Система каналов - RU2472092C2

Чертежи

Описание

область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе каналов для оптимизации соотношения между падением давления и теплообменом, влагопереносом и/или массообменом текучих сред, протекающих через систему, при этом система каналов содержит по меньшей мере один канал, имеющий по меньшей мере одну стенку канала и по меньшей мере один элемент для направления потока, имеющий заданную высоту, при этом элемент для направления потока продолжается в направлении потока текучей среды и поперек канала и содержит расположенную выше по потоку часть, расположенную ниже по потоку часть и промежуточную часть между расположенными выше и ниже по потоку частями, при этом расположенная выше по потоку часть отклоняется - в направлении потока текучей среды - от стенки канала внутрь в канал, а расположенная ниже по потоку часть возвращается - в направлении потока текучей среды - к стенке канала, при этом переходный участок между промежуточной частью и расположенной ниже по потоку частью изогнут с заданным радиусом.

Уровень техники

Теплообменники/катализаторы часто представляют собой систему каналов, имеющую корпус, который образован с большим числом соседних небольших каналов, по которым проходит текучая среда или смесь текучих сред, которая, например, должна подвергнуться превращению/преобразованию. Системы каналов выполнены из разных материалов, таких как керамические материалы или металлы, например, нержавеющая сталь или алюминий.

Системы каналов, выполненные из керамических материалов, имеют поперечное сечение каналов, которое обычно является прямоугольным или многоугольным, например шестиугольным. Систему каналов образуют посредством экструзии, что означает, что поперечное сечение каналов будет одинаковым вдоль всей длины канала и стенки каналов будут гладкими и ровными.

При изготовлении корпусов с каналами из металлов гофрированную полосу и плоскую полосу обычно наматывают вокруг бобины. Это приводит к получению поперечных сечений каналов, которые являются треугольными или трапециевидными. Большинство систем каналов из металлов, которые имеются на рынке, имеют каналы с одинаковым поперечным сечением вдоль всей их длины и имеют подобно керамическим корпусам с каналами гладкие и ровные стенки каналов. Оба данных типа могут быть подвергнуты нанесению покрытия, например, в катализаторном блоке с каталитически активным материалом.

Наиболее важное значение в данном контексте имеет теплообмен, влагоперенос и/или массообмен между текучей средой или смесью текучих сред, проходящей по каналам, и стенками каналов в системе каналов.

В системах каналов вышеуказанного типа, используемых, например, вместе с двигателями внутреннего сгорания в транспортных средствах или в промышленности и имеющих сравнительные малые поперечные сечения каналов и скорости текучих сред, обычно используемые в данных случаях применения, текучая среда течет в виде сравнительно регулярных слоев вдоль каналов. Таким образом, поток является по существу ламинарным. Только на коротком расстоянии у входа каналов имеется некоторый поток, проходящий в направлении, поперечном к стенкам каналов.

Как общеизвестно в данной области техники, граничный слой образуется в ламинарном потоке текучей среды рядом со стенками каналов, где скорость по существу равна нулю. Данный граничный слой существенно уменьшает коэффициент массообмена, прежде всего в том случае, когда имеется то, что называют полностью развитым потоком, в котором теплообмен, влагоперенос и/или массообмен происходят главным образом за счет диффузии, которая является сравнительно медленной. Коэффициент массообмена представляет собой меру интенсивности массообмена и должен быть большим для обеспечения высокой эффективности теплообмена и/или каталитической конверсии. Для повышения коэффициента массообмена должно быть обеспечено такое протекание текучей среды к поверхности стороны канала, чтобы граничные слои уменьшались и перенос потока из одного слоя в другой возрастал. Это может происходить за счет того, что называют турбулентным потоком. В гладких и ровных каналах ламинарный поток превращается в турбулентный, когда число Рейнольдса достигает величин, превышающих приблизительно 2000. Если необходимо достичь числа Рейнольдса данного порядка величин, в каналах в системах каналов, которые рассматриваются здесь, требуются значительно более высокие скорости текучих сред по сравнению с обычными в данных случаях. Следовательно, при низких числах Рейнольдса, которые характерны для систем каналов описанного выше типа, необходимо создать турбулентность с помощью искусственных средств, например, посредством размещения специальных элементов для направления потока в каналах.

В патенте США 4152302 описан катализатор с каналами, в которых элементы для направления потока выполнены в виде поперечных металлических створок, полученных путем пробивки из полосы. Катализатор с элементами для направления потока обеспечивает существенное увеличение теплообмена, влагопереноса и/или массообмена. Однако одновременно также резко увеличивается падение давления. Тем не менее, было установлено, что воздействия от увеличения падения давления существенно больше, чем эффекты увеличенного теплообмена, влагопереноса и/или массообмена. Падение давления зависит, среди прочего, от конфигурации, размера и геометрии элементов для направления потока. Тем не менее, общеизвестно, что указанные типы элементов для направления потока приводят к образованию чрезмерного падения давления, и поэтому они не нашли промышленного применения в какой-либо значительной степени.

В Европейском патенте 0869844 описаны генераторы турбулентности, продолжающиеся поперек каналов катализатора или теплообменника/влагообменного устройства для получения улучшенного соотношения падения давления и теплообмена, влагопереноса и/или массообмена.

В публикации WO 2007/078240 описаны преобразователи потока, продолжающиеся поперек каналов. Однако дополнительные улучшения соотношения падения давления и теплообмена, влагопереноса и/или массообмена всегда необходимы для изготовителя подобных систем.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в разработке системы каналов, в которой соотношение падения давления и теплообмена, влагопереноса и/или массообмена дополнительно улучшено.

Поставленная выше задача решается посредством системы каналов, которая имеет признаки, определенные в приложенной формуле изобретения.

Система каналов согласно настоящему изобретению, предназначенная для оптимизации соотношения между падением давления и теплообменом, влагопереносом и/или массообменом текучих сред, протекающих через систему, содержит по меньшей мере один канал, имеющий по меньшей мере одну стенку канала и по меньшей мере один элемент для направления потока, имеющий заданную высоту. Элемент для направления потока продолжается в направлении потока текучей среды и поперек канала. Кроме того, элемент для направления потока содержит расположенную выше по потоку часть, расположенную ниже по потоку часть и промежуточную часть между расположенными выше и ниже по потоку частями. Расположенная выше по потоку часть отклоняется - в направлении потока текучей среды - от стенки канала внутрь в канал, а расположенная ниже по потоку часть возвращается - в направлении потока текучей среды - к стенке канала, при этом переходный участок между промежуточной частью и расположенной ниже по потоку частью изогнут с заданным радиусом. Изогнутый переходный участок между промежуточной частью и расположенной ниже по потоку частью обеспечивает уменьшение падения давления и, следовательно, дополнительное улучшение соотношения падения давления и теплообмена, влагопереноса и/или массообмена текучих сред, протекающих через систему каналов. Уменьшение падения давления приводит к тому, что скорость потока текучей среды, проходящей через систему каналов, увеличивается, и, следовательно, потребность системы в энергии уменьшается. Это совместно с повышенной или равной интенсивностью теплообмена, влагопереноса и/или массообмена приводит к получению более эффективной системы. Кроме того, в том случае, когда необходимо покрытие, криволинейная поверхность является лучшей, поскольку сцепление покрытия с нижерасположенной поверхностью увеличивается, и покрытие во всем канале может быть более ровным. Во время операции нанесения покрытия также образуется меньше заусенцев/грата. Заусенец/грат может представлять собой скопление материала в одном месте, например на остром крае. Скопление, которое может иметь большую толщину, чем остальная часть покрытия, может отвалиться при использовании его при высоких температурах и вследствие вибраций. Кроме того, заусенцы приводят к существенному увеличению падения давления. Более гладкая поверхность не только обеспечивает уменьшение падения давления, ее наличие также означает, что требуемое количество драгоценного металла уменьшается. Поскольку производственная себестоимость в значительной степени зависит от требуемого количество драгоценного металла, производственная себестоимость также снижается.

Данный радиус обеспечивает повышение качества системы за счет уменьшения падения давления, но вызывает увеличение теплообмена, влагопереноса и/или массообмена посредством направления текучей среды так, что может быть создано завихрение, то есть регулируемое турбулентное движение текучей среды, которое создается вследствие увеличивающегося поперечного сечения. Данное турбулентное движение необходимо для повышения интенсивности теплообмена, влагопереноса и/или массообмена. Предпочтительно, если радиус первого переходного участка между промежуточной частью и расположенной ниже по потоку частью составляет 0,1·h₁-2,1·h₁, предпочтительно 0,35·h₁-2,1·h₁ и более предпочтительно 0,35·h₁-1,1·h₁.

Соответственно, высота элемента для направления потока больше высоты канала, умноженной на 0,35 и определяемой в направлении, аналогичном направлению, в котором определена первая высота. Данная высота необходима для обеспечения воздействия на большую часть текучей среды, протекающей по каналу, для смешивания слоев потока текучей среды и создания турбулентного движения, которое увеличивает интенсивность теплообмена, влагопереноса и/или массообмена.

Промежуточная часть элемента для направления потока может содержать плоский участок, который по существу параллелен одной стенке канала, предусмотренной у канала. Плоский участок используется для направления текучей среды в направлении, параллельном каналу. Это обеспечивает увеличение скорости текучей среды в направлении, параллельном каналу. Плоский участок также может потребоваться для обеспечения возможности изготовления элемента для направления потока. Предпочтительно, если длина плоского участка в направлении потока текучей среды составляет 0-2·Н, предпочтительно 0-2·h₁ и более предпочтительно 0-1,0·h₁.

Предпочтительно, если переходный участок между расположенной ниже по потоку частью и стенкой канала изогнут с заданным радиусом. Радиус переходного участка между расположенной ниже по потоку частью и стенкой канала составляет 0,5·h₁-1,7·h₁. Назначение данного радиуса состоит в том, чтобы предотвратить ситуацию, в которой вторичный вихрь возникает после элемента для направления потока. Подобный нежелательный вторичный вихрь привел бы к увеличению падения давления без увеличения теплообмена, влагопереноса и/или массообмена. Следовательно, за счет избежания подобного вихря соотношение падения давления и теплообмена, влагопереноса и/или массообмена улучшается. Таким образом, падение давления дополнительно уменьшается, что, в свою очередь, обеспечивает повышение эффективности системы каналов. Кроме того, данный плавный переходный участок предотвращает образование заусенца/грата во время операции нанесения покрытия. Следовательно, данный переходный участок в том, что касается образования заусенца/грата, имеет такие же преимущества, как переходный участок между промежуточной частью и расположенной ниже по потоку частью, подобный рассмотренному выше.

Предпочтительно, если третий переходный участок между расположенной выше по потоку частью и промежуточной частью изогнут с заданным радиусом. Это предусмотрено для плавного направления текучей среды в направлении, параллельном одной стороне канала, после прохода вдоль расположенной выше по потоку части. Плавное направление обеспечивает дополнительное уменьшение падения давления. Радиус переходного участка между расположенной выше по потоку частью и промежуточной частью может составлять 0,2·h₁-0,5·h₁. Кроме того, данный плавный переходный участок предотвращает образование заусенца/грата во время операции нанесения покрытия. Следовательно, данный переходный участок в том, что касается образования заусенца/грата, имеет такие же преимущества, как переходный участок между промежуточной частью и расположенной ниже по потоку частью, подобный рассмотренному выше. В качестве альтернативы радиус переходного участка между расположенной выше по потоку частью и промежуточной частью может быть равен радиусу переходного участка между промежуточной частью и расположенной ниже по потоку частью. Одинаковые радиусы предпочтительны для применений, в которых текучая среда может протекать также в направлении, противоположном направлению потока текучей среды.

Предпочтительно, если переходный участок между стенкой канала и расположенной выше по потоку частью элемента для направления потока изогнут с заданным радиусом. Это предусмотрено для плавного направления ламинарного потока текучей среды в направлении поперек канала, что обеспечит увеличение скорости текучей среды, поскольку поперечное сечение уменьшается. Кроме того, данный плавный переходный участок предотвращает образование заусенца/грата во время операции нанесения покрытия. Следовательно, данный переходный участок в том, что касается образования заусенца/грата, имеет такие же преимущества, как переходный участок между промежуточной частью и расположенной ниже по потоку частью, подобный рассмотренному выше. Предпочтительно, если радиус переходного участка между стенкой канала и расположенной выше по потоку частью может составлять 0,2·h₁-0,5·h₁.

Соответственно, плоский участок расположенной выше по потоку части имеет первый угол наклона относительно плоскости стенки канала, от которой отклоняется расположенная выше по потоку часть. Это предусмотрено для направления текучей среды в направлении, которое не параллельно каналу, так что турбулентный поток может развиваться для увеличения теплообмена, влагопереноса и/или массообмена. Первый угол наклона может составлять 10°-60° и более предпочтительно 30°-50°.

Предпочтительно, если плоский участок расположенной ниже по потоку части имеет второй угол наклона относительно плоскости стенки канала, к которой возвращается расположенная ниже по потоку часть. Это предусмотрено для создания вихря, то есть регулируемого турбулентного движения текучей среды, которое образуется вследствие расширяющегося поперечного сечения. Данное турбулентное движение необходимо для повышения интенсивности теплообмена, влагопереноса и/или массообмена. Второй угол наклона предпочтительно составляет 50°-90° и более предпочтительно 60±10°.

Соответственно, канал имеет первую площадь А₁ поперечного сечения и вторую площадь А₂ поперечного сечения у элемента для направления потока, при этом отношение площади А₁ к площади А₂, то есть А₁/А₂, превышает 1,5, предпочтительно превышает 2,5 и более предпочтительно превышает 3. Величина отношения А₁/А₂ имеет важное значение для получения скорости, необходимой для создания необходимого турбулентного движения текучей среды в канале и, следовательно, для повышения интенсивности теплообмена, влагопереноса и/или массообмена.

В предпочтительном варианте осуществления согласно изобретению промежуточная часть остается с внутренней стороны стенки канала, от которой отклоняется расположенная выше по потоку часть. Это предусмотрено для дополнительного уменьшения падения давления.

Канал может содержать по меньшей мере один элемент для направления потока, который является зеркально перевернутым по отношению к элементу для направления потока. Подобный зеркально перевернутый элемент для направления потока обеспечивает повышение интенсивности теплообмена, влагопереноса и/или массообмена во всей системе, когда несколько каналов расположены рядом друг с другом.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения поперечное сечение канала может быть куполообразным и предпочтительно треугольным. С точки зрения изготовления подобная форма предпочтительна. В особенности равностороннее треугольное поперечное сечение обеспечивает минимизацию потерь на трение вдоль стенок канала на единицу площади и, таким образом, дает максимальную скорость потока на единицу площади. Следовательно, для повышения интенсивности теплообмена, влагопереноса и/или массообмена предпочтительно равностороннее треугольное поперечное сечение.

Как правило, все термины, используемые в формуле изобретения, следует интерпретировать в соответствии с их обычным значением в технической области, если здесь явно не определено иное. Все ссылки на элемент, устройство, компонент, средство, операцию и т.д. следует интерпретировать явно как относящиеся по меньшей мере к одному примеру элемента, устройства, компонента, средства, операции и т.д. за исключением тех случаев, когда недвусмысленно утверждается иное. Операции любого способа, раскрытого здесь, необязательно должны выполняться в точном порядке, который раскрыт, если явно не утверждается иное.

Другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеприведенного подробного описания, из приложенных зависимых пунктов формулы изобретения, а также из чертежей.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные, а также дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения можно будет лучше понять посредством нижеприведенного иллюстративного и неограничивающего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, выполненного со ссылкой на приложенные чертежи, на которых одни и те же ссылочные позиции будут использованы для аналогичных элементов.

Фиг.1 иллюстрирует рулон на виде в перспективе согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет собой вид в перспективе частично открытого канала в системе каналов согласно настоящему изобретению.

Фиг.3 представляет собой сечение канала в альтернативном варианте осуществления.

Фиг.4 представляет собой сечение двух каналов по фиг.2, расположенных друг над другом.

Фиг.5 представляет собой поперечное сечение канала на фиг.2, видимое с одного конца канала.

Фиг.6 иллюстрирует слой с каналами в продольном направлении каналов.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Настоящее изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на сопроводительные схематичные чертежи, которые показывают предпочтительный в настоящее время вариант осуществления в целях иллюстрации.

На фиг.1 показан рулон 1 с системой 2 каналов согласно настоящему изобретению. Рулон 1 может быть использован, например, в качестве катализатора, в теплообменнике, таком как вращающийся теплообменник, в газоохлаждаемом ядерном реакторе, при охлаждении лопаток газовой турбины или в любом другом соответствующем применении.

Гофрированную полосу 13 вместе с по меньшей мере одной плоской полосой 14, которая образует каналы 4 (см. фиг.6), свертывают в рулон до заданного диаметра для образования цилиндра, который будет образовывать фактический сердечник в системе 2 каналов рулона 1. Углубления 15 в гофрированной полосе 13 и в основном плоской полосе 14 (см. фиг.6) предотвращают телескопичность рулона, который образован, то есть они предотвращают смещение разных слоев полос 12 и 13 относительно друг друга. Кроме того, кожух 3 окружает систему 2 каналов, удерживает систему 2 каналов вместе и обеспечивает крепление ее в соседней конструкции.

В качестве альтернативы некоторое количество гофрированных полос 13 и плоских полос 14 расположены слоями попеременно для образования каналов 4 (см. фиг.6). Данная конструкция пригодна, например, для пластинчатых теплообменников.

На фиг.2 показан канал 4 в перспективе и частично открытым с первым элементом 7 для направления потока и вторым, зеркально перевернутым элементом по отношению к первому элементу 7 для направления потока, элементом 8 для направления потока. Тем не менее, более одного каждого из элементов 7, 8 для направления потока может быть распределено вдоль всей длины канала 4. Существует возможность размещения разных типов элементов для направления потока не только попеременно, как на фиг.2, но также произвольным образом. В альтернативном варианте только один из двух типов элементов для направления потока может быть использован. В данном случае направляющие элементы также распределены вдоль всей длины канала 4. Элементы 7, 8 для направления потока направляют текучую среду, которая вводится через впускное отверстие 5, в заданном направлении.

Канал 4 представляет собой канал малого размера, то есть он обычно имеет высоту менее 4 мм. Предпочтительно, если высота Н канала, см. фиг.3, составляет от 1 мм до 3,5 мм. Канал 4 имеет равностороннее треугольное поперечное сечение со стенками 6а, 6b, 6с канала, которые могут иметь размер менее 5 мм. Однако форма поперечного сечения не ограничена равносторонней треугольной, оно может принимать любую форму, пригодную для данного применения. Число стенок канала не ограничено тремя, оно может быть любым пригодным числом. Кроме того, стенки 6а, 6b, 6с канала окружают канал 4 в направлении потока текучей среды, что приводит к тому, что текучая среда не сможет проходить из одного канала 4 в другой. С другой стороны, изобретение не ограничено каналами, окруженными стенками каналов; стенка 6 канала также может частично окружать канал 4, так что текучая среда может проходить из одного канала 4 в другой.

Длина канала 4 может варьироваться в зависимости от применения. Например, для катализаторов длина канала 4 может составлять 150-200 мм, а для теплообменников длина канала 4 может составлять 150-250 мм. Тем не менее, изобретение не ограничено данными длинами каналов. Кроме того, существует возможность размещения произвольного количества систем 2 каналов одна за другой для образования системы с требуемой длиной.

Кроме того, канал 4 может иметь любое аксиальное направление. То есть изобретение не ограничено горизонтальными каналами.

Первый элемент 7 для направления потока выполнен на одной стенке 6а канала, предусмотренной у канала 4, так что поток текучей среды (стрелки) из впускного отверстия 5 направляется к двум другим сторонам 6b, 6с канала. Со стороны, противоположной по отношению к первому элементу 7 для направления потока, имеется выпуклость 12. Посредством использования элементов 7, 8 для направления потока с особой геометрией, которые расположены на заданном расстоянии друг от друга и от впускного отверстия 5 канала 4, обеспечивается оптимальное соотношение между интенсивностью теплообмена, влагопереноса и/или массообмена и падением давления.

Именно после прохода через впускное отверстие 5 поток текучей среды имеет входную турбулентность. Турбулентность уменьшается по мере протекания текучей среды по каналу, что приводит к ламинарному потоку текучей среды с постоянной скоростью внутри канала 4. Когда текучая среда приближается к первому элементу 7 для направления текучей среды, скорость увеличивается локально в зависимости от уменьшенного поперечного сечения. После прохода вдоль первого элемента 7 для направления текучей среды образуется вихрь, то есть регулируемое турбулентное движение текучей среды, вследствие расширяющегося поперечного сечения и скорости текучей среды. Элемент 7 для направления текучей среды влияет на большую часть текучей среды, протекающей по каналу 4, что приводит к смешиванию слоев потока текучей среды. Данное турбулентное движение необходимо для повышения интенсивности теплообмена, влагопереноса и/или массообмена.

На фиг.3 элементы 7а, 7b для направления потока одинакового типа расположены рядом друг с другом. Элементы 7 для направления потока, продолжающиеся внутрь в канал 4, имеют расположенную выше по потоку часть 9, промежуточную часть 10 и расположенную ниже по потоку часть 11. Элементы 7а, 7b для направления потока имеют высоту h₁. Первый элемент 7а для направления текучей среды расположен на расстоянии А от впускного отверстия 5. Оптимальное место расположения первого элемента 7а для направления потока зависит от существующих условий эксплуатации.

Расположенная выше по потоку часть 9 содержит плоский участок 21, который отклоняется - в направлении потока текучей среды - под заданным первым углом α₁ наклона относительно плоскости стенки 6а канала. Первый угол α₁ наклона задан как угол между плоскостью стенки 6а канала и направлением протяженности плоского участка 21 относительно плоскости стенки 6а канала, при этом угол находится по ходу потока за точкой пересечения направления протяженности плоского участка 21 и плоскости стенки 6а канала. Первый угол α₁ наклона так же задан как угол α₁ на фиг.3. Кроме того, первый угол α₁ наклона составляет 10°-60° и предпочтительно 30°-50°.

Наклон расположенной выше по потоку части 9 обеспечивает увеличение скорости текучей среды и направление текучей среды к остальным поверхностям, так что инициируется регулируемое турбулентное движение для увеличения теплообмена, влагопереноса и/или массообмена.

Промежуточная часть 10 расположена между расположенной выше по потоку частью 9 и расположенной ниже по потоку частью 11. Промежуточная часть 10 остается с внутренней стороны стенки 6 канала, от которой продолжается расположенная выше по потоку часть 9. Альтернативно промежуточная часть 10 может находиться как с внутренней, так и с наружной стороны стенки 6 канала.

Между промежуточной частью 10 и расположенной выше по потоку частью 9 расположен криволинейный переходный участок 19 с заданным радиусом R₂. Радиус R₂ переходного участка 19 между расположенной выше по потоку частью 9 и промежуточной частью 10 равен высоте элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,1-2, то есть составляет 0,1·h₁-2·h₁. Это [предусмотрено] для плавного направления потока текучей среды в направлении, параллельном одной стороне канала, после прохода вдоль расположенной выше по потоку части. Для варианта осуществления с наименьшей предпочтительной высотой Н канала данный радиус равен 0,04-1,08 мм. Для варианта осуществления с наибольшей предпочтительной высотой Н канала он равен 0,14-4,31 мм.

Промежуточная часть 10 содержит плоский участок 16, который параллелен одной стенке 6а канала, предусмотренной у канала 4, и имеет небольшую длину относительно длин расположенной выше по потоку части 9 и расположенной ниже по потоку части 11. Кроме того, элемент 7 для направления потока имеет максимальную высоту h₁ относительно стенки 6 канала, от которой продолжается элемент 7 для направления потока, на плоском участке 16 промежуточной части 10. Высота h₁ предпочтительно превышает высоту Н канала 4, умноженную на 0,35. Для варианта осуществления с наименьшей предпочтительной высотой Н канала она равна 0,35-0,54 мм. Для варианта осуществления с наибольшей предпочтительной высотой Н канала она равна 1,40-2,15 мм. Плоский участок 16 может быть предусмотрен в данном месте по соображениям, связанным с изготовлением, тем не менее, он также способствует направлению потока текучей среды в направлении канала 4, то есть параллельно стенкам 6а, 6b, 6с канала 4, после направления его к противоположным стенкам 6b, 6с посредством расположенной выше по потоку части 9. Плоский участок 16 может иметь длину в направлении потока текучей среды, составляющую 0-2·Н, предпочтительно 0-2·h₁ и более предпочтительно 0-1,0·h₁. Вместо выполнения плоского участка 16, параллельного стенке 6 канала, от которой продолжается расположенная выше по потоку часть 9, плоский участок 16 промежуточной части 10 может иметь наклон относительно стенки 6а канала, от которой продолжается расположенная выше по потоку часть 9. Наклон - в направлении потока текучей среды - может быть или внутрь в канал 4 или к стенке 6а канала. В другом варианте осуществления промежуточная часть 10 может иметь слегка изогнутую форму, например, выпуклую. Переходные участки 17, 19 необязательно должны быть криволинейными, они могут быть прямыми.

Расположенная ниже по потоку часть 11 элемента 7 для направления потока содержит плоский участок 22, который возвращается - в направлении потока текучей среды - к стенке 6а канала, с заданным вторым углом α₂ наклона относительно плоскости стенки 6а канала. Второй угол α₂ наклона задан как угол между плоскостью стенки 6а канала и направлением протяженности плоского участка 22 по отношению к плоскости стенки 6а канала, при этом угол находится по ходу потока до точки пересечения направления протяженности плоского участка 22 и плоскости стенки 6а канала. Второй угол α₂ наклона также задан как угол α₂ на фиг.3. Кроме того, второй угол α₂ наклона составляет 50°-90° и предпочтительно 60±10°. Предпочтительно плоский участок 22 является достаточно коротким, так что расположенная ниже по потоку часть 11 может возвращаться к стенке 6а канала на ровном переходном участке 18, предпочтительно выполненным с большим радиусом R₄. Плоский участок 22 позволяет текучей среде создавать регулируемое турбулентное движение вследствие расширяющегося поперечного сечения, что обеспечивает оптимизацию соотношения между теплообменом, влагопереносом и/или массообменом и падением давления.

Заданный радиус R₃ переходного участка 17 между промежуточной частью 11 и расположенной ниже по потоку частью равен высоте элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,1-2,1, то есть составляет 0,1·h₁-2,1·h₁, предпочтительно равен высоте элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,35-2,1, то есть составляет 0,35·h₁-2,1·h₁, и более предпочтительно равен высоте элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,35-1,1, то есть составляет 0,35·h₁-1,1·h₁. Для варианта осуществления с наименьшей предпочтительной высотой Н канала данный радиус равен соответственно 0,04-1,13 мм, 0,12-1,13 мм и 0,12-0,59 мм. Для варианта осуществления с наибольшей предпочтительной высотой Н канала данный радиус равен соответственно 0,14-4,52 мм, 0,49-4,52 мм и 0,49-2,37 мм. Данный радиус обеспечивает направление большей части текучей среды к стенке 6а канала, создавая вихрь, то есть регулируемое турбулентное движение текучей среды, которое создается вследствие расширяющегося поперечного сечения. Данное турбулентное движение необходимо для повышения интенсивности теплообмена, влагопереноса и/или массообмена.

В альтернативном варианте радиус R₂ переходного участка 19 между расположенной выше по потоку частью 9 и промежуточной частью 10 может быть равен радиусу R₃ переходного участка 17 между промежуточной частью 10 и расположенной ниже по потоку частью 11. То есть он равен высоте элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,1-2,1, то есть составляет 0,1·h₁ - 2,1·h₁, предпочтительно равен высоте элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,35-2,1, то есть составляет 0,35·h₁ - 2,1·h₁, и более предпочтительно равен высоте элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,35-1,1, то есть составляет 0,35·h₁-1,1·h₁. Для варианта осуществления с наименьшей предпочтительной высотой Н канала данный радиус равен соответственно 0,04-1,13 мм, 0,12-1,13 мм и 0,12-0,59 мм. Для варианта осуществления с наибольшей предпочтительной высотой Н канала данный радиус равен соответственно 0,14-4,52 мм, 0,49-4,52 мм и 0,49-2,37 мм. Одинаковые радиусы предпочтительны в некоторых применениях, в которых текучая среда может течь также в направлении, противоположном вышеупомянутому направлению потока текучей среды.

Между стенкой 6а канала, предусмотренной у канала 4, и расположенной выше по потоку частью 9 имеется плавный переходный участок 20, имеющий заданный радиус R₁. Радиус R₁ переходного участка 20 между стенкой 6а канала, предусмотренной у канала 4, и расположенной выше по потоку частью 9 способствует направлению текучей среды вверх в канал 4 и равен высоте h₁ элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,1-2, то есть составляет 0,1·h₁-2·h₁. Для варианта осуществления с наименьшей предпочтительной высотой Н канала данный радиус равен 0,04-1,08 мм. Для варианта осуществления с наибольшей предпочтительной высотой Н канала данный радиус равен 0,14-4,31 мм.

Радиусы R₁ и R₂ переходных участков соответственно между стенкой 6а канала и расположенной выше по потоку частью 9 и между расположенной выше по потоку частью 9 и промежуточной частью 10, которые оптимальны с точки зрения соотношения падения давления и теплообмена, влагопереноса и/или массообмена, могут быть определены посредством использования некоторых эмпирических параметров. Подобными параметрами являются, например, соотношение площади А₁ поперечного сечения канала 4 и площади А₂ поперечного сечения канала 4 у элемента 7, 8 для направления потока, отношение изменения площади поперечного сечения канала 4 у элемента 7, 8 для направления потока к площади А₁ поперечного сечения и первый и второй углы α₁, α₂ наклона соответственно расположенной выше по потоку части 9 и расположенной ниже по потоку части 11. Площадь А₁ поперечного сечения канала 4 определяется как площадь поперечного сечения на входе 5 канала 4. Площадь А₁ поперечного сечения канала 4 также задана как А₁ на фиг.5. Площадь А₂ поперечного сечения канала 4 у элемента 7, 8 для направления потока определяется как площадь поперечного сечения в зоне промежуточной части 10 с высотой h₁. Площадь А₂ поперечного сечения канала 4 также задана как площадь А₂ на фиг.5. В случае промежуточной части, которая непараллельна стенке 6 канала, от которой продолжается расположенная выше по потоку часть 9, площадь А₂ поперечного сечения определяется как средняя площадь поперечного сечения в зоне промежуточной части 10.

Между расположенной ниже по потоку частью 11 и стенкой 6а канала, предусмотренной у канала 4, имеется плавный переходный участок 18, имеющий радиус R₄. Радиус R₄ переходного участка 18 между расположенной ниже по потоку частью 11 и стенкой 6а канала 4, обеспечивает уменьшение образования вторичного вихря, который в противном случае мог бы привести к увеличению падения давления. Радиус R₄ равен высоте элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,2-2, то есть составляет 0,2·h₁-2·h₁, и предпочтительно равен высоте элемента 7 для направления потока, умноженной на 0,5-1,5, то есть составляет 0,5·h₁-1,5·h₁. Для варианта осуществления с наименьшей предпочтительной высотой Н канала данный радиус равен соответственно 0,01-2,15 мм и 0,18-0,81 мм. Для варианта осуществления с наибольшей предпочтительной высотой Н канала данный радиус равен соответственно 0,03-8,62 мм и 0,70-3,23 мм. Тем не менее, переходные участки 18, 20 не ограничены участками, имеющими радиус, они могут быть прямыми.

Плавные переходные участки 18, 19, 20, 21 приводят к более плавному течению текучей среды над элементом 7 для направления потока, и в то же время переходные участки направляют текучую среду в определенном направлении. Плавные переходные участки также обеспечивают уменьшение падения давления, поскольку падение давления вызывается трением между текучей средой и стенками канала.

На фиг.2 и 3 расположенная выше по потоку часть 9 элемента для направления потока имеет плоский участок 21. В другом варианте осуществления, который не показан, расположенная выше по потоку часть 9 может содержать два криволинейных участка с противоположными направлениями кривизны без плоского участка между ними. То есть расположенная выше по потоку часть 9 может быть образована вогнутым переходным участком 20 между стенкой 6а канала и расположенной выше по потоку частью, продолжением которого является выпуклый переходный участок 19 между расположенной выше по потоку частью 9 и промежуточной частью 10. В данном случае первый угол α₁ наклона относится к углу между касательной, проходящей через видимую в сечении точку перегиба двух криволинейных участков, и плоскостью стенки 6 канала. В других аспектах первый угол наклона определяется аналогично случаю с плоским участком 21.

В другом варианте осуществления расположенная ниже по потоку часть 11 может иметь вогнутую или выпуклую форму, или расположенная ниже по потоку часть 11 может содержать два криволинейных участка с противоположными направлениями кривизны без плоского участка 22 между ними. То есть расположенная выше по потоку часть 11 может быть образована выпуклым переходным участком 17 между промежуточной частью и расположенной ниже по потоку частью, продолжением которого является вогнутый переходный участок 18 между расположенной ниже по потоку частью и стенкой канала. В данном случае второй угол α₂ наклона относится к углу между касательной, проходящей через видимую в сечении точку перегиба двух криволинейных участков, и плоскостью стенки 6а канала. В других аспектах второй угол наклона определяется аналогично случаю с плоским участком 22.

На фиг.3 второй элемент 7b для направления потока расположен на расстоянии В от первого элемента 7а для направления потока, при этом второй элемент 7b для направления потока имеет такую же геометрическую форму, как элемент 7а для направления потока. Второй элемент 7b для направления потока также может иметь геометрическую форму, отличающуюся от геометрической формы первого элемента 7а для направления потока. Расстояние В должно быть достаточно большим с тем, чтобы турбулентное движение, созданное после прохода вдоль первого элемента 7а для направления потока, могло быть максимально использовано, и чтобы текучая среда могла принять направление канала 4, то есть направление, параллельное стенкам 6а-с, предусмотренным у канала 4. За счет данного расстояния предотвращается излишнее падение давления без какого-либо снижения интенсивности теплообмена, влагопереноса и/или массообмена. Изобретение не ограничено наличием элементов для направления потока, расположенных на одинаковых расстояниях В друг от друга. Напротив, существует возможность размещения элементов для направления потока на произвольных расстояниях друг от друга.

Над элементом 7а, 7b для направления потока расположена выпуклость 12. Предпочтительно, если высота h₂ выпуклости 12 меньше высоты h₁ элемента 7 для направления потока. Это обеспечивает уменьшение излишней турбулентности в выпуклости 12. Кроме того, предпочтительно, если выпуклость 12 имеет форму, при которой она хорошо вставляется в соответствующую выпуклость 12, которая образована элементом для направления потока на нижней стороне второго канала (см. фиг.4). Высота выпуклости 12 предпочтительно выполнена такой большой, чтобы получить стабильный узел при размещении каналов в виде слоев, то есть для предотвращения телескопичности. В данном случае телескопичность означает нежелательное перемещение слоев каналов относительно друг друга. Изобретение не ограничено наличием одной выпуклости у каждого элемента 7 для направления потока. Вместо этого в направлении потока текучей среды может быть предусмотрена, например, одна выпуклость у первого элемента 7 для направления потока и одна выпуклость у последнего элемента 7 для направления потока.

На фиг.4 показаны два канала 4, находящиеся один над другим, как в системе 2 каналов, при этом каждый канал выполнен с первым элементом 7 для направления потока и вторым элементом 8 для направления потока, который является зеркально перевернутым по отношению к первому элементу 7 для направления потока. Если используются только элементы для направления потока, которые продолжаются внутрь канала, только половина каналов будет иметь элементы для направления потока, когда они свернуты в рулон вместе или расположены друг над другом, как на фиг.6. Для дополнительного увеличения теплообмена, влагопереноса и/или массообмена целесообразно, чтобы каждый второй элемент для направления потока представлял собой элемент 8 для направления потока, являющийся зеркально перевернутым по отношению к первому элементу 7 для направления потока, так что все каналы будут предусмотрены с элементами для направления потока. Второй элемент 8 для направления потока, являющийся зеркально перевернутым по отношению к первому элементу 7 для направления потока, расположен на заданном расстоянии В от первого элемента 7 для направления потока. Расстояние В должно быть настолько большим, чтобы турбулентное движение, создаваемое после прохода вдоль первого элемента 7 для направления потока, могло быть максимально использовано, и чтобы текучая среда могла принимать направление канала 4, то есть направление, параллельное направлению стенок 6 канала, предусмотренных у канала 4. Текучая среда, которая приближается ко второму элементу для направления потока, являющемуся зеркально перевернутым, попадает в зону большой расширенной площади, и скорость локально уменьшается.

Фиг.5, представляющая собой поперечное сечение канала по фиг.2, видимое с одного конца канала, иллюстрирует, каким образом на поперечное сечение влияют углубления 15 с обеих сторон. Как первый элемент 7 для направления потока, так и элемент 8 для направления потока, являющийся зеркально перевернутым, показаны на чертеже, и они продолжаются по всей стенке 6а канала (см. также фиг.1). Поперечное сечение канала является треугольным, но любое куполообразное поперечное сечение будет подходящим. Таким образом, также можно выполнить трапециевидное поперечное сечение.

Для создания необходимого турбулентного движения необходима определенная скорость v₂ текучей среды у промежуточной части 10 элемента 7 для направления потока. Скорость v₂ зависит от площади А₂ поперечного сечения канала в зоне промежуточной части 10, площади А₁ поперечного сечения канала 4 и скорости v₁ в части канала с площадью А₁ поперечного сечения, например, на входе в канал. Посредством использования формулы А₂=А₁·(v₁)²/v₂ наиболее предпочтительное отношение площади А₁ к площади А₂, то есть А₂/А₁, может быть рассчитано в зависимости от применения. Отношение площади А₁ к площади А₂ превышает 1,5, предпочтительно превышает 2,5 и более предпочтительно превышает 3.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения элемент для направления потока расположен таким образом, что промежуточная часть между указанными расположенными выше и ниже по потоку частями параллельна стороне треугольника треугольного поперечного сечения канала, от которой продолжается элемент для направления потока. В другом альтернативном варианте элемент для направления потока расположен таким образом, что промежуточная часть между указанными расположенными выше и ниже по потоку частями перпендикулярна к одной из сторон треугольника треугольного поперечного сечения канала. Это означает, что расположенные выше и ниже по потоку части соответственно имеют наклон относительно двух сторон канала, не только относительно стороны, от которой отклоняется элемент для направления потока, но также относительно соседней стороны. В еще одном альтернативном варианте осуществления элемент для направления потока может быть выполнен таким образом, что боковые участки промежуточной части будут иметь наклон относительно стороны, от которой отклоняется элемент для направления потока, то есть элемент для направления потока образует выпуклую поверхность с четырьмя наклонными сторонами. В качестве альтернативы один элемент для направления потока может продолжаться от одной стенки 6а канала и возвращаться к другой стенке 6b канала или элементы для направления потока могут продолжаться и возвращаться к другим стенкам 6а-с канала в произвольном порядке. Например, каждый третий элемент для направления потока может продолжаться от стенки 6а канала и элементы для направления потока, находящиеся между теми элементами, которые продолжаются от стенки 6а канала, могут продолжаться от двух остальных стенок 6b, с канала попеременно. В еще одном альтернативном варианте осуществления элементы для направления потока могут продолжаться/выступать от двух или нескольких стенок 6а-с канала на одинаковом расстоянии от входа в канал 4 или от элемента 7, 8 для направления потока, расположенного выше по потоку в канале. Это приводит к сужению канала от нескольких стенок. Данный тип элементов для направления потока может сочетаться с элементами 7, 8 для направления потока, проиллюстрированными на чертежах.

На фиг.6 показан слой с каналами 4 в системе 2 каналов в продольном направлении каналов в соответствии с настоящим изобретением. Предпочтительно используется гофрированная полоса 13, в которой элементы 7, 8 для направления потока выдавлены с одной стороны для образования как углублений 15 у краевых сгибов, так и выдавленных частей у внутренних краевых сгибов. Углубления 15 в данном случае такие же, как элементы 7, 8 для направления потока, описанные выше. В данном варианте осуществления также используется в основном плоская полоса 14, которая также образована с углублениями 15, соответствующими углублениям в гофрированной полосе 13. Плоская полоса 14 и гофрированная полоса 13 сжаты друг над другом так, что углубления в плоской полосе 14 входят в углубления 15 в гофрированной полосе 13.

Для дополнительного увеличения теплообмена, влагопереноса и/или массообмена целесообразно, чтобы каналы с вершиной треугольного поперечного сечения, направленной вниз, и каналы с вершиной треугольного поперечного сечения, направленной вверх, были выполнены с углублениями/выдавленными частями, что приводит к тому, что все каналы будут выполнены с элементами для направления потока. Следовательно, для того чтобы все каналы были выполнены с элементами для направления потока, целесообразно выполнить углубления/выдавленные части с обеих сторон, так что основание треугольника, то есть поперечного сечения канала, будет прижато внутрь, в результате чего обеспечивается уменьшение площади поперечного сечения. Углубления/выдавленные части каналов с вершиной треугольного поперечного сечения, направленной соответственно наружу и внутрь, смещены относительно друг друга вдоль каналов и предпочтительно расположены на одинаковых расстояниях друг от друга. Таким образом, в поперечном сечении одного и того же канала в разных местах вдоль него имеются углубления в зоне основания треугольника/выдавленная часть в зоне вершины треугольника и углубления в зоне вершины треугольника/выдавленная часть в зоне основания треугольника. Именно уменьшение площади поперечного сечения главным образом способствует образованию турбулентности. Это означает, что части, где основание вдавлено внутрь к центру канала, вызывают образование большей части турбулентности, поскольку именно в этих местах площадь поперечного сечения уменьшена. Вместо этого в частях, где вершина треугольника вдавлена внутрь к центру канала и основание выдавлено наружу, имеет место увеличение площади поперечного сечения.

Несмотря на то, что изобретение было описано выше в связи с предпочтительными вариантами осуществления изобретения, специалисту в данной области техники будет очевидно, что возможны несколько модификаций, не выходящих за рамки объема изобретения, определенного нижеприведенной формулой изобретения. Например, как описано выше, гофрированная полоса может быть гофрирована другими способами, так что будут получены другие профили каналов. Если конфигурация элементов для направления потока не обеспечивает препятствия для телескопичности, например, если углы наклона расположенных выше и ниже по потоку частей малы относительно продольного направления канала, существует возможность выполнения специального углубления/выдавленной части с немного меньшими острыми углами относительно продольного направления каналов. В этом случае данные элементы, препятствующие телескопичности, должны быть небольшими, то есть небольшими относительно поперечного сечения каналов, по сравнению с элементами для направления потока, для минимизации падения давления. Данные элементы, препятствующие телескопичности, само собой разумеется, так могут дополнять элементы для направления потока, которые уже служат в качестве элементов, препятствующих телескопичности. Количество углублений/элементов для направления потока зависит от длины канала и площади А₁ поперечного сечения канала. Для оптимизации соотношения падения давления и теплообмена, влагопереноса и/или массообмена канал с меньшей площадью поперечного сечения требует более короткого расстояния между элементами для направления потока и, следовательно, большего числа элементов для направления потока, чем канал с большей площадью поперечного сечения. Кроме того, с точки зрения изготовления целесообразно использовать заданное расстояние, которое можно неоднократно использовать для разных применений. Для предпочтительных вариантов осуществления число элементов для направления потока может составлять 5-6 для канала с длиной 150 мм. Однако число элементов для направления потока никоим образом не ограничено данным числом.

Реферат

Настоящее изобретение относится к области теплотехники, а именно к системе каналов для оптимизации соотношения между падением давления и теплообменом, влагопереносом и/или массообменом текучих сред, протекающих через систему, при этом система каналов содержит по меньшей мере один канал, имеющий по меньшей мере одну стенку канала и по меньшей мере один элемент для направления потока, имеющий заданную высоту, при этом элемент для направления потока продолжается в направлении потока текучей среды и поперек канала и содержит расположенную выше по потоку часть, расположенную ниже по потоку часть и промежуточную часть, расположенную между ними, при этом расположенная выше по потоку часть отклоняется в направлении потока текучей среды от стенки канала внутрь в канал, а расположенная ниже по потоку часть возвращается в направлении потока текучей среды к стенке канала, при этом переходный участок между промежуточной частью и частью, расположенной ниже по потоку, изогнут с заданным радиусом. 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула