CN102119315B - 通道系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通道系统(2)，该通道系统(2)用于改善流经所述通道系统的流体的压降与热量、湿气和/或质量转移之间的关系，所述通道系统(2)包括至少一个通道(4)，该至少一个通道(4)至少包括第一导流器和第二导流器(7a-e)，所述通道具有横截面面积A和位于各个导流器处的第一横截面面积A1和第二横截面面积A2，所述导流器(7a-e)沿流体流动方向并且横向于所述通道(4)延伸，并且所述导流器(7a-e)包括上游部(10)、下游部(12)和位于所述上游部(10)与所述下游部(12)之间的中间部(11)，所述上游部(10)沿所述流体流动方向从所述通道(4)的通道壁(6a-c)向内偏离到所述通道(4)内，所述下游部(12)沿所述流体流动方向朝向所述通道壁(6a-c)返回，其中，位于所述第一导流器(7a-e)处的所述第一横截面面积A1小于位于所述第二导流器(7a-e)处的所述第二横截面面积A2。

Description

通道系统
技术领域
本发明涉及一种通道系统，该通道系统用于改善流经所述通道系统的流体的压降与热量、湿气和/或质量转移之间的关系，所述通道系统包括至少一个通道，该至少一个通道至少包括第一导流器(flow director)和第二导流器，所述通道具有横截面面积和位于各个导流器上的第一横截面面积和第二横截面面积，所述导流器沿流体流动方向并且横向于所述通道延伸，并且所述导流器包括上游部、下游部和位于所述上游部与所述下游部之间的中间部，所述上游部沿所述流体流动方向从所述通道的通道壁向内偏离到所述通道内，所述下游部沿所述流体流动方向朝向所述通道壁返回。
背景技术
热交换器/催化转换器(Heat exchangers/catalysts)通常是具有主体的通道系统，该通道系统形成有大量的并列的小通道，例如要被转换的流体或流体混合物流经所述小通道。这种通道系统由不同的材料制成，例如陶瓷材料或金属(如不锈钢或铝)。
由陶瓷材料制成的通道系统的通道横截面通常为矩形或多边形，如六边形。所述通道系统是通过挤压的方式制成的，这意味着通道的横截面沿所述通道的整个长度是相同的，而且所述通道壁将是光滑且均匀的。
在制造金属的通道主体时，通常将波形带(corrugated strip)和平面带(flat strip)缠绕在一个轮轴(axle)或者卷轴(spool)上。这导致通道横截面为三角形或梯形。市面上可以得到的大部分金属制通道系统沿它们的整个长度的横截面是相同的，而且具有与陶瓷通道主体类似的光滑且均匀的通道壁。这两种类型的通道系统都可以涂有涂层，例如，在催化转换器中涂有催化活性材料(catalytically active material)。
工作环境中最重要的是通道系统中流经通道的流体或流体混合物与通道壁之间的热量、湿气和/或质量转移。
在上述类型的通道系统中，例如用于车辆或工业中的内燃机的通道系统，具有相对小的通道横截面并在这些环境中通常使用相对小的流体速度，流体沿通道以相对规则(relatively regular)的层流动。因此，所述流动实质上是层流的(laminar)。只有沿通道入口处的短距离内，会产生某些相对于通道壁横向的流动。
正如本领域所公知的，在与通道壁相邻的层流的流体流形成有边界层，此处的速度基本上是零。首先，在被认为是完全展开流(fully developed flow)的情况中，热量、湿气和/或质量转移主要通过相对较慢的扩散发生，所述边界层明显降低了质量传递系数(mass transfer coefficient)。质量传递系数是质量传递率的衡量标准，且为了获得高效率的热交换和/或催化转化率，质量传递系数应当很大。为了增加质量传递系数，必须使流体朝向通道侧的表面流动，这样边界层减少，并增加一层到另一层的流体转移。这可以通过所谓的湍流来实现。由于在通道中的低流速，因此需要人工手段来制造湍流，如通道中设置特殊的导流器。
US 4,152,302公开了一种具有通道的催化转换器，在这种催化转换器中，导流器以从金属带中冲孔的横向金属翼的形式设置。具有导流器的催化转化器显著增加了热量、湿气和/或质量转移。然而，压降也同时急剧地增加。而且已经发现，压降增加带来的影响比所述热量、湿气和/或质量转移增加带来的影响更大。
EP 0869844公开了湍流发生器，这种湍流发生器横向于催化转换器或热量/湿气转换器的通道延伸，以获得改善的压降与热量、湿气和/或质量转移的比例。
在本技术领域中，制造商寻求生产更加经济有效的系统的可能，同时该系统还能提高压降对于热量、湿气和/或质量转移的比例。特别是，随着保持的或者提高的热量、湿气和/或质量转移的减少的压降是有利的，因为这会得到更加有效的系统和更低的能量输入要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通道系统，该通道系统具有改善的压降与热量、湿气和/或质量转移的比例。
上述目的通过具有在附加的权利要求中限定的特征的通道系统来实现。
根据本发明的通道系统用于改善流经所述通道系统的流体的压降与热量、湿气和/或质量转移之间的关系，所述通道系统包括至少一个通道，该至少一个通道至少包括第一导流器和第二导流器。所述通道具有横截面面积和位于各个导流器处的第一横截面面积和第二横截面面积，所述导流器沿流体流动方向并且横向于所述通道延伸，并且所述导流器包括上游部、下游部和位于所述上游部与所述下游部之间的中间部，所述上游部沿所述流体流动方向从所述通道的通道壁向内偏离到所述通道内，所述下游部沿所述流体流动方向朝向所述通道壁返回，其中，位于所述第一导流器处的所述第一横截面面积小于位于所述第二导流器处的所述第二横截面面积。通过改变所述导流器处的横截面面积，各个导流器处的压降和转换(conversion)会受到影响。较大的横截面面积产生较低的压降和较低的转换，从而使得可以改善整个通道的总转换和总压降之间的关系。
优选地，所述第一横截面面积和所述第二横截面位于所述第一导流器和所述第二导流器的各个中间部上。
适当地，所述第一导流器沿流体流动方向位于所述第二导流器的上游。上游的意思是第一导流器沿流体流动方向设置在第二导流器之前。这种方式避免了在第二导流器处的不必要的压降。由于流体的主要部分在沿流体流动方向位于第二导流器的上游的第一导流器处转换，因而在第二导流器处的横截面面积可以在特定的范围内显著地大于在第一导流器处的横截面面积，而基本上不会减少通道系统的总转换。因此，可以在没有明显缺陷的情况下减少通道的总压降，并且可以改善总压降与总转换的比例。
在一种优选实施方式中，相对于所述第二导流器，所述第一导流器设置为最靠近所述通道的所述入口。与在导流器处具有相同的横截面面积相比，通过使靠近入口的导流器具有较小的第一横截面面积，转换得到提高，这是由于流体的主要部分沿流体流动方向在入口之后的第一导流器转换。
有利地，所述第一导流器和所述第二导流器沿所述流体流动方向直接连续。此处，直接连续的意思是在第一导流器和第二导流器之间没有附加的流体导流器，但是在第一导流器和第二导流器之间可以有距离。这种直接连续的导流器在通道的一部分中如需要的那样影响压降和转换之间的关系。
优选地，在与设置为最靠近入口的第一导流器直接连续的导流器处的所述第二横截面面积A2与所述第一横截面面积A1的比例，即A2/A1，为1.2至2.5，更优选为1.2至2.0。适当地，在与设置在所述第二导流器的上游的第一导流器直接连续的导流器处的所述第二横截面面积A2与所述第一横截面面积A1的比例，即A2/A1，为1.2至2.5，更优选为1.2至2.0。通过这种方式，整个通道的总转换和总压降之间的关系也进一步改善。与在导流器处具有相同的横截面面积相比，通过使靠近入口的导流器具有较小的第一横截面面积，转换率得到提高，这是由于流体的主要部分沿流体流动方向在入口之后的第一导流器转换。另外，在邻近的第二导流器处的较大的横截面使压降降低。
在一种优选实施方式中，在位于最靠近所述通道的所述出口的第二导流器处的所述第二横截面面积A2与在位于最靠近所述通道的所述入口的所述第一导流器处的所述第一横截面面积A1的比例，即A2/A1，为2.0至4.0。通过这种方式，通道中的总压降进一步降低而对转换基本上没有影响。这依赖于较大的横截面面积降低了局部压降，以及由于流体的主要部分已经沿流体流动方向在位于最靠近所述出口的导流器的上游进行了转换，因而较大的横截面面积基本上不会减少总转换。
适当地，所述通道包括至少一个附加的第三导流器，所述通道在所述第三导流器处具有第三横截面面积。所述第三横截面面积可以与所述第一横截面面积或者所述第二横截面面积相等，或者所述第三横截面面积与所述第一横截面面积和所述第二横截面面积不相等。这是为了进一步改善压降与转换之间的关系。
所述通道还可以至少包括一个附加的第三导流器，该附加的第三导流器设置为沿流体流动方向位于所述第一导流器和所述第二导流器之间。第三导流器进一步增加流经所述系统的流体的压降与热量、湿气和/或质量转移。
在一种优选实施方式中，所述通道的所述横截面的宽度在所述横截面的平面上沿一个方向减小。即，通道的横截面可以为三角形、梯形或者其它尖顶形状(top-shape)，或者以其它方式围绕使得顶部可以向下设置。优选地，所述通道的横截面优选为三角形。这样的形状从制造的角度来说是优选的。特别是，等边三角形横截面使沿通道壁的摩擦损失最小化，从而与例如正方形的横截面相比能够进一步减小压降。
优选地，所述通道的所述横截面面积与位于设置为最靠近入口的所述第一导流器处的所述第一横截面面积的比例大于2.0，并且优选地大于3.0，并且更加优选地大于4.5。该比例的大小对于在导流器处获得所需的速度以在通道内产生所需的流体湍流运动并且通过这种方式增加热量、湿气和/或质量转移率来说非常重要。
适当地，所述导流器中的至少一个包括：过渡部，该过渡部位于所述通道壁和所述上游部之间；过渡部，该过渡部位于所述上游部和所述中间部之间；过渡部，该过渡部位于所述中间部和所述下游部之间；以及过渡部，该过渡部位于所述下游部和所述通道壁之间。所述过渡中的至少一个可以基本上是直的。
根据一种优选实施方式，所述过渡中的至少一个以预定的半径弯曲。弯曲过渡部平缓地引导流体并且通过这种方式减小压降。
优选地，位于所述通道壁与所述上游部之间的所述弯曲过渡部和/或位于所述上游部与所述中间部之间的所述过渡部的半径为所述导流器的高度(h)的0.1倍至所述导流器的所述高度(h)的2倍。位于所述通道壁与所述上游部之间的所述弯曲过渡部是为了平缓地引导层流流体沿横向于所述通道的方向流动，这将由于横截面减小而增加流体速度。位于所述上游部与所述中间部11之间的所述弯曲过渡部是为了平缓地引导流体在通过所述上游部后朝向平行于通道的一侧的方向。此外，当需要镀层(coating)时，弯曲形状的表面就更有利，因为附着在下表面上的镀层增加了，并且整个通道的镀层可以更均匀。而且在镀层过程中产生的毛边/毛刺更少。毛边/毛刺可能是在某点(例如在锐边上)上堆积的材料。这种(堆积可能比其余镀层厚)在高温下使用以及经受振动时可能会脱落。此外，毛边实际上增加了压降。更加光滑的表面不仅能减小压降，这也意味着能够减少贵金属的用量。由于生产成本很大程度上取决于贵金属的用量，因而光滑的表面还能降低生产成本。
有利地，位于所述中间部与所述下游部之间的所述弯曲过渡部的半径为0.1*h至2.1*h，优选为0.35*h至2.1*h，更优选为0.35*h至1.1*h。位于所述中间部和所述下游部之间的弯曲过渡部减小了压降，并因此进一步提高了流经通道系统的流体的压降与热量、湿气和/或质量转移之间的比率。压降的降低导致了流经通道系统的流体流速增加，且因此使系统所需的电能降低。这连同提高或不变的热量、湿气和/或质量转移率一起致使系统更有效率。所述半径还通过引导流体从而产生涡流(也就是受控的流体的湍流运动，涡流的产生是由于横截面的扩大)来提高了系统的质量。湍流运动对于增加热量、湿气和/或质量转换率来说是必要的。另外，这种平滑的过渡部防止了在喷涂过程中产生毛边/毛刺。因此，该过渡部在涉及毛边/毛刺的方面与上述位于所述中间部和所述下游部之间的过渡部具有相同的优点。
适当地，位于所述下游部与所述通道壁之间的所述弯曲过渡部的半径为0.2*h至2*h，优选为0.5*h至1.5*h。该半径的目的在于防止在导流器后出现二次涡流。这种不合需要的第二涡流可能会增加压降但不增加热量、湿气和/或质量转移。因此，通过避免这种涡流能够增加压降与热量、湿气和/或质量转移的比例。因此，压降被进一步降低，从而提高了通道系统的效率。此外，这种平滑的过渡部防止了在喷涂过程中产生毛边/毛刺，因此，该过渡部在涉及毛边/毛刺的方面与上述位于所述中间部和所述下游部之间的过渡部具有相同的优点。
优选地，所述导流器中的至少一个的中间部包括平面部，该平面部基本上平行于所述通道壁。所述平面部可用于沿平行于所述通道的方向引导流体。这样能增加流体沿平行于通道的方向的速度。为了能够制造导流器，也可能会需要所述平面部。有利地，所述平面部沿所述流体流动方向的长度为所述通道的高度(H)的0至2倍，即0至2.0*H，优选为所述导流器的高度(h)的0至2倍，即0至2.0*h，更优选为所述导流器的高度(h)的0至1倍，即0至1.0*h。
在一种优选实施方式中，所述导流器中的至少一个的所述上游部的平面部具有相对于所述上游部所偏离的所述通道壁所在的平面倾斜的第一倾斜角。这是为了引导流体朝向与所述通道不平行的方向，从而可以产生湍流，以增加热量、湿气和/或质量转移。优选地，所述第一倾斜角(α1)可以为10°至60°，且优选地为30°至50°。
优选地，所述导流器中的至少一个的所述下游部的平面部具有相对于所述下游部所返回的所述通道壁的所述平面倾斜的第二倾斜角。这是为了产生涡流(即流体的受控的湍流运动)，该湍流运动是由于横截面扩大(divergent)产生的。这种湍流运动对于增加热量、湿气和/或质量转移率来说是必要的。所述第二倾斜角(α2)优选为50°至90°，更优选地为60±10°。在根据本发明的一种优选实施方式中，所述导流器中的至少一个的所述中间部仍然位于所述上游部所偏离的所述通道壁的内侧上。
有利地，所述通道还包括相对于每个所述第一导流器和第二导流器镜像颠倒的至少一个镜像颠倒的导流器。当多个通道相互设置在一起时，这种镜像颠倒的导流器能够增加整个系统中的热量、湿气和/或质量转移率。
通常，除非在这里做出明确的其他定义，否则权利要求中用到的所有名词都可以根据所属技术领域中的普通意义来解释。除非明确声明，否则此处所有涉及到“一/所述[元件、装置、部件、方式、步骤等]”都应当被开放的理解为至少一个所述元件、装置、部件、方式、步骤等。除非明确声明，否则本文中公开的任何方法的步骤都不必准确地按照公开的顺序执行。
本发明的其他目的、特征和优势将通过下文中详细的公开、附属权利要求以及附图显而易见。
附图说明
通过下面参考附图对本发明优选实施方式的说明和非限制性的细节描述，将更好地理解本发明上述和其他目的、特征和优势。在附图中，相似的元件使用相同的附图标记。
图1是根据本发明的卷筒(roll)的透视图；
图2是根据本发明的通道系统的部分开放的通道的一部分的透视图；
图3是根据本发明的一种实施方式的通道的长度方向的横截面；
图3a是根据图3中的实施方式图2中的通道沿A-A的横截面；
图3b是根据图3中的实施方式图2中的通道沿B-B的横截面；
图4至图5是根据本发明的替换实施方式的通道的长度方向的横截面；
图6是相互叠放的两个根据本发明的一种实施方式通道的横截面；
图7是图示导流器的一种优选实施方式的细节图；
图8说明在通道的长度方向上的通道的层。
具体实施方式
下面将参考随附的示意图对本发明作更详细地描述，该示意图为了描述的目的而表示当前的优选实施方式。
图1说明具有根据本发明的通道系统2的卷筒1。卷筒1可以在热交换器(例如回转式热交换器、气冷核反应堆、燃气涡轮叶片冷却器或者任何其他适当的设备)中例如用作催化转换器(catalyst)。
形成通道4的波形带(corrugated strip)20与至少一个基本平的带21(见图8)一起卷起，以形成具有要求直径的圆筒，该圆筒构成卷筒1的通道系统2中的实际核心。从图8中可见，基本平的带21包括多个凹槽，并且词语“基本平的带”在这里用于将该带与波形带区别开。波形带20中的压入部22和基本平的带21中的对应的凹槽(见图8)防止形成的卷筒伸缩，即它们防止带20和带21的不同层相对于彼此错位。此外，壳体3(见图1)环绕通道系统2，将通道系统2保持在一起，且简化了通道系统2与相邻结构的紧固。
可替换地，多个波纹带20和平面带21交替排列成层以形成通道4(见图8)。这种布置适于例如板式热交换器。
图2是包括两个导流器7a、7b的部分开放的通道4的一部分的透视图。由于在图中只图示了通道4的一部分，所以不包括出口。靠近入口5的第一导流器7a的高度大于第二导流器7b的高度。本发明不限于两个导流器；可以沿着通道4的整体长度分布多于一个的每种类型的导流器7a、7b。在这种情况下，词语“第一”和“第二”不必理解为沿流体流动方向相对于通道4的入口5设置在第一和第二的导流器。但是，对于所有可能的实施方式，“第一”和“第二”可以理解为设置在通道4中任何位置上的任何导流器。所以，在所有的实施方式中，可以有一个或者多个导流器位于标记为第一的导流器的上游。可选择地，导流器可以以其他方式定位，即第一导流器7a相对于流体流动方向可以设置在第二导流器7b的下游。
通道4为小尺寸的通道，即通常高度小于4mm。优选地，通道4的高度H(见图3)为1mm至3.5mm。通道4具有等边三角形的横截面和小于5mm的通道壁6a、6b、6c。但是，横截面的形状不限于等边三角形，其可以为适于本申请的任何形状。从而，顶部在任何方向的任何顶部形状的横截面都是适合的。所以，梯形横截面也是可行的。通道壁6a-c的数量不限于三个；可以为任何合适的数量。另外，沿流体流动方向，通道壁6a-c包围通道4，使得流体不会从一个通道4流到另一个通道4，例如在多个通道4彼此邻近设置的情况下使得流体不会从一个通道4流到另一个通道4。另一方面，本发明不限于由通道壁6a-c包围的通道；通道壁6a-c也可以部分地包围通道4，使得流体可以从一个通道4流向另一个通道4。下文描述的本实施方式的通道具有等边三角形横截面并且通道高度H等于2.6mm。
通道4的长度可以根据应用而变化。例如，对于催化转换器来说，通道4的长度可以为150至200mm，对于热交换器来说，通道4的长度可以为150至250mm。但是，本发明不限于这些通道长度。同时，为了形成需要的长度的系统，可以将任意数量的通道系统2一个接一个地设置。
另外，通道4可以为任何轴线方向，即本发明不限于水平的通道4。
第一导流器7a设置在通道4的一个通道壁6a上，使得来自入口5的流体流(箭头)被朝向另外两个通道壁6b、6c引导。在第一导流器7a的相反端上为凸起9。
恰好在通过入口5之后，流体流具有入口湍流(turbulence)。该湍流随着流体流经通道4而减小，这导致在通道4内产生以恒定的速度流动的层流。当流体接近第一导流器7a时，由于横截面的减小，流体的速度局部地增加。通过第一导流器7a之后，由于横截面的扩大和流体的流速会产生涡流(eddy)(也就是流体的受控的湍流运动)。导流器7a影响流经通道4的流体的主要部分，导致流体的流层的混合。这种湍流运动对于增加热量、湿气和/或质量转移率(transfer rate)来说是必要的。随着流体朝向第二导流器7b流动，湍流减少，精确地在第二导流器7b的上游产生层流。通过第二导流器7b之后，与通过第一导流器7a之后的情况相似而产生涡流。第二导流器7b的高度与第一导流器7a的高度相比较小，导致在第二导流器7b处的速度低于在第一导流器7a处的速度并且在第二导流器7b处产生较少的湍流。因此，在第二导流器7b处的压降与在第一导流器7a处的压降相比较小。
图3至图5所示为包括多个导流器7a-e的通道4的长度方向的横截面，多个导流器7a-e沿流体流动方向相继设置成行。分别具有不同的高度h1-h5的导流器7a-e延伸到通道4内。每个导流器具有上游部、中间部和下游部。最靠近入口5的导流器7a设置为与入口5的距离为D，此距离可以根据操作条件调整。两个相邻的导流器7a-e(即两个导流器7a-e之间没有另外的导流器)之间的距离d足够大以最大化地利用通过第一导流器7a后产生的湍流运动并且允许流体产生具有平行于通道壁6a-c的方向的层流。本发明不限于相互之间以等距离d间隔的导流器。在一些应用中，适于在每对导流器之间设置不同的距离。
通过改变导流器7a-e的高度，可以改变通道4的在每个导流器7a-e处的横截面面积。这显示在图3a和图3b中。图3a图示了图3中的通道4沿A-A的横截面。通道4的横截面面积A限定为通道4的入口5处的横截面。通道4的在第一导流器7a处的横截面面积A1限定为在中间部11(见图7)的高度为h1处(见图3a)的横截面。图3b图示了图3中的通道沿B-B的横截面。通道4的在第二导流器7b处的横截面面积A2限定为在第二导流器7b的中间部11(见图7)的高度为h2处(见图3b)的横截面。从图3a和3b可见，导流器的较小的高度提供了较大的横截面面积。通道4的在位于所述两个导流器7a、b的下游的导流器7c-e处的横截面面积A3-A5相应于导流器7c-e各自的高度h3-h5改变。
在第二导流器7b处的第二横截面面积A2(第二导流器7b与最靠近入口5的第一导流器7a相邻并位于第一导流器7a的下游)与第一横截面面积A1的比例(即A2/A1)为1.2至2.5，优选为1.2至2.0。在沿流体流动方向位于其它导流器7a-d的下游并且直接连续地设置在其它导流器7a-d后的导流器7b-e的第二横截面面积A2-A5与第一横截面面积A1-A4的比例(即A2/A1、A3/A1、A4/A1、A5/A1、A3/A2、A4/A2、A5/A2、A4/A3、A5/A3或者A5/A4)为1.2至2.5，优选为1.2至2.0。另外，在定位于最靠近通道的出口的导流器7e处的横截面面积A5与在定位于最靠近通道4的入口5的第一导流器处的所述第一横截面面积A1的比例(即A5/A1)为2.0至4.0。通过改变通道4的在导流器7a-e处的横截面面积，将改善整个通道的总转换率(conversion rate)与总压降之间的关系。也就是说，压降会减小，而转换率得以保持或者提高。优选地，通过改变导流器7a-e的高度h1-h5来改变横截面面积。尽管图3至图5中的实施方式具有上述所有的特征，但本发明不限于具有上述所有的特征；一种实施方式可以只有一个或者多个上述特征。
另外，图3图示包括五个导流器7a-e的通道的一部分，其中导流器7a-e的高度h1-h5逐渐减小。例如，对于高度H等于2.6mm的通道来说，高度h1为1.4mm，h2为1.2mm，h3为1.0mm，h4为0.8mm，并且h5为0.6mm。从而，通道4的在导流器7a-e处的横截面面积沿流体流动方向以如下方式增加：在第一导流器7a处的横截面面积A1为0.63mm2，在第二导流器7b处的横截面面积A2为0.88mm2，在第三导流器7c处的横截面面积A3为1.15mm2，在第四导流器7d处的横截面面积A4为1.43mm2，并且在第五导流器7e处的横截面面积A5为1.76mm2。为了获得与现有技术相比相对于整个通道4的总转换减小的上述总压降，所述高度减小。
图4图示包括五个导流器7a-e的通道或者通道的一部分，其中从入口5沿流体流动方向的前四个导流器7a-d的高度h1-h4逐渐减小，并且从入口5算起的第五导流器7e的高度h5与第四导流器7d的高度相等。在高度H等于2.6mm的通道的一种实施方式中，高度h1为1.4mm，h2为1.2mm，h3为1.0mm，h4为0.8mm，并且h5为0.8mm。从而，通道4的在导流器7a-e处的横截面面积沿流体流动方向以如下方式增加：在第一导流器7a处的横截面面积A1为0.63mm2，在第二导流器7b处的横截面面积A2为0.88mm2，在第三导流器7c处的横截面面积A3为1.15mm2，并且分别在第四导流器7d和第五导流器7e处的各个横截面面积A4、A5为1.43mm2。为了获得与现有技术相比相对于整个通道4的总转换减小的上述总压降，所述高度减小。
图5图示包括五个导流器7a-e的通道或者通道的一部分，其中导流器7a-e设置为两个导流器一组。每组内的导流器具有相等的高度，并且每组导流器的高度沿流体流动方向从入口5逐渐减小。即，沿流体流动方向从入口算起的第二导流器7b的高度h2与第一导流器7a的高度h1相等，第三导流器7c的高度h3小于第二导流器7b的高度h2，第四导流器7d的高度h4与第三导流器7c的高度h3相等，并且第五导流器7e的高度h5小于第四导流器7d的高度h4。例如，对于高度H等于2.6mm的通道来说，高度h1为1.4mm，h2为1.4mm，h3为1.2mm，h4为1.2mm，并且h5为1.0mm。从而，通道4的在导流器7a-e处的横截面面积沿流体流动方向以如下方式增加：分别在第一导流器7a和第二导流器7b处的各个横截面面积A1、A2为0.63mm2，分别在第三导流器7c和第四导流器7d处的各个横截面面积A3、A4为0.88mm2，并且在第五导流器7e处的横截面面积A5为1.15mm2。为了获得与现有技术相比相对于整个通道4的总转换率减小的上述总压降，所述高度减小。但是，本发明不限于每组两个导流器；每组为任何任意数量的导流器都是合适的。
但是，本发明不限于逐渐增加通道4的在导流器7a-e处的横截面面积。可替代的，导致通道4具有不同的横截面面积的导流器可以以任意的顺序设置在通道中，并且可以有多个导流器导致通道4具有相同的横截面面积。例如，第一导流器导致通道4的横截面面积小于通道4的在第二导流器处的第二横截面面积，所述第一导流器可以设置在两个这样的第二导流器之间，其中每个第二导流器导致通道4的第二横截面面积。另外，导流器的数量不限于五个；导流器的数量可以为任意并且根据不同的应用而不同。例如，通道4可以包括设置为靠近通道4的入口5的三个导流器，从而在靠近通道4的出口的端部没有导流器。可选择地，入口5和第一导流器之间的距离D可以相对较大，从而可以在靠近通道4的出口的端部设置多个导流器而并不靠近入口5设置导流器。另外，可以设置附加的导流器，通道4在该附加的导流器处分别具有横截面面积，该横截面面积与上述例子中在导流器处的横截面面积不同。可选择地，通道4的横截面面积可以通过改变通道的高度、通道的宽度或者通道的几何形状来改变。本发明不限于上述导流器的组合；根据附属权利要求限定的所有合适的组合均可以替代。
图6图示了相互叠放的两个通道4，该两个通道4包括相对于导流器7a-c镜像颠倒的多个镜像颠倒的导流器8a-c。如果只使用延伸到通道内的导流器，则当如图6和图8所示那样使通道一起卷起或者相互叠放时，只有一半的通道具有导流器。为了进一步增加热量、湿气和/或质量转移，适于使通道设置有这样的镜像颠倒的导流器8a-c，从而使得所有通道都设置有导流器。相对于导流器7a-c镜像颠倒的导流器8a-c各自以预定的距离d相对于对应的导流器7a-c设置。距离d应该足够大以使得在通过导流器7a-c之后产生的湍流运动可以得到最大程度的利用，并且使得流体可以沿通道4的方向，即平行于通道壁6a-c。靠近镜像颠倒的导流器8a-c的流体得到很大的扩展面积，并且速度在此处增大。可选择地，两种类型的导流器之间的距离可以改变。优选地，镜像颠倒的导流器8a-c与每个所述导流器7a-c连接(associate)。在这样的情况下，每个镜像颠倒的导流器8a-c分别与所述连接的导流器7a-c并排设置。
在图6中，导流器7a-c的高度h1-h3沿流体流动方向逐渐减小。在一种实施方式中，通道高度等于2.6mm，高度h1为1.4mm，h2为1.2mm，h3为1.0mm。从而，通道4的在导流器7a-c处的横截面面积沿流体流动方向以如下方式增加：在第一导流器7a处的横截面面积A1为0.63mm2，在第二导流器7b处的横截面面积A2为0.88mm2，在第三导流器7c处的横截面面积A3为1.15mm2。
可选择地，导流器7a-c和镜像颠倒的导流器8a-c可以设置为两个或者多个每种类型的导流器一组。即，沿流体流动方向，第一导流器和第二导流器可以为普通的导流器7a-c并且第三导流器和第四导流器可以为镜像颠倒的导流器8a-c。同时，另外可选择的方式是，将不同类型的导流器7a-c、8a-c以任意的顺序设置在通道中。
图7详细图示了一种具有上游部10、中间部11和下游部12的导流器7可能的实施方式。通道4的所有导流器优选地具有图7中导流器7的几何形状。但是，在本发明的范围内，可以只有一个或者几个导流器具有这样的形状。
上游部10包括平面部13，该平面部13沿流体流动方向相对于通道壁6a所在的平面以预定的第一倾斜角α1偏离。第一倾斜角α1限定为通道壁6a所在的平面和平面部13相对于通道壁6a所在的平面的延伸之间的角度，该角度位于平面部13的延伸和通道壁6a所在的平面的交点的下游。第一倾斜角α1也限定为图7中的角α1。另外，第一倾斜角α1为10°至60°，并且优选为30°至50°。上游部10的倾斜增加了流体的速度并且将流体导向其它表面，从而开始受控的湍流运动，以增加热量、湿气和/或质量转移。
中间部11设置在上游部10和下游部12之间。中间部11保持在上游部10所延伸的通道壁6a的内侧。中间部11包括平面部14，该平面部14平行于通道4的一个通道壁6a并且比上游部10和下游部12的长度小。导流器的相对于通道壁6a的最大高度h位于中间部11的平面部14上，其中导流器7从通道壁6a延伸。对于具有多个导流器的实施方式来说，导流器的高度h可以为任意导流器的高度h1-h5。出于生产的原因可以具有平面部14，但是平面部14也能帮助引导流体在通道4的方向上流动，即在通过上游部朝向相反的壁6b、6c引导之后平行于通道4的通道壁6a-c。平面部沿流体流动的方向的长度可以是所述通道的高度H的0至2.0倍，即0至2.0*H，优选为所述导流器高度h的0至2倍，即0至2.0*h，更优选为所述导流器高度h的0至1倍，即0至1.0*h。中间部11的平面部14可以相对于上游部10所延伸的通道壁6a倾斜，而不是平行于上游部10所延伸的通道壁6a。沿流体流动方向，可以朝内倾斜到通道4内或者朝向通道壁6a倾斜。在另一个实施方式中，中间部11可以具有轻微弯曲的形状，例如凸起。
适合地，导流器7的下游部12包括平面部15，该平面部15沿流体流动方向相对于通道壁6a所在的平面以预定的第二倾斜角α2返回通道壁6a。第二倾斜角α2限定为通道壁6a所在的平面和平面部15相对于通道壁6a所在的平面的延伸之间的角度，该角度位于平面部15的延伸和通道壁6a所在的平面的交点的上游。第二倾斜角α2也限定为图7中的角α2。另外，第二倾斜角α2为50°至90°，并且优选为60±10°。由于横截面的扩大，平面部15允许流体产生受控的湍流运动，该受控的湍流运动优化了热量、湿气和/或质量转移与压降之间的比率。
导流器7包括位于所述通道壁6a和所述上游部10之间的过渡部16，位于所述上游部10和所述中间部之间的过渡部17，位于所述中间部11和所述下游部12之间的过渡部18，和位于所述下游部12和所述通道壁6a之间的过渡部19。每个过渡部16-19可以是弯曲的或者是直形的，并且一个导流器7可以包括弯曲过渡部和直形过渡部。
图7图示了上游部10与中间部11之间的弯曲过渡部17，该弯曲过渡部17的半径R2为导流器7的高度的0.1至2倍，即0.1*h至2*h。这是为了在通过上游部10之后平缓地引导流体朝向平行于通道4的一侧的方向流动。合适地，中间部11与下游部12之间的弯曲过渡部18的半径R3为导流器7的高度的0.1至2.1倍，即0.1*h至2.1*h，优选为导流器7的高度的0.35至2.1倍，即0.35*h至2.1*h，更优选为导流器7的高度的0.35至1.1倍，即0.35*h至1.1*h。该半径引导流体的主要部分朝向通道壁6a产生涡流(即流体的受控的湍流运动)，其中产生该涡流是由于横截面的扩大。该湍流运动对于增加热量、湿气和/或质量转移率是必要的。可选择地，上游部10与中间部11之间的弯曲过渡部17的半径R2可以等于所述中间部11与所述下游部12之间的弯曲过渡部18的半径R3。也就是导流器7的高度的0.1至2.1倍(即0.1*h至2.1*h)，优选为导流器7的高度的0.35至2.1倍(即0.35*h至2.1*h)，更优选为导流器7的高度的0.35至1.1倍(即0.35*h至1.1*h)。在流体也可以沿与前面提到的流体流动方向相反的方向流动的某些应用中，相等的半径是有利的。
位于通道4的通道壁6a和上游部10之间的弯曲过渡部16的半径R1为导流器7的高度h的0.1至2倍，即0.1*h至2*h。优选地，位于下游部12和通道4的通道壁6a之间的弯曲过渡部19的半径R4为导流器7的高度的0.2至2倍，即0.2*h至2*h，优选为导流器7的高度的0.5至1.5倍，即0.5*h至1.5*h。下游部12的平面部15可以较短，使得过渡部19可以具有较大的半径。位于下游部12和通道4的通道壁6a之间的弯曲过渡部19的半径R4减弱了二次涡流(secondary eddy)的形成，否则可能会增加压降。
平缓的过渡部16-19导致导流器7中更加平缓的流体流动，同时过渡部16-19将流体引导为沿着确定的方向。由于压降是通过流体和通道壁之间的摩擦产生的，因此平缓的过渡部还能够减少压降。
在导流器7上方设置有凸起9。优选地，凸起9的高度b小于导流器7的高度h。这样减少了凸起9中的不必要的湍流。更优选地，凸起9的形状与由位于第二通道4的下侧上的导流器限定的相应的凸起9(见图6)匹配。为了防止伸缩，凸起9的高度优选为使得在分层设置通道时能够获得稳定的组装。此处，伸缩表示通道层相对于彼此的不合需要的运动。本发明不限于在每个导流器7上具有一个凸起。可替代的，例如可以沿流体流动方向在第一导流器7上具有一个凸起并在最后一个导流器7上具有一个凸起。
再参照图3，为了产生需要的湍流运动，在第一导流器7a的中间部11处具有一定的流体速度v1是必要的。速度v1取决于通道的在第一导流器7a的中间部11处(见图7)的横截面面积A1、通道4的横截面面积A和通道的具有横截面面积A的部分(例如在通道的入口5)的速度v。面积A和面积A1的比例大于2.0，优选地大于3.0，更优选地大于4.5。
图8沿通道的长度方向显示了位于通道系统2中的具有通道4的层。优选使用波形带20，其中使导流器7a-c、8a-c在一侧受压，从而在折叠边形成压入部22并在内折叠边形成压出部(pressed-out portion)。此处的压入部22与上面解释的导流器7a-c、8a-c的压入部相同。在图8中，使用了基本上平的带21，该带21也形成有与波形带20中的压入部相对应的压入部22。平面带21和波形带20被挤压为相互叠放，使得平面带21的压入部22配合在波形带20的压入部22中。
三角形横截面的顶端指向朝下的所有通道4和三角形横截面的顶端指向朝上的所有通道4均设置有压入/压出部，导致所有通道都设置有导流器，这能够额外增加热量、湿气和/或质量转移。为了使所有的通道都设置有导流器，从两侧均形成压入/压出部，使得三角形(即通道的横截面)的底部向内受压，从而使横截面面积减小。三角形横截面的顶端(tip)分别指向外部和内部的通道的压入/压出部沿通道相互偏离，且优选为相互以等距间隔。因而，在同一个通道的横截面中以及沿该通道的不同位置形成有：三角形顶端的三角形/压出部的底部的压入部和三角形底部的三角形/压出部的顶端的压入部。这主要是减小了横截面面积，从而帮助产生湍流。这意味着将底部向内朝向通道中心挤压的部分由于横截面面积的减小而产生大部分的湍流。相反地，在三角形顶端向内朝向通道中心受压并且底部向外受压的部分处，横截面面积会增大。
尽管通过结合本发明的优选实施方式描述了上述发明，但对于本领域技术人员来说，显然可以在不脱离由附加的权利要求所限定的本发明的情况下想到多种修改。例如，如上所述，波形带可以通过其他方式形成波形，从而可以获得其他的通道轮廓。如果导流器的构造不构成伸缩的障碍，例如，如果上游部和下游部相对于通道长度方向的角度小，则可以形成相对于通道长度方向具有较小的锐角的特殊压入/压出部。与导流器相比，这些伸缩障碍也变小(即比通道的横截面积小)，以使压降最小化。当然，这些伸缩障碍还可以补充已经用作伸缩障碍的导流器。

Claims (33)

1.一种通道系统（2），该通道系统用作催化转换器和热交换器，所述通道系统（2）用于改善流经所述通道系统的流体的压降与热量、湿气和/或质量转移之间的关系，所述通道系统（2）包括至少一个通道（4），该至少一个通道（4）至少包括第一导流器和第二导流器（7a-e），所述通道（4）具有横截面面积A和位于各个导流器（7a-e）处的第一横截面面积A1和第二横截面面积A2，所述导流器（7a-e）沿流体流动方向并且横向于所述通道（4）延伸，并且所述导流器（7a-e）包括上游部（10）、下游部（12）和位于所述上游部（10）与所述下游部（12）之间的中间部（11），所述上游部（10）沿所述流体流动方向从所述通道（4）的通道壁（6a-c）向内偏离到所述通道（4）内，所述下游部（12）沿所述流体流动方向朝向所述通道壁（6a-c）返回，
其中，所述中间部（11）包括平面部（14），该平面部（14）大致平行于所述通道壁（6a-c），
其特征在于，位于所述第一导流器（7a-e）处的所述第一横截面面积A1小于位于所述第二导流器（7a-e）处的所述第二横截面面积A2，
其中，所述第一导流器（7a-d）沿流体流动方向位于所述第二导流器（7b-e）的上游，
其中，所述导流器中的至少一个包括：过渡部，该过渡部位于所述通道壁（6a-c）和所述上游部（10）之间；过渡部（17），该过渡部（17）位于所述上游部（10）和所述中间部（11）之间；过渡部（18），该过渡部（18）位于所述中间部（11）和所述下游部（12）之间；以及过渡部（19），该过渡部（19）位于所述下游部（12）和所述通道壁（6a-c）之间，
其中，位于所述通道壁（6a-c）和所述上游部（10）之间的所述过渡部以预定的半径弯曲，
其中，位于所述下游部（12）和所述通道壁（6a-c）之间的所述过渡部以所述导流器的高度（h）的0.2-2倍的预定半径弯曲。
2.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述第一横截面面积A1和所述第二横截面面积A2位于所述第一导流器和所述第二导流器（7a-e）的各个中间部（11）上。
3.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，相对于所述第二导流器（7b-e），所述第一导流器（7a）设置为最靠近所述通道的入口（5）。
4.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述第一导流器和所述第二导流器（7a-e）沿所述流体流动方向直接连续。
5.根据权利要求4所述的通道系统（2），其中，所述第二横截面面积A2与所述第一横截面面积A1的比例，即A2/A1，为1.2至2.5。
6.根据权利要求5所述的通道系统（2），其中，所述第二横截面面积A2与所述第一横截面面积A1的比例，即A2/A1，为1.2至2.0。
7.根据权利要求3所述的通道系统（2），其中，在位于最靠近所述通道的出口的第二导流器（7e）处的所述第二横截面面积A2与在所述第一导流器（7a）处的所述第一横截面面积A1的比例，即A2/A1，为2.0至4.0。
8.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述通道（4）包括至少一个附加的第三导流器（7a-e），所述通道（4）在所述第三导流器（7a-e）处具有第三横截面面积A3。
9.根据权利要求8所述的通道系统（2），其中，所述第三横截面面积A3与所述第一横截面面积A1或者所述第二横截面面积A2相等，或者所述第三横截面面积A3与所述第一横截面面积A1和所述第二横截面面积A2不相等。
10.根据权利要求8或9所述的通道系统（2），其中，所述附加的第三导流器（7a-e）设置为沿流体流动方向位于所述第一导流器和所述第二导流器（7a-e）之间。
11.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述通道（4）的所述横截面的宽度沿所述横截面的平面中的一个方向减小。
12.根据权利要求11所述的通道系统（2），其中，所述通道（4）的所述横截面优选为三角形。
13.根据权利要求1或3所述的通道系统（2），其中，所述通道（4）的所述横截面面积A与位于所述第一导流器（7a）处的所述第一横截面面积A1的比例，即A/A1，大于2.0。
14.根据权利要求13所述的通道系统（2），其中，所述通道（4）的所述横截面面积A与位于所述第一导流器（7a）处的所述第一横截面面积A1的比例，即A/A1，大于3.0。
15.根据权利要求14所述的通道系统（2），其中，所述通道（4）的所述横截面面积A与位于所述第一导流器（7a）处的所述第一横截面面积A1的比例，即A/A1，大于4.5。
16.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述过渡部（16-19）中的至少一个基本上是直的。
17.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，位于所述通道壁（6a-c）与所述上游部（10）之间的弯曲的所述过渡部（16）和/或位于所述上游部（10）与所述中间部（11）之间的所述过渡部（17）的半径为所述导流器的高度（h）的0.1倍至所述导流器的所述高度（h）的2倍。
18.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，位于所述中间部（11）与所述下游部（12）之间的弯曲的所述过渡部（18）的半径为0.1*导流器的高度（h）至2.1*导流器的高度（h）。
19.根据权利要求18所述的通道系统（2），其中，位于所述中间部（11）与所述下游部（12）之间的弯曲的所述过渡部（18）的半径为0.35*导流器的高度（h）至2.1*导流器的高度（h）。
20.根据权利要求19所述的通道系统（2），其中，位于所述中间部（11）与所述下游部（12）之间的弯曲的所述过渡部（18）的半径0.35*导流器的高度（h）至1.1*导流器的高度（h）。
21.根据权利要求1或17-20中任意一项所述的通道系统（2），其中，位于所述下游部（12）与所述通道壁（6a-c）之间的弯曲的所述过渡部（19）的半径为0.2*导流器的高度（h）至2*导流器的高度（h）。
22.根据权利要求21所述的通道系统（2），其中，位于所述下游部（12）与所述通道壁（6a-c）之间的弯曲的所述过渡部（19）的半径为0.5*导流器的高度（h）至1.5*导流器的高度（h）。
23.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述平面部（14）沿所述流体流动方向的长度为所述通道的高度（H）的0至2倍。
24.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述平面部（14）沿所述流体流动方向的长度为所述导流器的高度（h）的0至2倍。
25.根据权利要求24所述的通道系统（2），其中，所述平面部（14）沿所述流体流动方向的长度为所述导流器的高度（h）的0至1倍。
26.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述导流器中的至少一个的所述上游部（10）的平面部（13）具有相对于所述上游部（10）所偏离的所述通道壁（6a-c）所在的平面倾斜的第一倾斜角。
27.根据权利要求26所述的通道系统（2），其中，所述第一倾斜角（α1）为10°至60°。
28.根据权利要求27所述的通道系统（2），其中，所述第一倾斜角（α1）为30°至50°。
29.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述导流器中的至少一个的所述下游部（12）的平面部（15）具有相对于所述下游部（12）所返回的所述通道壁（6a-c）的所述平面倾斜的第二倾斜角。
30.根据权利要求29所述的通道系统（2），其中，所述第二倾斜角（α2）为50°至90°。
31.根据权利要求30所述的通道系统（2），其中，所述第二倾斜角（α2）为60±10°。
32.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述导流器中的至少一个的所述中间部（11）保持在所述上游部（10）所偏离的所述通道壁（6a-c）的内侧上。
33.根据权利要求1所述的通道系统（2），其中，所述通道（4）还包括相对于每个所述第一导流器和第二导流器（7a-e）镜像颠倒的至少一个镜像颠倒的导流器（8a-c）。
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