圖4中所示，內(nèi)部冷卻劑管151通過傾斜表面(未示出)連結(jié)集管130，該傾斜表面由指狀件142組成，這些指狀件142相對(duì)于內(nèi)部冷卻劑管151是傾斜的并且限定空間以接收內(nèi)部冷卻劑管151的開放的端部部分或端口( S卩，入口 /出口 ) 144。內(nèi)部冷卻劑管151的開放的端部部分144被示出為具有矩形截面并且是成角度的以便與傾斜表面和/或指狀件142的角度相符合。外部冷卻劑管160具有最外側(cè)壁161，該最外側(cè)壁161的一部分也是集管130的側(cè)壁。外部冷卻劑管160也具有帶有孔口 131的內(nèi)部側(cè)壁163，該孔口 131被設(shè)置成用于在集管130的腔室與外部冷卻劑管160之間流動(dòng)的冷卻劑的冷卻劑流動(dòng)端口(即，入口 /出口)。集管腔室由上壁134、端壁136、底壁132、內(nèi)部側(cè)壁163、以及傾斜表面(未示出)、指狀件142和/或內(nèi)部冷卻劑管端部部分144中的任一個(gè)限定。
[0062]同樣如在圖4中所示，冷卻劑管150包括設(shè)置在冷卻劑管150 (包括內(nèi)部冷卻劑管151和/或外部冷卻劑管160)的內(nèi)部的一個(gè)湍流增強(qiáng)器170或多個(gè)湍流增強(qiáng)器170。如在本文中所限定的那樣，湍流增強(qiáng)器是設(shè)置在冷卻劑管的內(nèi)部的一個(gè)裝置或多個(gè)裝置，該裝置提供了用于促進(jìn)或增強(qiáng)流經(jīng)冷卻劑管的冷卻劑的湍流的裝置，用于在不大幅增長冷卻劑的壓降到有損于該龍骨冷卻器的整體效用的程度的情況下增強(qiáng)傳熱。
[0063]湍流增強(qiáng)器是本發(fā)明的一個(gè)重要方面并且向龍骨冷卻器提供了多個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。如前所述，流體流是否將導(dǎo)致湍流主要通過雷諾數(shù)確定，該雷諾數(shù)部分依賴于冷卻流體的速度。通常，在給定的流體粘滯度下，以低速流動(dòng)的流體將提供層流，并且在增大該流體的速度時(shí)，該流體可變得更為湍流。在層流狀態(tài)中，與表面相接觸的冷卻劑將具有其通過粘滯阻力降低的速度，這形成可降低傳熱的隔熱邊界層。然而，在該流體變得更為湍流時(shí)，靜態(tài)且隔熱的邊界層由于超過流體粘性力的流體慣性力而變得不穩(wěn)定。這會(huì)導(dǎo)致流體形成湍流旋渦，在這種情況下，該邊界層脫離該壁，因此瓦解或破壞了隔熱層以便改進(jìn)傳熱。以給定流體速度或流量增強(qiáng)湍流以便瓦解、變薄、或破壞該邊界層是本發(fā)明的實(shí)施例改進(jìn)傳熱的一種方法。
[0064]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的湍流增強(qiáng)器可通過設(shè)置從冷卻劑管內(nèi)部表面向內(nèi)延伸到冷卻劑中的插件或障礙物來獲得前述裝置。如在本文中所述，插件可包括單獨(dú)的元件并且障礙物可以與冷卻劑管是一體的。無數(shù)種插件均可用于湍流增強(qiáng)器。其中關(guān)于該插件的因素是插件的形狀、插件在龍骨冷卻器管內(nèi)的放置、插件沿著該龍骨冷卻器管的圖案、和各個(gè)插件的尺寸。根據(jù)本發(fā)明的湍流增強(qiáng)器的一方面是設(shè)置具有多種構(gòu)造的插件，例如具有圓形、橢圓形或卵形截面的柱形插件；中空插件，例如具有內(nèi)部通道的插件；呈長方體、例如具有正方形或矩形截面的長方體的形式的插件；錐體形插件，例如具有三角形截面的插件；扁桿；具有翼狀構(gòu)造的桿；具有多角形構(gòu)造的插件；不同構(gòu)造的組合；或具有不規(guī)則截面的任何種類的插件。插件可被以部分取決于插件的性質(zhì)和所包括的壁的類型的多種方式附接于龍骨冷卻器壁。插件可被熔接于壁，壁本身可具有可將它們的一部分轉(zhuǎn)換成障礙物以導(dǎo)致傳熱的構(gòu)造，從而使插件延伸越過壁，并且伸過它們可被熔接或釬焊就位以防止任何冷卻劑泄漏的壁等。插件可以甚至沿著具有適當(dāng)支承件的各個(gè)冷卻劑管的縱向方向延伸。
[0065]湍流增強(qiáng)器的另一方面是為流經(jīng)龍骨冷卻器管的冷卻劑設(shè)置障礙物。除了別的之外，這種障礙物可以是具有多種構(gòu)造的銷釘、傾斜成V形圖案的障礙物、具有淚珠形截面的翼片構(gòu)造、具有或不具有孔口的障礙物、具有波狀形狀的障礙物、具有星形截面的障礙物等。應(yīng)理解的是，存在確定最佳類型的插件或障礙物以增大傳熱同時(shí)并不大幅增大壓降到有損于龍骨冷卻器的整體性能和效用的程度的許多因素。這些因素中的一些是龍骨冷卻器管的尺寸和形狀、冷卻劑的粘滯度、冷卻劑與環(huán)境水之間的溫差等。此外，除了別的之外，根據(jù)冷卻劑的性質(zhì)、龍骨冷卻器管的形狀和尺寸、冷卻劑的壓力，前述插件或障礙物可以沿著不同的方向面對(duì)該龍骨冷卻器管的內(nèi)側(cè)。在優(yōu)選實(shí)施例中，插件或障礙物可被設(shè)置在體相冷卻劑中，用于產(chǎn)生湍流增強(qiáng)。
[0066]本發(fā)明的目的是湍流增強(qiáng)器并不導(dǎo)致冷卻劑的壓降到有損于該龍骨冷卻器的整體效用的程度的大幅增長。當(dāng)然，可接受的壓降程度可取決于龍骨冷卻器所探尋的具體船用發(fā)動(dòng)機(jī)或熱源的設(shè)計(jì)依據(jù)和栗送能力。然而，對(duì)于許多海運(yùn)應(yīng)用，壓降的大幅增長可被定義成與缺少湍流增強(qiáng)器的標(biāo)準(zhǔn)的或基準(zhǔn)的冷卻劑管構(gòu)造(例如具有如圖2-3中所示的大致呈矩形的截面的現(xiàn)有技術(shù)冷卻劑管)的壓降相比增大不大于約10%。優(yōu)選地，壓降的增大與基準(zhǔn)的或標(biāo)準(zhǔn)的管構(gòu)造相比將超出不大于約7%，并且更為優(yōu)選地將不存在壓降的增大，并且甚至更為優(yōu)選地在結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的湍流增強(qiáng)器時(shí)，將存在壓降的降低。
[0067]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的湍流增強(qiáng)器的另一方面包括湍流增強(qiáng)器在該冷卻劑管內(nèi)的布置，該布置包括位于各個(gè)湍流增強(qiáng)器之間的間隔以及該冷卻劑管內(nèi)的湍流增強(qiáng)器的圖案和放置。除了別的之外，這種圖案可以是對(duì)稱的或不對(duì)稱的；平行四邊形圖案，例如矩形、正方形或菱形；三角形圖案；多邊形圖案；螺旋形的、波狀的和/或蛇形的圖案；不規(guī)則的或任意的圖案；等等。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，湍流增強(qiáng)器的布置會(huì)以可被通過眾所周知的穆迪圖(其被通過引用全部到結(jié)合本文中)予以說明的方式影響冷卻劑的流動(dòng)特性和壓降。根據(jù)該穆迪圖，對(duì)于冷卻劑在其上流過的表面的給定相對(duì)粗糙度因素，摩擦系數(shù)將隨著雷諾數(shù)增大(增大湍流)而減小，直到達(dá)到由完全湍流限定的界限為止。摩擦系數(shù)可被定義為流動(dòng)阻力，使得摩擦系數(shù)的減小將通常導(dǎo)致使大幅的壓降最小化或降低該大幅的壓降。由此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的湍流增強(qiáng)器提供了一種用于增強(qiáng)湍流以便最小化或降低摩擦系數(shù)(和壓降)的裝置。更具體地，湍流增強(qiáng)器可獲得這些裝置的一個(gè)方式是通過在狹窄構(gòu)造中布置多個(gè)湍流增強(qiáng)器，用于在位于相鄰設(shè)置的湍流增強(qiáng)器之間的區(qū)域中產(chǎn)生冷卻劑流的收縮。以此方式收縮冷卻劑流致使冷卻劑速度在相鄰的湍流增強(qiáng)器之間存在最小截面間隔的情況下，特別是在冷卻劑流正交于橫向相鄰的湍流增強(qiáng)器之間的間隔的情況下達(dá)到最大值。增大的速度增大了在湍流增強(qiáng)器之間流動(dòng)的冷卻劑的雷諾數(shù)，并且根據(jù)穆迪圖，這降低了摩擦系數(shù)以最小化或降低壓降的數(shù)量。然而，湍流增強(qiáng)器不應(yīng)該被如此嚴(yán)密地布置以致于限制冷卻劑流并且增大壓降。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的湍流增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)和/或湍流增強(qiáng)器的布置還可通過設(shè)置用于通過在該冷卻劑中產(chǎn)生湍流尾流來增強(qiáng)湍流的裝置來最小化或降低冷卻劑的大幅壓降，這可同樣改進(jìn)傳熱。湍流增強(qiáng)器可提供一種用于通過設(shè)置插件和/或障礙物來產(chǎn)生這些湍流尾流的裝置，如上所述。在優(yōu)選實(shí)施例中，湍流增強(qiáng)器從冷卻劑管內(nèi)壁延伸到大量冷卻劑中以便在體相冷卻劑流中產(chǎn)生湍流尾流。當(dāng)冷卻劑圍繞湍流增強(qiáng)器流動(dòng)時(shí)，流體流被扭曲并且邊界層可被以與在冷卻劑管內(nèi)壁處形成該邊界層的方式相同的方式形成在湍流增強(qiáng)器本體上。在冷卻劑接近湍流增強(qiáng)器本體的豎向邊界時(shí)，可產(chǎn)生流體分離，從而導(dǎo)致高度扭曲的流體塊，如果它們向下游行進(jìn)足夠遠(yuǎn)，則它們會(huì)開始旋轉(zhuǎn)。在增大的速度(較高雷諾數(shù))下，在湍流增強(qiáng)器本體上傳送的流體顆粒的慣性可克服流體粘滯度，并且高度扭曲的流體顆?？煞珠_以形成從湍流增強(qiáng)器本體向下游延伸的湍流尾流區(qū)域。由此形成的湍流尾流區(qū)域可與已經(jīng)在下游湍流增強(qiáng)器本體和冷卻劑管壁上產(chǎn)生的邊界層相互作用。由于邊界層可以是由于摩擦剪切所導(dǎo)致的高阻力源，因此根據(jù)穆迪圖，該湍流尾流區(qū)域的起作用以瓦解、變薄、或破壞下游表面上的邊界層的增強(qiáng)的旋渦移動(dòng)和增大的雷諾數(shù)會(huì)導(dǎo)致減小的摩擦系數(shù)，如上所述。此外，該邊界層的瓦解以此方式破壞了隔熱，這增強(qiáng)了傳熱。
[0070]如果湍流尾流區(qū)域中的冷卻劑流變得極度不穩(wěn)定，則在該湍流增強(qiáng)器本體的下游會(huì)散布大旋渦或渦流。這會(huì)在各個(gè)湍流增強(qiáng)器之間的布置中要求足夠的間隔以允許湍流渦流出現(xiàn)。湍流渦流在冷卻劑中的發(fā)展還會(huì)增大雷諾數(shù)并由此降低冷卻劑管壁上的和湍流增強(qiáng)器下游的摩擦系數(shù)，如上所述。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的湍流增強(qiáng)器的湍流增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)和/或布置的再一方面提供了一種用于通過在冷卻劑中產(chǎn)生湍流渦流來增強(qiáng)湍流的裝置，用于在不大幅增大該冷卻劑的壓降的情況下提高傳熱。如在本文中所使用的那樣，術(shù)語渦流被定義為流體內(nèi)的流動(dòng)大部分是圍繞虛軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或渦旋運(yùn)動(dòng)、是直的或曲線形的區(qū)域。因此，由湍流增強(qiáng)器形成的湍流渦流的典型的渦旋運(yùn)動(dòng)可提供一種用于混合體相冷卻劑并增大旋渦運(yùn)動(dòng)的有效裝置。由于旋渦可在熱能與流體混合時(shí)輸送大量的熱能，因此通過湍流渦流混合來增強(qiáng)旋渦運(yùn)動(dòng)可通過破壞邊界層隔離并通過從冷卻劑管壁區(qū)域獲取大量的冷卻器流體并將它分配到熱的體相流體區(qū)域中來增強(qiáng)傳熱。
[0071]應(yīng)理解的是，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的湍流增強(qiáng)器的多個(gè)方面甚至是在冷卻劑管內(nèi)壁在各個(gè)湍流增強(qiáng)器之間是平滑的情況下，也可提供益處。冷卻劑管內(nèi)部表面的平滑度可被根據(jù)穆迪圖的相對(duì)粗糙度因數(shù)定義，使得根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光滑管道具有介于9.74X 10 5與1.978X 10 4、且更為優(yōu)選地介于9.7X 10 5與1.2X10 4之間的相對(duì)粗糙度因數(shù)。在某些實(shí)施例中，具有平滑的冷卻劑管內(nèi)壁會(huì)是優(yōu)選的，這是由于相對(duì)粗糙度因數(shù)的增大會(huì)限制流動(dòng)并增大摩擦系數(shù)(根據(jù)穆迪圖)，這會(huì)大幅增大壓降。所相信的是，在冷卻劑管內(nèi)壁上具有多個(gè)呈小突起或隆起的形式的粗糙元件的己知現(xiàn)有技術(shù)龍骨冷卻器展示出該不利現(xiàn)象，這是因?yàn)樗馐艽蠓鶋航凳且阎摹?br>[0072]同樣應(yīng)該理解到的是，不管體相冷卻劑流是層流還是湍流，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的湍流增強(qiáng)器的多個(gè)方面均可提供改進(jìn)。換句話說，不管流量是低的并且提供層流，還是流量被增強(qiáng)到產(chǎn)生更多湍流，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的湍流增強(qiáng)器仍然可在不存在壓降的大幅增大的情況下改進(jìn)傳熱。例如，在體相冷卻劑流大致呈層流的情況下，冷卻劑管內(nèi)壁處的隔熱的邊界層可以是較厚的(與流動(dòng)更為湍流時(shí)相比)，然而，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的湍流增強(qiáng)器仍然可通過提供一種用于通過有效地混合該冷卻劑的湍流尾流和/或湍流渦流的產(chǎn)生來增強(qiáng)自然出現(xiàn)的旋渦運(yùn)動(dòng)的裝置來有效地冷卻熱的體相流體。甚至在冷卻劑速度增加到變得更為湍流時(shí)，產(chǎn)生湍流尾流和/或湍流渦流的湍流增強(qiáng)器仍然增強(qiáng)旋渦運(yùn)動(dòng)并且改進(jìn)傳熱。因此，應(yīng)理解到的是，湍流增強(qiáng)器的目的是以與冷卻劑速度或流量無關(guān)的方式增強(qiáng)傳熱。
[0073]同樣應(yīng)該理解到的是，下列權(quán)利要求書中的湍流增強(qiáng)器的所有裝置加功能元件的對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料、行為、及等效物均意在包括用于與如明確要求保護(hù)的其它所要求保護(hù)的元件相結(jié)合來執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或行為。由此，例如，盡管已經(jīng)通過設(shè)置插件或障礙物以及通過例如間隔和模式之類的其它方面描述了湍流增強(qiáng)器，但可設(shè)置其它結(jié)構(gòu)和布置。因此，關(guān)于通過設(shè)置湍流器(包括先前描述的插件和障礙物)的湍流增強(qiáng)器的結(jié)構(gòu)或布置的任何具體實(shí)施例應(yīng)該被理解為是本發(fā)明的非限制性實(shí)施例。
[0074]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5A-5B，示出了包括根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的湍流器175的冷卻劑管150’。湍流器可以是布置在冷卻劑管內(nèi)的插件或障礙物，如上所述。如在本文中所描述的那樣，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的湍流器可以是設(shè)置在冷卻劑管的內(nèi)部的一個(gè)裝置或多個(gè)裝置，該裝置促進(jìn)或增強(qiáng)了流經(jīng)冷卻劑管的冷卻劑的湍流，用于在不大幅增大冷卻劑的壓降到有損于該龍骨冷卻器的整體效用的程度的情況下增強(qiáng)傳熱。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的湍流器構(gòu)造和/或湍流器的布置還可通過產(chǎn)生湍流尾流和/或湍流渦流來增強(qiáng)湍流，用于在不大幅增大壓降的情況下增強(qiáng)傳熱，如在上文中同樣描述并且在下文中進(jìn)一步描述的那些屬性一樣。
[0075]圖5A-5B示出了具有長方體形的結(jié)構(gòu)的冷卻劑管150’的實(shí)施例，該長方體形的結(jié)構(gòu)在相對(duì)的冷卻劑管端部部分(未不出)之間包括具有外部表面157和內(nèi)部表面158的細(xì)長的本體部分。冷卻劑管內(nèi)部表面158形成冷卻劑流動(dòng)通過的內(nèi)部通道。冷卻劑管150’被示出為具有相對(duì)的側(cè)壁152、頂壁155、和與頂壁153相對(duì)的底壁152。在優(yōu)選實(shí)施例中，冷卻劑管150’具有矩形截面，用于允許一組水平冷卻劑管150’被以相對(duì)于彼此接近的方式間隔開，用于增大該龍骨冷卻器的有效傳熱面積。冷卻劑管150’可包括內(nèi)部冷卻劑管和外部冷卻劑管(未示出)，其可具分別如上所述的有內(nèi)部冷卻劑管151和外部冷卻劑管160的相同的一般特征。
[0076]如圖5A-5B的實(shí)施例中所示，冷卻劑管150’包括多個(gè)湍流器175。如所示，湍流器175可具有從冷卻劑管內(nèi)部表面158延伸到體相冷卻劑流動(dòng)路徑中的細(xì)長的本體部分。在優(yōu)選實(shí)施例中，湍流器175在相對(duì)的側(cè)壁152之間延伸，然而，湍流器175也可以在相對(duì)的頂壁155與底壁153之間延伸，或者甚至可以在側(cè)壁152與頂壁155或底壁153之間延伸，或者在一些示例中可僅部分地延伸越過該內(nèi)部。如在圖5A的實(shí)施例中所示，各個(gè)湍流器175的細(xì)長的本體部分與底壁153和頂壁155大致平行。湍流器175可具有細(xì)長的本體部分或桿部，該部分具有垂直或正交于體相冷卻劑流的方向(C)的縱向軸線。湍流器175可以垂直或正交于相對(duì)的側(cè)壁152，而且可以垂直于相對(duì)的頂壁155和底壁153。然而，在其它實(shí)施例中，湍流器175可以傾斜到冷卻劑流的方向或者遠(yuǎn)離冷卻劑流的方向，或可以沿著不同的方向定向。
[0077]在圖5A-5B中所示的實(shí)施例中，湍流器175被構(gòu)造成具有圓形截面的實(shí)心圓柱。然而，其它截面構(gòu)造可以包括:圓形、橢球形、橢圓形、矩形、正方形、三角形、翼形、機(jī)翼形、多邊形、不規(guī)則形狀等。湍流器175被呈預(yù)定圖案設(shè)置，該預(yù)定圖案可以是如圖5A-5B中所示的偏移的或交錯(cuò)的湍流器圖案177，而且也可以具有呈直排對(duì)齊的湍流器175，或者可以處于任何類型的對(duì)稱的或不對(duì)稱的圖案中。如圖5B中所示，交錯(cuò)的湍流器圖案177包括沿著冷卻劑流的方向(C)的多個(gè)縱向排(例如，R1、R2)。在每一行內(nèi)，各個(gè)縱向相鄰的湍流器175間隔開距離(XJ ;并且在相鄰的排之間，橫向相鄰的湍流器175間隔開距離(Xh)。在圖5B的交錯(cuò)的湍流器圖案177中，同一行中的各個(gè)縱向相鄰的湍流器被以交替交錯(cuò)的方式橫向偏移。根據(jù)本發(fā)明的目的，研發(fā)出了用于限定湍流器圖案間隔比率(β)的等式，該等式被定義為β*ΧΗ。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，各自相鄰的湍流器175可以被在間隔比率為β = I的情況下均勻地間隔開，或者該間隔可以是不均勻的，間隔比率為1〈β〈1。
[0078]實(shí)施一系列實(shí)驗(yàn)以便評(píng)估根據(jù)本發(fā)明的若干實(shí)施例的湍流器175的效果。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含設(shè)置在腔室內(nèi)的32英寸長的龍骨冷卻器冷卻劑管的節(jié)段，該冷卻劑管使“外部”冷卻水在該冷卻劑管節(jié)段的外部表面上流動(dòng)。該冷卻劑管使內(nèi)部冷卻劑(該冷卻劑為水)流動(dòng)通過其內(nèi)部通道。盡管龍骨冷卻器冷卻劑通常包括乙二醇混合物，但出于實(shí)驗(yàn)比較的目的，水的粘滯度和特性是足夠相似的。熱電偶被遍及該設(shè)備放置以便測(cè)量冷卻劑管殼體(外壁)溫度、冷卻劑入口溫度和冷卻劑出口溫度?；跓犭娕甲x數(shù)，計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)。基于計(jì)算出的LMTD、測(cè)量到的流量和流體比熱，針對(duì)多個(gè)內(nèi)部流量和外部流量來計(jì)算整體傳熱系數(shù)。定位在入口端口和出口