用于龙骨冷却器的湍流增强器的制造方法
【专利说明】用于龙骨冷却器的湍流增强器
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月14日提交的美国临时申请N0.61/784，977的优先权，该美国临时申请被通过引用全部结合到本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及船舶龙骨冷却器中的传热的改进，并且特别涉及增强流经龙骨冷却器冷却剂管的内部冷却剂的传热。
【背景技术】
[0004]海运船舶中的发热源常常通过水、其它流体、或与其它流体混合的水进行冷却。在海运船舶中，冷却流体或冷却剂流过发动机或冷却剂在那里获得热量的其它发热源并且随后流到管道回路的另一部分。热量必须被从冷却剂传递到周围环境，例如船舶位于其中的水体。对于具有舷外马达的小型船舶，被栗送通过该发动机的阴冷的环境水是足够多的冷却剂。然而，在船舶电力需求量变大时，特别是在环境水是腐蚀性的海水和/或携带磨肩的情况下，被栗送通过该发动机的环境水作为重要的污染损坏源。
[0005]已经研发出多种用于冷却海运船舶的发动机和其它热源的设备。在闭环管道回路中使用冷却剂的一个这种设备是龙骨冷却器。超过70年以前研发出龙骨冷却器，用于附接于海运船体结构，它的示例在美国专利N0.2, 382, 218 (Fernstrum)中予以描述。龙骨冷却器主要由固定于船体并且被多个导热或冷却剂管分隔开的一对间隔开的集管组成。在船舶的管道回路中，热的冷却剂从发动机流到位于水位之下(即，暴露于空气的水平面的下方)的龙骨冷却器集管中，并且随后流到冷却剂管中。冷却剂通过冷却剂管流到相对的集管，并且冷却的冷却剂通过管道回路返回发动机。设置在环境水中的集管和冷却剂管操作以便将热量从冷却剂通过冷却剂管和集管的壁输送到环境水中。前述类型的龙骨冷却器被称之为单片龙骨冷却器，这是由于它是一种整体式的单元，其主要部件被熔接或钎焊就位。然而，其它类型的龙骨冷却器是己知的，该其它类型的龙骨冷却器包括具有螺旋管构造的可拆卸的龙骨冷却器，其中，包括冷却剂管的主要部件是可拆开的。
[0006]龙骨冷却器的重要方面是将热量从流经冷却剂管的内部的冷却剂有效地输送到外侧周围的冷却器环境水中的能力。存在影响龙骨冷却器传热的若干因素，这些因素中的一个是热量流到内部流体(即，冷却剂)或外部流体(即，环境水)中或从其流出的速率。对于任一流体中的热流的高阻力将产生传热的减缓的总体速率。对于冷却剂，内部传热(H1)是冷却剂热特性、内部管几何结构、冷却剂流量、每一个管的冷却剂流动分布、冷却剂流动特性(即，层流或湍流)、和内侧壁摩擦系数的函数。对于环境水，外部传热(H。)是外部流体热特性、外部管/龙骨冷却器几何结构、流动特性和限制、管组件、船体上的位置、以及穿过该龙骨冷却器的环境水的速度和方向的函数。在整体传热中考虑的其它因素包括冷却剂管壁厚度和管材料的导热系数。
[0007]改进整体传热的一个己知方法是增大龙骨冷却器的有效面积，以便增大为热流设置的传导屏障。换句话说，较大的龙骨冷却器面积将导致将在给定时间内在给定温差的情况下流过的更多数量的热量。龙骨冷却器通常设置在船舶的船体的底部处的凹部中，并且有时被安装在船舶的侧部上，但是总是位于吃水线的下方。船舶船体上的用于容纳龙骨冷却器的区域被称之为“占用空间”。然而，用于海运船舶的龙骨冷却器的重要方面是要求它们具有尽可能小的占用空间，同时满足或超过它们的热交换要求并且使冷却剂流程中的压降最小化。这样一来，现有技术中的龙骨冷却器通过利用矩形管并将它们间隔成彼此相对接近来使它们的占用空间最小化以便产生大的热流表面积。因此，现有技术中的龙骨冷却器常常具有在两个集管之间延伸的总共八个矩形的冷却剂管，包括六个中间管和两个外侧管，它们通常具有1.375英寸X0.218英寸、1.562英寸X0.375英寸、或2.375英寸X0.375英寸的横截面尺寸。然而，对于提高船舶的发动机燃料效率和额定载重量的需求已经导致了较高的发动机输出温度和关于龙骨冷却器传热效率的更大需求，并且由于该龙骨冷却器必须维持尽可能小的占用空间，因此存在对于以其它方式改进龙骨冷却器的传热效率的需要。
[0008]改进龙骨冷却器的另一方法是改进内部冷却剂的流量和流动分布。众所周知的是，流经冷却剂管的冷却剂的流量具有传热部分依赖的速度。此外，在龙骨冷却器技术中同样众所周知的是，两个外侧管具有暴露于外部环境水的最大的暴露区域，并且增大到这些外部管的流动分布也会改进龙骨冷却器效率。然而，具有矩形集管和矩形导热管的龙骨冷却器会在水平管中提供不均衡的冷却剂流，这会导致过度的压降和较差的传热。特别地，甚至在存在被设计用于将冷却剂传送到这些外侧管的孔口的情况下，流经该热交换器的冷却剂可具有有限的通向外侧管的通路。这样一来，在过去15年内的绝大多数的龙骨冷却器发展集中在通过增强经过侧部管和中间管的流量以及使其相等来提高传热效率。例如，美国专利N0.6，575，227 (具有与本发明相同的受让人)涉及一种具有倾斜底壁的龙骨冷却器，其中，外侧管孔口处于冷却剂流的天然流动路径中，用于提高到冷却剂管的流量和流动分布。美国专利N0.6，896，037(同样具有相同的受让人)另外在集管中设置流体流转向器，用于有助于冷却剂朝向内部管和外侧管流动。美国专利N0.7, 055, 576 (Fernstrum)涉及一种用于通过利用箭头形设计的孔口增大经过侧部管的冷却剂的流量来增强龙骨冷却器效率的设备。然而，如已经提及的那样，关于龙骨冷却器效率的需求持续增大，并且在龙骨冷却器的领域中存在对于新发展的需要，这通过本发明来满足。
[0009]现有技术中尚未关注到的用于增强龙骨冷却器传热的方法是通过增强流经冷却剂管的内部冷却剂的湍流。在最新式的龙骨冷却器设计中，矩形冷却剂管具有促进冷却流体在冷却剂管内壁处或其附近的层流的相对平滑的内表面。层流被定义为粘性流体流以低速度与管表面相接触从而不产生流体的任何混合的流动状况。在层流状态中，与管壁接触的流体将具有其通过粘滞阻力或摩擦力而降低的速度，这产生了充当具有高粘性的剪应力的区域的“边界层”。该粘性的剪切层或边界层起作用以通过壁处的无滑移条件阻止流体沿着管道通过。在该边界层内，这些粘性的摩擦应力导致到体相流体中的能量耗散，它作为热量显现出。换句话说，该边界层不仅抑制了体相流体中的混合，而且在冷却剂管内壁(即，传热表面)处用作隔热的发热层，因此降低了龙骨冷却器的整体传热。
[0010]另一方面，增强冷却剂内的湍流可有助于使耐热边界层最小化。湍流通常被定义为流体展现出无秩序的特性改变(例如流体的速度和压力围绕一些平均值快速波动)的流动状态。流体流是否将导致层流或湍流主要由雷诺数确定，雷诺数可被定义为流体的惯性力与粘性力之间的比率。就这点而论，雷诺数是流体速度的函数，并且在流体速度增大时，可达到惯性力支配粘性力的过渡区。这可允许流体中的湍流旋涡的发展，这些湍流旋涡会冲撞和破坏该边界层，从而导致边界层厚度减小。在湍流被进一步增大时，旋涡运动会变成逐渐不规则的，从而导致旋涡自壁上爆裂并且与体相流体混合(即，流体的位于该边界层的远离该管壁的外侧的区域)。所形成的湍流旋涡可输送大量的热能。因此，在自管壁上爆裂和/或冲撞该管壁的旋涡起作用以瓦解或破坏该边界层隔离并从该壁获取大量冷却器流体并且将它散布到热的体相流体区域中的情况下，可增大传热。
[0011]尽管湍流背后的科学并不被视为一种充分理解的技术，但是通常相信的是，增大龙骨冷却器管的内部的湍流将导致冷却剂的压降的增大。这被相信由在它们四处移动时彼此相互作用的、在体相流体被迫驱动这些不规则的涡旋运动时交换动量和能源、并消耗流体的机械能的具有不同尺寸的湍流旋涡导致。换句话说，在龙骨冷却器技术中，所相信的是，由于流体颗粒的与体相流体流动的方向相反的增大的横向运动，增强湍流将导致增大的阻力和压降。在龙骨冷却器技术中，增大系统压降被视为破坏了龙骨冷却器性能并且有损于该龙骨冷却器的整体效用。这是因为海运船舶上的龙骨冷却器通常受到海运马达的栗送能力的限制并且通常并不具有补偿增大的压降的外部栗。换句话说，不同于可向外部栗提供较大占用空间的陆用热交换器系统，龙骨冷却器具有严格的尺寸和实用上阻止使用外部栗的有效载荷约束。正是为此，龙骨冷却器技术中的发展已经在传统上避免增强冷却剂湍流，用于关注增大的压降。
[0012]据说试图破坏矩形龙骨冷却器管的内部的冷却剂流动型态的市场上唯一己知的龙骨冷却器是一种在冷却剂管的内部表面上具有多个粗糙要素的设备。该己知设备的粗糙要素是呈设置在冷却剂管内壁上的隆起的形式的小突起。该设备的隆起的高度为约0.015英寸，具有0.022英寸的直径，并且在交错构造中被均匀地间隔开0.060英寸。所相信的是，这些粗糙要素的目的是，破坏冷却剂管内壁处的边界层隔离。然而，在龙骨冷却器工业中众所周知的是，该设备在对于传热具有少量改进的情况下显著地增大了压降。因此，所相信的是，该装置并未增强湍流冷却剂流动和/或产生不规则的旋涡运动以致于有效地混合体相冷却剂来改进传热。相反，该设备起作用来增大冷却剂管壁的表面粗糙度，这根据众所周知的穆迪图增大了摩擦系数，并且因此导致了压降的察觉到的增大。该设备到该龙骨冷却器中的引入进一步减少了本领域技术人员将冷却剂流动特性作为成功地增大传热的途径的视线。
[0013]由于它通常属于龙骨冷却器传热，因此存在仅对使用外部翅片来改进与环境水进行的外部传热(Hfl)具有普遍兴趣的己知龙骨冷却器。例如，美国专利N0.3, 841, 396 (Knaebel)提供了一种海运船舶热交换器，该海运船舶热交换器具有连接至纵向构件的一系列径向延伸的外部翅片。该Knaebel发明设置这些外部翅片来增大该热交换器的表面积并且并不教导湍流来改进内部传热(H1)。在美国专利N0.3，240，179 (VanRanst)中，公开了一种海运热交换器，该海运热交换器在横向迂回构造中提供了底部片材部分。该Van Ranst发明意在提供与该完整的单元成比例的相对大的有效热交换面积。该Van Ranst发明还提供了一种内部冷却剂流体的平滑的流动路径，该平滑的流动路径被描述成是“最佳的”并且被相信背离促进湍流流体流动给出了教导。在美国专利N0.3, 650, 310 (Childress)中，提供了一种组合式船配平调整片和热交换器，其具有固定于该本体的外侧的底部的细长翅片以便增大热交换面积。Childress还提供了一种内部蛇形通道和内部冷却翅片，以便进一步增大冷却液体与本体之间的热交换面积。ChiIdress的本发明并未公开使用湍流的冷却剂流来增大传热。美国专利N0.3，177，936 (Walter)提供了一种海运热交换器，该海运热交换器包括具有内部螺旋形挡板的槽式换热管。Walter发明的槽管意在增大换热表面面积以及改进外部海水在管上的流动。Walter发明中的螺旋形挡板意在用机械的方法搅动冷却剂并且将管划分成至少两个蛇形的流道。Walter发明并未公开促进冷却剂的湍流，这是因为该术语在本领域中在该发明时是众所周知的。更具体地，Walter并未教导通过自然地出现旋涡运动来增强湍流以便改进体相流体混合，并且改为仅用机械的方法在某种未知的程度上搅动冷却剂。此外，冷却剂管内的这种划分被相信限制了冷却剂流动，这会导致与同样定位的不具有沟槽和挡板的管相比在压降方面的大幅增长。因此，如通过在龙骨冷却器现有技术中的这些缺点可看出的那样，存在在不增大压降的情况下进一步改进传热的需要，这可由本发明通过设置用于在内部冷却剂中使用的湍流增强器来实现。
[0014]己知将被称之为插件、管插件、障碍物或静态混合器的湍流器设置在管内，以便促进和/或增强湍流流体流动。尽管湍流器用于增强湍流并促进体相流体混合来改进传热是己知的，但是它们不利地增大了压降同样是己知的。由于龙骨冷却器技术中的技术人员已经被教导避免由于海运马达的栗送约束所导致的增大的压降，因此，通常已经将湍流器的使用和教导限制于陆用热交换器系统，在陆用热交换器系统中，压力损失可被通过外部栗送装置进行补偿。此外，龙骨冷却器技术中的创新的相对减缓的速率与缺乏对于湍流的理解相结合已经仅进一步影响了龙骨冷却器技术中的普通技术人员在逻辑上向其它热交换器系统投入他们的注意力。
[0015]因此，已经存在多年以来已经颁布的仅对涉及湍流器的问题存在普遍兴趣的多个专利。美国专利N0.3，981，356 (Granetzke)描述了一种换热管，该换热管具有成螺旋设置以形成湍流器的膨胀金属条带。该布置被意在将一部分液体朝向内壁表面引导以便控制热流，然而，它也导致了增大的压降。该Granetzke发明主张通过改变膨胀金属构造来调节压降方面的该增大。接下来参照美国专利N0.6，578，627 (Liu等人)，该专利公开了一种用于空调系统的呈肋状的涡流发生器的翅片型态，该翅片型态在该翅片上具有多个棱柱状结构。这些结构具有不同的高度，用于增强传热，同时据说导致很小的压力骤降。同样，美国专利N0.7，637，720 (Liang)提供了一种用于与燃气涡轮发动机的具有倒V形状的涡轮机叶片一起使用的湍流器，其中，在相邻湍流器之间具有扩散槽。在美国专利N0.4, 865, 460 (Friedrich)中，公开了一种静态混合装置，该静态混合装置具有延伸越过导管的多排间隔开的平行管。管被设置成使得相邻的管彼此成直角定位，这提供了用于混合粘性的树脂介质的扭曲路径。Friedrich发明要求产品在高压下通过静态混合器的扭曲路径供给并且并未公开压力损失的效果。
[0016]根据前述内容，应理解的是，具有最小占用空间、最大的整体传热、和最小的内部压降的龙骨冷却器被视为是最合乎要求的。然而，尽管存在在普通热交换器中利用湍流器来增强湍流和增大传热的多种努力，但是在与海运龙骨冷却器相关的该领域中尚未获知发展。由于海运马达必须变得更为高效并且运载更重的有效载荷，因此关于龙骨冷却器效率的需求在增大。如果湍流增强器可被选择成增强传热，同时基本上并不大幅增大压降到无法接受的程度，则在龙骨冷却器工业中会存在显著的经济节省。因此，对于一种龙骨冷却器存在一种长期以来尚未令人满意的需要，该龙骨冷却器通过在不存在压降的大幅增长的情况下增强冷却剂管内部的湍流的冷却剂流来改进传热。具有改进的传热的这种龙骨冷却器可以进一步缩小该龙骨冷却器所需的尺寸、获得龙骨冷却器的成本、和与龙骨冷却器相关联的制造成本。
【发明内容】
[0017]本发明通过提供一种龙骨冷却器组件来满足龙骨冷却器技术中的多种长期以来尚未令人满意的需要，该龙骨冷却器组件包括集管和至少一个冷却剂管，该至少一个冷却剂管包括用于增强冷却剂的湍流的装置，用于在不大幅增大冷却剂的压降的情况下并且同样在不增大该龙骨冷却器的占用空间的情况下改进传热。该集管可包括上壁、端壁、底壁、相对的侧壁、和倾斜表面，该倾斜表面可操作地连接上壁、底壁和侧壁并且也具有空间以接收每一个内部冷却剂管。每一个冷却剂管均可从集管沿着纵向方向延伸并且包括细长的本体部分，该细长的本