Теплообменник
Изобретение касается теплообменника, предпочтительно для автомобилей, содержащего корпус (11) теплообменника, первый канал (18) для текучей среды, по которому протекает первая текучая среда (12), второй канал (36) для текучей среды, по которому протекает вторая текучая среда (14), причем одна из этих первой (12) и второй (14) текучих сред теплее, чем другая из этих первой (12) и второй (14) текучих сред, причем после попадания в область теплообмена имеет место передача тепла (30) от более теплой текучей среды (14) к более холодной текучей среде (12) в этой области теплообмена, причем первый канал (18) для текучей среды и второй канал (36) для текучей среды в области теплообмена имеют по меньшей мере две общие области с (25) однонаправленными потоками и одну общую область (27) с противотоком, расположенную между указанными областями (25) с однонаправленным потоком, или по меньшей мере две общие области (27) с противотоком и одну общую область (25, 125, 225) с однонаправленным потоком, расположенную между указанными областями (27) с противотоком. 14 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение касается теплообменника, в частности цилиндрического теплообменника, предпочтительно для безрельсовых транспортных средств.
Цилиндрические теплообменники известны, например, из DE 10223788 C1. Через такой цилиндрический теплообменник вдоль его продольной оси во внешней области в продольном направлении проходят трубы, которые проводят первую текучую среду. Во внутренней области теплообменника проводится вторая текучая среда. Во внешней области в окружающей трубы полости имеет место обратный поток второй текучей среды. При этом в указанной окружающей полости в каждом случае вторая текучая среда направляется посредством направляющих текучую среду стенок перпендикулярно указанным трубам, причем теплопередача по принципу противотока чередуется с теплопередачей по принципу перекрестного тока.
Системы с чисто однонаправленными потоками в общем имеют относительно плохую теплопередачу. У установок с чистым противотоком возникают наслоения, ухудшающие теплопередачу.
Задача данного изобретения заключается в создании теплообменника, который обеспечивает эффективную теплопередачу от первой текучей среды к второй текучей среде.
Эта задача решается теплообменником с признаками независимого п. 1 формулы изобретения.
Теплообменник с корпусом теплообменника, предпочтительно для автомобиля, содержит первый канал для текучей среды, по которому протекает первая текучая среда, и второй канал для текучей среды, по которому протекает вторая текучая среда. Одна из указанных первой и второй текучих сред теплее, чем другая из указанных первой и второй текучих сред, причем после попадания в область теплообмена теплообменника происходит теплопередача от более теплой текучей среды к более холодной текучей среде в этой области теплообмена. Первый канал для текучей среды и второй канал для текучей среды в указанной области теплообмена имеют при этом по меньшей мере две общие области с однонаправленным потоком и одну общую область с противотоком, расположенную между этими областями с однонаправленным потоком, или по меньшей мере две общие области с противотоком и одну общую область с однонаправленным потоком, расположенную между этими областями с противотоком. За счет наличия таких чередующихся областей с противотоком и областей успешно обеспечивается эффективная теплопередача от первой текучей среды к второй текучей среде или наоборот. Область теплообмена при этом является общей областью теплообменника, в которой тепло от первой текучей среды передается второй текучей среде технически целесообразным способом, в частности это та область, в которой первый канал для текучей среды и второй канал для текучей среды имеют общею стенку. Общий коэффициент теплопроводности в таком смешанном устройстве из чередующихся областей с однонаправленным потоком и областей с противотоком выше, чем в установках, работающих только по принципу однонаправленных потоков или только по принципу противотока потоков текучей среды в каналах друг относительно друга. Корпус теплообменника может быть выполнен, в частности, цилиндрическим или пластинчатым, причем при цилиндрическом выполнении одна из обеих текучих сред проходит внутри цилиндра, а другая из обеих текучих сред проходит во внешней области этого цилиндра. Но корпус теплообменника может иметь и коническую форму. Если теплообменник выполнен пластинчатым, то течение первой текучей среды происходит по одной стороне пластины, а течение второй текучей среды - по другой стороне этой пластины. Для обеспечения обмена между одной из областей с противотоком и одной из областей с однонаправленным потоком изменяют направление по меньшей мере одной из текучих сред в области переключения. Область переключения может быть расположена внутри или вне области теплообмена. Если эта область переключения располагается в области теплообмена, то одновременно происходит теплопередача по принципу перекрестного тока, соответственно, теплопередача в системе перекрестных потоков. Кроме того, предпочтительно тем самым достигается компактность конструкции, так как за счет таких поворотов может быть получена большая область теплообмена. Может быть предусмотрено, что первая текучая среда является жидкостью, в частности охлаждающим средством, предпочтительно водой или водно-гликолевой смесью, а вторая текучая среда представляет собой газ, предпочтительно отработавший газ или воздух. Но может быть и так, что первая текучая среда является газом, а вторая текучая среда - жидкостью. Предпочтительно первая текучая среда представляет собой горячий отработавший газ или первичный воздух из камеры сгорания. Кроме того, может быть предусмотрено, что обе текучие среды являются жидкими, или обе текучие среды являются газообразными. Разумеется, описываемый здесь теплообменник может быть заключен в кожух и иметь по меньшей мере один первый подвод текучей среды и по меньшей мере один второй подвод текучей среды, а также по меньшей мере один первый отвод текучей среды и один второй отвод текучей среды. Может быть предусмотрено, что первая текучая среда через первый подвод текучей среды течет в первый канал для текучей среды, и эта первая текучая среда через первый отвод текучей среды вытекает из первого канала для текучей среды. Может быть предусмотрено, что вторая текучая среда через второй подвод текучей среды течет во второй канал для текучей среды, и эта вторая текучая среда через второй отвод текучей среды вытекает из второго канала для текучей среды. Может быть предусмотрено множество первых каналов для текучей среды и/или вторых каналов для текучей среды.
Может быть предусмотрено, что между первым каналом для текучей среды и вторым каналом для текучей среды расположена разделительная стенка для текучей среды, причем эта разделительная стенка для текучей среды предпочтительно имеет постоянную толщину, в частности постоянную толщину стенки в указанной области теплообмена. При этом технологически обусловленное колебание толщины стенки до 15% включено в определение «постоянная толщина», однако, не является конструктивно предусмотренным, т.е. запланированным колебанием или изменением толщины по ходу этой разделительной стенки для текучей среды. Предпочтительно рассматривать в качестве допустимого для постоянной толщины технологически обусловленное колебание толщины лишь до 10%. За счет постоянной толщины стенки удается предотвратить скопления материала в разделительной стенке для текучей среды, приводящее к нестабильности в теплопроводности этой разделительной стенки для текучей среды. Кроме того, это благоприятным образом облегчает изготовление теплообменника. Другими преимуществами постоянной толщины стенки являются уменьшение образования усадочных раковин, снижение напряжений в материале и тем самым больший срок службы теплообменника. Предпочтительно теплообменник изготовлен из алюминия или алюминиевого сплава, однако, теплообменник может быть выполнен и из других материалов, которые пригодны для теплопередачи, например, меди или железа, или их сплавов. В частности, теплообменник представляет собой литое изделие, причем теплообменник предпочтительно изготовлен методом непрерывного литья. Благодаря постоянной толщине стенки охлаждение теплообменника в процессе изготовления происходит быстрее и равномернее. За счет этого можно с успехом сократить время изготовления.
Может быть предусмотрено, что первая текучая среда последовательно протекает через первую из по меньшей мере двух областей с однонаправленным потоком, первую область с противотоком и вторую из по меньшей мере двух областей с однонаправленным потоком. Может быть предусмотрено, что первая текучая среда последовательно протекает через первую из по меньшей мере двух областей с противотоком, первую область с однонаправленным потоком и вторую из по меньшей мере двух областей с противотоком. Также может быть предусмотрено, что первая текучая среда протекает через дополнительные области с однонаправленным потоком и области с противотоком в чередующийся последовательности. В частности, может быть предусмотрено, что первая текучая среда делится на первый частичный поток текучей среды и второй частичный поток текучей среды, причем первый частичный поток текучей среды и второй частичный поток текучей среды с чередованием направляются через области с однонаправленным потоком и области с противотоком. Благодаря этому достигается повышение теплопередачи от первой текучей среды к второй текучей среде. Особенно предпочтительно, если первая текучая среда в каждой области частичного потока проходит по четыре области с противотоком и по три области с однонаправленным потоком прежде, чем оба эти частичных потока первой текучей среды будут сведены вместе и подведены к одному выпускному отверстию. Разумеется, могут быть предусмотрены и другие количества областей с однонаправленным потоком и областей с противотоком. В частности, в чередовании друг с другом могут быть размещены восемь, десять, двенадцать, четырнадцать или шестнадцать областей с противотоком и соответствующее число областей с однонаправленным потоком, причем эти чередующиеся последовательно друг с другом области предпочтительно вместе образуют боковую поверхность цилиндра.
Может быть предусмотрено, что области с противотоком и области с однонаправленным потоком расположены между зоной дна и зоной крышки корпуса теплообменника. При этом может быть предусмотрено, что участки противотока и участки однонаправленного потока проходят перпендикулярно зоне дна и соответственно зоне крышки.
Может быть предусмотрено, что область переключения расположена между областью с противотоком и областью с однонаправленным потоком в зоне дна и/или зоне крышки.
Может быть предусмотрено, что впускное и выпускное отверстия для первой текучей среды вместе расположены в зоне дна или зоне крышки. За счет этого может быть благоприятным образом уменьшено конструктивное пространство для присоединительных трубопроводов.
Может быть предусмотрено, что впускное и выпускное отверстия для второй текучей среды вместе расположены в зоне дна или зоне крышки.
Может быть предусмотрено, что впускное и выпускное отверстия для второй текучей среды представляют собой одно общее отверстие.
Может быть предусмотрено, что первый канал для текучей среды в области с противотоком имеет первый контур, а в области с однонаправленным потоком имеет второй контур, причем первый контур и второй контур расположены предпочтительно в области теплообмена. В качестве контура следует понимать внутреннюю стенку первого канала для текучей среды, задающую направление первой текучей среде, в частности, под этим контуром следует понимать проходную площадь поперечного сечения первого канала для текучей среды. Предпочтительно может быть предусмотрено, что первый контур и второй контур в области теплообмена проходят параллельно друг другу, так что направление течения первой текучей среды в системе с однонаправленным потоком и направление течения первой текучей среды в системе с противотоком проходят противоположно, но параллельно друг другу. Первый контур и/или второй контур могут иметь квадратное, прямоугольное, треугольное, трапециевидное, круглое, эллиптическое поперечное сечение или любую комбинацию таких поперечных сечений. Может быть предусмотрено, что первый канал для текучей среды и/или второй канал для текучей среды имеют извилистую форму, причем может быть предусмотрено, что такая извилистая форма имеет по меньшей мере один изгиб или одну кромку. Разумеется, что и второй канал для текучей среды или в порядке альтернативы только второй канал для текучей среды имеет контуры, для которых справедливо сказанное выше.
Предпочтительно может быть предусмотрено, что первый канал для текучей среды имеет по меньшей мере один участок противотока и по меньшей мере один участок однонаправленного потока, причем этот участок противотока определен как участок первого канала для текучей среды, по которому первая текучая среда течет в противоположном направлении относительно второй текучей среды, и при этом участок однонаправленного потока определен как участок первого канала для текучей среды, по которому первая текучая среда течет в том же направлении, что и вторая текучая среда. Также может быть предусмотрено, что участок противотока и участок однонаправленного потока находятся в соединении по текучей среде.
Также может быть предусмотрено, что между двумя соседними участками канала - участком противотока и участком однонаправленного потока - установлен разделитель потока, причем этот разделитель потока предпочтительно представляет собой ребро в канале. Благодаря этому может быть успешно обеспечена теплопередача между первой текучей средой и второй текучей средой или между первой текучей средой в участке противотока и первой текучей средой в участке однонаправленного потока. Кроме того, предпочтительно возможно простое моделирование теплопередачи от первой текучей среды во вторую текучую среду или от первой текучей среды в участке противотока и первой текучей среды в участке однонаправленного потока. Разделитель потока может быть выполнен массивным или полым. Может быть предусмотрено, что этот разделитель потока имеет высокую теплопроводность, причем эта теплопроводность предпочтительно выше, чем теплопроводность чистого железа, предпочтительно латуни, особенно предпочтительно чистого алюминия, так что предпочтительно может происходить выравнивание температур между первой текучей средой в участке однонаправленного потока и первой текучей средой в участке противотока или между первой текучей средой и второй текучей средой. Может быть также предусмотрено, что разделитель потока имеет незначительную теплопроводность, которая предпочтительно меньше, чем теплопроводность чистого железа, так что будет передаваться минимальное количество тепла от первой текучей среды в участке противотока во вторую текучую среду в участке однонаправленного потока или наоборот.
Предпочтительно может быть предусмотрено, что второй канал для текучей среды по меньшей мере частично расположен в разделителе потока. За счет этого предпочтительно обеспечивается интенсивная теплопередача от второй текучей среды к первой текучей среде или наоборот. Может быть также предусмотрено, что второй канал для текучей среды расположен только в каждом втором или третьем разделителе потока, или по меньшей мере частично еще реже.
Может быть предусмотрено, что разделитель потока имеет постоянную толщину стенки, так что предотвращаются скопления материала и тем самым непостоянный характер теплопроводности в разделителе потока. За счет этого может быть повышена теплопроводность теплообменника в целом.
Также может быть предусмотрено, что предусмотрена расположенная между первым каналом для текучей среды и вторым каналом для текучей среды разделительная стенка для текучей среды, причем разделительная стенка для текучей среды предпочтительно имеет цилиндрическую основную форму, и при этом разделитель потока образует часть разделительную стенку для текучей среды. Разделительная стенка для текучей среды предпочтительно является частью корпуса теплообменника, причем эта разделительная стенка для текучей среды предпочтительно расположена между зоной дна и зоной крышки корпуса теплообменника. Благодаря этому теплообменник может быть выполнен компактным. Кроме того, обеспечивается более экономичное изготовление, причем, например, теплообменник может быть изготовлен целиком методом глубокой вытяжки. Разумеется, теплообменник может быть выполнен в виде единого целого. В частности, можно избежать использования насаживаемых направляющих структур и тем самым неблагоприятных в отношении теплотехники соединительных средств для соединения таких насаживаемых направляющих структур с теплообменником.
Предпочтительно может быть предусмотрено, что разделитель потока представляет собой обращенную наружу часть разделительной стенки. В порядке альтернативы может быть предусмотрено, что разделитель потока является обращенной внутрь частью разделительной стенки. Разделитель потока предпочтительно может иметь скругленную или острую форму.
Особенно предпочтительно может быть предусмотрено, что в первом канале для текучей среды расположены перепускные кромки, так что первая текучая среда в первом канале для текучей среды завихряется. Благодаря этому обеспечивается более интенсивная теплопередача вследствие предотвращения наслоений текучей среды. Перепускные кромки могут представлять собой удлинения разделителей потоков, причем эти перепускные кромки занимают лишь часть поперечного сечения первого канала для текучей среды. За счет этого обеспечивается особенно простое изготовление теплообменника.
В частности, может быть предусмотрено, что перепускные кромки расположены в области переключения между областью с противотоком и областью с однонаправленным потоком. Однако, в порядке альтернативы или дополнительно может быть предусмотрено, что эти перепускные кромки расположены в областях с противотоком или в областях с однонаправленным потоком. Может быть также предусмотрено, что перепускные кромки предусмотрены только в области переключения. За счет их расположения в области переключения достигается особенно благоприятное перемешивание холодных и горячих слоев первой текучей среды в этой области переключения, причем тем самым может быть улучшена теплопередача между первой текучей средой и стенкой первого канала для текучей среды, причем предпочтительно в более длинных участках однонаправленных потоков или, соответственно, участках противотока, которые предпочтительно образуют систему с противотоком, соответственно, систему с однонаправленным потоком, может возникать ламинарное течение, соответственно, слоистое течение, так что могут иметь место предпочтительные незначительные потери на трение в текучей среде и обеспечиваться более высокая скорость течения.
Разумеется, изложенное выше для первого канала для текучей среды точно так же может быть отнесено и к второму каналу для текучей среды, не выходя за рамки данного изобретения.
На прилагаемых чертежах показано следующее:
Фиг. 1a - схематично, вид теплообменника согласно первому примеру осуществления;
Фиг. 1b - вид в разрезе по линии B-B теплообменника согласно первому примеру осуществления;
Фиг. 1c - схематично, вид теплообменника согласно одному варианту, отличному от первого примера осуществления;
Фиг. 2a - вид сверху теплообменника согласно второму примеру осуществления с множеством участков стенки по Фиг. 1a и 1b в цилиндрической конструкции;
Фиг. 2b - угловой участок согласно второму примеру осуществления по Фиг. 2a;
Фиг. 3a - вид изнутри корпуса теплообменника согласно третьему примеру осуществления;
Фиг. 3b - вид в разрезе разделительной стенки для текучей среды теплообменника согласно третьему примеру осуществления;
Фиг. 3c - кожух теплообменника согласно третьему примеру осуществления.
В приведенном ниже описании чертежей одними и теми же ссылочными позициями обозначены одинаковые или сравнимые компоненты. Разумеется, такие обозначения, как наверху, внизу, слева, справа и т.п. всегда относятся только к рассматриваемым в данный момент чертежам, и возможны также другие указания направления или места путем поворота и зеркального отображения показанных примеров осуществления.
На Фиг. 1a схематично представлен первый пример осуществления теплообменника 10 согласно изобретению, причем показана первая схема участка прохождения потока первой текучей среды 12 и второй текучей среды 14 в корпусе 11 теплообменника. Представленный на Фиг. 1a пример осуществления может рассматриваться, в частности, как схематичный вид сбоку повторяющегося участка стенки корпуса 11 теплообменника, причем этот участок стенки может быть частью изогнутой наружной стенки предпочтительно цилиндрического корпуса 11 теплообменника. Представленный участок стенки может быть, однако, и не изогнутой перегородкой между двумя плоскими проточными каналами теплообменника, проходящими параллельно друг другу и расположенными рядом друг с другом. В частности, на Фиг. 1a показана составная область теплообмена данного примера осуществления, причем на Фиг. 1a показана область 25 с однонаправленным потоком и область 27 с противотоком, которые соединены по текучей среде через область 34 переключения, в которой первая текучая среда совершает изменение направления в данном случае в совокупности на 180°.
На Фиг. 1b показан вид в разрезе по линии B-B представленного на Фиг. 1a теплообменника.
Первая текучая среда 12 течет вдоль первого пути 16 движения потока в первом канале 18 для текучей среды и следует при этом проходящему вокруг разделителей 20 потока контуру первого канала 18 для текучей среды. Первый путь 16 движения потока соответствует осредненному прохождению линий потока первой текучей среды 12 через первый канал 18 для текучей среды. Понятно, что в первом канале 18 для текучей среды может быть размещено по меньшей мере два разделителя 20 потока или множество разделителей 20 потока. В частности, последовательно может быть подключено множество показанных на Фиг. 1a участков прохождения потока первой текучей среды 12. Понятно, что и впуск первой текучей среды 12 может осуществляться сверху или снизу показанного на Фиг. 1a устройства.
Может быть предусмотрено, что показанная на Фиг. 1a конструкция, повторяясь, продолжена вправо и, отражаясь, влево, так что один первый канал 18 для текучей среды проходит вправо, и еще один первый канал 18 для текучей среды проходит влево, и первая текучая среда 12 соответственно течет направо и налево вдоль путей 16 движения потока. Такая конструкция показана на Фиг. 1c. При этом для первой текучей среды 12 может быть предусмотрено общее впускное отверстие 60 для обоих первых каналов 18 для текучей среды. В том случае, если теплообменник выполнен цилиндрическим, может быть предусмотрено, что оба эти первых канала 18 для текучей среды имеют и общее выпускное отверстие 12 для выпуска первой текучей среды из области теплообмена.
Вторая текучая среда 14 на Фиг. 1a течет сверху мимо первого канала 18 для текучей среды во втором канале 36 для текучей среды, причем второй путь 22 движения потока второй текучей среды 14 показан стрелкой. На представленном виде сбоку второй канал 36 для текучей среды расположен за первым каналом 18 для текучей среды. Второй путь 22 движения потока соответствует осредненному направлению линий потока второй текучей среды 12. Понятно, что направления течения в данном случае показаны лишь приблизительно, в качестве примера.
Первый канал 18 для текучей среды имеет участок 24 однонаправленного потока и участок 26 противотока. Участок 24 однонаправленного потока характеризуется тем, что путь 16 движения потока первой текучей среды 12 проходит параллельно пути 22 движения потока второй текучей среды 14. Участок 26 противотока характеризуется тем, что путь 16 движения потока первой текучей среды 12 проходит противоположно пути 22 движения потока второй текучей среды 14. Первый канал 18 для текучей среды и второй канал 36 для текучей среды имеют общую разделительную стенку 28 для текучей среды. Часть разделительной стенки 28 для текучей среды образована разделителем 20 потока, соответственно, множеством разделителей 20 потока. Через разделительную стенку 28 для текучей среды и разделитель 20 потока происходит передача тепла 30. Участвующие в передаче тепла 30 участки первого канала 18 для текучей среды и второго канала 36 для текучей среды совместно образуют область теплообмена теплообменника. Понятно, что область теплообмена может содержать также области, не связанные друг с другом по текучей среде.
В данном примере осуществления первая текучая среда 12 является жидким охлаждающим средством. Может быть также предусмотрено, что первая текучая среда 12 является жидкостью, в частности водой или водно-гликолевой смесью. Вторая текучая среда 14 является газом, предпочтительно воздухом или отработавшим газом двигателя внутреннего сгорания. Первая текучая среда 12 имеет более низкую температуру, чем вторая текучая среда 14. За счет передачи тепла 30 в данном случае тепло от первой текучей среды 12 передается во вторую текучую среду 14. Понятно, что при обратном соотношении температур между первой и второй текучей средой может иметь место передача тепла 30 и от второй текучей средой 14 к первой текучей среде 12.
Разумеется, кромки разделителей 20 потока могут быть выполнены не только острыми, но и предпочтительно скругленными, так что сопротивление потоку в первом канале 18 для текучей среды может быть снижено. Еще одно преимущество состоит в том, что за счет скругленных кромок и граней получается меньше мертвых зон для потока первой текучей среды 12 и второй текучей среды 14, причем достигается улучшенное полнообъемное перемешивание первой текучей среды 12, в частности при имеющейся турбулентности.
Передача тепла 30 между первой текучей средой 12 и корпусом 11 теплообменника, по существу образующим разделительную стенку 28 для текучей среды, оптимизируется предпочтительно за счет того, что в первом канале 18 для текучей среды расположена по меньшей мере перепускная кромка 32. Посредством этой перепускной кромки 32 поток первой текучей среды 12 завихряется. За счет этого достигается предпочтительно локальная турбулентность первой текучей среды 12, так что происходит перемешивание холодных и горячих слоев первой текучей среды 12. Разумеется, течение может быть турбулентным во всем первом канале 18 для текучей среды. Перепускная кромка 32 расположена в области 34 переключения между участком 24 однонаправленного потока и участком 26 противотока. Направление течения первой текучей среды 12 проходит в области 34 переключения поперечно второму пути 22 движения потока второй текучей среды 14. Через эту область 34 переключения участок 24 однонаправленного течения и участок 26 противотока связаны друг с другом по текучей среде. Может быть предусмотрено, что перепускная кромка 32 расположена параллельно направлению течения второй текучей среды 14. Может быть также предусмотрено, что перепускная кромка 32 расположена поперек направления течения первой текучей среды 12. Благодаря этому создается завихрение с осью, перпендикулярной направлению течения первой текучей среды 12, так что перемешивание слоев первой текучей среды 12 происходит предпочтительно по всей ширине первого канала 18 для текучей среды. Однако, может быть предпочтительным, расположить перепускную кромку 32 под углом к направлению течения первой текучей среды 12. Благодаря этому можно таким образом повлиять на ось возникающего завихрения, что скорость течения относительно одной из сторон первого канала 18 для текучей среды будет выше, чем относительно другой стороны первого канала 18 для текучей среды, так что вследствие возникающих в текучей среде напряжений сдвига происходит перемешивание первой текучей среды 12 предпочтительно поперек направления течения. Перепускная кромка 32 может быть расположена в участке 24 однонаправленного потока и/или в участке 26 противотока. В данном примере осуществления перепускная кромка 32 заделана в продолжении разделителя 20 потока первого канала 18 для текучей среды, причем на Фиг. 1b показано завихрение 16a первой текучей среды 12 вокруг этой перепускной кромки 32.
На Фиг. 1b показано, что второй канал для текучей среды может быть разделен на внешнюю частичную область 36a и внутреннюю частичную область 36b, причем внешняя частичная область 36a расположена в каждом разделителе 20 потока первого канала 18 для текучей среды, так что теплопередача может иметь место предпочтительно на большой площади между обеими текучими средами. Может быть предусмотрено, что вторая текучая среда 14 во внешней области 36a имеет направление течения, противоположное направлению течения второй текучей среды 14 во внутренней области 36b.
В данном примере осуществления установлено по одной перепускной кромке 32 в зоне 53 дна и в зоне 51 крышки корпуса 11 теплообменника.
На Фиг. 2a представлен в разрезе цилиндрический корпус 111 теплообменника и кожух 140 согласно второму примеру осуществления, при этом можно видеть поперечные сечения первого канала 118 для текучей среды и второго канала 136 для текучей среды. Кожух 140 вместе с разделительной стенкой 128 для текучей среды ограничивают первый канал 118 для текучей среды в области теплообмена. Первая текучая среда 112 и вторая текучая среда 114 по материалу отделены друг от друга разделительной стенкой 128 для текучей среды, причем разделители 120 потока выступают в наружном направлении от имеющего по существу цилиндрическую форму теплообменника из разделительной стенки 128 для текучей среды как часть этой разделительной стенки 128 для текучей среды. Разделители 120 потока имеют поперечное сечение в форме равнобедренной трапеции, однако они могут быть выполнены и полукруглыми или эллиптическими. Разделители 120 потока могут, однако, иметь формы, составленные из приведенных выше форм. Также может быть предусмотрено, что обращенная наружу внешняя сторона 120a разделителей 120 потока имеет форму трапеции, тогда как обращенная внутрь внутренняя сторона 120b выполнена в виде полуокружности или эллипса. Разумеется, и внешняя сторона 120a может быть выполнена в виде эллипса, а внутренняя сторона 120b - в форме трапеции. Второй канал 136 для текучей среды имеет по меньшей мере одну внешнюю частичную область 136a, которая расположена в одном из разделителей 120 потока. Внутренняя частичная область 136b второго канала 136 для текучей среды в области теплообмена соединена с первым каналом 118 для текучей среды лишь через промежуточную область 128a разделительной стенки 128 для текучей среды.
В данном примере осуществления изобретения имеется восемь разделителей 120 потока, которые на одинаковом расстоянии друг от друга вокруг центра выступают наружу из по существу цилиндрической разделительной стенки 128 для текучей среды. Однако может быть также предусмотрено большее или меньшее количество разделителей 120 потока. Предпочтительно это количество кратно двум, в частности четырем, так как в этом случае обеспечивается равномерная теплопередача. Угол α между двумя вершинами 138 двух соседних разделителей 120 потока будет соответственно больше или меньше. Разумеется, этот угол α между двумя разделителями 120 потока не должен быть непременно постоянным, а может изменяться по высоте теплообменника 110. Может быть также предусмотрено, что угол α, заключенный между двумя разделителями 120 потока, ограничивающими участок 124 с однонаправленным потоком, отличается по величине от другого угла α, заключенного между двумя разделителями 120 потока, ограничивающими участок 126 с противотоком. Область 127 с противотоком определяется углом α. Соответственно этому ограничивается область 125 с однонаправленным потоком. Подводы и отводы первой текучей среды и второй текучей среды не показаны. Может быть предусмотрено, что поперечное сечение второго канала 136 для текучей среды изменяется по ходу второго пути движения потока второй текучей среды 114. Может быть предусмотрено, что поперечное сечение второго канала 136 для текучей среды сужается, в частности в области отвода. Но может быть также предусмотрено, что вторая текучая среда во внутренней частичной области 136b втекает во второй канал 136 для текучей среды, а во внешней частичной области 136a вытекает из второго канала 136 для текучей среды. Может быть, однако, предусмотрено, что вторая текучая среда 114 из внутренней частичной области 136b вытекает из второго канала 136 для текучей среды, а втекает во внешней частичной области 136a второго канала 136 для текучей среды. В последних вариантах происходит поворот второй текучей среды 114 на 180° в зоне дна (не показано) корпуса 111 теплообменника.
На Фиг. 2b показан угловой участок, альтернативный представленному на Фиг. 2a второму примеру осуществления, при этом кожух 140 вычеканен с разделителями 120 потока в области 142 опирания. Кожух 140 в области 142 опирания может быть также соединен с разделителями 120 потока зажатием, сваркой или склеиванием. Корпус 111 теплообменника может быть, однако, лишь вдвинут в кожух 140 без создания фиксирующего соединения между кожухом 140 и корпусом 111 теплообменника. В порядке альтернативы или дополнения кожух 140 может быть соединен с разделителями 120 потока через Промежуточный слой, предпочтительно из полимера. Может быть также предусмотрено, что кожух 140 соединен с разделительной стенкой 128 для текучей среды иначе, чем это показано, или, дополнительно, перемычками или другими соединительными средствами. В частности, кожух 140 может также иметь перепускную кромку 132.
Предпочтительно предусмотрено, что кромки 144 разделительной стенки 128 для текучей среды, в частности разделителей 120 потока, скруглены. За счет этого создается скругленная форма разделительной стенки для текучей среды. В частности, благодаря этим скругленным кромкам 144 можно добиться того, что толщина 146 разделительной стенки 128 для текучей среды будет постоянной по всей стенке. За счет этого можно избежать скоплений материала, которые затрудняют передачу тепла и, соответственно, снижают эффективность теплопередачи.
На Фиг. 3a показан вид в разрезе корпуса 211 теплообменника, выполненного как цельная, цилиндрическая разделительная стенка 228 для обеих текучих сред 212, 214, согласно третьему примеру осуществления теплообменника 210, во внешней области которого предусмотрен первый канал 218 для текучей среды, а внутри выполнен второй канал 236 для текучей среды. Предусмотренное в показанном на Фиг. 3c кожухе 240 впускное отверстие 260 для первой текучей среды 212 служит в качестве подвода первой текучей среды 212 в камеру 252, которая предусмотрена в зоне 250 дна разделительной стенки 228 для текучей среды. Первая текучая среда 212 течет из камеры 252 в зоне 250 дна, вдоль не показанного на Фиг. 3a участка первого канала 218 для текучей среды в боковую область, причем в этой боковой области корпуса 211 теплообменника последовательно расположены множество областей с противотоком и областей с однонаправленным потоком в соответствии с первым примером осуществления. При этом показана одна перепускная кромка 232, через которую уходит первая текучая среда 212. Течение первой текучей среды 212 на Фиг. 3a показано ее путями 216 движения потока. Разумеется, толщина стенки корпуса 211 теплообменника может быть постоянной.
Согласно Фиг. 3b теплообменник 210 и, соответственно, разделительная стенка 228 для текучей среды имеют шестнадцать разделителей 220 потока, которые с равномерным распределением расположены вокруг центральной оси 254 теплообменника 210. Выполненные в виде наружных карманов разделители 220 потока образуют внешние частичные области 236a второго канала 236 для текучей среды, причем обращенные внутрь к центральной оси 254 плоскости 256 разделителей 220 потока совместно образуют внутреннюю частичную область 236b второго канала 236 для текучей среды, выполненную в виде цилиндрического внутреннего канала.
Вторая текучая среда 214 втекает во второй канал 236 для текучей среды - на Фиг. 3a слева от зоны 251 крышки, попадая в расположенную вокруг центральной оси 254 цилиндрическую внутреннюю область 236b, при этом течение второй текучей среды 214 на Фиг. 3a обозначено путями 217 движения потока. В частности, второй канал 236 для текучей среды имеет дно 256 в форме шарового сегмента, на которое течет вторая текучая среда 214, причем выступы дна 256, имеющего форму шарового сегмента, проходят от внутренней частичной области 236b во внешние частичные области 236a, в данном случае в шестнадцать внешних частичных областей 236a, в разделителях 220 потока. Вторая текучая среда 214 течет далее из внутренней частичной области 236b к имеющему форму шарового сегмента дну 256, там дважды меняет свое направление на 90°, в сумме на 180°, и течет во внешних частичных областях 236a между двумя разделителями 220 потока обратно к зоне 251 крышки. Полусферическая форма дна 256 способствует при этом отклонению второй текучей среды 214 во внешние частичные области 236a. Между текущей во внешней частичной области 236a второй текучей средой 214 и первой текучей средой 212 в первом канале 218 для текучей среды при этом происходит теплообмен, тогда как теплообмен между той частью второй текучей среды 214, которая течет во внешней частичной области 236a, и той частью второй текучей среды 214, которая течет во внутренней частичной области 236b, происходит за счет завихрения в краевом слое обоих этих частичных потоков. Чтобы предотвратить такое завихрение, можно использовать предпочтительно тонкую разделительную стенку (не показано) во втором канале 236 для текучей среды.
В представленном на Фиг. 3b разрезе подробно показаны пути 217 движения потока второй текучей среды 214, при этом текущая от зоны 251 крышки к зоне 250 дна текучая среда во внутренней частичной области 236b обозначена кружками с крестиком, и текущая от зоны 250 дна обратно к зоне 251 крышки текучая среда во внешних частичных областях 236a обозначена кружками с точкой. Разумеется, эти направления течения второй текучей среды могут проходить и наоборот. За счет этого можно благоприятным образом повысить разность температур между первой текучей средой 212 и второй текучей средой 214, так что можно обеспечить улучшенную теплопередачу.
На Фиг. 3c показан выполненный в виде цилиндра кожух 240 теплообменника 210, который в собранном состоянии расположен вокруг корпуса 211 теплообменника. Боковая поверхность 264 кожуха 240 прилегает к областям 242 опирания корпуса 211 теплообменника или прижимается к ним, так что первый канал для текучей среды образован между разделительной стенкой 228 для текучей среды и кожухом 240. Может быть также предусмотрено, что кожух 240 стянут с корпусом 211 теплообменника герметично для текучей среды. Кожух 240 имеет впускное отверстие 260 и выпускное отверстие 262 в зоне 250 дна теплообменника 210. Через это впускное отверстие 260 первая текучая среда 212 подается в первый канал 218 для текучей среды и течет там сначала в камеру 252. Затем первая текучая среда 212 течет через области 225 с однонаправленным потоком, области 227 с противотоком и области 234 переключения к выпускному отверстию 262. Может быть предусмотрено, что камера 252 имеет несколько отводов к боковым сторонам для первой текучей среды 212. Может быть также предусмотрено, что в боковой стороне имеется одно или несколько впускных отверстий, так что первая текучая среда 212 может сразу подаваться в первый канал 212 для текучей среды в боковой стороне. Если предусмотрено несколько впускных отверстий 260 и имеется множество первых каналов 218 для текучей среды, то первая текучая среда 212 может одновременно подаваться в несколько первых каналов 218 для текучей среды.
Перечень ссылочных позиций:
| 10, 110, 210 | теплообменник |
| 11, 111,211 | корпус теплообменника |
| 12, 112, 212 | первая текучая среда |
| 14, 114, 214 | вторая текучая среда |
| 16, 216 | первый путь движения потока |
| 16a | завихрение |
| 217 | второй путь движения потока |
| 18, 118, 218 | первый канал для текучей среды |
| 20, 120, 220 | разделитель потока |
| 20a, 120a, 220a | внешняя сторона разделителя потока |
| 20b, 120b, 220b | внутренняя сторона разделителя потока |
| 22, 122, 222 | второй путь движения потока |
| 24, 124 | участок однонаправленного потока |
| 25, 125, 225 | область с однонаправленным потоком |
| 26, 126 | участок противотока |
| 27, 127 | область с противотоком |
| 28, 128, 228 | разделительная стенка для текучей среды |
| 28a | промежуточная область |
| 30, 130, 230 | передача тепла |
| 32, 132, 232 | перепускная кромка |
| 34, 134, 234 | область переключения |
| 36, 136, 236 | второй канал для текучей среды |
| 36a, 136a, 236a | внешняя частичная область второго канала для текучей среды |
| 36b, 136b, 236b | внутренняя частичная область второго канала для текучей среды |
| 38, 138 | вершина |
| 140,240 | кожух |
| 142,242 | область опирания |
| 144 | кромки разделительной стенки для текучей среды |
| 146 | толщина стенки |
| 250 | зона дна |
| 251 | зона крышки |
| 252 | камера |
| 254 | центральная ось |
| 256 | дно |
| 258 | внешняя стенка |
| 260 | впускное отверстие |
| 262 | выпускное отверстие |
| 264 | боковая поверхность |
1. Теплообменник, предпочтительно для автомобилей, содержащий
- корпус (11, 111, 211) теплообменника, который выполнен предпочтительно цилиндрическим,
- первый канал (18, 118, 218) для текучей среды, предназначенный для протекания по нему первой текучей среды (12, 112, 212), и
- второй канал (36, 136, 236) для текучей среды, предназначенный для протекания по нему второй текучей среды (14, 114, 214),
- причем одна из этих первой (12, 112, 212) и второй (14, 114, 214) текучих сред теплее, чем другая из первой (12, 112, 212) и второй (14, 114, 214) текучих сред,
- причем при использовании теплообменника с первой текучей средой (12, 112, 212) и второй текучей средой (14, 114, 214) после попадания в область теплообмена имеет место передача тепла (30, 130) от более теплой текучей среды (14, 114, 214) к более холодной текучей среде (12, 112, 212) в этой области теплообмена, и
- причем первый канал (18, 118, 218) для текучей среды и второй канал для текучей среды (36, 136, 236) в области теплообмена имеют по меньшей мере две общие области (25, 125, 225) с однонаправленным потоком и одну общую область (27, 127, 227) с противотоком, расположенную между этими областями (25, 125, 225) с однонаправленным потоком, или по меньшей мере две общие области (27, 127, 227) с противотоком и одну общую область (25, 125, 225) с однонаправленным потоком, расположенную между этими областями (27, 127, 227) с противотоком.
2. Теплообменник (10, 110, 210) по п. 1, в котором первая из указанных по меньшей мере двух областей (25, 125, 225) с однонаправленным потоком, область (27, 127, 227) с противотоком и вторая из указанных по меньшей мере двух областей (25, 125, 225) с однонаправленным потоком в указанной последовательности соединены по текучей среде, так что обеспечено последовательное протекание первой текучей среды (12, 112, 212) по этим областям.
3. Теплообменник (10, 110, 210) по п. 1, в котором первая из указанных по меньшей мере двух областей (27, 127, 227) с противотоком, область (25, 125, 225) с однонаправленным потоком и вторая из указанных двух областей (27, 127, 227) с противотоком в указанной последовательности соединены по текучей среде, так что обеспечено последовательное протекание первой текучей среды (12, 112, 212) по этим областям.
4. Теплообменник (10, 110, 210) по любому из пп. 1-3, в котором области (27, 127, 227) с противотоком и области (25, 125, 225) с однонаправленным потоком расположены между зоной (50, 250) дна и зоной (51, 251) крышки.
5. Теплообменник (10, 110, 210) по п. 4, в котором в зоне (50, 250) дна и/или в зоне (51, 251) крышки расположена по меньшей мере одна область (34, 134, 234) переключения между областью (25, 125, 225) с противотоком и областью (27, 127, 227) с однонаправленным потоком.
6. Теплообменник (10, 110, 210) по п. 4, в котором в зоне (50, 250) дна или в зоне (51, 251) крышки вместе расположены впускное отверстие (260) и выпускное отверстие (262) для первой текучей среды (12, 112, 212).
7. Теплообменник (10, 110, 210) по п. 4, в котором в зоне (50, 250) дна или в зоне (51, 251) крышки вместе расположены впускное отверстие (260) и выпускное отверстие (262) для второй текучей среды (14, 114, 214).
8. Теплообменник (10, 110, 210) по любому из пп. 1-3, в котором первый канал (18, 118, 218) для текучей среды имеет по меньшей мере один участок (24) однонаправленного потока и по меньшей мере один участок (26) противотока, причем участок (24) однонаправленного потока и участок (26) противотока соединены по текучей среде.
9. Теплообменник (10, 110) по п. 8, в котором между соседними участками (24) однонаправленного потока и участками (26) противотока расположен разделитель (20, 120, 220) потока.
10. Теплообменник (10, 110, 210) по п. 9, в котором второй канал (36, 136, 236) для текучей среды по меньшей мере частично расположен в разделителе (20, 120, 220) потока.
11. Теплообменник (10, 110, 210) по п. 8, в котором корпус (11, 111, 211) теплообменника имеет разделительную стенку (28, 128, 228) для текучей среды, расположенную между первым каналом (18, 118, 218) для текучей среды и вторым каналом для текучей среды (36, 136, 236), причем разделительная стенка (28, 128, 228) для текучей среды имеет цилиндрическую основную форму, а разделитель (20, 120, 220) потока образует часть разделительной стенки (28, 128, 228) для текучей среды.
12. Теплообменник (10, 110, 210) по п. 11, в котором разделитель (20, 120, 220) потока представляет собой обращенную наружу часть разделительной стенки (28, 128, 228) для текучей среды.
13. Теплообменник (10, 110, 210) по любому из пп. 1-3, в котором корпус (11, 111, 211) теплообменника, в частности разделительная стенка (28, 128, 228) для текучей среды, имеет постоянную толщину (146) стенки, в частности, постоянную толщину (146) стенки в области теплообмена.
14. Теплообменник (10, 110) по любому из пп. 1-3, в котором в первом канале (18, 118, 218) для текучей среды расположены перепускные кромки (32, 232) для завихрения первой текучей среды (12, 112, 212).
15. Теплообменник (10, 110) по п. 14, в котором перепускные кромки (32, 232) расположены в области (34, 134, 234) переключения между областью (25, 125, 225) с однонаправленным потоком и областью (27, 127, 227) с противотоком, так что завихрение первой текучей среды имеет место в этой области (34, 134, 234) переключения.
