14’, однако не обязательно до противоположно лежащей поверхности полого пространства. Другими словами, может быть предусмотрено, что по меньшей мере одно ребро или даже каждое из ребер 22’ выступает в трансверсальном направлении в полое пространство 14, 14’, без упора в другой твердый структурный элемент. Таким образом, каждое из ребер имеет лишь одну сплошную поверхность, но не несколько, по которой проходит поток текучей среды. Поэтому ребра можно называть также плавниками. В частности, может быть предусмотрено, что все полое пространство 14, 14’ является связанной пространственной зоной. Это обеспечивает возможность образования относительно больших пространственных турбулентностей и хорошего переноса тепла внутри потока текучей среды.

Раскрытые в приведенном выше описании, на чертежах, а также в формуле изобретения признаки изобретения могут быть существенными для реализации изобретения как по отдельности, так и в любой комбинации. «Несколько» означает по меньшей мере «два». Для каждого поясненного относительно отдельного ребра 22 или 22’ признака справедливо, что может быть предпочтительным, что несколько или множество или все ребра 22, соответственно, 22’ имеют соответствующий признак. Кроме того, для каждого поясненного относительно отдельного канала 26 или 26’ признака справедливо, что может быть предпочтительным, что несколько или множество или все каналы 26, соответственно, 26’ имеют соответствующий признак.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ

12 Первый сегмент

12’ Второй сегмент

14 Полое пространство

14’ Полое пространство

16 Ось симметрии вращения

16’ Ось симметрии вращения

22 Ребро

22’ Ребро

20 Первый участок

20’ Второй участок

24 Тело сегмента

24’ Тело сегмента

26 Канал

26’ Канал

30 Ось

32 Внутренняя направляющая

34 Концевой элемент

36 Продольное направление

38 Внутреннее пространство

40 Зона сгорания

42 Выход

44 Донная поверхность

46 Зона дна

48 Боковая поверхность

Изобретение относится к теплообменнику (10), внутренняя боковая поверхность (20, 20’) теплоотводящего тела (12, 12’) имеет: первый участок (20), содержащий по меньшей мере два ребра (22), которые смещены трансверсально относительно друг друга; и примыкающий к первому участку (20) второй участок (20’), содержащий по меньшей мере два ребра (22’), которые трансверсально смещены относительно друг друга. По меньшей мере одно ребро (22’) второго участка (20’) трансверсально смещено относительно каждого ребра (22) первого участка (20), или по меньшей мере одно ребро (22) первого участка (20) трансверсально смещено относительно каждого ребра (22’) второго участка (20’), причем между по меньшей мере двумя ребрами (22’) второго участка (20’) выполнен канал (26’), и причем ребро (22) первого участка (20) полностью перекрывает канал (26’) второго участка (20’). Кроме того, изобретение относится к способу изготовления такого теплообменника. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Теплообменник (10), содержащий внутреннюю направляющую (32) для направления текучей среды и теплоотводящее тело (12, 12’) для отвода тепла текучей среды, при этом теплоотводящее тело (12, 12) имеет проходящее в продольном направлении полое пространство (14, 14’), внутри которого проходит по меньшей мере один концевой элемент (34) внутренней направляющей (32), при этом концевой элемент (34) имеет входное отверстие (42), которое обращено к донной поверхности (44) полого пространства (14, 14’), для направления текучей среды в зону (46) дна полого пространства (14, 14’), при этом между наружной боковой поверхностью (48) внутренней направляющей (32) и внутренней боковой поверхностью (20, 20’) теплоотводящего тела (12, 12’) образовано проточное пространство для направления текучей среды из зоны (46) дна, при этом проточное пространство проходит в продольном направлении (36), отличающийся тем, что внутренняя боковая поверхность (20, 20’) теплоотводящего тела (12, 12’) имеет:

- первый участок (20), содержащий по меньшей мере два ребра (22), которые смещены трансверсально относительно друг друга; и

- примыкающий к первому участку (20) второй участок (20’), содержащий по меньшей мере два ребра (22’), которые трансверсально смещены относительно друг друга;

при этом по меньшей мере одно ребро (22’) второго участка (20’) трансверсально смещено относительно каждого ребра (22) первого участка (20) или при этом по меньшей мере одно ребро (22) первого участка (20) трансверсально смещено относительно каждого ребра (22’) второго участка (20’),

причем между по меньшей мере двумя ребрами (22’) второго участка (20’) выполнен один канал (26’), и

причем ребро (22) первого участка (20) полностью перекрывает канал (26’) второго участка (20’).

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что теплоотводящее тело (12, 12’) имеет:

- литой или прессованный первый сегмент (12) с первым участком (20) и

- литой или прессованный второй сегмент (12’) со вторым участком (20’).

3. Теплообменник по п. 2, отличающийся тем, что первый сегмент и второй сегмент являются конструктивно одинаковыми.

4. Теплообменник по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что каждое ребро (22) первого участка (20) проходит до проходящего между двумя соседними ребрами (22’) второго участка (20’) канала (26’).

5. Теплообменник по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что между двумя соседними ребрами (22) первого участка (20) проходит соответствующий канал, который проходит до ребра (22’) второго участка (20’).

6. Теплообменник по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что теплоотводящее тело (12, 12’) или по меньшей мере его внутренняя боковая поверхность (20, 20’) иметь ось (16) симметрии вращения.

7. Теплообменник по п. 6, отличающийся тем, что первый и второй участки имеют по N ребер, при этом положение i-го ребра первого участка (20) имеет азимутальный угол 360°/N⋅i, где i=0,…,N-1, и при этом имеется постоянная α в интервале (0;1/2], так что положение j-го ребра второго участка (20’) имеет азимутальный угол 360°/N⋅(j+α), где j=0,…,N-1.

8. Теплообменник по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что ребра (22) первого участка (20) и ребра (22’) второго участка (20’) являются удлиненными и проходят в продольном направлении.

9. Теплообменник по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что ребра (22) первого участка (20) и ребра (22’) второго участка (20’) проходят в продольном направлении по всему соответствующему участку.

10. Теплообменник по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что труба содержит камеру сгорания или сообщается с камерой сгорания.

11. Теплообменник по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что внутренняя боковая поверхность (20, 20’) теплоотводящего тела (12, 12’) дополнительно имеет:

- примыкающий ко второму участку (20’) третий участок (20”) по меньшей мере с двумя трансверсально смещенными относительно друг друга ребрами (22”), при этом по меньшей мере одно ребро (22”) третьего участка (20”) трансверсально смещено относительно каждого ребра (22”) второго участка (20”), или при этом по меньшей мере одно ребро (22’) второго участка (20’) трансверсально смещено относительно каждого ребра (22”) третьего участка (20’).

12. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что ребра (22’) второго участка (20’) образуют несколько каналов (26’), причем каждое ребро (22) первого участка (20) полностью перекрывает канал (26’) второго участка (20’).

13. Способ изготовления теплообменника (10) по любому из пп. 1-12, содержащий следующие стадии:

- изготовление первого сегмента (12), который имеет первый участок (20);

- изготовление второго сегмента (12’), который имеет второй участок (20’); и

- сборку первого сегмента (12) и второго сегмента (12’).

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что изготовление первого и второго сегментов (12, 12’) включает:

- отливку первого и второго сегментов (12, 12’).

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что отливка первого и второго сегментов (12, 12’) включает:

- отливку первого или второго сегмента (12, 12’) в одной литейной форме с последующей

- отливкой второго или соответственно первого сегмента (12, 12’) в той же литейной форме.

16. Способ по любому из пп. 13-15, отличающийся тем, что сборка первого сегмента (12) и второго сегмента (12’) включает:

- сварку первого сегмента (12) и второго сегмента (12’).