КОМБИНИРОВАННАЯ ТОРЦЕВАЯ СТРУКТУРА ТЕПЛООБМЕННИКА
COMBINED END STRUCTURE OF HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится вообще к теплообменникам и, в частности, к теплообменникам, содержащим торцевые структуры, которые обладают упругими свойствами и герметично закрывают теплообменник, приспособленный для формирования по длине пучка труб переходных зон изменения направления потока, обтекающего трубы.
Уровень техники
Теплообменники могут быть использованы для многочисленных применений и могут воплощать ряд различных форм. В качестве лишь примера, маслоохладители для двигателей внутреннего сгорания обычно имеют удлиненный корпус, который охватывает пучок, сформированный по существу из отдельных теплообменных труб. Эти трубы обычно укладывают в целом по гексагональной схеме расположения так, что каждая труба окружена шестью другими трубами. Конечно, могут быть также использованы другие схемы расположения труб в пучке. Пучок труб устанавливают с прохождением через теплопроводящие ребра и/или направляющие поток перегородки, и он может поддерживаться этими перегородками и теплопроводящими ребрами, которые устанавливают внутри корпуса для формирования извилистого (змеевидного) пути движения потока между входом в корпус и выходом из него.
Примеры известных теплообменников показаны и описаны в патентном документе US 7243711 (Amstutz et al.), дата публикации 17 июля 2007. Воплощения теплообменников, описанных в этом источнике, имеют конструкцию, приспособленную для проведения высокоэффективного теплообмена. В частности, в упомянутом патентном документе описан теплообменник, содержащий корпус, образующий камеру теплообмена, внутри которой размещен пучок труб. Пучок труб образован из большого количества труб, расположенных по определенной схеме. В описанном воплощении для поддерживания указанного пучка труб используют систему перегородок. Пучок труб, перегородки и корпус формируют извилистый путь движения потока между входом и выходом. Извилистый путь движения потока включает большое количество участков, которые в целом проходят перпендикулярно трубам. Эти участки отделены друг от друга с помощью окон, служащих для изменения направления движения потока. В местах расположения окон для изменения направления потока пучок труб отделен от корпуса относительно большим зазором. В местах (поперечного сечения), удаленных от окон для изменения направления движения потока, пучок труб отделен от корпуса существенно меньшим зазором. Торцы корпуса герметизированы (уплотнены) с помощью известных средств, таких, как торцевые структуры из упругого материала, окружающего трубы трубного пучка и продолжающегося до корпуса. Такая структура применяется для герметизации камеры теплообмена от утечек, когда камера находится под действием внутренних рабочих давлений. Однако с увеличением давлений внутри камеры и/или зазоров герметизация может быть затруднена. Соответственно, желательна такая конструкция, которая обеспечивает поддерживание торцевой структуры в зонах между пучком труб и корпусом и в то же время сохраняет хорошие герметизирующие свойства.
Сущность изобретения
Согласно одному аспекту описание раскрывает теплообменник. Указанный теплообменник содержит корпус с внутренней стенкой, образующей часть камеры теплообмена. Внутри корпуса размещен пучок труб, включающий в себя большое количество труб. По меньшей мере, одна упругая торцевая структура размещена в сжатом состоянии, образующем заглушку, по меньшей мере, частично, на противоположных сторонах камеры теплообмена в поперечном направлении относительно, по меньшей мере, части труб, образующих пучок труб. В теплообменнике образован извилистый канал для прохождения потока, включающий большое число окон для изменения направления его движения. Внешняя граница пучка труб отделена в месте нахождения окон от внутренней стенки расстоянием, соответствующим размеру окон, служащих для изменения направления движения потока. Упругая торцевая структура включает, по меньшей мере, один краевой сегмент, проходящий между внутренней стенкой и внешней границей пучка труб. Краевой сегмент включает, по меньшей мере, первую зону, образованную из первого материала, характеризуемого первым модулем упругости при сжатии. Краевой сегмент, кроме того, включает, по меньшей мере, вторую зону, образованную из второго материала, характеризуемого вторым модулем упругости при сжатии. При этом величина второго модуля упругости при сжатии больше, чем величина указанного первого модуля упругости при сжатии.
В другом аспекте настоящее описание раскрывает способ сборки теплообменника. Способ включает обеспечение корпуса, имеющего внутреннюю стенку, образующую часть камеры теплообмена. Корпус герметизируют с помощью, по меньшей мере, одной упругой концевой структуры, размещенной в сжатом состоянии с образованием заглушки, по меньшей мере, частично, на противоположных сторонах камеры теплообмена в поперечном направлении, по меньшей мере, к части труб. Торцевая структура включает, по меньшей мере, один краевой сегмент, расположенный между внутренней стенкой и пучком труб. Краевой сегмент содержит, по меньшей мере, первый материал, обладающий упругими свойствами, характеризуемый первым модулем упругости при сжатии, в комбинации, по меньшей мере, со вторым материалом, характеризуемым вторым модулем упругости при сжатии. При этом величина второго модуля упругости при сжатии больше величины первого модуля упругости при сжатии.
В другом аспекте обеспечивается герметизирующая структура. Герметизирующая структура размещена внутри отверстия и состоит из внутренней части и, по меньшей мере, одного краевого сегмента. Краевой сегмент включает, по меньшей мере, первый материал, обладающий упругими свойствами, характеризуемый первым модулем упругости при сжатии, в комбинации, по меньшей мере, со вторым материалом, характеризуемым вторым модулем упругости при сжатии. При этом величина второго модуля упругости при сжатии больше величины первого модуля упругости при сжатии.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематический вид, иллюстрирующий пример теплообменника, содержащего многозонную упругую торцевую структуру, соответствующую настоящему описанию.
Фиг.2 - схематический вид в разрезе, иллюстрирующий камеру теплообмена в теплообменнике, показанном на фиг.1.
Фиг.3-схематический вид в разрезе по линии 3-3 на фиг.2, иллюстрирующий многозонную торцевую структуру для теплообменника, показанного на фиг.1.
Фиг.4 - схематический вид, подобный представленному на фиг.3, иллюстрирующий другую конструкцию многозонной торцевой структуры.
Фиг.5 - схематический вид, подобный представленному на фиг.3, иллюстрирующий еще одну конструкцию многозонной торцевой структуры.
Подробное описание
Настоящее описание относится к теплообменнику, содержащему внутри корпуса пучок труб вместе с упругой торцевой структурой, размещенной в сжатом состоянии с образованием заглушки, по меньшей мере, частично, на противоположных концах камеры теплообмена. Упругая торцевая структура включает один или большее число краевых сегментов, проходящих между внутренней стенкой корпуса и внешней границей пучка труб. Краевой сегмент включает комбинацию материалов, имеющих различные характеристики сжатия, обеспечивающие усиленную поддержку краевых сегментов.
Далее будут сделаны ссылки на чертежи, на которых в различных видах одинаковыми ссылочными номерами позиции обозначены сходные элементы. На фиг.1 представлен типичный теплообменник 12, такой, как маслоохладитель или тому подобный. Следует понимать, что хотя теплообменник 12 иллюстрируется в виде маслоохладителя, который может быть использован в двигателе внутреннего сгорания, теплообменник 12 такой конфигурацией или использованием никаким образом не ограничивается. Напротив, типичный теплообменник 12, соответствующий настоящему описанию, может иметь различные формы и может быть приспособлен для многих применений, желательных для пользователя.
В примере конструктивного выполнения теплообменник включает корпусной элемент или корпус 14 с входным патрубком 16 и выходным патрубком 18. Корпус может быть выполнен любым подходящим образом с использованием известных материалов. В качестве примера, одним подходящим конструкционным материалом может быть литой алюминий, который обрабатывают до достижения конечной формы. Корпус 14 содержит входной патрубок 16 и выходной патрубок 18 для масла или другой охлаждаемой текучей среды. Пучок труб 20, образованный из множества труб 21 (фиг.2), монтируют в камере теплообмена, образованной корпусом 14. Трубы 21 изготавливают из меди и другого подходящего теплопроводного материала, и они транспортируют хладагент способом, хорошо известным специалисту в данной области техники. При функционировании теплообменника масло или другая текучая среда поступает в теплообменник 12 через входной патрубок 16. Затем текучая среда протекает вдоль пучка 20 труб и выходит при более низкой температуре через выходной патрубок 18.
Как видно на фиг.2, конструкционные перегородки 23 размещены в определенных местах по длине корпуса 14. Перегородки 23 окружают части пучка 20 труб. Перегородки 23, в общем, соответствуют поперечному сечению внутреннего объема корпуса 14 и проходят частично, а не поперек всей камеры, образованной корпусом 14. Перегородки 14, пучок 20 труб и корпус 14 формируют, таким образом, извилистый путь (канал) 25 движения потока, который начинается во входном патрубке 16 и заканчивается в выходном патрубке 18. Извилистый путь 25 движения потока включает участки, которые проходят приблизительно перпендикулярно трубам 21. Эти участки отделены друг от друга окнами 30, обеспечивающими изменение направление движения потока. Корпус образует камеру 24 теплообмена, внутри которой размещен пучок 20 труб.
В соответствии с фиг.2 и фиг.3 корпус 14 имеет внутреннюю стенку 22, которая является по существу одинаковой по длине 43 камеры (фиг.2). Внутренняя стенка 22 имеет форму, рассчитанную на установку с возможностью плавного перемещения пучка 20 труб и перегородок 23. Таким образом, камеру 24 примера теплообменника можно представить себе, как имеющую длину 43 и постоянное поперечное сечение с шириной 40 камеры и высотой 42 камеры. Пучок 20 труб включает периферийный ряд труб 26, образующий внешнюю границу пучка труб, которая в месте нахождения окон 30 для изменения направления движения потока отделена от внутренней стенки 22 корпуса 14 расстоянием 28, соответствующим высоте окна, и на удалении от окон (в поперечном сечении) отделена от внутренней стенки зазором 27. Расстояние 28, соответствующее высоте окна, в общем больше, чем величина зазора 27. Величина зазора 27 может быть приблизительно такой же, что и расстояние между трубами 26 в пределах пучка 20 труб, хотя могут быть использованы меньшие или большие величины зазоров. В этой связи следует понимать, что нет необходимости в том, чтобы величина зазора была постоянной и что, по меньшей мере, некоторые элементы ряда периферийных труб 26 могут контактировать с внутренней стенкой 22. Расстояние, соответствующее размеру окна, таково, что сечение извилистого канала 25 для движения потока в местах нахождения окон 30 для изменения направления движения потока может обеспечивать прохождение потока при отсутствии чрезмерного сужения проходного сечения, и тем самым уменьшается перепад давления в теплообменнике 12 в процессе его работы. Как будет понятно, хотя примерный теплообменник 24 показан имеющим, в общем, поперечное сечение в форме шестиугольника, точно также может быть использовано любое число других конфигураций. В качестве лишь примера такие другие конфигурации могут включать иные многоугольные формы, формы окружности, овальные формы и тому подобные.
Как показано, теплообменник 12 включает торцевую структуру 50, обладающую упругими свойствами, для использования при герметизации камеры 24 теплообмена. Торцевую структуру 50 размещают в сжатом состоянии с образованием заглушки поперек внутреннего объема корпуса 14. Показанная в качестве примера торцевая структура 50 включает матрицу из упругого материала, размещенную так, что она охватывает трубы 21 во внутренней части 52 торцевой структуры 50. Указанная матрица из упругого материала содержит участки, находящиеся внутри периферийного ряда труб 26. В качестве примера, а не ограничения изобретения, упругие материалы, образующие указанную матрицу, могут включать эластомеры, такие как хлоропрен, силикон, этилен-пропилен-диен-каучук (ЭПДК), фтор-каучук (ФК), полиуретан. гидрированный акрилонитрил-бутадиен-каучук (ГАБК) или подобный материал. Представленная на фиг.2 и фиг.3 торцевая структура 50 включает также пару краевых сегментов 56, расположенных между пучком 20 труб и внутренней стенкой 22 корпуса 14. Как показано, краевые сегменты 56 в осевом направлении в основном совпадают с размером поперечного сечения окон 30 для изменения направления движения потока так, что размер и форма краевых сегментов 56 соответствуют в целом конфигурации поперечного сечения окон 30, изменяющих направление движения потока. Однако при желании точно также могут быть использованы и иные геометрические формы. В этой связи следует понимать, что хотя иллюстрируемая торцевая структура 50 включает пару краевых сегментов 56, точно также предполагается, что торцевая структура 50 может включать любое количество торцевых сегментов различной формы и размеров, расположенных в различных позициях вокруг пучка 20 труб.
Независимо от местоположения и формы краевых сегментов 56, предполагается, что один или большее число таких краевых сегментов 56 будут представлять собой комбинированную структуру, включающую зоны, характеризуемые различными уровнями жесткости (коэффициента упругости). В частности, по меньшей мере, один из краевых сегментов 56 включает одну или большее количество зон 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии, образованных из материала, такого, как эластомер или подобного материала, характеризуемого первой величиной модуля упругости при сжатии. Краевой сегмент 56 включает также одну или большее число зон 62 с увеличенным модулем упругости при сжатии, образованных из материала со второй величиной модуля упругости при сжатии, которая больше, чем для материала, образующего зоны 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии. Специалистам в данной области техники будет понятно, что материал с большей величиной модуля упругости при сжатии обладает большей жесткостью и обеспечивает большее сопротивление упругой деформации в условиях действия сжимающей нагрузки. Таким образом, при сравнимом уровне сжатия зоны 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии подвержены действию большей упругой деформации по сравнению с зонами 62 с увеличенным модулем упругости при сжатии. Зоны 62 с увеличенным модулем упругости при сжатии могут быть по существу несжимаемыми или они могут иметь ограниченную сжимаемость по отношению к зонам 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии. Зоны 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии и зоны 62 с увеличенным модулем упругости при сжатии могут быть расположены по существу одна рядом с другой по всему краевому сегменту 56.
В качестве примера в схеме, иллюстрируемой на фиг.3, зоны 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии могут быть сформированы из эластомерного материала. Зоны 62 с увеличенным модулем упругости при сжатии могут иметь вид пробок, введенных или сформованных в отверстиях по всем граничным сегментам 56. При этом зоны 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии занимают промежутки между пробками так, что по существу окружают эти пробки. Зоны 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии проходят до внутренней стенки 22, образуя тем самым уплотнение между торцевой структурой 50 и корпусом 14. В иллюстрируемом воплощении пробки размещены по схеме, в целом соответствующей схеме расположения труб 21 в трубном пучке 20. Вместе с тем, точно также может быть использовано любое количество других схем расположения. В соответствии с одним предусмотренным практическим осуществлением зоны 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии могут быть образованы из такого же эластомера, что и материал матрицы, окружающей трубы 21, находящейся во внутренней части 52 структуры. Однако при желании в равной степени могут быть использованы и другие упругие материалы. Кроме того, предусмотрено, что в зонах 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии при желании могут быть использованы два или большее число эластомеров. Упомянутые пробки могут быть сформованы из любого подходящего материала с увеличенным модулем упругости при сжатии по отношению к зонам 60 с уменьшенным модулем упругости при сжатии. В качестве лишь примера подходящий материал пробки может включать сталь или другие металлы, эластомеры с повышенной жесткостью, дерево, пластмассы, керамические материалы и тому подобное. Пробки удерживаются на месте за счет значительных усилий сжатия, приложенных к торцевой структуре 50, хотя для сохранения их устойчивости при необходимости могут быть использованы адгезионное соединение и/или литье.
Предполагается также, что для получения комбинации зон значительного сжатия и зон уменьшенного сжатия по всем краевым сегментам торцевой структуры может быть использовано любое количество других конфигураций. В качестве лишь примера на фиг.4 представлена схема торцевой структуры 150, удерживаемой в сжатом состоянии у внутреннего объема корпуса 114. Как будет понятно, на фиг.4 элементы, соответствующие ранее пронумерованным элементам (фиг.3), обозначены такими же ссылочными номерами позиций, но в пределах последовательности чисел, начинающейся со 100. В схеме, представленной на фиг.4, зоны 162 с увеличенным модулем упругости при сжатии образованы в виде вставок, размещенных по всем краевым сегментам 156. При этом зоны 160 с уменьшенным модулем упругости при сжатии занимают области, примыкающие к указанным вставкам, и могут по существу окружать эти вставки. В иллюстрируемой схеме вставки выполнены в целом в форме трапеции. Однако в равной степени могут быть использованы любые другие конфигурации. Кроме того, следует отметить, что хотя в иллюстрируемой схеме для образования зон 162 с увеличенным модулем упругости при сжатии используются вставки, расположенные по одной, предполагается, что при желании в краевых сегментах 156 может быть размещено несколько вставок. Как показано, зоны 160 с уменьшенным модулем упругости при сжатии проходят до внутренней стенки 122, образуя тем самым уплотнение между торцевой структурой 150 и корпусом 114. Зоны 160 с уменьшенным модулем упругости при сжатии могут быть образованы из такого же эластомера, что и матрица, окружающая трубы 121, хотя при желании могут быть использованы разные эластомеры. Кроме того, предполагается, что в зонах 160 с уменьшенным модулем упругости при сжатии могут быть, при желании, использованы два или большее число эластомеров. Вставки могут быть образованы из любого подходящего материала с увеличенным модулем упругости при сжатии по отношению к зонам 160 с пониженным модулем упругости при сжатии. В качестве лишь примера, такой материал может включать эластомеры с повышенной жесткостью, металлы, дерево, пластмассы, керамику и тому подобные. Вставки удерживаются на месте за счет значительных усилий сжатия, приложенных к торцевой структуре 150, хотя для сохранения их устойчивости при необходимости могут быть использованы адгезионное соединение и/или литье.
Фиг.5 иллюстрирует схему торцевой структуры 250, удерживаемой в сжатом состоянии у внутреннего объема корпуса 214. Как будет понятно, на фиг.5 элементы, соответствующие ранее пронумерованным элементам (на фиг.3 и фиг.4), обозначены такими же ссылочными номерами позиций, но в пределах последовательности чисел, начинающейся с 200. В схеме, представленной на фиг.5, зоны 262 с увеличенным модулем упругости при сжатии образованы посредством осуществления избирательного химического изменения или введения добавок в определенных местах по всем граничным сегментам 256. Зоны 260 с уменьшенным модулем упругости при сжатии занимают области, прилегающие к зонам 262 с увеличенным модулем упругости при сжатии, и могут по существу окружать зоны 262 с повышенным модулем упругости при сжатии. В иллюстрируемом воплощении зоны 262 с повышенным модулем упругости при сжатии имеют в целом эллиптическую форму. Однако точно также может быть использовано любое количество других конфигураций. Зоны 260 с уменьшенным модулем упругости при сжатии могут проходить к внутренней стенке 222 с образованием тем самым уплотнения между торцевой структурой 250 и корпусом 214. Однако участки, занятые зонами 262 с повышенным модулем упругости при сжатии, также могут контактировать с внутренней стенкой 222 с образованием части уплотнительной поверхности раздела, если это желательно. Зоны 260 с уменьшенным модулем упругости при сжатии могут быть образованы из такого же эластомера, что и матрица, окружающая трубы 221, хотя при желании могут быть использованы различные эластомеры. Кроме того, предполагается, что зоны 260 с уменьшенным модулем упругости при сжатии могут включать два или большее количество эластомеров. В качестве лишь примера, в соответствии с одним методом зоны 262 с увеличенным модулем упругости при сжатии могут быть сформированы путем селективного локализованного ввода различных наполнителей или иных добавок и/или путем селективного ввода сшивающих или других упрочняющих агентов в композицию на основе эластомера локально по всем краевым сегментам 256. Такие агенты повышают локальную прочность, увеличивая в результате локальные модули упругости при сжатии.
Было установлено, что наличие локальных зон с увеличенным модулем упругости при сжатии по всем краевым сегментам упругой торцевой структуры способствует удерживанию краевых сегментов. Это дополнительное поддерживание позволяет увеличить расстояние между пучком труб и корпусом и/или повышать давление в камере теплообмена. Безотносительно к определенной теории следует отметить, что существует теория, согласно которой наличие зон с увеличенным модулем упругости при сжатии по всем краевым сегментам способствует повышению однородности распределения напряжений по всей торцевой структуре. Усилия сжатия, приложенные за счет окружающего корпуса, действуют, таким образом, по всей торцевой структуре, что позволяет тем самым избежать появления зон слабого сжатия и обеспечивает, таким образом, повышение устойчивости всей структуры.
Предполагается также, что многозонные элементы уплотнения, соответствующие настоящему описанию, могут найти применение в иных условиях, чем теплообменники. В связи с этим такие элементы могут найти применение в качестве уплотнительных структур в любом ряде герметичных аппаратов, находящихся или не находящихся под давлением. В качестве лишь примера такие герметичные аппараты могут включать различные резервуары для хранения, химические реакторы и тому подобные аппараты, которые требуют хорошего уплотнения всего имеющегося в конструкции отверстия.
Промышленная применимость
Промышленная применимость теплообменника или другого аппарата, соответствующего настоящему изобретению, из приведенного выше описания будет хорошо понятна. В связи с этим настоящее описание, относящееся к теплообменнику, применимо практически по существу к любой конструкции, предназначенной для проведения теплообмена, использующей пучок труб, размещенный внутри корпуса, и содержащей упругую герметизирующую (уплотнительную) структуру с сегментами герметизирующей структуры, расположенными снаружи от внешней границы пучка труб. Теплообменники, соответствующие настоящему описанию, могут быть использованы для охлаждения текучих сред, таких как вода, масло, воздух или тому подобные. Такие теплообменники могут найти применение, в частности, в таких условиях, когда теплообмен осуществляется с реализацией извилистого пути движения потока через теплообменник.
На практике теплообменник, соответствующий настоящему описанию, может быть использован в таких случаях, как промышленное оборудование, на дорожных транспортных средствах и тому подобных, где ограничено пространство и необходима высокая эффективность охлаждения. В таких условиях эксплуатации повышенную эффективность охлаждения может обеспечить извилистый канал для прохождения потока через корпус, включающий относительно большое количество окон, изменяющих направление потока. Упругая торцевая структура может быть использована для эффективного уплотнения с целью предотвращения утечек в камере теплообмена. Включение и или распределение материалов, характеризуемых относительно высокими уровнями модуля упругости при сжатии, в пределах краевых сегментов упругой торцевой структуры обеспечивает повышенную прочность, сохраняя в то же время состояние относительного сжатия при уплотнении внешней границы между упругой концевой структурой и корпусом.
Элементы уплотнения, соответствующие настоящему описанию, помимо их использования внутри теплообменника, могут найти промышленное применение практически в любой конструкции, требующей надежного уплотнения всего большого отверстия. Их применение возможно в любой конструкции для хранения и проведения химических реакций, где требуется надежное уплотнение.