用于龍骨冷卻器的湍流增強(qiáng)器的制造方法
【專利說明】用于龍骨冷卻器的湍流增強(qiáng)器
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年3月14日提交的美國臨時(shí)申請N0.61/784，977的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時(shí)申請被通過引用全部結(jié)合到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及船舶龍骨冷卻器中的傳熱的改進(jìn)，并且特別涉及增強(qiáng)流經(jīng)龍骨冷卻器冷卻劑管的內(nèi)部冷卻劑的傳熱。
【背景技術(shù)】
[0004]海運(yùn)船舶中的發(fā)熱源常常通過水、其它流體、或與其它流體混合的水進(jìn)行冷卻。在海運(yùn)船舶中，冷卻流體或冷卻劑流過發(fā)動機(jī)或冷卻劑在那里獲得熱量的其它發(fā)熱源并且隨后流到管道回路的另一部分。熱量必須被從冷卻劑傳遞到周圍環(huán)境，例如船舶位于其中的水體。對于具有舷外馬達(dá)的小型船舶，被栗送通過該發(fā)動機(jī)的陰冷的環(huán)境水是足夠多的冷卻劑。然而，在船舶電力需求量變大時(shí)，特別是在環(huán)境水是腐蝕性的海水和/或攜帶磨肩的情況下，被栗送通過該發(fā)動機(jī)的環(huán)境水作為重要的污染損壞源。
[0005]已經(jīng)研發(fā)出多種用于冷卻海運(yùn)船舶的發(fā)動機(jī)和其它熱源的設(shè)備。在閉環(huán)管道回路中使用冷卻劑的一個(gè)這種設(shè)備是龍骨冷卻器。超過70年以前研發(fā)出龍骨冷卻器，用于附接于海運(yùn)船體結(jié)構(gòu)，它的示例在美國專利N0.2, 382, 218 (Fernstrum)中予以描述。龍骨冷卻器主要由固定于船體并且被多個(gè)導(dǎo)熱或冷卻劑管分隔開的一對間隔開的集管組成。在船舶的管道回路中，熱的冷卻劑從發(fā)動機(jī)流到位于水位之下(即，暴露于空氣的水平面的下方)的龍骨冷卻器集管中，并且隨后流到冷卻劑管中。冷卻劑通過冷卻劑管流到相對的集管，并且冷卻的冷卻劑通過管道回路返回發(fā)動機(jī)。設(shè)置在環(huán)境水中的集管和冷卻劑管操作以便將熱量從冷卻劑通過冷卻劑管和集管的壁輸送到環(huán)境水中。前述類型的龍骨冷卻器被稱之為單片龍骨冷卻器，這是由于它是一種整體式的單元，其主要部件被熔接或釬焊就位。然而，其它類型的龍骨冷卻器是己知的，該其它類型的龍骨冷卻器包括具有螺旋管構(gòu)造的可拆卸的龍骨冷卻器，其中，包括冷卻劑管的主要部件是可拆開的。
[0006]龍骨冷卻器的重要方面是將熱量從流經(jīng)冷卻劑管的內(nèi)部的冷卻劑有效地輸送到外側(cè)周圍的冷卻器環(huán)境水中的能力。存在影響龍骨冷卻器傳熱的若干因素，這些因素中的一個(gè)是熱量流到內(nèi)部流體(即，冷卻劑)或外部流體(即，環(huán)境水)中或從其流出的速率。對于任一流體中的熱流的高阻力將產(chǎn)生傳熱的減緩的總體速率。對于冷卻劑，內(nèi)部傳熱(H1)是冷卻劑熱特性、內(nèi)部管幾何結(jié)構(gòu)、冷卻劑流量、每一個(gè)管的冷卻劑流動分布、冷卻劑流動特性(即，層流或湍流)、和內(nèi)側(cè)壁摩擦系數(shù)的函數(shù)。對于環(huán)境水，外部傳熱(H。)是外部流體熱特性、外部管/龍骨冷卻器幾何結(jié)構(gòu)、流動特性和限制、管組件、船體上的位置、以及穿過該龍骨冷卻器的環(huán)境水的速度和方向的函數(shù)。在整體傳熱中考慮的其它因素包括冷卻劑管壁厚度和管材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0007]改進(jìn)整體傳熱的一個(gè)己知方法是增大龍骨冷卻器的有效面積，以便增大為熱流設(shè)置的傳導(dǎo)屏障。換句話說，較大的龍骨冷卻器面積將導(dǎo)致將在給定時(shí)間內(nèi)在給定溫差的情況下流過的更多數(shù)量的熱量。龍骨冷卻器通常設(shè)置在船舶的船體的底部處的凹部中，并且有時(shí)被安裝在船舶的側(cè)部上，但是總是位于吃水線的下方。船舶船體上的用于容納龍骨冷卻器的區(qū)域被稱之為“占用空間”。然而，用于海運(yùn)船舶的龍骨冷卻器的重要方面是要求它們具有盡可能小的占用空間，同時(shí)滿足或超過它們的熱交換要求并且使冷卻劑流程中的壓降最小化。這樣一來，現(xiàn)有技術(shù)中的龍骨冷卻器通過利用矩形管并將它們間隔成彼此相對接近來使它們的占用空間最小化以便產(chǎn)生大的熱流表面積。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的龍骨冷卻器常常具有在兩個(gè)集管之間延伸的總共八個(gè)矩形的冷卻劑管，包括六個(gè)中間管和兩個(gè)外側(cè)管，它們通常具有1.375英寸X0.218英寸、1.562英寸X0.375英寸、或2.375英寸X0.375英寸的橫截面尺寸。然而，對于提高船舶的發(fā)動機(jī)燃料效率和額定載重量的需求已經(jīng)導(dǎo)致了較高的發(fā)動機(jī)輸出溫度和關(guān)于龍骨冷卻器傳熱效率的更大需求，并且由于該龍骨冷卻器必須維持盡可能小的占用空間，因此存在對于以其它方式改進(jìn)龍骨冷卻器的傳熱效率的需要。
[0008]改進(jìn)龍骨冷卻器的另一方法是改進(jìn)內(nèi)部冷卻劑的流量和流動分布。眾所周知的是，流經(jīng)冷卻劑管的冷卻劑的流量具有傳熱部分依賴的速度。此外，在龍骨冷卻器技術(shù)中同樣眾所周知的是，兩個(gè)外側(cè)管具有暴露于外部環(huán)境水的最大的暴露區(qū)域，并且增大到這些外部管的流動分布也會改進(jìn)龍骨冷卻器效率。然而，具有矩形集管和矩形導(dǎo)熱管的龍骨冷卻器會在水平管中提供不均衡的冷卻劑流，這會導(dǎo)致過度的壓降和較差的傳熱。特別地，甚至在存在被設(shè)計(jì)用于將冷卻劑傳送到這些外側(cè)管的孔口的情況下，流經(jīng)該熱交換器的冷卻劑可具有有限的通向外側(cè)管的通路。這樣一來，在過去15年內(nèi)的絕大多數(shù)的龍骨冷卻器發(fā)展集中在通過增強(qiáng)經(jīng)過側(cè)部管和中間管的流量以及使其相等來提高傳熱效率。例如，美國專利N0.6，575，227 (具有與本發(fā)明相同的受讓人)涉及一種具有傾斜底壁的龍骨冷卻器，其中，外側(cè)管孔口處于冷卻劑流的天然流動路徑中，用于提高到冷卻劑管的流量和流動分布。美國專利N0.6，896，037(同樣具有相同的受讓人)另外在集管中設(shè)置流體流轉(zhuǎn)向器，用于有助于冷卻劑朝向內(nèi)部管和外側(cè)管流動。美國專利N0.7, 055, 576 (Fernstrum)涉及一種用于通過利用箭頭形設(shè)計(jì)的孔口增大經(jīng)過側(cè)部管的冷卻劑的流量來增強(qiáng)龍骨冷卻器效率的設(shè)備。然而，如已經(jīng)提及的那樣，關(guān)于龍骨冷卻器效率的需求持續(xù)增大，并且在龍骨冷卻器的領(lǐng)域中存在對于新發(fā)展的需要，這通過本發(fā)明來滿足。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)中尚未關(guān)注到的用于增強(qiáng)龍骨冷卻器傳熱的方法是通過增強(qiáng)流經(jīng)冷卻劑管的內(nèi)部冷卻劑的湍流。在最新式的龍骨冷卻器設(shè)計(jì)中，矩形冷卻劑管具有促進(jìn)冷卻流體在冷卻劑管內(nèi)壁處或其附近的層流的相對平滑的內(nèi)表面。層流被定義為粘性流體流以低速度與管表面相接觸從而不產(chǎn)生流體的任何混合的流動狀況。在層流狀態(tài)中，與管壁接觸的流體將具有其通過粘滯阻力或摩擦力而降低的速度，這產(chǎn)生了充當(dāng)具有高粘性的剪應(yīng)力的區(qū)域的“邊界層”。該粘性的剪切層或邊界層起作用以通過壁處的無滑移條件阻止流體沿著管道通過。在該邊界層內(nèi)，這些粘性的摩擦應(yīng)力導(dǎo)致到體相流體中的能量耗散，它作為熱量顯現(xiàn)出。換句話說，該邊界層不僅抑制了體相流體中的混合，而且在冷卻劑管內(nèi)壁(即，傳熱表面)處用作隔熱的發(fā)熱層，因此降低了龍骨冷卻器的整體傳熱。
[0010]另一方面，增強(qiáng)冷卻劑內(nèi)的湍流可有助于使耐熱邊界層最小化。湍流通常被定義為流體展現(xiàn)出無秩序的特性改變(例如流體的速度和壓力圍繞一些平均值快速波動)的流動狀態(tài)。流體流是否將導(dǎo)致層流或湍流主要由雷諾數(shù)確定，雷諾數(shù)可被定義為流體的慣性力與粘性力之間的比率。就這點(diǎn)而論，雷諾數(shù)是流體速度的函數(shù)，并且在流體速度增大時(shí)，可達(dá)到慣性力支配粘性力的過渡區(qū)。這可允許流體中的湍流旋渦的發(fā)展，這些湍流旋渦會沖撞和破壞該邊界層，從而導(dǎo)致邊界層厚度減小。在湍流被進(jìn)一步增大時(shí)，旋渦運(yùn)動會變成逐漸不規(guī)則的，從而導(dǎo)致旋渦自壁上爆裂并且與體相流體混合(即，流體的位于該邊界層的遠(yuǎn)離該管壁的外側(cè)的區(qū)域)。所形成的湍流旋渦可輸送大量的熱能。因此，在自管壁上爆裂和/或沖撞該管壁的旋渦起作用以瓦解或破壞該邊界層隔離并從該壁獲取大量冷卻器流體并且將它散布到熱的體相流體區(qū)域中的情況下，可增大傳熱。
[0011]盡管湍流背后的科學(xué)并不被視為一種充分理解的技術(shù)，但是通常相信的是，增大龍骨冷卻器管的內(nèi)部的湍流將導(dǎo)致冷卻劑的壓降的增大。這被相信由在它們四處移動時(shí)彼此相互作用的、在體相流體被迫驅(qū)動這些不規(guī)則的渦旋運(yùn)動時(shí)交換動量和能源、并消耗流體的機(jī)械能的具有不同尺寸的湍流旋渦導(dǎo)致。換句話說，在龍骨冷卻器技術(shù)中，所相信的是，由于流體顆粒的與體相流體流動的方向相反的增大的橫向運(yùn)動，增強(qiáng)湍流將導(dǎo)致增大的阻力和壓降。在龍骨冷卻器技術(shù)中，增大系統(tǒng)壓降被視為破壞了龍骨冷卻器性能并且有損于該龍骨冷卻器的整體效用。這是因?yàn)楹＿\(yùn)船舶上的龍骨冷卻器通常受到海運(yùn)馬達(dá)的栗送能力的限制并且通常并不具有補(bǔ)償增大的壓降的外部栗。換句話說，不同于可向外部栗提供較大占用空間的陸用熱交換器系統(tǒng)，龍骨冷卻器具有嚴(yán)格的尺寸和實(shí)用上阻止使用外部栗的有效載荷約束。正是為此，龍骨冷卻器技術(shù)中的發(fā)展已經(jīng)在傳統(tǒng)上避免增強(qiáng)冷卻劑湍流，用于關(guān)注增大的壓降。
[0012]據(jù)說試圖破壞矩形龍骨冷卻器管的內(nèi)部的冷卻劑流動型態(tài)的市場上唯一己知的龍骨冷卻器是一種在冷卻劑管的內(nèi)部表面上具有多個(gè)粗糙要素的設(shè)備。該己知設(shè)備的粗糙要素是呈設(shè)置在冷卻劑管內(nèi)壁上的隆起的形式的小突起。該設(shè)備的隆起的高度為約0.015英寸，具有0.022英寸的直徑，并且在交錯(cuò)構(gòu)造中被均勻地間隔開0.060英寸。所相信的是，這些粗糙要素的目的是，破壞冷卻劑管內(nèi)壁處的邊界層隔離。然而，在龍骨冷卻器工業(yè)中眾所周知的是，該設(shè)備在對于傳熱具有少量改進(jìn)的情況下顯著地增大了壓降。因此，所相信的是，該裝置并未增強(qiáng)湍流冷卻劑流動和/或產(chǎn)生不規(guī)則的旋渦運(yùn)動以致于有效地混合體相冷卻劑來改進(jìn)傳熱。相反，該設(shè)備起作用來增大冷卻劑管壁的表面粗糙度，這根據(jù)眾所周知的穆迪圖增大了摩擦系數(shù)，并且因此導(dǎo)致了壓降的察覺到的增大。該設(shè)備到該龍骨冷卻器中的引入進(jìn)一步減少了本領(lǐng)域技術(shù)人員將冷卻劑流動特性作為成功地增大傳熱的途徑的視線。
[0013]由于它通常屬于龍骨冷卻器傳熱，因此存在僅對使用外部翅片來改進(jìn)與環(huán)境水進(jìn)行的外部傳熱(Hfl)具有普遍興趣的己知龍骨冷卻器。例如，美國專利N0.3, 841, 396 (Knaebel)提供了一種海運(yùn)船舶熱交換器，該海運(yùn)船舶熱交換器具有連接至縱向構(gòu)件的一系列徑向延伸的外部翅片。該Knaebel發(fā)明設(shè)置這些外部翅片來增大該熱交換器的表面積并且并不教導(dǎo)湍流來改進(jìn)內(nèi)部傳熱(H1)。在美國專利N0.3，240，179 (VanRanst)中，公開了一種海運(yùn)熱交換器，該海運(yùn)熱交換器在橫向迂回構(gòu)造中提供了底部片材部分。該Van Ranst發(fā)明意在提供與該完整的單元成比例的相對大的有效熱交換面積。該Van Ranst發(fā)明還提供了一種內(nèi)部冷卻劑流體的平滑的流動路徑，該平滑的流動路徑被描述成是“最佳的”并且被相信背離促進(jìn)湍流流體流動給出了教導(dǎo)。在美國專利N0.3, 650, 310 (Childress)中，提供了一種組合式船配平調(diào)整片和熱交換器，其具有固定于該本體的外側(cè)的底部的細(xì)長翅片以便增大熱交換面積。Childress還提供了一種內(nèi)部蛇形通道和內(nèi)部冷卻翅片，以便進(jìn)一步增大冷卻液體與本體之間的熱交換面積。ChiIdress的本發(fā)明并未公開使用湍流的冷卻劑流來增大傳熱。美國專利N0.3，177，936 (Walter)提供了一種海運(yùn)熱交換器，該海運(yùn)熱交換器包括具有內(nèi)部螺旋形擋板的槽式換熱管。Walter發(fā)明的槽管意在增大換熱表面面積以及改進(jìn)外部海水在管上的流動。Walter發(fā)明中的螺旋形擋板意在用機(jī)械的方法攪動冷卻劑并且將管劃分成至少兩個(gè)蛇形的流道。Walter發(fā)明并未公開促進(jìn)冷卻劑的湍流，這是因?yàn)樵撔g(shù)語在本領(lǐng)域中在該發(fā)明時(shí)是眾所周知的。更具體地，Walter并未教導(dǎo)通過自然地出現(xiàn)旋渦運(yùn)動來增強(qiáng)湍流以便改進(jìn)體相流體混合，并且改為僅用機(jī)械的方法在某種未知的程度上攪動冷卻劑。此外，冷卻劑管內(nèi)的這種劃分被相信限制了冷卻劑流動，這會導(dǎo)致與同樣定位的不具有溝槽和擋板的管相比在壓降方面的大幅增長。因此，如通過在龍骨冷卻器現(xiàn)有技術(shù)中的這些缺點(diǎn)可看出的那樣，存在在不增大壓降的情況下進(jìn)一步改進(jìn)傳熱的需要，這可由本發(fā)明通過設(shè)置用于在內(nèi)部冷卻劑中使用的湍流增強(qiáng)器來實(shí)現(xiàn)。
[0014]己知將被稱之為插件、管插件、障礙物或靜態(tài)混合器的湍流器設(shè)置在管內(nèi)，以便促進(jìn)和/或增強(qiáng)湍流流體流動。盡管湍流器用于增強(qiáng)湍流并促進(jìn)體相流體混合來改進(jìn)傳熱是己知的，但是它們不利地增大了壓降同樣是己知的。由于龍骨冷卻器技術(shù)中的技術(shù)人員已經(jīng)被教導(dǎo)避免由于海運(yùn)馬達(dá)的栗送約束所導(dǎo)致的增大的壓降，因此，通常已經(jīng)將湍流器的使用和教導(dǎo)限制于陸用熱交換器系統(tǒng)，在陸用熱交換器系統(tǒng)中，壓力損失可被通過外部栗送裝置進(jìn)行補(bǔ)償。此外，龍骨冷卻器技術(shù)中的創(chuàng)新的相對減緩的速率與缺乏對于湍流的理解相結(jié)合已經(jīng)僅進(jìn)一步影響了龍骨冷卻器技術(shù)中的普通技術(shù)人員在邏輯上向其它熱交換器系統(tǒng)投入他們的注意力。
[0015]因此，已經(jīng)存在多年以來已經(jīng)頒布的僅對涉及湍流器的問題存在普遍興趣的多個(gè)專利。美國專利N0.3，981，356 (Granetzke)描述了一種換熱管，該換熱管具有成螺旋設(shè)置以形成湍流器的膨脹金屬條帶。該布置被意在將一部分液體朝向內(nèi)壁表面引導(dǎo)以便控制熱流，然而，它也導(dǎo)致了增大的壓降。該Granetzke發(fā)明主張通過改變膨脹金屬構(gòu)造來調(diào)節(jié)壓降方面的該增大。接下來參照美國專利N0.6，578，627 (Liu等人)，該專利公開了一種用于空調(diào)系統(tǒng)的呈肋狀的渦流發(fā)生器的翅片型態(tài)，該翅片型態(tài)在該翅片上具有多個(gè)棱柱狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)具有不同的高度，用于增強(qiáng)傳熱，同時(shí)據(jù)說導(dǎo)致很小的壓力驟降。同樣，美國專利N0.7，637，720 (Liang)提供了一種用于與燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的具有倒V形狀的渦輪機(jī)葉片一起使用的湍流器，其中，在相鄰?fù)牧髌髦g具有擴(kuò)散槽。在美國專利N0.4, 865, 460 (Friedrich)中，公開了一種靜態(tài)混合裝置，該靜態(tài)混合裝置具有延伸越過導(dǎo)管的多排間隔開的平行管。管被設(shè)置成使得相鄰的管彼此成直角定位，這提供了用于混合粘性的樹脂介質(zhì)的扭曲路徑。Friedrich發(fā)明要求產(chǎn)品在高壓下通過靜態(tài)混合器的扭曲路徑供給并且并未公開壓力損失的效果。
[0016]根據(jù)前述內(nèi)容，應(yīng)理解的是，具有最小占用空間、最大的整體傳熱、和最小的內(nèi)部壓降的龍骨冷卻器被視為是最合乎要求的。然而，盡管存在在普通熱交換器中利用湍流器來增強(qiáng)湍流和增大傳熱的多種努力，但是在與海運(yùn)龍骨冷卻器相關(guān)的該領(lǐng)域中尚未獲知發(fā)展。由于海運(yùn)馬達(dá)必須變得更為高效并且運(yùn)載更重的有效載荷，因此關(guān)于龍骨冷卻器效率的需求在增大。如果湍流增強(qiáng)器可被選擇成增強(qiáng)傳熱，同時(shí)基本上并不大幅增大壓降到無法接受的程度，則在龍骨冷卻器工業(yè)中會存在顯著的經(jīng)濟(jì)節(jié)省。因此，對于一種龍骨冷卻器存在一種長期以來尚未令人滿意的需要，該龍骨冷卻器通過在不存在壓降的大幅增長的情況下增強(qiáng)冷卻劑管內(nèi)部的湍流的冷卻劑流來改進(jìn)傳熱。具有改進(jìn)的傳熱的這種龍骨冷卻器可以進(jìn)一步縮小該龍骨冷卻器所需的尺寸、獲得龍骨冷卻器的成本、和與龍骨冷卻器相關(guān)聯(lián)的制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明通過提供一種龍骨冷卻器組件來滿足龍骨冷卻器技術(shù)中的多種長期以來尚未令人滿意的需要，該龍骨冷卻器組件包括集管和至少一個(gè)冷卻劑管，該至少一個(gè)冷卻劑管包括用于增強(qiáng)冷卻劑的湍流的裝置，用于在不大幅增大冷卻劑的壓降的情況下并且同樣在不增大該龍骨冷卻器的占用空間的情況下改進(jìn)傳熱。該集管可包括上壁、端壁、底壁、相對的側(cè)壁、和傾斜表面，該傾斜表面可操作地連接上壁、底壁和側(cè)壁并且也具有空間以接收每一個(gè)內(nèi)部冷卻劑管。每一個(gè)冷卻劑管均可從集管沿著縱向方向延伸并且包括細(xì)長的本體部分，該細(xì)長的本