ТЕПЛООБМЕННИК С ВТОРИЧНОЙ СКЛАДЧАТОСТЬЮ
HEAT EXCHANGER WITH SECONDARY FOLDING

Перекрестная ссылка на «родственные» заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет по Предварительной заявке США № 61/425840, поданной 22 декабря 2010 г., которая включена сюда в качестве ссылки.
Предпосылки к созданию изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в общем к системам и способам переноса тепла между текучими средами и, в частности, к теплообменникам, приспособленным для переноса тепла между непрерывными потоками двух текучих сред.
Уровень техники
Промышленные процессы и потребительские продукты часто действуют путем переноса тепла между двумя текучими средами. Примером может служить бытовой холодильник, в котором в очень упрощенном виде циркулирующий хладагент поглощает тепло из охлаждаемого пространства и затем отводит тепло в окружающий воздух. Теплообменные части обычных систем переноса тепла обычно имеют такие, как показано на фиг.1А и 1В, ребра, прикрепленные к трубам, несущим в себе хладагент. Эти виды теплообменников могут быть сложными в изготовлении и имеют предел эксплуатационных характеристик, который определяется площадью внутренней поверхности трубы и средним путем, которым должно проходить тепло от текучей среды до воздуха.
Трубки, имеющие круговые гофры, часто используются для того, чтобы позволить системам металлических труб вмещать отклонения и угловые смещения. На фиг.1С показана типичная секция гибкой трубы, имеющая круговые гофры. Поскольку гофры ориентированы перпендикулярно потоку через трубу, текучая среда внутри складок гофров может застаиваться или создавать значительное сопротивление потоку текучей среды через эту секцию.
Сущность изобретения
Одним из недостатков обычных теплообменников является то, что охлаждаемая текучая среда открыта только на ограниченной площади поверхности, обычно внутренней поверхности гладкой цилиндрической трубы. Другим недостатком является трудность прикрепления ребер к трубе, несущей в себе подлежащую охлаждению текучую среду для улучшения тепловой связи трубы и наружного воздуха. Ребра могут быть выполнены отдельно, и затем помещены вокруг трубы, что может обеспечить качественную тепловую связь между ребрами и трубой, или же ребра могут быть припаяны или скреплены иным термическим способом с трубой в ходе вторичного этапа. С другой стороны, теплообменник может быть выполнен из толстостенной трубы с ребрами, выточенными непосредственно на трубе или сформированными путем спиральной совместной экструзии ребер на трубе с центральным потоком, причем оба этих способа обеспечивают качественную тепловую связь между трубой и ребрами, однако высокая стоимость этих технических решений обычно ограничивает их использование только аэрокосмической отраслью, в которой улучшение рабочих характеристик стоит приращения издержек. Кроме того, рабочие характеристики ребристого теплообменника типа, показанного на фиг.1А и 1В, ограничиваются длинным средним путем, которым должно проходить тепло от внутренней стенки трубы через ребра для достижения воздуха или другой охлаждающей текучей среды.
Теплообменный элемент и теплообменники, описанные здесь, устраняют недостатки обычных теплообменников путем получения большой площади поверхности, находящейся в контакте с предназначенной для охлаждения текучей средой и/или площади поверхности, находящейся в контакте с охлаждающей текучей средой, и коротким средним путем прохождения тепла между двумя текучими средами. Теплообменники, содержащие описанные теплообменные элементы, могут быть менее дорогостоящими при изготовлении и могут обладать более высокими рабочими характеристиками по сравнению с обычными теплообменниками.
В некоторых вариантах описан теплообменный элемент, который включает в себя складчатый лист, повторно согнутый и соединенный по первой кромке и по второй кромке с образованием внутреннего объема, имеющего впускную магистраль, рядом с первой кромкой, выпускную магистраль, рядом со второй кромкой и отверстие, противоположное вторичной складчатости на складчатом листе. Складчатый лист содержит множество полых ребер. Теплообменный элемент включает также в себя делитель потока, расположенный во внутреннем объеме между впускной магистралью и выпускной магистралью. Множество внутренних вершин множества полых ребер находятся в контакте с делителем потока. Теплообменный элемент включает также в себя базовый элемент, соединенный с периметром отверстия внутреннего объема. Базовый элемент содержит вход и выход, находящиеся в сообщении по текучей среде с впускной магистралью и выпускной магистралью соответственно.
При некоторых конфигурациях множество полых ребер обжимают вдоль первой кромки и второй кромки так, чтобы соответственно формировать первую плоскую кромку и вторую плоскую кромку, и складчатый лист соединяют по первой плоской кромке и второй плоской кромке с целью образования внутреннего объема. При некоторых конфигурациях первая и вторая плоские кромки являются параллельными и смещенными относительно плоскости, проходящей через множество внутренних вершин множества полых ребер. При некоторых конфигурациях соединение первой и второй плоских кромок выполняется одним из способов, входящих в группу, содержащую сварку, пайку, низкотемпературную пайку и обжатие. При некоторых конфигурациях делитель потока разнесен от первой и второй кромки, и пространство внутри внутреннего объема между делителем потока и первой кромкой образует впускную магистраль и пространство внутри внутреннего объема между делителем потока и второй кромкой образует выпускную магистраль. При некоторых конфигурациях делитель потока содержит первую и вторую поверхности, являющиеся по существу плоскими и параллельными друг другу, а внутренние вершины множества полых ребер находятся по существу в постоянном контакте с делителем потока по всей длине делителя потока. При некоторых конфигурациях множество полых ребер и делитель потока образуют множество изолированных проходов от впускной магистрали до выпускной магистрали, и по существу весь путь потока от впускной магистрали до выпускной магистрали идет через множество проходов в ребрах. При некоторых конфигурациях каждый проход содержит внутреннюю высоту и внутреннюю ширину основания, причем большинство из множества проходов имеют первую высоту и первую ширину основания, а отношение первой высоты к первой ширине основания превышает 0,5. При некоторых конфигурациях отношение первой высоты к первой ширине основания превышает 1,0. При некоторых конфигурациях отношение первой высоты к первой ширине основания превышает 2,0. При некоторых конфигурациях каждое из полых ребер содержит пару боковых стенок, боковые стенки большинства полых ребер являются в общем параллельными друг другу, образуя таким образом в общем прямоугольный проход, имеющий ширину, и отношение высоты прямоугольного прохода к ширине прямоугольного прохода превышает 2,0.
При некоторых конфигурациях описан складчатый теплообменник, предназначенный для передачи тепла от первой текучей среды ко второй текучей среде. Теплообменник содержит множество теплообменных элементов. Каждый теплообменный элемент включает в себя складчатый лист с вторичной складчатостью, повторно согнутый и соединенный по первой кромке и по второй кромке с образованием внутреннего объема, имеющего впускную магистраль рядом с первой кромкой, выпускную магистраль рядом со второй кромкой и отверстие, противоположное вторичной складчатости на сложенном листе. Складчатый лист содержит множество полых ребер. Каждый теплообменный элемент включает также в себя делитель потока, расположенный во внутреннем объеме между впускной магистралью и выпускной магистралью. Множество внутренних вершин множества полых ребер находятся в контакте с делителем потока. Каждый теплообменный элемент включает также в себя базовый элемент, соединенный с периметром отверстия внутреннего объема. Базовый элемент содержит вход и выход, находящиеся в сообщении по текучей среде с впускной магистралью и выпускной магистралью соответственно. Первая кромка первого теплообменного элемента не скрепляется с первой кромкой прилегающего второго теплообменного элемента.
При некоторых конфигурациях множество полых ребер обжимают вдоль первой кромки и второй кромки так, чтобы соответственно формировать первую плоскую кромку и вторую плоскую кромку, и первую плоскую кромку и вторую плоскую кромку соединяют с целью образования внутреннего объема. При некоторых конфигурациях первая и вторая плоские кромки являются параллельными и смещенными относительно плоскости, проходящей через множество внутренних вершин множества полых ребер. При некоторых конфигурациях соединение первой и второй плоских кромок выполняется одним из способов, входящих в группу, содержащую сварку, пайку, низкотемпературную пайку и обжатие. При некоторых конфигурациях делитель потока разнесен от первой и второй кромки и пространство внутри внутреннего объема между делителем потока и первой кромкой образует впускную магистраль и пространство внутри внутреннего объема между делителем потока и второй кромкой образует выпускную магистраль. При некоторых конфигурациях делитель потока содержит первую и вторую поверхности, являющиеся по существу плоскими и параллельными друг другу, а внутренние вершины множества полых ребер находятся по существу в постоянном контакте с делителем потока по всей длине делителя потока. При некоторых конфигурациях множество полых ребер и делитель потока образуют множество изолированных проходов от впускной магистрали до выпускной магистрали, и по существу весь путь потока от впускной магистрали до выпускной магистрали идет через множество проходов в ребрах. При некоторых конфигурациях каждый проход содержит внутреннюю высоту и внутреннюю ширину основания, причем большинство из множества проходов имеют первую высоту и первую ширину основания, а отношение первой высоты к первой ширине основания превышает 0,5. При некоторых конфигурациях отношение первой высоты к первой ширине основания превышает 1,0. При некоторых конфигурациях отношение первой высоты к первой ширине основания превышает 2,0. При некоторых конфигурациях каждое из полых ребер содержит пару боковых стенок, боковые стенки большинства полых ребер являются в общем параллельными друг другу, образуя таким образом в общем прямоугольный проход, имеющий ширину, и отношение высоты прямоугольного прохода к ширине прямоугольного прохода превышает 2,0.
При некоторых конфигурациях описан способ формирования теплообменного элемента. Способ включает в себя этапы складывания листа материала для формирования полых ребер по ширине листа для формирования складчатого листа, сплющивания первой кромки и второй кромки складчатого листа для соответственного формирования первой и второй плоских кромок, подъема части первой кромки и части второй кромки, повторно сгибают складчатый лист так, что первая часть складчатого листа близка ко второй части складчатого листа для формирования складчатого листа с вторичной складчатостью, соединение первой плоской кромки и второй плоской кромки складчатого листа с вторичной складчатостью для образования внутреннего объема, содержащего впускную магистраль рядом с первой плоской кромкой и выпускной магистралью рядом со второй плоской кромкой, и отверстия, противоположного вторичной складчатости на сложенном листе, и присоединения базового элемента, содержащего вход и выход над отверстием так, что вход и выход сообщаются по текучей среде с впускной магистралью и выпускной магистралью соответственно.
При некоторых конфигурациях соединение первой и второй плоских кромок выполняется одним из способов, входящих в группу, содержащую сварку, пайку, низкотемпературную пайку и обжатие. При некоторых конфигурациях этап соединения выполняется одним из способов, входящих в группу, содержащую сварку, низкотемпературную пайку и обжатие. При некоторых конфигурациях способ включает также в себя предварительную сварку первой плоской кромки и второй плоской кромки. При некоторых конфигурациях способ также содержит вставку делителя потока во внутренний объем между впускной магистралью и выпускной магистралью. При некоторых конфигурациях этап складывания содержит формирование полых ребер, имеющих внутреннюю высоту и ширину внутреннего основания, и отношение внутренней высоты к ширине внутреннего основания превышает 0,5. При некоторых конфигурациях это отношение больше 1,0. При некоторых конфигурациях этап складывания содержит формирование в общем прямоугольных полых ребер, содержащих внутреннюю ширину, где отношение внутренней высоты к внутренней ширине превышает 2,0.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены сюда для того, чтобы обеспечить лучшее понимание и образуют часть настоящего описания, иллюстрируют описанные конфигурации и совместно с описанием служат для объяснения описанных конфигураций.
На фиг.1А-1В изображены обычные теплообменники;
на фиг.1С изображен обычный гибкий трубный сегмент;
на фиг.1D и 1Е изображен обычный гофрированный теплообменник;
на фиг.1F изображен обычный процесс изготовления гофрированного теплообменника;
на фиг.2А изображена типовая первичная поверхность теплообменника, которая содержит множество теплообменных элементов согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.2В показан вид нижней стороны первичной поверхности теплообменника с фиг.2А согласно некоторым аспектам описания;
на фиг.3А-3В изображены детали конструкции типовой первичной поверхности теплообменного элемента согласно определенным аспектам описания;
на фиг.3С-3G изображен типовой процесс изготовления первичной поверхности теплообменного элемента согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.4А-4Е изображена другая конфигурация первичной поверхности теплообменного элемента согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.5А-5С изображена другая конфигурация первичной поверхности теплообменного элемента согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.6 схематически изображен поток двух текучих сред относительно первичной поверхности теплообменника с фиг.2А согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.7А изображены два примера свернутых теплообменников, выполненных из первичной поверхности теплообменных элементов согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.7В-7С проиллюстрирована первая конфигурация первичной поверхности теплообменника, где ребра являются прямыми согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.7D-7E проиллюстрирована вторая конфигурация первичной поверхности теплообменника, где ребра имеют волнистую форму согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.7F изображены высота и ширина основания пути потока в обычном гофрированном теплообменнике;
на фиг.7G изображены высота и ширина в общем прямоугольного прохода внутри ребра на первичной поверхности теплообменного элемента согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.8А изображен типовой процесс изготовления примера листового теплообменного элемента с ребрами согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.8В-8С изображены детали конструкции теплообменного листа, изготовленного с использованием процесса, изображенного на фиг.8А согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.9 показан перспективный вид в разрезе другого примера конфигурации листового теплообменного элемента с ребрами согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.10А-10В изображены детали конструкции листового теплообменника с ребрами, показанного на фиг.9, согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.11А-11В изображен теплообменник, содержащий теплообменные элементы первичной поверхности согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.12А изображена типовая теплообменная система, содержащая складчатый теплообменник согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.12В изображена работа теплообменной системы с фиг.12А согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.13А-13С изображена конструкция большой теплообменной системы, содержащей теплообменные элементы согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.14 изображен типовой процесс изготовления теплообменного элемента первичной поверхности согласно определенным аспектам этого описания;
на фиг.15 изображен типовой процесс изготовления листового теплообменного элемента с ребрами согласно определенным аспектам этого описания.
Подробное описание
Следующее описание включает в себя примеры теплообменных элементов, имеющих ребристую стенку, обеспечивающую улучшенную тепловую связь между текучими средами с противоположных сторон стенки. Стенки этих теплообменников свернуты для образования ряда полых ребер, имеющих относительно большое соотношение высоты и ширины по сравнению с обычными теплообменниками и, поэтому, большую поверхность чем круглая труба, имеющая такую же площадь поперечного сечения.
Один общий тип описанных теплообменных элементов, упоминаемый здесь как теплообменные элементы «первичной поверхности», спроектирован так, чтобы текучие среды разделялись только толщиной стенки, которая выполнена в виде последовательности полых ребер. Текучая среда внутри теплообменного элемента протекает, в первую очередь, через проходы в полых ребрах, образуя таким образом очень короткий средний тепловой путь между текучими средами. Теплообменник первичной поверхности более чем в 11 раз более эффективен, на объемном основании, чем обычный кожухотрубный теплообменник. Процесс изготовления теплообменного элемента первичной поверхности может легко модифицироваться для формирования ребер, имеющих различную высоту, ширину и разделения, так же как производить теплообменные элементы, имеющие разную ширину в направлении потока и позволяя таким образом легко приспосабливать характеристики переноса тепла к разным областям применения. Использование оснастки определенных размеров уменьшается или исключается, упрощая таким образом процесс изготовления и процесс замены для перестройки производственной линии с целью производства теплообменного элемента иных размеров.
Другой общий тип теплообменного элемента, упоминающийся здесь как листовые теплообменные элементы с ребрами, имеет разделительную стенку с ребристыми передающими тепло стенками, прикрепленными и термически связанными с одной или обеими сторонами, увеличивая таким образом площадь поверхности, открытую для текучей среды на этой стороне разделительной стенки. Поскольку перенос тепла через поверхность раздела от текучей среды в стенку является ограничивающим фактором для эффективности теплообменника, дополнительная площадь поверхности, образуемая пропускающими тепло стенками, улучшает интенсивность переноса тепла. Листовый теплообменник с ребрами может быть более чем в 4 раза более эффективным, на объемном основании, чем обычный кожухотрубный теплообменник. Подобно теплообменнику первичной поверхности процесс изготовления листового теплообменного элемента с ребрами может легко модифицироваться для получения теплообменных элементов с широким диапазоном ширины, длин и размеров ребер, что обеспечивает широкий диапазон рабочих характеристик.
Теплообменники, сооруженные с каждой из сторон теплообменного элемента, являются блочными и удлиняемыми, обеспечивая непосредственную активность для получения теплообменников с широким диапазоном размеров и возможностей, как здесь показано. Улучшенные характеристики первичной поверхности или листовых теплообменников с ребрами позволяют использовать в заданной области теплообменник, порядок величины которого меньше, чем у обычного устройства.
В следующем подробном описании изложены многочисленные конкретные детали для того, чтобы обеспечить понимание настоящего описания. Любому специалисту в данной области техники должно быть ясно, однако, что конфигурации настоящего описания могут практически применяться без некоторых из конкретных деталей. В других примерах хорошо известные структуры и процессы не показаны в подробностях, так, чтобы не затемнять описание.
Способ и система, описанные здесь, представлены противоточными теплообменниками, приспособленными для передачи тепла от первой текучей среды второй текучей среде. Специалисту в данной области техники будет ясно, что описанные здесь теплообменные элементы могут использоваться в других видах теплообменников, таких как погружные теплообменники, в которых наружная текучая среда не осуществляет активной циркуляции. Кроме того, теплообменные элементы представлены как изготовленные из листового металла в ходе процесса последовательной формовки, в то время как специалисту в данной области техники будет ясно, что описанные структуры могут быть изготовлены из других материалов и/или с использованием других процессов, таких как экструзия пластика. Ничто в этом описании не должно рассматриваться, если только такое не оговорено специально, как ограничивающее применение любого способа или системы, описанных здесь для конкретного материала, формфактора или процесса изготовления. Специалистам в данной области техники известны другие конфигурации систем переноса тепла, и применение компонентов и принципов, описанных здесь, для других систем будет очевидным.
На фиг.1А и 1В изображены обычные теплообменники 10 и 20. На фиг.1А показан вид в разрезе обычного теплообменника 10, имеющего центральную трубу 12 и радиальные ребра 14, прикрепленные к наружной стенке трубы 12. Ребра 14 могут быть отдельными в общем плоскими ребрами или одним или больше спиральными ребрами, идущими непрерывно вдоль трубы 12. На фиг.1В изображен теплообменник 20, имеющий ребра 14, размещенные продольно вдоль гладкостенной трубы 12, подобной трубе 12 с фиг.1А.
На фиг.1С изображен обычный гибкий трубный сегмент 22. Труба 15 имеет ряд круговых гофров, выполненных на боковой стенке. Круговые гофры 16 предназначены исключительно для того, чтобы позволить трубе 15 изгибаться в стороны без сплющивания трубы 15 или без уменьшения площади поперечного сечения. Круговые гофры 16 могут создавать дополнительное сопротивление потоку, когда путь потока через трубу 15 перпендикулярен гофрам 16.
На фиг.1D и 1Е изображен обычный гофрированный теплообменник, описанный в опубликованной патентной заявке США № 2005/0217836. На фиг.1D показана внутренняя структура 23, выполненная из непрерывного гофрированного листа 24, свернутого в зигзагообразной форме, с гофрированными образными листами 25, вставленными между каждым сгибом. Гофры непрерывного листа 24 и обрезных листов 25 выполнены в обоих случаях по зигзагообразной схеме под углом 45°, т.е. с чередованием прямых участков, где каждый прямой участок находится под прямым углом к обоим прилегающим прямым участкам. Четыре формованных держателя 26 соединяются с четырьмя углами внутренней структуры 23, как показано на фиг.1D.
На фиг.1Е показан в сборе обычный гофрированный теплообменник, в котором внутренняя структура 23 показана закрытой по концам и по открытым сторонам герметизирующим составом 27. Пара держателей 26, 26’ с каждой стороны соединяются по текучей среде так, что поток 28 будет поступать во входной держатель 26 спереди на правой стороне и выходить из выходного держателя 26’ на правой стороне. Поскольку ширина листов 25 равна ширине непрерывного листа 24, на любом конце отсутствует внутреннее коллекторное пространство. Поток 28 должен зигзагообразно проходить через гофры на обрезных листах и поперечно ориентированные гофры непрерывного листа 24 для того, чтобы достичь дальней стороны внутренних объемов, соединенных с держателем 26. В то время как поток 28 показан отдельной линией с угловыми поворотами, в действительности поток 28 является диффузным потоком, который распространяется от держателя поперек и вниз и затем сходится к выходному держателю 26’. Аналогичным образом отдельный поток 29, поступающий во входной держатель сзади и слева, будет течь в виде диффузной схемы через промежутки между обрезными листами 25 и непрерывным листом 24, и затем выходить из выпускного держателя 26’ спереди на левой стороне.
Теплообменник с фиг.1D и 1Е может быть сложным в изготовлении, поскольку держатели 26, 26’ или штампуются и свертываются из листового металла, или прессоваться с приданием конечной формы, однако в любом случае существуют четыре дополнительных изделия, которые нужно сформировать, хранить в запасах, доставлять и крепить к внутренней структуре 23. Кроме того, применение герметизирующего состава 27 является сложной задачей, и ее может оказаться трудным осуществить без образования протечек. Кроме того, в то время как потоки 28 и 29 показаны в противотоке во внутренней структуре 23, извилистый путь между входным держателем 26 и выходным держателем 26’ не обеспечивает эффективного использования всего замкнутого объема, и некоторые части внутреннего объема, например углы, могут оказаться мертвыми пространствами.
На фиг.1F изображен обычный процесс, описанный в патенте США № 6915675, для изготовления гофрированного теплообменного материала. Лист 211 из формуемого материала подают в пару состыкованных гофрирующих валков 214, 215, которые образуют гофры на листе 211. Эти гофры ограничиваются по форме профилями не подрезанных зубцов зубчатых колес. Это ограничивает характеристическое соотношение, т.е. отношение высоты гофров к ширине основания гофров. Плунжер 216 приспособлен выдвигаться в то время, когда гладкие участки листа 211 помещаются под плунжером 216, образуя таким образом соединенные последовательности гофрированных складчатых участков 230.
На фиг.2А изображен типовой складчатый теплообменник 30 с вторичной складчатостью, который содержит множество теплообменных элементов первичной поверхности 32 согласно определенным аспектам этого описания. При этой конфигурации теплообменные элементы 32 выполнены из непрерывного листа свернутого металла, т.е. листа, имеющего ряд ребер, выполненных путем складывания гладкого листа, который затем подвергнут образованию вторичной складчатости для образования стенок 40 и торцов 42 на каждом из теплообменных элементов. Конструкция теплообменного элемента 32 первичной поверхности рассматривается более подробно со ссылкой на фиг.3А-3G.
На фиг.2В показан вид с нижней стороны теплообменника 30 с вторичной складчатостью с фиг.2А, согласно определенным аспектам этого описания. Базовый элемент, содержащий панели 34А-34С, присоединен к отверстиям, образованным свернутым металлическим листом с вторичной складчатостью так, чтобы образовать входы 36 и выходы 38 во всех теплообменных элементах 32.
На фиг.3А-3В изображены детали конструкции типового теплообменного элемента 32 первичной поверхности согласно определенным аспектам этого описания. На фиг.3А часть стенок 40 и торца 42 удалена для того, чтобы сделать видимым внутренний объем 44 и показать, как делитель потока 46 помещается во внутреннем объеме 44. Можно видеть, как ребристый лист стенки 40 продолжается от нижней кромки обеих стенок с изгибом на 180° для формирования стенки прилегающих теплообменных элементов 32 (не показаны) так, чтобы совместно образовать теплообменник 30 с вторичной складчатостью, такой, как показан на фиг.2А.
На фиг.3В показан в увеличенном масштабе вид торца 42 теплообменного элемента 32, иллюстрирующий, каким образом ребра 45, описанные более подробно со ссылкой на фиг.3D и 4D, двух стенок 40, сплющены для образования плоских кромок 42А, 42В, которые герметизированы между собой для образования торца 42. При некоторых конфигурациях плоские кромки 42А, 42В смещены относительно плоскости, ограниченной вершинами ребер 45 стенок 40. При некоторых конфигурациях плоские кромки 42А, 42В сварены между собой. При некоторых конфигурациях плоские кромки 42А, 42В спаяны между собой. При некоторых конфигурациях плоские кромки 42А, 42В спаяны низкотемпературной пайкой. При некоторых конфигурациях плоские кромки 42А, 42В скреплены между собой.
На фиг.3С-3G показан типовой процесс изготовления 80 теплообменного элемента 32 первичной поверхности согласно определенным аспектам описания. На фиг.3С изображена вся производственная линия 80, начиная от рулонов 82 листового металла или другого формуемого материала, например, термоформуемой пластмассы. В некоторых вариантах реализации листовым материалом является металлическая фольга толщиной в диапазоне 0,003-0,010 дюймов (0,076-0,25 мм). Не подвергнутый формовке непрерывный лист 83А подают из рулона 82 в станок формирования ребер 84, который в этом примере формирует по всей ширине листа 83А последовательность ребер, производя таким образом складчатый лист 83В. В некоторых вариантах реализации складчатый лист 83В имеет 20-45 ребер на дюйм (на 25,4 мм). Складчатый лист 83В пропускают через пару формирователей кромок 86 (на фиг.3С и фиг.3Е виден только ближний формирователь 86), которые сплющивают концы ребер 45 для образования плоской кромки 42С и формируют/поднимают плоскую кромку 42С вдоль кромки складчатого листа 83В для образования формованного складчатого листа 83С, имеющего смещенную плоскую кромку 42С, как видно на фиг.3F, вдоль каждой кромки.
Формованный складчатый лист 83С дополнительно сгибается в последовательный ряд двухслойных панелей. На фиг.3G показан процесс дополнительного сгибания в устройстве, удаленном для наглядности. После процесса дополнительного сгибания соседние кромки двухслойных панелей соединяются (соединительное устройство не показано на фиг.3С) между собой, например, путем сварки, пайки, низкотемпературной пайки, адгезивного скрепления или иной технологии соединения. В некоторых вариантах реализации свободные кромки листа 83С подвергаются предварительной сварке, т.е. плавятся для формирования наплавленного металла вдоль свободной кромки. В некоторых вариантах реализации предварительную сварку выполняют с использованием стандартного процесса сварки/нагрева, такого как электродуговая сварка, сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа и лазерная сварка. Эта предварительная сварка консолидирует сплющенную часть смещенной плоской кромки 42С, добавляя прочность и легкость в обращении с листом 83С. В некоторых вариантах реализации дополнительный материал, например, полосу фольги, помещают вдоль кромки перед процессом предварительной сварки, и плавят, превращая в наплавленный металл, увеличивая таким образом жесткость кромки листа 83С. В вариантах реализации, при которых кромки дополнительно сложенных двухслойных панелей сваривают друг с другом, качество сварных швов улучшается за счет предварительной сварки кромок.
Базовый элемент, в данном примере непрерывные листы металла, полученные из рулонов 90А, 90В и 90С, соединяют (соединительное устройство не показано на фиг.3С) с нижней стороной соединенных (заделанных) двухслойных панелей для образования панелей 34А, 34В и 34С, наблюдаемых на фиг.2В, для формирования входов 36 и выходов 38 (не видны на фиг.3С, но видны также на фиг.2В) и для получения непрерывных последовательностей теплообменных элементов 32. Соединенная последовательность теплообменных элементов первичной поверхности разделяется (процесс на фиг.3С не показан) на группы для формирования теплообменников 30 с вторичной складчатостью или других конфигураций теплообменников с вторичной складчатостью. В другом аспекте производственная линия 80 включает в себя установочный участок (не показан на фиг.3С) между формовочными инструментами 88 и добавление панелей 34А, 34В и 34С для установки делителей потока 45 во внутреннем пространстве 44 каждой двухслойной панели.
На фиг.3D показан вид в увеличенном масштабе участка, обозначенного пунктирным прямоугольником 3D на фиг.3С. В этом примере лист 83А сложен в ребра 45, имеющие закругленные вершины и основания с первичной шириной 92 и вторичной шириной 94 при высоте ребра 96. В некоторых примерах вершины и основания ребер 45 имеют закругленные профили. Значения ширины 92, 94 могут быть равны в некоторых случаях, в то время как в других случаях значения ширины 92, 94 различаются. Значения ширины 92, 94 определяют количество ребер на дюйм (FPI) теплообменника со вторичной складкой 30. В некоторых случаях высота 96 ребер 45 может варьироваться по длине листа 83В и в теплообменниках 32.
На фиг.3Е показан вид в увеличенном масштабе участка, обозначенного пунктирным прямоугольником 3Е на фиг.3С. Лист 83В, имеющие ребра, выполненные поперек листа на полную ширину, подается в устройство по формированию кромок 86, которое сплющивает или сминает ребра вдоль кромки с образованием плоской кромки 42С для формирования листа 83С.
На фиг.3F показан вид в увеличенном масштабе участка, обозначенного пунктирным прямоугольником 3F на фиг.3С, демонстрирующий плоскую кромку 42С и центральные ребра 45, ранее показанные на фиг.3А и 3В. Можно видеть, что плоская кромка 42С смещена от основания ребер в центральную часть листа 83С.
В других аспектах настоящего описания плоский лист 83А может быть выполнен с гофрами поперек только центральной части листа (не показана), оставляя участки 42С вдоль каждой кромки, таким образом устраняя необходимость получения плоской кромки из ребристого профиля. Способность к формированию конфигурации листа 83С, имеющего ребра в центре и плоские кромки в зависимости по меньшей частично от материала и толщины листа 83А.
Другие производственные процессы могут включать в себя штамповку (не показано) металлических или пластиковых листов для непосредственного формирования непрерывных листов или отдельных панелей (не показаны), имеющих ребра 45 и плоские кромки 42С формованного складчатого листа 83С, а также вакуумную формовку, формовку под давлением или гидроформинг (все они не показаны) ребер 45 и кромок 42С. В некоторых случаях верхние кромки и/или нижние кромки отдельных панелей могут соединяться с держателем и/или основаниями (не показаны) для образования теплообменных элементов 32. В некоторых случаях боковые элементы (не показаны) могут использоваться вместо сплющенных участков 42С для соединения боковых кромок отдельных двухслойных панелей. В некоторых случаях сыпучий материал, такой как термореактивная смола, может быть подвергнута формовке, такой как формование под давлением или инжекционное формование, с непосредственным приданием ему формы ребристого листа 83С подходящих размеров для формирования боковых стенок 40 теплообменного элемента 32.
На фиг.3G показан вид в увеличенном масштабе участка, обозначенного пунктирным прямоугольником 3G на фиг.3С, демонстрирующий сгибание формованного складчатого листа 83С сгибающим устройством, удаленным для проявления процесса формовки. Можно видеть, как плоские кромки 42С двухслойной панели помещаются рядом друг с другом для скрепления между собой, например, припоем, для формирования кромки 42 теплообменного элемент 32. Эти непрерывные последовательности теплообменных элементов 32 могут быть разделены на группы так, чтобы получить теплообменники с вторичной складчатостью 30, как показано на фиг.7А.
На фиг.4А-4Е изображена конфигурация теплообменных элементов 32А первичной поверхности согласно определенным аспектам этого описания. При этой конфигурации делитель потока 46 опущен и внутренние вершины 56 и ребра 45 двух стенок 40А и 40В соприкасаются. На фиг.4А показан вид в разрезе теплообменного элемента 32А, где видна внутренняя поверхность стенки 40А. На каждом конце участки 42, которые скреплены с ближней стенкой 40В (удалена на этом изображении) показаны как заштрихованные участки 42 на левом и правом краях стенки 40А. Прилегающие участки 48В и 48С, заштрихованные под углом, противоположным штрихованию концов 42, являются объемами с гладкими стенками, которые образуют впускную магистраль 48В и выпускную магистраль 48С. В середине теплообменного элемента 32А ребра 45 проходят от впускной магистрали 48В к выпускной магистрали 48С. Кромки нижних панелей 34А, 34В и 34С видны вдоль основания стенки 40А.
На фиг.4В показан вид в поперечном разрезе всего теплообменного элемента первичной поверхности 32А, выполненный вдоль линии разреза 4В-4В на фиг.4А. Стенки 40А и 40В являются гладкими при полной ширине теплообменного элемента 32А, разделяющего стенки 40А, 40В так, чтобы образовать впускную магистраль 48В. Шов 42d между фланцами 42А и 42В виден на фиг.4В как вертикальная линия на внутренней поверхности конца 42.
На фиг.4С показан вид в поперечном разрезе всего теплообменного элемента первичной поверхности 32А, выполненный вдоль линии разреза 4С-4С на фиг.4А. Ребра 45 на стенках 40А и 40В могут быть видны как касающиеся друг друга. Заштрихованные участки обозначают внутренний объем теплообменного элемента 32А, который должен смачиваться текучей средой, содержащейся во внутреннем объеме 44. Можно также видеть, как ребристый лист, образующий стенку 40А, сгибается под углом 180° для образования вершины 43 и последующего продолжения как части стенки 40В.
На фиг.4D показан в увеличенном масштабе участок с фиг.4С, замкнутый в пунктирном круге 4D. Можно видеть, как последовательность полых ребер 45 формируется как последовательность выпуклых сгибов 52, которые чередуются с вогнутыми сгибами 54. Выпуклые и вогнутые сгибы 52, 54 поочередно соединяются с боковыми стенками 58. Каждый вогнутый сгиб 54 имеет вершину 56 на стороне, обращенной к внутреннему объему 44. Каждое ребро имеет внутренний проход 44А, ограниченный выпуклым сгибом 52, две боковые стенки 58А и 58В, соединенные с выпуклым сгибом 52, и плоскостью, соединяющей вершины 56А, 56В двух вогнутых сгибов 54А, 54В, соединенных с соответствующими боковыми стенками 58А, 58В. Возвращаясь к фиг.4С, можно видеть, как только пути потока от впускной магистрали 48В к выпускной магистрали 48С проходят через один из внутренних проходов 44А во множестве ребер 45, образованных ребристыми ребрами стенок 40А или 40В.
На фиг.4E показан вид в поперечном разрезе всего теплообменного элемента первичной поверхности 32А, выполненный вдоль линии разреза 4E-4E на фиг.4А. Двухступенчатое смещение в областях впускной и выпускной магистрали 48В, 48С образуют пространство для потока после узкой секции для того, чтобы позволить текучей среде проходить вдоль наружной стороны ребер 45 в то время, когда два теплообменных элемента 32А помещаются рядом друг с другом при ребрах 45 в контакте. Можно видеть, как внутренние проходы 44А любой из стенок 40А и 40В являются единственными путями для текучей среды между впускной магистралью 48В и выпускной магистралью 48С.
На фиг.5А-5С изображена другая конфигурация первичной поверхности теплообменного элемента 32В согласно определенным аспектам этого описания. На фиг.5А показан вид сбоку в разрезе теплообменного элемента 32В, в котором видны делитель потока 46 и внутренняя поверхность стенки 40А. При этой конфигурации ребра 45 отходят от одного конца 42 к другому концу 42. При этой конфигурации делитель потока 46 располагается во внутреннем объеме 44 между входом 36 и выходом 38.
Делитель потока 46 служит для того, чтобы направлять по существу весь поток текучей среды, проходящий от впускной магистрали 48В к выпускной магистрали 48С через проходы 44А, образованные внутри полых ребер 45, увеличивая таким образом длительность времени, в течение которого каждый элемент текучей среды находится в тесной близости к стенке 45 и улучшая таким образом перенос тепла от текучей среды к стенке 45. В некоторых вариантах реализации делитель потока 46 содержит сплошную часть, имеющую две параллельные плоские сплошные поверхности, как показано на фиг.3А. В некоторых вариантах реализации делитель потока 46 содержит вспененный материал. В некоторых вариантах реализации делитель потока 46 содержит покрытие поверх вспененного сердечника. В некоторых вариантах реализации делитель потока 46 содержит металл, которому придана полая или сплошная форма. Делитель потока может быть выполнен в виде любой структуры, которая блокирует поток текучей среды между впускной магистралью 48В и выпускной магистралью 48С снаружи внутренних проходов 44А.
На фиг.5В показан вид в поперечном разрезе всего теплообменного элемента первичной поверхности 32А, выполненный вдоль линии разреза 5В-5В через впускную магистраль на фиг.5А. Можно видеть, как вершины 56 стенок 40А и 40В разделяются расстоянием, равным толщине делителя потока 46, показанного пунктиром на фиг.46А на фиг.5В.
На фиг.5С показан вид в поперечном разрезе всего теплообменного элемента первичной поверхности 32А, выполненный вдоль линии разреза 5С-5С на фиг.5А. Можно видеть, что делитель потока 46 заполняет внутренний объем 44 и вершины 56 ребер 45 соприкасаются с делителем потока 46. Как было предварительно показано в отношении теплообменного элемента 32А на фиг.4А-4Е, можно видеть, что внутренние проходы 44А любой из стенок 40А или 40В являются единственным путем для текучей среды между впускной магистралью 48В и выпускной магистралью 48С.
На фиг.6 схематически изображен поток двух текучих сред 50 и 60 относительно теплообменного элемента с вторичной складчатостью 32 с фиг.2А согласно определенным аспектам описания. На фиг.6 показан вид сбоку в разрезе теплообменного элемента 32В, в котором видны делитель потока 46 и внутренняя поверхность ребер 45 стенки 40А. Текучая среда 50 находится в контакте с наружными поверхностями теплообменного элемента 32 в то время, когда текучая среда 60 поступает на вход 36 и удаляется из выхода 38 через наружный канал (не показан на фиг.6). Текучая среда течет справа налево, если смотреть на фиг.6, и находится в контакте с наружными поверхностями ребер 45 и видимой стенки 40А, и удаленной стенки 40В. Текучая среда 60 поступает через вход 36 во впускную магистраль 48В, который служит для распределения текучей среды пол множеству ребер на обеих стенках 40А и 40В. Текучая среда 60 течет через внутренние проходы 44А множества ребер 45 и поступает в выпускную магистраль 48С. Наличие открытых впускной и выпускной магистралей 48В, 48С служит для равномерного распределения потока по всем проходам 44А, т.е. без различий в падении давления от входа до каждого из внутренних проходов 44А, так что улучшаются общие рабочие характеристики теплообменного элемента 32В первичной поверхности. Текучая среда в выпускной магистрали выходит через выход 38. Можно видеть, что теплообменный элемент 32 выполнен как часть теплообменника в противотоке, в котором направление потока текучей среды 60 внутри теплообменного элемента 32 противоположно направлению потока текучей среды 50. При некоторых конфигурациях текучая среда 60 является хладагентом, отдающим тепло текучей среде 50. При некоторых конфигурациях текучей средой 50 является газ. При некоторых конфигурациях текучей средой 50 является окружающий воздух. При некоторых конфигурациях текучей средой является жидкость.
На фиг.7А изображены два примера теплообменников 30D и 30Е с вторичной складчатостью, выполненных из конфигураций 32D и 32Е соответственно, теплообменных элементов 32 первичной поверхности согласно определенным аспектам этого описания. Сравнение двух теплообменников 30D и 30Е с вторичной складчатостью показывает, как высота теплообменных элементов 32 может быть легко изменена согласно потребностям определенной сферы применения. Аналогичным образом ширина теплообменных элементов, разделение теплообменных элементов, и высота и ширина ребер 45 могут легко варьироваться для приспособления конструкции к определенной сфере применения. Можно видеть, что ребра 45 теплообменников 30D и 30Е выполнены по волнистой схеме по длине ребер 45. Эта схема является предпочтительной для того, чтобы предотвратить вложение ребер 45 прилегающих теплообменных элементов 32, как рассматривается более подробно со ссылкой на фиг.7В и 7С.
На фиг.7В-7С иллюстрируется первый пример конфигурации теплообменного элемента 32 первичной поверхности, при котором ребра 45 являются прямыми, т.е. без волнистой схемы, наблюдающейся на фиг.7А, согласно определенным аспектам этого описания. На фиг.7В ребра первого теплообменного элемента 32 размещаются с пиком каждого ребра 45, помещенном так, как обозначено сплошными линиями 65. Ребра 45 второго прилегающего теплообменного элемента 32 размещаются так, что пики ребер второго прилегающего теплообменного элемента 32 помещаются так, как обозначено пунктирными линиями 64. Если две группы ребер 45 прижимаются друг к другу, ребра 45 двух теплообменных элементов 32 становятся перемежающимися.
На фиг.7С показан поперечный разрез компоновки ребер с фиг.7В, выполненный по линии разреза 7С-7С. На фиг.7С показано, как ребра 45 могут оказаться вложенными, когда пики 66, 67 смещены относительно друг друга при прямых ребрах 45. Это смещение может уменьшить эффективность теплообменника 30 и, возможно, повредить теплообменные элементы 32.
На фиг.7D-7T иллюстрируется второй пример конфигурации теплообменного элемента 32 первичной поверхности, при котором ребра 45 выполнены по волнистой схеме, как показано на фиг.7А, согласно определенным аспектам этого описания. Подобно иллюстрации на фиг.7В, пики каждого ребра 45 первого теплообменного элемента 32 помещаются так, как обозначено сплошными линиями 67. Пики ребер 45 прилегающего теплообменного элемента 32 помещаются так, как обозначено пунктирными линиями 66. Можно видеть, что волновая схема реверсирована и поэтому линии 66 и 67 повторно пересекаются по длине теплообменного элемента 32. Если две группы ребер 45 прижимаются друг к другу, ребра 45 двух теплообменных элементов 32 не могут оказаться вложенными между собой.
На фиг.7Е показан поперечный разрез компоновки ребер с фиг.7D, выполненный по линии разреза 7Е-7Е. На фиг.7Е расположение ребер 45 на плоскости поперечного разреза 7Е-7Е показано с затенением, в то время как часть тех же ребер 45 показана темно-серой дальше от плоскости поперечного разреза 7Е-7Е. Можно видеть, что темные части ребер 45, связанные с кривыми 66, перекрывают темные части ребер 45, связанные с кривыми 67, что показано на фиг.7D пересечением линий 66 и 67. Две группы ребер 45 не могут оказаться вложенными. Это реверсирование кривых 66, 67 является результатом продолжения ребристого листа, который образует ребра 45, проходящие над вершиной 43 теплообменного элемента 32 так, что кривые на одной стороне теплообменного элемента 32 реверсированы относительно кривых на другой стороне того же элемента 32 и прилегающего элемента 32.
На фиг.7F изображены высота Н1 и ширина основания W1 пути потока в обычном гофрированном теплообменнике, как можно видеть на фиг.1D. Треугольные гофры на непрерывном листе 24 перпендикулярны к треугольным гофрам на образных листах 25, образуя площадь потока 17 в каждом пике обрезного листа 25. Высота Н1 и ширина основания W1 очерчены для этой площади потока 17, как показано на фиг.7F. Поскольку складки листа 24 имеют приблизительно прямой угол, отношение Н1 к W1 равно 0,5.
На фиг.7G изображены высота Н2 и ширина W2 в общем треугольного прохода 44А внутри ребра теплообменного элемента 32 первичной поверхности согласно определенным аспектам этого описания. В некоторых вариантах реализации стороны ребра 45 являются параллельными и образуют в общем прямоугольный проход 44А. В то время как вершина ребра 45 закруглена и нижние углы скошены в наружном направлении, где они соединяются с соседними ребрами 45, проход 44А все же считается в целом прямоугольным с шириной W2 и высотой Н2. В этом примере можно видеть, что отношение Н2 к W2 больше, чем 1,0, и может составлять приблизительно 4,0 в примере с фиг.7G. В некоторых вариантах реализации, когда стенки ребра 45 могут быть помещены под небольшим углом на основании упругости материала, из которого изготовлены стенки ребра 45, или зазора между инструментом и заготовкой, проход все равно может считаться в общем прямоугольным, если углы не слишком велики. Если стенки становятся значительно наклоненными и не могут считаться образующими в общем прямоугольный проход 44А, ширина основания, подобная показанной на фиг.7F, используется для оценки отношения прохода 44А.
На фиг.8А изображен типичный процесс изготовления примера листового теплообменного элемента 120 с ребрами согласно определенным аспектам этого описания. В этом процессе лист 102 из материала, например алюминия или меди, или другого материала или металлического сплава, покрывают с обеих сторон твердым припоем с помощью распылителей 103А и 103В. При некоторых конфигурациях твердый припой содержит флюс. При некоторых конфигурациях твердый припой наносят как пленку без распыления. Дополнительные листы материала, например алюминия или меди, или другого материала или металлического сплава, подаются из рулонов 101А и 101В, и пропускают через формирующие ребра устройства 104А и 104В соответственно. В этом примере формирующие ребра устройства 104А и 104В складывают листы из рулонов 101А, 101В в ребра 45 по всей ширине складчатых листов 105 и 106 соответственно. Складчатые листы 105, 106 вводят в контакт с двумя поверхностями листа 102 и, в этом примере, пропускают через печь для пайки 110. В печи для пайки 110 твердый припой, предварительно нанесенный на лист 102, плавится и скрепляет вместе три листа 102, 105, 106. Скрепленные листы проходят через устройства формовки кромок 112, которые в этом примере формируют и смещают кромки центрального листа 102 с приданием им плавной S-образной формы, и заканчивая таким образом изготовление теплообменного листа 100. Дополнительные детали теплообменного листа 100 рассмотрены со ссылкой на фиг.8В. Непрерывный лист теплообменного листа 100 повторно сгибают в ходе этапа 114 (устройство для вторичного сгибания не показано на фиг.8А) для формирования двухслойных панелей, которые, будучи скреплены вместе, образуют листовые теплообменные элементы 120 с ребрами, которые рассматриваются более подробно со ссылкой на фиг.9.
На фиг.8В-8С изображены детали конструкции теплообменного листа 100, изготовленного с использованием процесса, изображенного на фиг.8А согласно определенным аспектам этого описания. В этом примере вершины ребер 45 листов 105, 106, которые находятся в контакте с листом 102, по меньшей мере частично припаяны к листу 102. На фиг.8В показан перспективный вид ближней кромки теплообменного листа 100. Можно видеть, что ширина верхнего складчатого листа 105 меньше ширины центрального листа 102, и части центрального листа 102, которая выступает далее складчатого листа 105, придается S-образная форма, то есть она при этой конфигурации смещена на расстояние, которое равно высоте ребра, выполненного на нижнем складчатом листе 106. Можно также видеть, что ширина складчатого листа 106 меньше ширины ребристого листа 105. В некоторых вариантах реализации складчатый лист 106 располагается по центру листов 102, 105, так что на каждом конце образуются два равных промежутка 108. В некоторых вариантах реализации складчатый лист 106 располагается между концами листов 102, 105 и смещается от центра в направлении одной стороны, так что на каждом конце образуются неодинаковые промежутки 108. Ребра 45 листов 105, 106 открыты с каждого конца.
На фиг.8С показан вид с торца в поперечном разрезе теплообменного листа 100 в точке производственной линии, на которой взят фиг.8В. В этом примере центральному листу 102 на каждом конце придается S-образная форма, и складчатые листы 105 и 106 располагаются по центру листа 102. На каждом конце складчатого листа 106 предусмотрены промежутки 108А, 108В.
На фиг.9 показан перспективный вид в разрезе другого примера конфигурации листового теплообменного элемента 120 с ребрами согласно определенным аспектам этого описания. При этой конфигурации теплообменный лист 100 повторно складывается так, как показано в конце процесса 8А, так что вершины ребер 45 листа 106 находятся в контакте. На фиг.9 можно видеть, что по меньшей мере некоторые из вершин листа 106А первой боковой стенки 122А теплообменного элемента 100 находятся в контакте с вершинами ребер 45 листа 106В второй боковой стенки 122В. Когда теплообменный лист 100 повторно складывают для формирования теплообменника 120, вершины ребер 45 листов 105 также находятся в контакте с вершинами прилегающих ребер листов 105В. При некоторых конфигурациях ребрам 45 листов 105 и/или 106 придается волнистая форма, показанная на фиг.7А-7С так, чтобы уменьшить тенденцию к вставке и таким образом сохранить промежуток, образуемый вершинами между листами 105 и 106, показанный на фиг.9. Базовый элемент 124 скреплен с нижними складками теплообменного элемента 100 так, чтобы образовать заделанный внутренний объем внутри одного листового теплообменного элемента 120 с ребрами. Как показано на фиг.9, из непрерывного теплообменного элемента 100 могут быть выполнены несколько параллельных теплообменников 120.
На фиг.10А-10В изображены дополнительные детали листового теплообменного элемента 120 с ребрами, показанного на фиг.9, согласно определенным аспектам этого описания. На фиг.10А показан в поперечном разрезе вид с торца листового теплообменного элемента 120А с ребрами и части прилегающих листовых теплообменных элементов с ребрами 120В и 120С. Центральный лист 102 с фиг.8В образует разделительную стенку 132, которая взаимодействует с базовым элементом 124 (не виден на фиг.10А, показан на фиг.9) для образования внутреннего объема 126, показанного как затемненный участок на этом виде в поперечном разрезе. Складчатый лист 106 образует первую передающую тепло стенку 136, содержащую при этой конфигурации ряд ребер 130, сходных с ребрами 52 теплообменного элемента 32 первичной поверхности, показанного на фиг.4D. Аналогичным образом складчатый лист 105 образуют вторую передающую тепло стенку 135, содержащую в этом примере ребра 130. Вершины ребер передающей тепло стенки 136 находятся в контакте с вершинами ребер 130 передающей тепло стенки 136 и вершины ребер 130 передающей тепло стенки 135 теплообменного элемента 120А находятся в контакте с вершинами ребер прилегающих теплообменных элементов 120В и 120С. Первая текучая среда 126А, такая как смесь пропиленгликоля и воды, заполняет объем 126, включая как внутренние прохода ребер 130, так и промежутки между ребрами 130. Наружный объем 128, т.е. пространство снаружи разделительной стенки 102, заполняется второй текучей средой 128А, такой как воздух, который заполняет внутренние проходы ребер 130 складчатого листа 105, а также промежутки между ребрами 130 листа 105.
При некоторых вариантах реализации выпускная магистраль 148С больше, т.е. длиннее по направлению потока, чем впускная магистраль 148В, для того чтобы воспринимать расширение текучей среды, когда она получает тепло во время протекания через ребра 130 передающей тепло стенки 136. Это вызывает падение давления по выпускной магистрали 148С, которое приблизительно падению давления по впускной магистрали 148В, несмотря на то, что объем текучей среды, проходящей через выпускную магистраль 148С, больше объема текучей среды, проходящей через впускную магистраль 148В. Аналогичным образом выход 38 может быть больше, т.е. длиннее в направлении потока, чем вход 36, так, чтобы получить приблизительно такое же падение давления.
В примере, где первая текучая среда 126А в объеме 126 горячее, чем вторая текучая среда 128А в объеме 128, тепло отводится от первой текучей среды 126А как непосредственно в разделительную стенку 132, так и передающую тепло стенку 136. Поскольку передающая тепло стена является теплопроводной, тепло, полученное от первой текучей среды 126А, проходит в разделительную стенку 132. Присутствие передающей тепло стенки 136 эффективно увеличивает площадь поверхности разделительной стенки 132, находящейся в контакте с первой текучей средой 126А. Когда передача тепла через граничный слой первой текучей среды 126А, образующийся на поверхности, является ограничивающим передачу тепла фактором, передающая тепло стенка 136 может улучшить общие показатели передачи тепла теплообменника 120 с вторичной складчатостью. Аналогичным образом передающая тепло стенка 135 принимает тепло от разделительной стенки 132 и передает это тепло во вторую текучую среду 128А параллельно с непосредственным переносом тепла от разделительной стенки 132 во вторую текучую среду 128А. Это эффективно увеличивает площадь поверхности разделительной стенки 132 и уменьшает влияние любого граничного слоя вторичной текучей среды 128А на поверхности передающей тепло стенки 135 и разделительной стенки 132.
На фиг.10В показан вид сверху в разрезе листового теплообменного элемента 120А с ребрами, выполненном вдоль пунктирной линии 10В-10В на фиг.10А. На этом изображении впускная магистраль 148В и выпускная магистраль 148С образованные промежутками 108 на фиг.8В в теплообменном листе 100, показаны на каждом конце передающей тепло стенки 136 внутри разделительных стенок 132. S-образные части центральной стенки 102 соединены между собой, образуя фланцы 146, которые образуют часть кожуха объема 126. При этой конфигурации на фиг.10В, сходной с фиг.6, первая текучая среда 126А и вторая текучая среда 128А показаны как текущие мимо и через передающие тепло стенки 106 и 105, соответственно, в противоположных направлениях, так что листовой теплообменный элемент 120А с ребрами действует как теплообменник в противотоке.
На фиг.11А-11В изображен теплообменник 30Е, содержащий теплообменные элементы 32А первичной поверхности согласно определенным аспектам этого описания. В некоторых вариантах реализации теплообменник 30Е содержит листовые теплообменные элементы 120. Теплообменные элементы 32Е размещаются по радиальной схеме вокруг центрального отверстия 31 так, что в отношении этой конфигурации к конфигурации на фиг.10А-10В вторая текучая среда проходит аксиально через теплообменник 30Е, как показано стрелками 128А, в то время как текучая среда 126А поступает через вход 126 и принимается из выхода 38 в отверстии 31.
На фиг.11В показано, что каждый из теплообменных элементов 32Е искривлен, в то время как теплообменные элементы 32 и 32А являются в общем плоскими. Разделение между соседними теплообменными элементами 32Е вокруг внутренней кромки 140 отверстия 31 меньше разделения таких же теплообменных элементов 32Е на наружной кромке 142 теплообменника 30Е. Криволинейный профиль  каждого теплообменного элемента 32Е увеличивает длину каждого теплообменного элемента 32Е по сравнению с плоским профилем, размещенным по радиальной схеме. Это ведет к заполнению всей тороидальной площади при аксиальном поперечном сечении и улучшает эффективность, т.е. способность к теплообмену в расчете на единицу объема, теплообменника 30Е по сравнению с конструкцией, в которой используются радиальные плоские теплообменные элементы 32 (не показаны). Теплообменные элементы 32Е являются в других отношениях по существу такими же, как теплообменные элементы 32 или 32А.
На фиг.12А изображена типовая теплообменная система 150, содержащая теплообменник с вторичной складчатостью 30 согласно определенным аспектам этого описания. При этой конфигурации теплообменник с вторичной складчатостью 30 конфигурирован по существу так, как показано на фиг.2А, содержащей множество теплообменных элементов 32 первичной поверхности. При некоторых конфигурациях теплообменник 30 содержит листовые теплообменные элементы 120 с ребрами. Вход 36 и выход 38 (не видны на фиг.12А) теплообменника 30 помещаются над проточными каналами наружного трубопровода 158 так, что вход 160 и выход 162 наружного трубопровода 156 находятся в раздельном сообщении по текучей среде со входом 36 и выходом 38 соответственно. Кожух потока 156 помещается над теплообменником 30 с входом 164 и выходом 166 (не видны на фиг.12А).
На фиг.12В изображена работа теплообменной системы с фиг.12А согласно определенным аспектам этого описания. В этом примере, со ссылкой на текучие среды с фиг.6, первая текучая среда 60 первоначально холоднее чем вторая текучая среда 50. «Холодная» первая текучая среда 60 подается на вход 160. «Горячая» вторая текучая среда подается на вход 164 первого кожуха потока 156. В этом примере направление потока первой текучей среды в теплообменнике 30 является противоположным направлению потока второй текучей среды мимо наружных поверхностей теплообменника 30. Когда вторая текучая среда 50 проходит через теплообменник 30 и вокруг него, тепло передается материалу теплообменника 30 и, затем, текучей среде 60. Таким образом, первая текучая среда, поступающая из выхода 62, теплее, чем текучая среда 60, поступающая на вход 160, а текучая среда 50, покидающая выход 166, холоднее чем текучая среда 50, поступающая на вход 164. При некоторых конфигурациях первая текучая среда теплее чем вторая текучая среда и передача тепла происходит в противоположном направлении, т.е. от первой текучей среды 60 ко второй текучей среде 50.
На фиг.13А-13В изображена конструкция теплообменной системы 200, содержащей теплообменные элементы 30 согласно определенным аспектам этого описания. На фиг.13А изображен узел из двух теплообменников 30 с наружным трубопроводом 158А, который является двухсторонней версией наружного трубопровода с фиг.12А, образуя теплообменный подузел 170. Вход 160 и выход 162 двухстороннего наружного трубопровода 158А по отдельности и соответственно соединяются с входами 36 и выходами 38 отдельных теплообменников 32. Теплообменный подузел 170 имеет раздвижную конструкцию, т.е. теплообменная мощность подузла 170 является функцией длины L, ширины W и высоты Н теплообменников 30, а также количества теплообменников. При некоторых вариантах выполнения эта функция является линейной в определенном диапазоне пропорций между L, W и Н. В некоторых вариантах реализации подузел 170 содержит теплообменные элементы 32 первичной поверхности. В некоторых вариантах реализации подузел 170 содержит листовые теплообменные элементы 120 с ребрами.
На фиг.13В проиллюстрирован подузел более высокого уровня 180, содержащий несколько подузлов 170, присоединенных к центральной трубе 181. Центральная труба 181 разделяется внутри на два пути 186 и 188 и содержит множество двойных отверстий 182, 184, расположенных по длине центральной трубы 181, причем отверстия 182 сообщаются по текучей среде с путем потока 186 и отверстия 184 сообщаются по текучей среде с путем потока 188. При этой конфигурации в то время, когда подузлы 170 сопряжены с центральной трубой 181, отверстия 182 соединяются с входами подузлов 170 и отверстия 184 соединяются с выходами 162, так что путь потока 186 является общим входом для всех подузлов 170 и путь потока 188 аналогичным образом является общим выходом для всех подузлов 170, соединенных с центральной трубой 181.
На фиг.13С проиллюстрирована теплообменная система 200 верхнего уровня, содержащая множество подузлов 180 с фиг.13В, обозначенных как подузлы 180А-180D. При этой конфигурации концы центральных труб 181 множества подузлов 180А-180D соединяются последовательно, так что так что впускные пути потока 186 соединяются по текучей среде и выпускные пути потока 188 так же соединяются по текучей среде. Концы путей потока 186 и 188 на конце подузла 170А соответственно образуют вход в систему 202 и выход из системы 204. Первая текучая среда, поступившая во вход системы 202, будет течь по путям потока 186 всех подузлов 180А-180D, затем течь во входы 160 каждого из подузлов 170, и затем во входы 36 каждого из теплообменников 30. Когда первая текучая среда проходит через каждый теплообменник 30 и выходит из выходов 38, первая текучая среда собирается в каналах потока наружных трубопроводов 158А и проходит через выходы 162 в путь потока 188 подузлов 180 и затем наружу через выход системы 204. Заднее отверстие в центральной трубе 181 подузла 180D может быть закрыто крышкой, что делает систему 200 отдельной системой, или соединяться далее с другой теплообменной системой 200.
На фиг.14 показана блок-схема 300 типового процесса изготовления теплообменного элемента 32 первичной поверхности согласно определенным аспектам этого описания. Блок-схема 300 относится к производственному оборудованию 80, показанному на фиг.3С. При этапе 305 лист материала 83А, имеющий первую кромку и вторую кромку, складывают для формирования последовательности полых ребер 45, например, с конфигурацией ребра, показанной на фиг.3D, образуя таким образом складчатый лист 83В. При этапе 310 концы ребер 45 вдоль первой и второй кромок сплющивают для образования плоской кромки 42С с каждой стороны. При этапе 315 плоские кромки поднимают или смещают так, что плоская кромка 42С идет параллельно, будучи смещена, как показано на фиг.3F, относительно плоскости, которая проходит через внутренние вершины (не видны на фиг.3F) ребер 45. При этапе 320 часть плоской кромки 42С предварительно сваривается для консолидации сплющенного материала и добавляет прочности и закаливаемости кромке 42С. Складчатый лист затем дополнительно сгибают в ходе этапа 325, как показано на фиг.3G, и кромки соединяют (заделывают) в ходе этапа 330. Если процесс соединения содержит сварку или пайку, прочность и качество соединения улучшаются путем включения этапа предварительно сварки 315. При этапе 335 делитель потока 46 вставляют во внутренний объем 44, образованный соединенным (заделанным) листом с вторичной складчатостью. Базовый элемент, содержащий листы из рулонов 90А, 90В и 90С, соединяется затем с периметром отверстия внутреннего объема 44 при этапе 30, образуя таким образом вход 36 и выход 38 и завершая изготовление теплообменного элемента 32 первичной поверхности.
На фиг.15 показана блок-схема 400 типового процесса изготовления листового теплообменного элемента 120 с ребрами согласно определенным аспектам этого описания. Блок-схема 400 относится к производственному оборудованию, показанному на фиг.8А. При этапе 405 листы материала из одного или обоих рулонов 101А или 101В складывают для образования полых ребер, образуя таким образом один или оба складчатых листа 105 и 106. Листы 105 и 106 скреплены с противоположных сторон центрального листа, который образует разделительную стенку 102 для образования теплообменной стенки 100. Кромку разделительной стенки 102 поднимают или смещают при этапе 415 на расстояние смещения, которое в примере на фиг.8А равно высоте ребер передающей тепло стенки 106. Теплообменную стенку 100 затем дополнительно сгибают при этапе 420, как показано в пункте 114 на фиг.8А, и кромки разделительной стенки 102 соединяют (заделывают) при этапе 425. Затем базовый элемент (не показан на фиг.8А), сходный с базовым элементом на фиг.3С, соединяют для заделывания, теплообменный лист с вторичной складчатостью 100 образует листовой теплообменный элемент 120 с ребрами.
Изложенные здесь принципы предлагают систему и способ эффективного переноса тепла от первой текучей среды ко второй текучей среде через теплообменники, которые содержат ребра, находящиеся в контакте с одной из текучих сред. При некоторых конфигурациях ребра находятся в контакте с первой текучей средой на одной поверхности и в контакте со второй текучей средой на второй поверхности, противоположной первой поверхности. При некоторых конфигурациях теплообменники содержат внутренний делитель потока, приспособленный для того, чтобы заставить внутреннюю текучую среду протекать по существу через внутренние проходы, образуемые ребрами. При некоторых конфигурациях теплообменники содержат разделительную стенку с ребристыми передающими тепло стенками, термически связанными с одной или с обеими сторонами разделительной стенки, таким образом повышая термическую связь между текучими средами и разделительной стенкой за счет увеличения площади эффективного контакта между текучими средами и разделительной стенкой.
Предыдущее описание приведено для того, чтобы дать возможность обычному специалисту в данной области техники практически использовать различные аспекты, описанные здесь. В то время как выше было описано то, что считается наилучшим вариантом и/или другие примеры, понятно, что специалисту в данной области техники будут легко понятны различные модификации этих аспектов, и обобщенные принципы, приведенные здесь, могут быть применены к другим аспектам. Таким образом, притязания не должны ограничиваться аспектами, показанными здесь, но должны соответствовать полному объему, совпадающему с языком притязаний, где ссылка на элемент в единственном числе не должна означать «один и только один», если это не оговорено специально, но скорее «один или больше». Если специально не оговорено иное, термины «группа» и «некоторые» относится к одному или больше. Заголовки и подзаголовки при их наличии используются только для удобства и не ограничивают рамки описания.
Понятно, что определенный порядок или иерархия этапов в описанных процессах являются иллюстрацией типовых подходов. Основываясь на предпочтениях конструкции можно понять, что определенный порядок или иерархия этапов в процессах могут быть трансформированы. Некоторые из этапов могут выполняться одновременно. Сопутствующий способ заявляет настоящие элементы различных этапов в порядке образца, что не означает, что он ограничивается представленным определенным порядком или иерархией.
Такие термины как «верх», «низ», «передняя сторона», «задняя сторона» и тому подобные, применяемые в этом описании, должны пониматься как относящиеся к произвольной системе координат, чем к обычной гравитационной системе координат. Так, верхняя поверхность, нижняя поверхность, передняя поверхность и задняя поверхность могут простираться вверх, вниз, по диагонали в гравитационной системе координат.
Такая фраза как «аспект» не подразумевает, что такой аспект является присущим рассматриваемой технологии или что такой аспект приложим ко всем конфигурациям рассматриваемой технологии. Описание, относящееся к аспекту, может быть применено ко всем конфигурациям или к одной или больше конфигураций. Такая фраза как аспект может относиться к одному или больше аспектов и наоборот. Такая фраза как «конфигурация» не подразумевает, что такая конфигурация является присущей рассматриваемой технологии или что такая конфигурация прилагается ко всем конфигурациям рассматриваемой технологии. Описание, относящееся к конфигурации, может быть применено ко всем конфигурациям или к одной или больше конфигураций. Такая фраза как конфигурация, может относиться к одной или больше конфигураций, и наоборот.
Слово «типовой» используется здесь как означающее «служащий примером или иллюстрацией». Любой аспект конструкции, описанный здесь как «типовой», не обязательно должен рассматриваться как предпочтительный или улучшенный по сравнению с другими аспектами или конструкциями.
Все конструкционные и функциональные эквиваленты элементов различных аспектов, описанных в этом описании, которые известны или станут известны позднее любому специалисту в данной отрасли техники, определенно включены сюда в качестве ссылки и охватываются формулой изобретения. Кроме того, ничего из описанного здесь не предполагается предназначить опубликованию вне зависимости от того, является ли настоящее описание однозначно повторяемым в формуле изобретения. Никакой элемент формулы изобретения не должен толковаться согласно положениям 35 U.S.C §112, шестой параграф, если только элемент определенно не упоминается с использованием фразы «средство для» или, в случае притязания на способ, элемент не упоминается с использованием фразы «шаг для». Кроме того, в той степени, в которой термин «включает», «имеет» и тому подобное используется в описании или в формуле изобретения, такой термин предназначен быть включающим подобно тому, как термин «содержит» как «содержит» интерпретируется при использовании в качестве переходного слова в формуле изобретения.