专利名称：紊流发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及优选如图1、1a以及1b所示的用于调节液体和气体产品流温度的外壳1，其可以用作例如热交换器外壳，外壳内插入至少两个可取出的作为紊流发生器的插入式梳形板2、2’，设置在穿过外壳的流道上的梳形板 2、2’，通过在流动方向上延伸形成三维网格以减少自由流动的断面。每一层(梳形板)最好超过其最大宽度范围，并与流动方向成适当角度，其具有至少两个不同部分(区域)，即非结构部(区域)3和至少一个沿主流动方向5以多个翅板8和间隙9交替的形式形成的结构部(区域)4。这样，插入式梳形板形成与外壳内壁接触的彼此相对的断断续续的线条，从而通过导入流体流动区域那的热传导来进行温度调节，并且同时最好是通过金属接点和/或接触线来固定梳形板。翅板相对主流动方向成10到80度倾角(α)。在外壳的流动断面上，通过使翅板角α交替变换，从而使至少两个重叠的梳形板形成网格结构。温度调节区6包围至少50％的外壳外表面部分。
背景技术：
已知的紊流部件或紊流发生器由具有圆形断面的金属丝或细杆制成，例如可以通过CalGavin公司的互联网(2002年11月15日)http//www.calgavin.co.uk/HITRAN/hitran.htm购买到的名称为HITRAN热系统。该系统中采用的圆金属丝仅在高流速下稍微提高传热性能。但是，金属丝的圆形断面不能满足提高传热性能所需要的强烈混合作用。在高流速下，例如在水系统或气体系统的情形中，紊流通常得到加强。根据流体力学可以知道，圆形断面的介入物仅能产生很低程度的横向流动，并且即使流体粘性很低(几个mPa·s)，这种混合横向流动也几乎会完全消失。
由于以上原因，人们只知晓水系统的紊流部件或紊流发生器。EP 0 623 771B1提出通过在扁管、异形管或管状体内焊接具有作为紊流部件的复杂波纹金属丝的方法来解决这一问题。在这种形式的紊流部件变体中，由于传热管与弯曲的金属丝之间的金属接触，造成主流动区域热传导效果很差。
CH 627 263 A5(＝US 4,211,277)中描述了一种流道，其设置有容纳间接热交换介质的装置。具体来说，换热器中的装置包括至少两组散热板，每组散热板基本上平行并相对流道轴线成一角度设置，一组散热板与另一组散热板交叉，且至少部分散热板在交叉点上彼此连接。
CH 648 404 A5(＝US 4,352,378)中描述了由板状金属元件制成的翅板部件，其插入换热器管中以提高换热效果，每个板状金属元件都有齿形插口，其与相邻板状金属元件的齿形插口配合，板状金属元件的中心部形成通道。
上述参考文献没有公开用于调节液体和气体产品流温度的外壳的具体设计，该外壳内插入至少两个可取出的插入式梳形板，其作为穿过外壳的流体通道的紊流发生器。
静止混合器也可作为紊流产生装置。但是，在工业上应用时，静止混合器(Kenis、Sulzer及Koch-Glitsch公司生产)通常过于昂贵，因此极少采用。
人们也已经知晓紊流发生装置的多种变体，在这些变体中，将波纹板插入形管，然后进行焊接。但是这些技术方案仅能稍微增加产品侧换热面的面积，略微提高换热性能。
EP A 0 659 500公开了用于改善热交换过程的扁管。该管由圆管经扁平孔型轧制而成。在扁管内，从温度调节内管壁到管心的距离更小。这种设计的缺点在于温度调节表面小，且扁管的低压稳定性差。如果在这样的扁管内对粘度较高的产品进行温度调节，会造成流速分布不均匀，进而造成产品流的温度分布也不均匀。
高粘度的产品附带产生高压差，由于扁管的压力稳定性低，使其有膨胀的趋势，造成形状不稳定。扁管内的高压差也使其失去了矩形断面而回到圆形断面。为了增加扁管的压力稳定性，可以增加管壁厚度，尽管这样做也有降低传热性能的缺点。
EP-A 0 302 232公开了一种由弯曲的金属条制成的用于换热器的扁管。这种扁管也可以设置产生紊流的插入件，通过焊接工艺实现完全密封。这种弯曲的扁金属管仅能在低压差下使用。一旦扁管由于高压向上弯曲，其提高的传热特性就消失了。这种扁管的压力稳定性是通过插入折叠的翅板成为整体而提高的。翅板以形成具有提高压力稳定性的多管扁通道的方式来使扁管发生变化。这样扁通道中的每个管都几乎是方的。但方形流动断面就意味着仅有两个温度调整面是有效的。管心到温度调节内表面的距离也很大，以至形成温度梯度，阻碍均匀、快速的对产品无害的温度调节。如果一种高粘度产品需要在低层流速度下调节温度，则流动断面上的温差热特别大。
DE 10 212 799 C1描述了一种具有内外翅板的空心断面。翅板沿金属断面的纵向布置。特别是在管道断面内部，翅板非常短，而不是在整个管宽度上延伸。因此，内翅板仅增加部分传热面的尺寸，其并不能产生任何混合作用或者增强紊流。这样，所述的空心断面始终由多个平行四边形的管组成，还有沿纵向布置的外翅板。所有内外翅板仅用来增加表面积，而其结构妨碍了其产生任何混合作用或增强紊流。
DE 3 022 270 C2(＝US 4,352,318)描述的是类翅板装置(带翅板的插入件)，这种装置总是需要三或四个这样的插入板，且板形状插入件的翅板通过互锁相互支撑，所有带翅板的插入件必须连在一起插入流道，由于带翅板的插入件的中间部分7沿管中心轴自然而然形成纵向管3，互锁板的框架可以插入流道。不能从流道中单独取出单独一个带翅板的插入件。即使降低管心的流速，带翅板的插入件也不是紊流发生部件，尽管它们降低了管道中心的流速，但其用来增大管道的传热表面并作为内侧传热翅片。但是，众所周知，当流速降低时，传热性能也变差。
DE 3 022 270 C2(＝US 4,352,318)描述了作为管道插入件的被称为静止混合器的装置。这些静止混合器由板或模制部件很费力地组装并在板的几个接点处很费力地焊接在一起。焊接在一起的板形成插在管道内的三维混合部件，几组混合器连续排列，前后两组成90度交错布置。每个混合部件由两组混合器很费力地焊接而成，在所有情况下，两组混合器都至少包括两个翅片，且所述两个翅片交错布置并对其进行调整以使其和流动管道相配。为将每个翅板设置在相对流动方向的一个角度上，翅板彼此之间的准确定位非常复杂、费力，因此每个混合器都必须作为一个单独元件独立制造。采用的板没有结构区域和非结构区域，没有重叠，不在与主流成合适角度的流动管的整个宽度方向上延伸。
EP 1 067 352 A1描述了一种热交换器。为了在流动区域提供附加的或更大的加热面，该热交换器具有在主流动管内的内加热管。另外，内加热管还具有类似DE 3 022 270 C2(＝US 4,352,318)的板状金属部分，该部分焊接在加热管内侧，并且其内钻有孔。因此EP 1 067 352 A1除了增加内部温度调节管外，与DE 3 022 270 C2(＝US 4,352,318)相同。EP 1 067 352 A1中带有焊接偏转板的内加热管只能从主流道中整体取出。
FR 2 123 185 A1描述了一种带有插入板的矩形管道。插入板必须进行切削、冲孔，使其外边弯曲并且使内板部分凹凸变换两次。另外，没有设置沿流道宽度方向上伸展的翅片。没有三维网格形成，没有接触线和接触点，仅有接触面。GB 2 044 911说明了与此相同的用于圆管的原理。
最后，EP-A 1 213 556描述了具有几个相邻布置的通向集管流动区域的扁管。其包括几个平行流道，每个腔壁基于扁管的形状具有稳定压力的作用。几个扁管平行布置，它们都通向一根集管，构成热交换器。该扁管的形状是通过对例如铝进行挤压的工艺得到的。这些扁管的生产复杂且需要专门的工具。因此，这种扁管不能用强耐腐蚀材料制造。
因此，目前的问题在于开发一种装置和方法，来改进调节单相和/或两相液体或气体产品流温度的工艺，使像装置内结垢这样的运行问题最小化。此外，需要一种简单有效的清理方法。这一额外的问题也涉及对流道的改进，因此，必须对紊流发生器或紊流产生部件和容纳它们的流道一起进行改进。流道和紊流发生器必须容易制造，从而降低成本并得到廉价的新技术。为了相对现有技术具有更多的优势，整个装置的结构必须小而紧凑。必须借助能够尽可能简单地完成插装步骤的部件来提高流道或管道调节温度的性能，从而增大温度调节管内的滞留区域和最小产品量。温度调节性能显著提高。此外，当产品粘度达到100,000mPas时也要求同样能够得到良好的温度调节性能。由于高粘度产品具有层流特性并且为了使压力损失最小，其保持较低流速，所以解决这一问题特别困难。本领域的专家将这种低流速称为蠕动流速。由于压力损失可能较大，压力必须稳定在至少300bar。
发明内容
本发明通过如图1、1a、1b所示的外壳1来解决上述问题。该外壳既适于液体也适于气体，特征在于外壳内插入至少两个可取出的作为紊流发生器的插入式梳形板2、2’，设置在穿过外壳的流道上的梳形板2、2’，通过在流动方向上延伸形成三维网格以减少自由流动的断面。每一层(梳形板)最好超过其最大宽度范围，并与流动方向成适当角度，其具有至少两个不同部分(区域)，即非结构部(区域)3和至少一个沿主流动方向5以翅板和间隙交替的形式形成的结构部(区域)4。这样，插入式梳形板形成与外壳内壁接触的彼此相对的断断续续的线条，从而通过热量导入流体流动区域来进行温度调节，并且同时最好是通过金属接点和/或接触线来固定梳形板。翅板相对主流动方向成10到80度倾角(α)。在外壳的流动断面上，翅板角度α交替，从而至少两个重叠的板形成网格结构。外壳外表面至少50％的部分被温度调节区6包围。
在本发明的优选实施例中，板位于另一个板之上且彼此接触。
梳形部件可以是直的或弯的。
因此，几个梳形层最好按照如下的方式彼此重叠，该方式为相对于第一层，下一个相邻的层沿纵向轴转过180度，从而使转动后的层形成α’角(图1a)。在所有层组件中，翅板相对相邻层的角度基于流动方向在α和α’之间交替变换(图1b)。
配有作为紊流发生器的梳形板的外壳可以是管件或异形管件，特别地，为矩形管道或扁管。
在本发明的优选实施例中，结构部4由在非结构部3两侧的翅板和间隙构成，翅板延伸至外壳内壁。
本发明的外壳能够实现高效、低成本的温度调节过程。
因此，本发明还涉及一种方法，其用来高效地施行对单相或两相液体或气体产品流进行温度调节的多个步骤，特征在于采用如图1、1a、1b所示的外壳1，外壳内插入至少两个可取出的作为紊流发生器的插入式梳形板2、2’，在流体穿过外壳时，梳形板通过减少自由流动的断面而在纵向和横向上都起混合作用。优选每一层(梳形板)具有超过其最大宽度的伸展部，并与流动方向成适当角度，其具有至少两个不同部分(区域)，即非结构部(区域)3和至少一个沿主流动方向5以翅板和间隙交替的形式形成的结构部(区域)4。这样，插入式梳形板形成与外壳内壁接触的彼此相对的断断续续的线，从而通过将热量导入流体流动区域来进行温度调节，并且同时最好是通过金属接点和/或接触线来固定梳形板。翅板相对主流动方向成10到80度倾角(α)。在外壳的流动断面上，使翅板角度α交替变换，从而至少两个重叠的板形成网格结构。外壳外表面至少50％的部分被温度调节区6包围。
为了在外壳的整个流动断面上实现完全混合，最好在整个外壳内都配置紊流发生器，因此在空的外壳断面内至少填入两个梳形板。
采用带有本发明的紊流发生器的外壳来调节单相或两相液体或气体产品流的多种方法适用于从大约-100℃到大约800℃的温度范围，因此，相对于现有技术，这些方法具有很多优点。此外，其适用于粘度范围从大约0.1mPas到大约100,000mPas的物质。在高体积流率和高粘度的情况下，会产生范围从几毫巴到几百巴的压差。因此本发明的装置可以用于紊流和层流范围，也可以用于蠕动流速范围。
本发明所述的方法显著地减少了通常在工业传热过程中经常发生的结垢问题。由于将紊流发生器设计成可插入、可取出式的结构，所有本发明的外壳可以高效而简单地清理。
由于本发明具有紊流发生器的外壳可以由高质量的耐腐蚀材料低成本地生产出来，因此该外壳还特别适用于需要进行温度调节的腐蚀性物质和混合物。
因此，本发明还特别地涉及管道或外壳和与本发明所述的紊流发生器相连的换热器。
本发明的紊流产生或紊流增强部件，由结构层以及结构层组件构成，特别适用于提高矩形热交换器管道的温度调节性能。在使产品流稳定流动的同时，一起使用本发明的紊流发生器与填充件，能够增加流体流速，从而该紊流发生器也可以较经济的用于圆断面管内。结构层类似于梳状物，而梳状物的齿布置成与流动方向成一定角度。
对紊流发生器而言，其结构按照如下的方式设计也是具备创造性的，该方式为以翅板和间隙形式形成的结构部34、3设置在非结构部3的两侧(参见图3和图3a)且翅板延伸到外壳内壁。
在一个具体实施例中，紊流发生器包括三个部分，其形状为具有相对流动方向倾斜的翅板的双面梳状物。根据本发明，可以变换翅片和间隙形式的双面梳结构部。根据有关角度α的技术问题，可以变换翅片的长度以及翅板间距，以为特定的温度调节过程提供最佳流动条件。在具体情况下，具有双侧结构部的紊流发生器可以按照一层梳形板在主流动方向上具有不同的结构部的方式进行设计(参见图5)。
可以通过改变翅板在主流动方向上的宽度、位置、角度、翅板间距和形状这些简单容易的产品设计方式使结构部发生变化，这为设计利于温度调节的优化工艺过程的紊流发生器提供了最大自由度。
由于板厚度、翅板间距、梳形层长度以及结构部与非结构部的宽度比很容易变化，因此梳形层组件易于设计。可以充分考虑温度调节过程所需的各个工艺过程参数。由于能将可取出的紊流发生器插入温度调节管中，且总是需要多层，所以通常可以进行大规模生产以降低单价成本。
利用板或者金属板来生产本发明所述的紊流发生器总是形成方形或长方形断面的翅板形状。根据流体力学的观点，成角度设置的方形翅板特别有效，能够特别有效的增强紊流。具体到粘性流体会自发产生有效的横向混合，从而使需要进行温度调节的物质出现从加热内壁到流道中心的持续移动。这种自发的移动产生了持续的横向混合，避免流体内出现的温度峰值。强烈横向混合的其他优点在本发明具有紊流发生器的外壳的温度调节性能中反映出来。因为在温度调节管的每个填充部分中，温度调节介质与产品之间的温度平衡随着最大平均温差而产生。这意味着采用的换热器，特别是在采用矩形管束的换热器时，要比现有的换热器短。
如果需要提高大于200毫米的外壳的非常大的流道或断面的温度调节性能，本发明的梳形紊流发生器可以为用中空部件制造的空心结构，从而显著减轻梳形层的重量。
由于处理问题的设计仅限于梳形层或梳形层组件的结构，矩形断面热交换管具有适应标准化大规模廉价热交换器生产的潜力。而这种结构变化特别有利于汽车散热器、液压设备的冷却器、废气冷却器以及用于制药和生物技术领域的急速加热器(flash heater)。
采用高导热率材料、大的产品侧高热传递表面以及在温度调节管道中的低滞留量有利于进行产品无害温度调节。由于能够保证配有梳形层的管道内流体持续的完全混合，就连两相混合物的分离都能够被避免，因此即使混合流体组分密度不同，也能有效地进行温度调节。
在特别敏感的对无菌程度要求很高的生物技术过程中，可以非常简单地进行清洁。由于制造成本低，可以根据应用的需要，将梳形层组合件作为一次性插入件，为每种新产品或新产品系列更换插入件。
因此，在制药业，由诸如塑料梳形层组件与金属矩形管束构成的热交换器这样的设备联合体具有显著优势。塑料梳形层可以在注塑机上廉价制造，紊流产生或紊流增强部件可作为一次性插入式组件，不会造成过多的资金浪费。
因此，应用到对耐腐蚀要求很高且不能采用金属材料的领域，也是十分经济的。石墨或玻璃制成的矩形管束热交换器可以通过技术上很简单的方式生产。特别是采用低热导率的玻璃时，为了在沿温度调节管道的每个点上得到最大可能性的平均温差，采用本发明的紊流发生器十分有利。如果温度调节管采用低导热材料制成，例如采用如聚四氟乙烯、聚丙烯或其它热塑性塑料制成的塑料梳形层则有利。在这些应用中，紊流的产生仅需要两层，而外壳为极扁的矩形管。
本发明的结构板或结构层2、2’具有梳状外形，在主流动方向有倾斜的齿，因此也可以被称为梳形板或梳形层。
层最好为板状，其最大宽度伸展部与外壳流动断面内直接对着外壳内侧的接触点之间的平行距离相应。梳形层保持与外壳内壁接触。连续接触线总是沿梳状体的非结构区域形成，和/或至少一条不连续的接触线沿梳状体结构区域在外壳纵向伸展部方向上形成。外壳的纵向伸展部与主流动方向平行。
至少两个重叠组装的插入式梳形层在外壳内部流动区域形成多层三维网格。网格在管道长度方向上延伸。
为了提高金属接触程度和能量传递效果，本发明结构板的宽度最好略大于外壳的等效宽度。如果将两个宽度略微超出的相同结构板重叠并插入温度调节外壳，由于梳状物倾斜齿的弹性，角度β与角度α相比是不同的。结构板插入外壳后，其处于张紧状态；它们在外壳内平行接触点之间的张力作用下被固定住，从而防止由于流体的流通使插入的梳形层滑出，造成压力损失。
作为紊流发生器的结构板或梳形层的长度为板宽度的几倍。
结构梳形板可由各种金属材料或合金、非金属材料、塑料制成，也可以是玻璃或陶瓷，因此在满足不同化学耐腐蚀要求时，它不受限制。结构梳形板最好由板状物或金属板制成。其制造可以采用廉价的激光或刻蚀工艺。其它制造方法还有冲压、金属丝火花电蚀，当板厚度大于5毫米时，也可以采用铸造。
在另一种较佳的变体中，本发明涉及如图1、1a及1b所示的本发明的紊流发生器及带有该紊流发生器的外壳，其中在横穿流动方向的宽度伸展部内，设有按照如下方式设计的结构板2，该方式为宽度延伸方向横断流动方向，结构部4比非结构部3大，使得结构部4所占比例大于50％，大于75％更好，最好能达到95％。
因为根据有关产品规格和物理性质，例如对粘度、变化的密度或造成的压力损失的优化计算，所以组成紊流发生器结构部的较大部分对相关的应用有利。
在进一步的优选实施例中，本发明涉及外壳(热交换器管道)，其中配置有梳形层的外壳、管件、异形管或矩形管的断面通流面积占自由流动断面的比例在20％到100％之间，30％到100％更好，最好是50％到100％。对于管件，填充度在70-90％较好，80％最好。对于异形管，填充度在80-95％较好，90％最好。对于矩形管，填充度在90-100％较好，100％最好。
为了确定配有梳形层的外壳或管断面流动面积的填充度，将相对于断面流入面积来计算梳形层的断面面积。单层形成的填充面积比例为层厚与层宽的积。
填充度是指本发明的紊流发生器在单个流道的填充程度。因此，为了尽可能获得100％的填充度，调节流道内部尺寸以适应紊流发生器是有利的。
如果，例如在圆形流道或管道内填充梳形层，由于流速高，增强了紊流，相应地，促进了温度调节腔或区域与流体之间的温度交换，那么就可以在流动断面上填充梳形层。为了填充管道，将大量梳形层堆叠在彼此的顶部。将梳形层固定成组件并将组件整体插入，这样有利于使用。梳形层组件的结构便于插入和取出。
因此，本发明还包括为便于插装，将至少两个梳形层在底部相互固定，从而使组装好的梳形层组件插入流道或从流道中取出。
通过局部焊接或通过使用螺栓或螺钉或通过低温焊接可以将几个重叠的梳形层彼此固定。固定最好在层的非结构部进行，从而使翅板在插入外壳时在小作用力下能够弯曲。
将本发明的梳形层填充入圆形流道需要调整紊流发生器的宽度，使其在外壳内部的相应位置上与外壳的内部轮廓相配。如果形成梳形层组件，则很容易进行调整，只需通过磨削工艺就能调整成与外壳轮廓相配。
如果梳形层插入异形管，特别是矩形管(参见图2)，同样宽度的几层彼此堆叠在顶部，直到将异形外壳的矩形流动面积完全填充，就能获得高填充度。
本发明涉及外壳，为使局部温度梯度持续降低，梳形层的翅板在温度调节管长度方向上的流动方向形成倾角α。
为了在整个管道流通长度上形成三维网格，梳形层的翅板相对流体流动方向的倾角范围在20至80度，30到60度较好，40到50度最好。
此外，在另外一个优选实施例中，本发明涉及紊流发生器及配有该紊流发生器的外壳，其中结构层的特征在于梳形层的宽度大于平行外壳内接触点之间的内部直线距离，从而翅板在非插入状态下的角度β在插入过程中的变化，翅片倾角变为α，因此结构层在插入后总与外壳内壁保持接触。
梳形层在非插入状态的最大宽度范围比插入状态的宽度大。因此在插装过程中翅板角度由β减小为α。梳形层的大宽度部意味着在插装过程中，翅板弹性弯曲并始终保持与温度调节外壳内壁的金属接触。
因此，在向非结构部的过渡的区域，将翅板断面设计得很窄(参见图4)，从而减小弯曲阻力，因此在插装时只需要保持很小的作用力即可。
在另外一个实施例中，本发明涉及外壳，其中梳形层的翅板最好具有能够在增强紊流的同时强化翅板径向和水平方向的混合的断面形状。由此，梳形层翅板具有诸如为方形、长方形或六边形这样的断面形状。
在另一优选实施例中，本发明涉及紊流发生器和包括该紊流发生器的外壳，板厚度或翅板高度与平行于流动方向的翅板宽度的比值推荐为0.1到5，最好为0.1到3。
即使高粘度的物质例如粘度为1Pas到10Pas(帕斯卡·秒)的物质通过并发生层流，翅板厚度与宽度的比值也能确保有效的混合作用，增强流过填充梳形层的管道过程中的紊流。同时，在整个管道长度方向上避免了温度峰值，这样，也能够在不损坏温度敏感物质的情况下进行温度调节。
因此，优选梳形层的翅板中心之间的距离需要大于翅板宽度的两倍，四倍更好，五倍最好。
翅板中心之间的距离影响管道内的压力损失，特别是当高粘度物质需要进行温度调节时，为了使压力损失最小，采用较大的翅板中心间距很有利。
在另外一优选实施例中，本发明涉及紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其中借助插片，使梳形层或梳形层组件流动方向上的长度向一端或两端延伸，包括了插板的梳形层或梳形层组件的总长度大于其所插入的管道的长度，从而在紊流发生器插装后，插板能够从管道中伸出，进而能够在管道外侧对梳形层或梳形层组件采取其它固定措施。
梳形层可以设有额外的插片，其最好布置在梳形层宽度方向的中心，且具有开口或孔。设置开口便于插装工具的引入，从而使完整的未固定的梳形层组件能够拉入管道。插装完成后，插板重叠的开口可以用来固定其它的闩杆，例如螺杆。那么在使用过程中，梳形层就不再可能由于可能产生较高的压力损失而移动，因此，除了在外壳内部对梳形层进行张紧固定外，还进一步在管道外通过伸出的螺杆或闩杆进行外部固定。
在本发明的另一优选实施例中，本发明涉及紊流发生器所使用的外壳，流道内填充梳形层组件，且梳形层组件由不同厚度的梳形层组成，从而不但增强紊流，促进混合作用，还能通过梳形层的厚度变化，在流动断面上产生不同的流速，以同时使压力损失最小。
可以组合具有不同板厚度的作为紊流发生器的结构板，以构成梳形层组件，紊流增强部件以可拆卸的方式插入外壳，因此可以方便的取出。
在另一优选实施例中，本发明涉及紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其梳形层长度至少要与其所插入的管道一样长。
在这种情形中，结构板或梳形层的长度为0.05米到5米，优选为0.05米到2米更好，0.05米到1米最好，这样就可能地以整体制造并插装。
在另外一个优选佳实施例中，本发明涉及具有双梳形层的紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其中一个梳形层具有三个部分，并且结构翅板部分从内部的非结构部向外发散。
翅板部分作为本发明的紊流发生器或梳形层的结构部，以翅板和间隙组合的形式构成。
翅板部分设置在梳形层的两侧，被称为鱼骨层或双梳形层，由于流体有效地绕过温度调节内管壁上的所有翅板接触点流动且没有死角，从而产品不会沉淀，而温度调节管壁上的产品沉淀会损坏并老化产品，所以采用这种结构的翅片部分对流动是有利的。
在另外一个优选实施例中，本发明涉及紊流发生器(参见图3)以及配有该紊流发生器的外壳，其中梳形层包括三个部分，与梳形层宽度相比，不同长度的两个结构翅板部分从偏心的非结构部别向外壳内壁延伸。
不同长度的结构部的意味着具有相同倾角α的梳形翅板长度不同。因此，当流体流过配有双梳形结构的管道，例如矩形管道时，由于形成压差，也就形成了不同的流速分布。这些不同的流速分布加强了混合作用，能够快速均衡局部温差。由于管内区域没有产生无效的填充，因此不存在死角区域，避免了出现产品沉积物。
包括三个部分的结构双梳形层可以设计成使不同长度的梳形翅板从非结构梳形部向外发散。包括长翅板的部分相对主流动方向形成与具有短翅板的部分不同的倾角较有利。
此外，长翅板可以具有不同形状(参见图3a)，例如锯齿形。这样在很宽的异形管内，结构板或双梳形部件可以产生非常细密的三维流动网格。并且可以用作紊流增强或紊流产生部件，作用非常有效。
具有三个部分的结构层，即一个非结构部，两个用于设置翅板和间隙的结构部，也可以被称为双梳形部件或鱼骨结构。
本发明还涉及具有双梳形层结构或单梳形翅板的紊流发生器以及包含该紊流发生器的外壳，其中如图2a或2aa所示，如果圆形流道断面没有完全填充，则未填充的流动断面由与断面相配的填充件11来填充，并且填充件同时作为导流的外轮廓。
填充件可以设置在梳形层组件的两侧或交替设置。以平行于插入的梳形层组件的交错填充件的形式设置的内部填充件或转向部件能够减少压力损失，产生强大的紊流。同时，穿过梳形层组件的横向流动也增强了。
在另外一优选实施例中，本发明涉及具有单梳形层或双梳形层紊流发生器(参见图3)以及配有该紊流发生器的外壳，其中设置在梳形层组件上用来使流动转向的填充件11的上游和下游面相对于外壳的中心轴线形成一角度γ(如图2b所示)，且以交替和/或交错方式，沿流动方向或纵向设置在梳形层组件上。
填充件的上游和下游面的角度γ的范围在20到70度，30到60度更好，40到50度最好。
在另外一优选实施例中，本发明涉及具有单梳形层或双梳形层的紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其中转向部件彼此相对设置，即在梳形层上面和下面或沿流动方向重叠或交错设置。
在另一优选实施例中，本发明涉及具有一个双梳形层或多于两个梳形层的紊流发生器以及包含该紊流发生器的外壳，其中至少两个梳形层形成一个梳形层组件，各梳形层在流动方向上具有不同长度的结构区或非结构区，因此在流动方向上的整个管道长度上形成的区域要么紊流增强要么已经稳定地流动(例如参见图5)。
具有不同结构区的梳形层还意味着，不同区域的梳形层的齿可以相对主流动方向具有不同的倾角α和/或不同的翅板中心间距。
因此，根据相关过程的需要，可以形成具有不同温度调节能力的不同的流动状态。流动方向上梳形层不同的区域也意味着可以变换梳形层组件；可以采用一侧或两侧都带有梳齿部分的层，插入的齿中心距可以在层的长度上变化，层的非结构梳形部分可以设置在中心或偏心设置，从而，例如当低粘度产品流过外壳时，流动状态不是有序的，而几乎是强烈的混乱状况。
本发明还涉及紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其中梳形层彼此焊接在底部接触点上，这样就避免了梳形层组件特别是翅板交叠区域会产生间隙。
本发明的另一优选实施例还涉及具有紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，层厚度小于10毫米的梳形层，优选用金属板采用激光、蚀刻、金属丝蚀或射流技术制成。
优选层厚度大于10毫米的梳形层通过铸造的方式来生产。铸造成的梳形层可以由实心件或为了节省材料、减轻重量其可以由空心件制成。
本发明的另一较佳实施例还涉及具有紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其中梳形层部件以及组件由包括三个部分的结构层组成，用于在催化过程中增强紊流，层表面完全被催化剂材料包裹。可以采用的催化剂材料可以是诸如多相催化剂或均相催化剂这样的任何类型的常用催化剂。
本发明还涉及具有紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其中梳形层部件以及组件由多个结构部组成，用于在催化过程中增强紊流，其中间隙由催化剂颗粒填充或涂有陶瓷的催化剂载体填充。
本发明还涉及紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其中包含梳形层组件和两端插板的装置按照如下的方式布置，该方式为至少两个连续的梳形层组件通过连接件连接，其沿长度方向填满整个温度调节管。
至少两个梳形层组件在流动管道内顺次布置形成梳形层组件链。
如果连接件有旋转接头，也可以将梳形层组件链即所谓的梳形层链插入非直线形温度调节管、管状物或异形管。
本发明还涉及具有紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其中，优选象链条一样顺次设置的梳形层组件的长度范围为50毫米到200毫米，最好为50毫米到100毫米。
本发明还涉及具有紊流发生器以及配有该紊流发生器的外壳，其中象链条一样顺序设置并与填充件结合的梳形层组件，为了在管道中使用，且通过组装板相互可移动地连接，梳形层组件彼此相对转动70到100度，最好旋转75到95度。
本发明还涉及，例如如图6所示类型的热交换器，其包括至少两个外壳，特征在于在外壳内，几个矩形管(矩形外壳)相互作用，矩形管以平行方式填充且全部填充可拆式梳形层组件，特别地每个外壳(管)内至少填充两个梳形层，矩形外壳(管)与更大的流入流出板焊接，从而使得流体均匀流入所有矩形外壳(管)，且所有矩形外壳(管)都有相连的温度调节腔，由此形成不损坏流体产品且在-50℃到500℃的温度范围内快速进行温度调节的矩形管道或管束热交换器，其在1毫巴到200,000毫巴的压力范围内运行，其中由于设置了插入式梳形层组件，外壳或热交换管内的产品侧滞留量占总流道容积的比例最多为10％到70％，在一个实施例中优选为10％到79％，在另外一个实施例中优选为10％到70％，在另一个实施例中最好为80％到95％。
流道总容积可以由热交换器灌注产品的管束的总容积减去紊流发生器的体积计算得出。滞留量被认为是容纳在配有紊流发生器的管道内的产品体积。
矩形管束热交换器包括至少两根平行布设的矩形或长条形管，管道断面相同或不同，配有本发明的紊流发生器。管道连接更大的流入流出板，且有相连的温度调节腔。带调节温度的流体在管道中的滞留量和滞留时间特性可以通过组装紊流发生器的长条形管进行优化。适当选择梳形层的结构可以改变压力损失，因此低投入就能生产高性能热交换器。
由于梳形层或双梳形层在几何上结构上的改变，压力损失可以在很宽的范围内变化，制造出的用于粘性流体的热交换器压力损失小于100巴，较好时小于50巴，而最好时小于10巴。
温度控制管内的滞留时间和滞留时间特性对于不损害产品的温度调节至关重要，假设在所有平行流道中滞留时间几乎相同，则可以通过对梳形层结构的适当选择，使温度调节时间同时减少。滞留量和可热交换面积确定统一缩短的温度调节时间，因此包括梳形层组件的矩形管有利于减少管道总容量。
如前所述，本发明还涉及有效进行单相和/或两相液体或气体产品流温度调节的方法，特征在于采用本发明的紊流发生器。
本发明涉及一种利用本发明所述的梳形层结构和矩形管换热器进行温度调节的方法，该方法可以快速调节流体或流体混合物的温度。其特征在于待调节温度的物质粘度范围在0.001到1Pas，优选为0.1mPas到5,000mPas，最好为0.1mPas到10,000mPas。由于热交换器管道内温度调节物质的体积(滞留量)小，从而使滞留时间短，且由于流道中窄滞留时间范围和有效的横向混合，所以在长条形管的流出区域，可以实现温度调节介质与产品流出时的温差范围在2到20℃范围内，较好时为2到10℃，最好时为2到5℃。
特别地，本发明涉及有效调节单相和/或两相液体或气体产品流的方法，该方法用于进行单相或多相流吸热或吸热的反应；并且还涉及本发明所述的外壳的应用，外壳作为混合器下游的管式反应器，该外壳用来对在一个或多个顺序设置或平行设置的长条形热交换器上游的反应物进行初步均匀化处理，从而在流过混合器后开始的化学反应可以直接在包括紊流发生器的长条形管内进行强烈的温度调节，并且在长条形管内进行反应的过程中能够继续保持预混器中的高混合质量。
最后，本发明涉及紊流发生器的应用，该紊流发生器用于矩形管道，矩形管道作为用于食品工业的急速加热器或交叉流式换热器、制药或生物技术过程中的消毒器、使蒸汽完全冷凝并从废气流中提留有用产品避免污染环境的排放的废气冷却器以及不连接温度调节腔的油冷却器或汽车散热器的热交换器。在不连接温度调节腔的情况下，热量通过矩形管道外表面排到周围空气中，冷却器性能通过加装或焊接薄板增加矩形管道的外表面积，并有效地向周围空气排出。作为汽车散热器或油冷却器，其特征在于冷却器由具有热容15W/mK到400W/mK的材料制成。
图1表示一侧具有温度调节腔和插入式梳形层的温度调节管道的局部视图。
图1b表示与图1相似的外壳内的两个重叠层状梳形结构。
图1a表示具有梳形结构的板部分。
图2表示装配的矩形或异形管的流动断面。
图2a表示配有层组件以及填充件的管道圆形流动断面。
图2aa表示图2a中的结构部和非结构部。
图2b表示具有沿流动方向彼此交错设置的填充件的流动管道。
图3表示两侧带有翅板的梳形板。
图3a表示带有短翅板和锯齿形长翅板的双梳形板。
图4示意性表示梳形翅板插入外壳后的角度变化。
图5示意性表示在外壳整个长度方向上插入的梳形层组件，其具有不同作用强度的紊流发生结构。
图6表示带有相连的温度调节腔的矩形管束热交换器的流入端。
图7表示表面积很大的用于将热量释放到周围空气中的汽车散热器。
图7a表示带有外部配装薄板的用来高效地将热量排入空气的单个汽车散热器管的断面。
具体实施例方式
实施例1图1表示配有紊流发生器的外壳部分1、管件或异形管的断面图。外壳下部区域设有温度调节腔6，其用来加热或冷却。温度调节腔被温度调节外壳6’包围。外壳内部，插有带梳形结构的短结构板2。可以看到，梳形板与外壳内壁金属接触。结构板具有两个部分，即具有构架的非结构部3和由翅板7和在制造过程中在翅板之间自然形成的间隙9组成的结构部4。翅板相对流动方向或穿过外壳的主流动方向始终保持倾角α。
参见图1a，将图1中的结构板2绕其纵轴(代表流动方向)转动180度，形成角度α’的板2’。图中还表示出构架7’、翅板8’、间隙9’以及流体5’流动方向。图1a中的梳形层与图1结构相同。
图1b表示带有图1中插入式结构板2的外壳1，且图1a中旋转后的板2’也作为第二结构梳形板插入以形成梳形层组件。可以看到，与内壁接触的翅板端部略呈圆弧形，从而减小将结构板或板组件拉入时的作用力，同时翅板通过较小的压力作用以弹性方式固定在外壳内壁上。转动的相邻层可以形成布满外壳内部的三维网格。流过外壳的流体必须流过管道内部的网格，绕过翅板，从而能够借助径向和水平方向的偏转产生持续的混合或产生紊流。因此能够快速消除局部温度峰值。
结构板也可以按照如下的方式彼此重叠设置，该方式为非结构梳形部相对相邻层以交替方式(即在队侧上)布置。
实施例2图2表示包括完全填充结构梳形板的异形或矩形管道的外壳。可以看到梳形部分几乎完全填充流动面积。要将异形管内部断面填充到较高程度，即使是梳形部分组件也几乎不需要做任何的形状调整磨削工作。板组件的形状调整仅局限在管道拐角区域最上层和最下层的板。
作为比较，图2a表示的是同样填充了梳形层组件12的圆形外壳或管状物。梳形层组件12与图1一样由单梳形层组成。梳形层具有结构部4和非结构部3(参见图2aa)。在这种情形中，梳形层组件12设置有上填充件11和下填充件11’，从而减少将梳形层组件装入圆形流动断面所需进行的调整工作。具体而言，管束热交换器相继填入由梳形层组件和填充件组成的紊流发生器是比较有利的。填充件也可以在插入层组件前与层组件连在一起。
图2b表示装有采用根据本发明所述的紊流发生器组件12形式的多个紊流发生器的圆形管或外壳1，并且填充件11、11’沿流动方向5交错设置在顶部和底部。
实施例3图3表示配有特殊结构梳形板的外壳断面1，该特殊结构梳形板具有鱼骨结构，被称为双梳形板，其作为可拆除件或紊流增强件插入外壳。
设置的双梳形件设有偏心非结构部30，梳形件或者翅片31，32从非结构部30两侧伸展至外科内壁并与主流动方向成一定角度。梳形件齿部31比相对的齿部32短。由两侧不同长度的翅板组成的梳形层组件也称为双梳形层，这意味着在组件组装之后，非结构层区域不再彼此相对地位于顶部了。这样流动区域就没有形成造成物质沉积的死角。
由此，在管道的流动断面上可以形成起变化的流速分布。
此外，在非常宽的异形管或外壳(矩形管道)内可以层的形式形成不同的三维网格结构。图3a还表示出一种双梳形结构，其中由长翅板组成的部分为锯齿形34、34’。如果这种双梳形层放在另一层的顶上并将其插入外壳，则会形成很好的网格结构，而不会形成死区，并且外壳断面所有区域都被有效填充。有效填充防止了敏感物质的老化以及沉积以及淤塞。双梳形部件的翅板角度可变。两个紊流发生器34、34’在图中分别用实线和虚线表示。
实施例4作为例子，图4示出为了在插入温度调节管时，使翅板能够与温度调节内壁牢固接触，每个梳形板的单翅板8都略微加长。如果将结构板拉入外壳1，翅板8相对原始位置略有变化，从而加工角β在插入位置略微变化一度的六十分之几，成为角度α。因此在制造过程中，在翅板8到非结构梳形部分7的过渡区域，形成较窄的断面比较有利，其可以作为较理想的弯曲点，从而在插入梳形层组件过程中，不需明显增大作用力。由于每种材料具有的弹性，使得此时翅板中的弯曲应力占优势，特别是在弯曲点，弯曲应力使梳形部件楔入外壳内壁之间并确保金属接触。
实施例5图5表示配有双梳形层的温度调节外壳50，其中双梳形层的结构在外壳轴51向或流动方向不同。可以看到在主流动方向上有四个结构区53、53’、54以及54’。结构区53、53’和54、54’都以交替方式设置。可以变换本示例中的结构区，使得各个结构区具有不同的翅板角度α、不同的翅板距离并且几个结构区的长度不同。这样在流道内就形成了交替设置的细度不同的三维网格。
为了便于插装，双梳形层与流道本身一样长，且两端设置插板52、52’。采用插板，包括至少两个结构层的完整双梳形层组件可以以简单的方式插入。此外，可选择采用图中未表示的螺栓或闩杆来固定，防止组件滑动。图5中未示出温度调节腔。
实施例6图6表示具有相连的(例如共用的)温度调节腔的矩形管或长条形管束热交换器的流入部分。可以看到用以容纳所有长条形管的相连的(例如共用的)流入板63。在本示例中，长条形管根据相连的温度调节外壳60的直径进行调整，因此长条形管的流动断面64不同，从而长条形管内容纳的本发明所述的紊流发生器宽度不同。例如，可以选择高度低的长条形管，从而可以利用，例如两三个紊流发生层。这样，就可以完全利用热交换器面积，与流动方向成一定角度的插入式结构层翅板使流体在每个长条形管的流动断面上完全、快速地混合。图6中，紊流发生器仅在结构部和非结构部用实线示意性地示出。此外，温度调节外壳具有用于送入和排出温度调节介质的连接件61、62。根据所关心的问题不同，温度调节外壳的流入板可以通过改变长条形管间距来容纳不同数量的长条形管。也可以用，例如大量的类似的矩形管或异形管，来代替长条形管。
图中没有示出长条形管束热交换器的整个长度。温度调节侧可以相应设置偏转板。
实施例7作为例子，图7示出汽车散热器70的结构。本发明所述的几个扁管71由三个紊流发生器72完全填充。此外，扁管具有外部焊接薄板73，通过扁管增大了的外表面使产生的热量快速地排放到周围空气中。扁管两端插入并焊接或低温焊接到集管74、75上。当采用热传导率高的材料，例如铝或铜时，汽车散热器可以按照下述的方式构造，即将填有金属焊料的连接点和散热器焊成一个整体。
图7a示出一个单独的汽车散热器管的断面图。可以看到，扁管71内填入了三个本发明所述的紊流发生器，且扁管流动断面被完全填充。可以清楚地看到采用的梳形层，具体来说，该梳形层是由非结构部72’以及翅板和间隙组成的结构部72构成的。作为例子，薄板73围绕扁管，这扩大了扁管的温度调节外表面。在图中，也可以看到部分集管75。
权利要求
1.一种产生紊流的热交换器，其包括具有由一个内壁或多个内壁构成的内表面和一个外表面的外壳，外壳内插有可取出的至少两个紊流部件(2、2’)，所述每个紊流部件具有至少一个非结构部(3)和至少一个结构部(4)，所述结构部由多个交替设置的翅板(8)和间隙(9)组成，所述紊流部件与所述外壳的内表面接触，形成彼此相对的连续的接触线、不连续的接触线或断断续续的接触线，所述连续的接触线由所述部件的至少一个非结构部与所述内表面接触形成，所述不连续的接触线由所述至少一个结构部的翅板与所述内表面的一系列接触点形成，所述紊流部件通过所述接触线或接触点，或者所述接触线和接触点固定在所述外壳内，所述翅板与穿过所述外壳并与外壳内壁平行的理论轴形成10到80度的角α，由于交替的翅板角α，使至少两个重叠的紊流部件在所述外壳断面内形成网格，至少50％的外壳外表面设置有热交换介质护套或设置成与热交换流体接触。
2.如权利要求1所述的产生紊流的热交换器，其中翅板(8)具有正方形、矩形或六边形断面。
3.如权利要求1所述的产生紊流的热交换器，其中每个所述紊流部件都包括一个偏心设置的非结构部以及两个不同长度的结构翅板部分。
4.如权利要求1所述的产生紊流的热交换器，其中在所述外壳内断面没有完全被紊流部件填充的情况下，所述断面的未填充部分由沿断面调整的填充件填充，该填充件同时作为用于导流的偏转轮廓件。
5.一种具有至少两个如权利要求1所述的产生紊流的热交换器的热交换器组件，其中内部平行布置多个所述产生紊流的所述热交换器，热交换器内全都完全填充至少两组紊流部件，将各热交换器焊接到共同的流入板和流出板上，从而流体均匀流入所有产生紊流的热交换器，且所有紊流热交换器具有共同的温度调节腔，由此形成能够对-50℃至500℃范围内的流体进行温度调节的热交换器簇，操作压力范围1毫巴到200,000毫巴，其中产生紊流的热交换器内产品侧的滞留量占其流道内部总容积的比例最多为10％到95％。
6.调节粘度在0.001到1Pas的流体或流体混合物的温度的方法，其包括使流体或流体混合物流过如权利要求1所述的设有护套的产生紊流的热交换器内部，使热传递介质流过所述护套，并使热传递介质与流体或流体混合物在所述产生紊流的热交换器排出端的温差小于15℃。
7.实现单相或多相状态下流体反应物或溶液中反应物的吸热或吸热反应的方法，其特征在于首先将所述流体反应物或反应物溶搅匀，而后在一个或多个彼此串联或并联排列的如权利要求1所述的产生紊流的热交换器内进行反应。
8.一种急速加热器、交叉流式换热器、消毒器、废气冷凝器、用于汽车散热器或油冷却器的热交换器，它们包括如权利要求1所述的产生紊流的热交换器。
9.一种紊流发生器，包括具有由一个内壁或多个内壁构成的内表面以及一个外表面的外壳，外壳内插有可取出的至少两个紊流部件(2、2’)，每个所述紊流部件具有至少一个非结构部(3)和至少一个结构部(4)，所述结构部由多个交替设置的翅板(8)和间隙(9)组成，所述紊流部件与所述外壳的内表面接触，形成彼此相对的连续接触线、不连续的接触线或断断续续的接触线，所述连续的接触线由所述部件的至少一个非结构部与所述内表面接触形成，所述不连续的接触线由所述至少一个结构部的翅板与所述内表面的一系列接触点形成，所述紊流部件通过所述接触线或接触点，或者所述接触线和接触点固定在所述外壳内，所述翅板与穿过所述外壳和外壳内壁平行的理论轴形成10到80度的角α，通过使翅板角α交替变换，使至少两个重叠的紊流部件在所述外壳断面内形成网格。
10.一种散热器，包括多个如权利要求9所述的紊流发生器，紊流发生器之间彼此隔开足够大的距离以使空气流过其间。
11.一种汽车散热器或油冷却器，包括如权利要求10所述的散热器，该散热器由至少一种热传导率在15W/mK至400W/mK的材料构成。
12.一种借助权利要求11所述的油冷却器来冷却汽车发动机或汽车发动机油的方法，其中热量通过紊流发生器外表面排放到周围空气中，通过加装薄板增大紊流发生器的外表面来增强紊流发生器的热量传递性能。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述薄板通过焊接的方式固定。
全文摘要
一种用于混合或作为热交换器的紊流发生器，包括具有由一个内壁或多个内壁构成的内表面和一个外表面的外壳，外壳内插有可取出的至少两个紊流部件(2、2’)，每个紊流部件具有至少一个非结构部(3)和至少一个结构部(4)，结构部由多个交替设置的翅板(8)和间隙(9)组成。
文档编号F28F13/00GK1573274SQ20041007145
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月12日 优先权日2003年6月12日
发明者P·耶恩, K·奥赫曼 申请人:拜尔工业服务有限责任公司