CN106440921A - 用于龙骨冷却器的湍流增强器 - Google Patents

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Abstract

一种龙骨冷却器组件包括冷却剂管，该冷却剂管包括多个湍流增强器，用于在不大幅增大冷却剂的压降的情况下改进冷却剂的传热。在一个实施例中，湍流增强器提供了一种用于在冷却剂中产生湍流尾流的装置，用于破坏层流边界层，以便改进传热。在另一实施例中，湍流增强器提供了一种用于在冷却剂中产生和传播湍流涡流的装置，以便增强体相冷却剂的混合，用于改进传热。在其它实施例中，包括插件或障碍物的湍流器被设置成具有多种构造并且被呈预定图案设置，用于增强冷却剂的湍流，以便在不大幅增大压降的情况下提高龙骨冷却器传热效率。

Description

用于龙骨冷却器的湍流增强器
本申请是申请日为2014年3月14日，申请号为201480014786.0，发明名称为“用于龙骨冷却器的湍流增强器”的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月14日提交的美国临时申请No.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
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
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，被泵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/或携带磨屑的情况下，被泵送通过该发动机的环境水作为重要的污染损坏源。
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No.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。
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(Hi)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(H0)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。
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×0.218英寸、1.562英寸×0.375英寸、或2.375英寸×0.375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。
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No.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No.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No.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。
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。
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。
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泵送能力的限制并且通常并不具有补偿增大的压降的外部泵。换句话说，不同于可向外部泵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泵的有效载荷约束。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。
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。
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(H0)具有普遍兴趣的己知龙骨冷却器。例如，美国专利No.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(Hi)。在美国专利No.3,240,179(Van Ranst)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No.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。Childress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No.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。
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泵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泵送装置进行补偿。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。
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No.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No.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No.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No.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。
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
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，该细长的本体部分包括内部表面，该内部表面形成用于允许冷却剂的流动并且也被构造成用于增强湍流的内部通道。每一个冷却剂管均可具有用于冷却剂的进入的至少一个入口和用于冷却剂的外出的至少一个出口。在一些优选实施例中，可存在这些冷却剂管中的八个或更多个。
本发明的另一方面涉及一种设置，其中，用于增强湍流的装置包括用于在冷却剂中产生湍流尾流的装置，以便增大旋涡运动并在不大幅增大压降的情况下改进传热。在优选实施例中，用于产生湍流尾流的装置被设置在冷却剂的体相区域中，该体相区域为流体的位于边界层的外部的远离该冷却剂管壁的区域。
本发明的再一方面涉及一种设置，其中，用于增强湍流的装置包括用于在冷却剂中产生和传播湍流涡流的装置，用于增强体相冷却剂混合，以便在不大幅增大压降的情况下改进传热。
本发明的又一方面通过设置多个湍流增强器来获得前述装置，这多个湍流增强器从冷却剂管内部表面向内延伸到管内部通道中并且被呈预定图案设置。湍流增强器可被通过设置具有多种构造的湍流器来提供。湍流器可被作为插件提供，例如具有圆形截面、椭圆形截面、或卵形截面的圆柱形插件；中空插件，例如具有内部通道的插件；呈长方体、例如具有正方形或矩形截面的长方体的形式的插件；锥体形插件，例如具有三角形截面的插件；扁钢；具有翼状构造的杆；具有多角形构造的插件；具有一个或多个倒圆表面的插件；具有带有结合的倒圆表面和平坦表面的构造的插件；或具有不规则截面的任何种类的插件。本发明并不限于具有作为湍流器的插件并且可以例如包括带有壁的冷却剂管，这些冷却剂管具有作为相应的壁的一体部分的内部湍流器。
根据本发明的实施例的湍流增强器的另一方面通过设置湍流器作为冷却剂流的障碍物。除了别的之外，这种障碍物可以是具有多种构造的销钉、倾斜成V形图案的障碍物、具有泪珠形截面的翼片构造、具有或不具有孔口的障碍物、具有波状形状的障碍物、具有星形截面的障碍物等。该障碍物可从内壁表面部分地延伸到冷却剂管内部中，或者可以延伸到管内部中并且可被附接于管内部中的两个或更多个附接点。在一些情形中，障碍物可在各个管中纵向延伸并且可不附接于冷却剂管内部表面。
本发明另一涉及用于其中将会放置湍流器的具有相应的尺寸和形状的龙骨冷却器管的湍流器的尺寸。
本发明的另一方面是龙骨冷却器管中的各个湍流器之间的距离、龙骨冷却器管中的每一个湍流器的位置、湍流器之间的间隔、和龙骨冷却器管中的湍流器的图案—所有的这些均用于在最小化冷却剂的压降的增大的同时并且在并不不合理地增大龙骨冷却器的占用空间的同时增强传热。
除了别的之外，根据冷却剂的性质、龙骨冷却器管的形状和尺寸、冷却剂的压力，前述湍流器可以沿着不同的方向面对该龙骨冷却器管的内侧。
本发明的另一方面涉及用于龙骨冷却器的冷却剂管的设置，该冷却剂管包括细长的本体部分，该细长的本体部分具有形成内部通道的内部表面并包括从该内部表面延伸的多个湍流器。湍流器被构造成与冷却剂相互作用，用于增强湍流以便在不大幅增大压降的情况下改进传热，并且可能地导致冷却剂管构成其部件的龙骨冷却器的占用空间的减少。在优选实施例中，各个冷却剂管均具有矩形截面，该矩形截面可包括为该工业所共用的截面尺寸。该冷却剂管可以是龙骨冷却器内部冷却剂管或外部冷却剂管并且可根据具体构造具有多个入口和/或出口。
通过本文中所讨论的设置和实施例，本发明的一般目的是增强龙骨冷却器中的传热，同时使流经该龙骨冷却器的冷却剂的压降的任何增大最小化。
本发明的另一目的是增强流经龙骨冷却器管的冷却剂的湍流，同时并不大幅增大冷却剂的压降。本发明的再一目的是在冷却剂中自然地产生湍流尾流；并且更进一步地，目的是在冷却剂中产生湍流涡流，同时均不大幅增大压降。在优选实施例中，本发明的目的是通过在不大幅增大压降的情况下在冷却剂的体相区域中自然地出现涡旋运动来产生湍流尾流和/或湍流涡流。
本发明的另一目的是增强湍流，用于以与体相流体速度或流量无关的方式改进传热。在优选实施例中，即便在冷却剂管内壁在各个湍流增强器之间是基本上平滑的时，湍流也被增强并且传热在不大幅压降的情况下得到改进。
本发明的再一目的是提供一种用于龙骨冷却器管的湍流增强器，用于增强龙骨冷却器的传热能力。
本发明的附加目的是增强龙骨冷却器管内的湍流以便提高龙骨冷却器的传热能力，从而减小龙骨冷却器的占用空间的尺寸，以便因此降低船舶所有者所用的将要结合龙骨冷却器的成本。
本发明的一般目的是以经济的和实用的方式增强龙骨冷却器的效率和效能。
通过下列说明书和所附权利要求书，这些和其它目的应该是显然的。
附图说明
本发明可在某些元件和元件的布置中采取实体形态，其优选实施例将被在该专利说明书中进行具体地描述并且被图示在形成其一部分的附图中，并且其中：
图1是根据现有技术的处于水中船舶上的龙骨冷却器的示意图。
图2是龙骨冷却器的透视图，其包括集管的局部剖视图和根据现有技术的具有矩形截面的冷却剂管的剖视图。
图3是根据现有技术的龙骨冷却器的一部分的截面图，示出了冷却剂管的集管和部件。
图4是根据本发明的优选实施例的龙骨冷却器的一部分的透视图，其包括正方形集管的局部剖视图和具有湍流增强器的冷却剂管的剖视图。
图5A是根据本发明的优选实施例的冷却剂管的一部分的截面透视图，示出了冷却剂管的内部的呈交错排列方式设置的多个实心的圆柱形湍流器。图5B是其截面图，并且还包括冷却剂流体流和湍流尾流(W)区域的示意图。
图6是示出了用于本发明的多个优选实施例的传热系数与体积流速的被检测的并与现有技术相比较的实验结果。
图7是示出了用于本发明的多个优选实施例的压力损失与体积流量的被检测的并与现有技术相比较的实验结果。
图8A是处于间隔图案中的冷却剂管和湍流器的截面示意图，示出了冷却剂流动路径、边界层、和湍流尾流。图8B是处于间隔图案中的冷却剂管和湍流器的截面示意图，示出了冷却剂流动路径、边界层、和湍流涡流。
图9A是根据本发明的优选实施例的冷却剂管的一部分的截面透视图，示出了冷却剂管的内部的呈交错排列方式设置的多个中空的圆柱形湍流器。图9B是其截面图，并且还包括冷却剂流体流和湍流尾流(W)区域的示意图。
图10A是根据本发明的优选实施例的冷却剂管的一部分的截面透视图，示出了冷却剂管的内部的呈交错排列方式设置的多个翼状的湍流器。图10B是其截面图，并且还包括冷却剂流体流和湍流尾流(W)区域的示意图。
图11是根据本发明的优选实施例的龙骨冷却器的一部分的透视图，其包括带斜面集管的局部剖视图和具有湍流增强器的冷却剂管的的剖视图。
图12是根据本发明的优选实施例的龙骨冷却器的一部分的透视图，其包括具有成角度的壁的正方形集管的局部剖视图和具有湍流增强器的冷却剂管的剖视图。
图13是根据本发明的优选实施例的龙骨冷却器的一部分的透视图，其包括具有流体流转向器的正方形集管的局部剖视图和具有湍流增强器的冷却剂管的剖视图。
图14是根据本发明的优选实施例的龙骨冷却器的一部分的透视图，其包括具有箭头形孔口的正方形集管的局部剖视图和具有湍流增强器的冷却剂管的剖视图。
图15是根据本发明的优选实施例的双道龙骨冷却器的透视图，其包括具有湍流增强器的冷却剂管的剖视图。
图16是根据本发明的优选实施例的具有两个单道部分的多系统组合的龙骨冷却器的透视图，其包括具有湍流增强器的冷却剂管的剖视图。
图17是根据本发明的优选实施例的具有单道部分和双道部分的龙骨冷却器的透视图，其包括具有湍流增强器的冷却剂管的剖视图。
图18是根据本发明的优选实施例的具有两个双道部分的龙骨冷却器的透视图，其包括具有湍流增强器的冷却剂管的剖视图。
具体实施方式
用于水上或海运船舶的龙骨冷却器系统的基本部件在图1中示出。该系统包括热源1、龙骨冷却器3、用于从热源1向龙骨冷却器3输送热的冷却剂的管道5、和用于从龙骨冷却器3向热源1输送冷却的冷却剂的管道7。如图1中所示，龙骨冷却器3位于环境水中，低于吃水线(即低于出现水沫和气泡的暴露于空气的吃水线)，并且来自热的冷却剂的热量被通过龙骨冷却器3的壁进行传递并且被排出到冷却器环境水中。热源1可以是用于船舶的发动机、发电机、或其它热源。龙骨冷却器3可以是一种单片龙骨冷却器，然而，本发明并不局限于单片龙骨冷却器系统并且可包括具有可分离的元件(例如螺旋形的冷却剂管)的可拆卸的龙骨冷却器系统，乃至熔接到船体以便形成封闭通道的槽钢热交换器系统，在该封闭通道中，冷却剂被传输通过该船体并且流动通过该通道。
在上文以及下列讨论中，术语“上部”、“内部”、“向下”、“端部”等等涉及如图2中所示的如在水平位置中观看到的龙骨冷却器、冷却剂管、或集管。这样做实现了例如当在水上船舶上使用时，这些单元可被安装在该船舶的侧部上，或者被倾斜在船体的船头端或船尾端上，或者与船体间隔开，或者被安装在多个其它位置中。
转向图2，示出了根据现有技术的龙骨冷却器10。龙骨冷却器10包括处于一组水平的矩形冷却剂管(也被称之为导热或冷却剂流管)50的相对端部处的一对集管30。冷却剂管50包括内部或内冷却剂管51和外部或外冷却剂管60。如图2中所示，集管30可具有大致呈棱柱形的结构，其包括上壁或盖34、端壁或后壁36、和底壁或基底32。集管端壁36垂直于冷却剂管50的上表面和下表面定位于其中的平行平面。在一些龙骨冷却器中，端壁36和基底32成直角形成，如图2中所示。然而，如下文中所讨论的那样，集管的其它构造是有可能。
龙骨冷却器10连接至一对喷嘴20延伸通过的船舶的船体。喷嘴20具有处于端部处的接头21以及带有螺纹23的圆柱形连接器22。喷嘴20将冷却剂排放到龙骨冷却器10中以及从龙骨冷却器10中排出。大衬垫26各自具有分别靠在集管30上的一侧和接合该船舶的船体的另一侧。当龙骨冷却器10被安装在船舶上时，橡皮垫圈25B被设置在船体的内部上，并且金属垫圈25A座置在橡皮垫圈25B上。通常由与喷嘴20兼容的金属制成的螺母24拧紧在连接器22上的多组螺纹23上，以便将衬垫26和橡皮垫圈25B拧紧靠在船体上，从而将龙骨冷却器10保持就位并且密封住船体渗透以防止其泄漏。出于三个重要的目的设置衬垫26。首先，它们使集管绝缘以防止电化学腐蚀。第二，它们消除了环境水到船舶中的渗入。第三，它们通过在龙骨冷却器与船舶船体之间产生分隔距离从而允许环境水流经该空间来允许在龙骨冷却器管与船舶之间的空间中进行传热。衬垫26通常由聚合物质制成。在常规情形中，衬垫26的厚度介于四分之一英寸与四分之三英寸之间。
来自该船舶的管道借助于水管附接于接头21和连接器22。隔离舱或吸水箱(船舶的部件)在每一个端部(未示出)处包含直接处于船体内部的螺帽24和喷嘴20的多个部分。在环境水会在几乎没有限制的情况下在渗透位置处以其它方式流到船舶中的情况下，龙骨冷却器将会严重受损或损毁，由此，设置吸水箱以防止环境水流到船舶中。上述龙骨冷却器示出了用于将传热流体输送进出该龙骨冷却器的喷嘴。然而，存在用于将流体输送进出该龙骨冷却器的其它装置。例如，在法兰安装的龙骨冷却器中，存在一个或多个导管，例如从船体延伸的以及从具有用于连接在一起以形成传热流体流动路径的端部法兰的龙骨冷却器延伸的管道。通常，在法兰之间插入衬垫。存在用于将龙骨冷却器连接于船舶中的冷却剂管道系统的其它装置。本发明并不依赖于用于将龙骨冷却器连结于该冷却剂管道系统的这类连接。
转向图3，图3在截面中示出了龙骨冷却器10的一部分，喷嘴20被示出成连接至集管30。喷嘴20具有接头21，并且连接器22具有螺纹，如上所述。喷嘴20的接头21通常被钎焊或熔接在连接器22的内部内，该接头21在船体的内部延伸。法兰28环绕喷嘴20延伸通过的内侧孔口27并且被设置成用于有助于将喷嘴20支承在集管30上的直立位置中。法兰28在上壁34的下侧上接合加强板29。在此方式，喷嘴20可以是用于从发动机接收热的冷却剂的入口导管，但也可以是用于从集管30接收冷却的冷却剂用于循环回热源的出口导管，其中，热的冷却剂的流动在图3中由箭头C表明。
参照图2-3，集管30还包括由一系列指状件42组成的倾斜表面或壁41，这一系列指状件42相对于冷却剂管50是倾斜的并且限定空间以接收内部冷却剂管51的端部部分或冷却端口44。内部冷却剂管51的端部部分或端口44延伸通过倾斜表面41并且被钎焊或熔接于指状件42以便形成连续表面。集管30的每一个外部侧壁由延伸到集管30中的外部矩形冷却剂管60组成。图2-3示出了外部冷却剂管60的两侧，包括最外侧壁61和内部侧壁63。圆形孔口31被示出为延伸通过外部冷却剂管60的内部侧壁63，并且被设置成用于将流经外部冷却剂管60的冷却剂输送进出集管30。集管30也可具有排出孔口33，用于接收相应地带螺纹的且可移除的塞子，用于清空龙骨冷却器10的内容物。
由于龙骨冷却器有时被用在腐蚀性的海水环境中，因此龙骨冷却器通常由90-10铜镍合金或具有大量铜的一些其它材料制成。这使得龙骨冷却器成为制造相对昂贵的制品并且本发明的用于减小龙骨冷却器的尺寸的目的对于减少整体材料和制造成本而言会是有利的。
转向图4，示出了本发明的优选实施例。该实施例包括龙骨冷却器100，该龙骨冷却器100具有从集管130沿着纵向方向延伸的至少一个冷却剂管150。集管130可以与早先根据现有技术描述的集管30相同，并且包括上壁134、端壁136、和底壁132。具有接头121和带有螺纹123的连接器122的喷嘴120可以与早先描述的喷嘴相同并且附接于集管130。与衬垫26类似并且出于与衬垫26相同的目的，衬垫126设置在上壁134的顶部上。排出孔口133也可被设置成用于清空龙骨冷却器100的内容物。
同样如在图4的实施例中所示，龙骨冷却器100包括冷却剂管150(也被称之为冷却剂流管或传热流体流管，这是由于在一些示例中，该流体可以是热的而非冷却的)。冷却剂管150包括内部或内冷却剂管151和外部或外冷却剂管160。冷却剂管150可具有大致呈长方体形的结构，该大致呈长方体形的结构在相对的端部部分之间包括细长的本体部分，其每一个部分都包括顶壁、底壁和相对的侧壁。冷却剂管150包括内部表面158，从而形成冷却剂流动通过的内部通道。如在图4中所示，内部冷却剂管151通过倾斜表面(未示出)连结集管130，该倾斜表面由指状件142组成，这些指状件142相对于内部冷却剂管151是倾斜的并且限定空间以接收内部冷却剂管151的开放的端部部分或端口(即，入口/出口)144。内部冷却剂管151的开放的端部部分144被示出为具有矩形截面并且是成角度的以便与倾斜表面和/或指状件142的角度相符合。外部冷却剂管160具有最外侧壁161，该最外侧壁161的一部分也是集管130的侧壁。外部冷却剂管160也具有带有孔口131的内部侧壁163，该孔口131被设置成用于在集管130的腔室与外部冷却剂管160之间流动的冷却剂的冷却剂流动端口(即，入口/出口)。集管腔室由上壁134、端壁136、底壁132、内部侧壁163、以及倾斜表面(未示出)、指状件142和/或内部冷却剂管端部部分144中的任一个限定。
同样如在图4中所示，冷却剂管150包括设置在冷却剂管150(包括内部冷却剂管151和/或外部冷却剂管160)的内部的一个湍流增强器170或多个湍流增强器170。如在本文中所限定的那样，湍流增强器是设置在冷却剂管的内部的一个装置或多个装置，该装置提供了用于促进或增强流经冷却剂管的冷却剂的湍流的装置，用于在不大幅增长冷却剂的压降到有损于该龙骨冷却器的整体效用的程度的情况下增强传热。
湍流增强器是本发明的一个重要方面并且向龙骨冷却器提供了多个重要的优点。如前所述，流体流是否将导致湍流主要通过雷诺数确定，该雷诺数部分依赖于冷却流体的速度。通常，在给定的流体粘滞度下，以低速流动的流体将提供层流，并且在增大该流体的速度时，该流体可变得更为湍流。在层流状态中，与表面相接触的冷却剂将具有其通过粘滞阻力降低的速度，这形成可降低传热的隔热边界层。然而，在该流体变得更为湍流时，静态且隔热的边界层由于超过流体粘性力的流体惯性力而变得不稳定。这会导致流体形成湍流旋涡，在这种情况下，该边界层脱离该壁，因此瓦解或破坏了隔热层以便改进传热。以给定流体速度或流量增强湍流以便瓦解、变薄、或破坏该边界层是本发明的实施例改进传热的一种方法。
根据本发明的实施例的湍流增强器可通过设置从冷却剂管内部表面向内延伸到冷却剂中的插件或障碍物来获得前述装置。如在本文中所述，插件可包括单独的元件并且障碍物可以与冷却剂管是一体的。无数种插件均可用于湍流增强器。其中关于该插件的因素是插件的形状、插件在龙骨冷却器管内的放置、插件沿着该龙骨冷却器管的图案、和各个插件的尺寸。根据本发明的湍流增强器的一方面是设置具有多种构造的插件，例如具有圆形、椭圆形或卵形截面的柱形插件；中空插件，例如具有内部通道的插件；呈长方体、例如具有正方形或矩形截面的长方体的形式的插件；锥体形插件，例如具有三角形截面的插件；扁杆；具有翼状构造的杆；具有多角形构造的插件；不同构造的组合；或具有不规则截面的任何种类的插件。插件可被以部分取决于插件的性质和所包括的壁的类型的多种方式附接于龙骨冷却器壁。插件可被熔接于壁，壁本身可具有可将它们的一部分转换成障碍物以导致传热的构造，从而使插件延伸越过壁，并且伸过它们可被熔接或钎焊就位以防止任何冷却剂泄漏的壁等。插件可以甚至沿着具有适当支承件的各个冷却剂管的纵向方向延伸。
湍流增强器的另一方面是为流经龙骨冷却器管的冷却剂设置障碍物。除了别的之外，这种障碍物可以是具有多种构造的销钉、倾斜成V形图案的障碍物、具有泪珠形截面的翼片构造、具有或不具有孔口的障碍物、具有波状形状的障碍物、具有星形截面的障碍物等。应理解的是，存在确定最佳类型的插件或障碍物以增大传热同时并不大幅增大压降到有损于龙骨冷却器的整体性能和效用的程度的许多因素。这些因素中的一些是龙骨冷却器管的尺寸和形状、冷却剂的粘滞度、冷却剂与环境水之间的温差等。此外，除了别的之外，根据冷却剂的性质、龙骨冷却器管的形状和尺寸、冷却剂的压力，前述插件或障碍物可以沿着不同的方向面对该龙骨冷却器管的内侧。在优选实施例中，插件或障碍物可被设置在体相冷却剂中，用于产生湍流增强。
本发明的目的是湍流增强器并不导致冷却剂的压降到有损于该龙骨冷却器的整体效用的程度的大幅增长。当然，可接受的压降程度可取决于龙骨冷却器所探寻的具体船用发动机或热源的设计依据和泵送能力。然而，对于许多海运应用，压降的大幅增长可被定义成与缺少湍流增强器的标准的或基准的冷却剂管构造(例如具有如图2-3中所示的大致呈矩形的截面的现有技术冷却剂管)的压降相比增大不大于约10％。优选地，压降的增大与基准的或标准的管构造相比将超出不大于约7％，并且更为优选地将不存在压降的增大，并且甚至更为优选地在结合根据本发明的湍流增强器时，将存在压降的降低。
根据本发明的实施例的湍流增强器的另一方面包括湍流增强器在该冷却剂管内的布置，该布置包括位于各个湍流增强器之间的间隔以及该冷却剂管内的湍流增强器的图案和放置。除了别的之外，这种图案可以是对称的或不对称的；平行四边形图案，例如矩形、正方形或菱形；三角形图案；多边形图案；螺旋形的、波状的和/或蛇形的图案；不规则的或任意的图案；等等。
根据本发明的实施例，湍流增强器的布置会以可被通过众所周知的穆迪图(其被通过引用全部到结合本文中)予以说明的方式影响冷却剂的流动特性和压降。根据该穆迪图，对于冷却剂在其上流过的表面的给定相对粗糙度因素，摩擦系数将随着雷诺数增大(增大湍流)而减小，直到达到由完全湍流限定的界限为止。摩擦系数可被定义为流动阻力，使得摩擦系数的减小将通常导致使大幅的压降最小化或降低该大幅的压降。由此，根据本发明的优选实施例的湍流增强器提供了一种用于增强湍流以便最小化或降低摩擦系数(和压降)的装置。更具体地，湍流增强器可获得这些装置的一个方式是通过在狭窄构造中布置多个湍流增强器，用于在位于相邻设置的湍流增强器之间的区域中产生冷却剂流的收缩。以此方式收缩冷却剂流致使冷却剂速度在相邻的湍流增强器之间存在最小截面间隔的情况下，特别是在冷却剂流正交于横向相邻的湍流增强器之间的间隔的情况下达到最大值。增大的速度增大了在湍流增强器之间流动的冷却剂的雷诺数，并且根据穆迪图，这降低了摩擦系数以最小化或降低压降的数量。然而，湍流增强器不应该被如此严密地布置以致于限制冷却剂流并且增大压降。
根据本发明的实施例的湍流增强器结构和/或湍流增强器的布置还可通过设置用于通过在该冷却剂中产生湍流尾流来增强湍流的装置来最小化或降低冷却剂的大幅压降，这可同样改进传热。湍流增强器可提供一种用于通过设置插件和/或障碍物来产生这些湍流尾流的装置，如上所述。在优选实施例中，湍流增强器从冷却剂管内壁延伸到大量冷却剂中以便在体相冷却剂流中产生湍流尾流。当冷却剂围绕湍流增强器流动时，流体流被扭曲并且边界层可被以与在冷却剂管内壁处形成该边界层的方式相同的方式形成在湍流增强器本体上。在冷却剂接近湍流增强器本体的竖向边界时，可产生流体分离，从而导致高度扭曲的流体块，如果它们向下游行进足够远，则它们会开始旋转。在增大的速度(较高雷诺数)下，在湍流增强器本体上传送的流体颗粒的惯性可克服流体粘滞度，并且高度扭曲的流体颗粒可分开以形成从湍流增强器本体向下游延伸的湍流尾流区域。由此形成的湍流尾流区域可与已经在下游湍流增强器本体和冷却剂管壁上产生的边界层相互作用。由于边界层可以是由于摩擦剪切所导致的高阻力源，因此根据穆迪图，该湍流尾流区域的起作用以瓦解、变薄、或破坏下游表面上的边界层的增强的旋涡移动和增大的雷诺数会导致减小的摩擦系数，如上所述。此外，该边界层的瓦解以此方式破坏了隔热，这增强了传热。
如果湍流尾流区域中的冷却剂流变得极度不稳定，则在该湍流增强器本体的下游会散布大旋涡或涡流。这会在各个湍流增强器之间的布置中要求足够的间隔以允许湍流涡流出现。湍流涡流在冷却剂中的发展还会增大雷诺数并由此降低冷却剂管壁上的和湍流增强器下游的摩擦系数，如上所述。因此，根据本发明的实施例的湍流增强器的湍流增强器结构和/或布置的再一方面提供了一种用于通过在冷却剂中产生湍流涡流来增强湍流的装置，用于在不大幅增大该冷却剂的压降的情况下提高传热。如在本文中所使用的那样，术语涡流被定义为流体内的流动大部分是围绕虚轴的旋转运动或涡旋运动、是直的或曲线形的区域。因此，由湍流增强器形成的湍流涡流的典型的涡旋运动可提供一种用于混合体相冷却剂并增大旋涡运动的有效装置。由于旋涡可在热能与流体混合时输送大量的热能，因此通过湍流涡流混合来增强旋涡运动可通过破坏边界层隔离并通过从冷却剂管壁区域获取大量的冷却器流体并将它分配到热的体相流体区域中来增强传热。
应理解的是，根据本发明的优选实施例的湍流增强器的多个方面甚至是在冷却剂管内壁在各个湍流增强器之间是平滑的情况下，也可提供益处。冷却剂管内部表面的平滑度可被根据穆迪图的相对粗糙度因数定义，使得根据本发明的实施例的光滑管道具有介于9.74×10-5与1.978×10-4、且更为优选地介于9.7×10-5与1.2×10-4之间的相对粗糙度因数。在某些实施例中，具有平滑的冷却剂管内壁会是优选的，这是由于相对粗糙度因数的增大会限制流动并增大摩擦系数(根据穆迪图)，这会大幅增大压降。所相信的是，在冷却剂管内壁上具有多个呈小突起或隆起的形式的粗糙元件的己知现有技术龙骨冷却器展示出该不利现象，这是因为它遭受大幅压降是已知的。
同样应该理解到的是，不管体相冷却剂流是层流还是湍流，根据本发明的优选实施例的湍流增强器的多个方面均可提供改进。换句话说，不管流量是低的并且提供层流，还是流量被增强到产生更多湍流，根据本发明的优选实施例的湍流增强器仍然可在不存在压降的大幅增大的情况下改进传热。例如，在体相冷却剂流大致呈层流的情况下，冷却剂管内壁处的隔热的边界层可以是较厚的(与流动更为湍流时相比)，然而，根据优选实施例的湍流增强器仍然可通过提供一种用于通过有效地混合该冷却剂的湍流尾流和/或湍流涡流的产生来增强自然出现的旋涡运动的装置来有效地冷却热的体相流体。甚至在冷却剂速度增加到变得更为湍流时，产生湍流尾流和/或湍流涡流的湍流增强器仍然增强旋涡运动并且改进传热。因此，应理解到的是，湍流增强器的目的是以与冷却剂速度或流量无关的方式增强传热。
同样应该理解到的是，下列权利要求书中的湍流增强器的所有装置加功能元件的对应的结构、材料、行为、及等效物均意在包括用于与如明确要求保护的其它所要求保护的元件相结合来执行功能的任何结构、材料或行为。由此，例如，尽管已经通过设置插件或障碍物以及通过例如间隔和模式之类的其它方面描述了湍流增强器，但可设置其它结构和布置。因此，关于通过设置湍流器(包括先前描述的插件和障碍物)的湍流增强器的结构或布置的任何具体实施例应该被理解为是本发明的非限制性实施例。
现在转向图5A-5B，示出了包括根据本发明的优选实施例的湍流器175的冷却剂管150'。湍流器可以是布置在冷却剂管内的插件或障碍物，如上所述。如在本文中所描述的那样，根据本发明的实施例的湍流器可以是设置在冷却剂管的内部的一个装置或多个装置，该装置促进或增强了流经冷却剂管的冷却剂的湍流，用于在不大幅增大冷却剂的压降到有损于该龙骨冷却器的整体效用的程度的情况下增强传热。根据本发明的实施例的湍流器构造和/或湍流器的布置还可通过产生湍流尾流和/或湍流涡流来增强湍流，用于在不大幅增大压降的情况下增强传热，如在上文中同样描述并且在下文中进一步描述的那些属性一样。
图5A-5B示出了具有长方体形的结构的冷却剂管150'的实施例，该长方体形的结构在相对的冷却剂管端部部分(未示出)之间包括具有外部表面157和内部表面158的细长的本体部分。冷却剂管内部表面158形成冷却剂流动通过的内部通道。冷却剂管150'被示出为具有相对的侧壁152、顶壁155、和与顶壁153相对的底壁152。在优选实施例中，冷却剂管150'具有矩形截面，用于允许一组水平冷却剂管150'被以相对于彼此接近的方式间隔开，用于增大该龙骨冷却器的有效传热面积。冷却剂管150'可包括内部冷却剂管和外部冷却剂管(未示出)，其可具分别如上所述的有内部冷却剂管151和外部冷却剂管160的相同的一般特征。
如图5A-5B的实施例中所示，冷却剂管150'包括多个湍流器175。如所示，湍流器175可具有从冷却剂管内部表面158延伸到体相冷却剂流动路径中的细长的本体部分。在优选实施例中，湍流器175在相对的侧壁152之间延伸，然而，湍流器175也可以在相对的顶壁155与底壁153之间延伸，或者甚至可以在侧壁152与顶壁155或底壁153之间延伸，或者在一些示例中可仅部分地延伸越过该内部。如在图5A的实施例中所示，各个湍流器175的细长的本体部分与底壁153和顶壁155大致平行。湍流器175可具有细长的本体部分或杆部，该部分具有垂直或正交于体相冷却剂流的方向(C)的纵向轴线。湍流器175可以垂直或正交于相对的侧壁152，而且可以垂直于相对的顶壁155和底壁153。然而，在其它实施例中，湍流器175可以倾斜到冷却剂流的方向或者远离冷却剂流的方向，或可以沿着不同的方向定向。
在图5A-5B中所示的实施例中，湍流器175被构造成具有圆形截面的实心圆柱。然而，其它截面构造可以包括：圆形、椭球形、椭圆形、矩形、正方形、三角形、翼形、机翼形、多边形、不规则形状等。湍流器175被呈预定图案设置，该预定图案可以是如图5A-5B中所示的偏移的或交错的湍流器图案177，而且也可以具有呈直排对齐的湍流器175，或者可以处于任何类型的对称的或不对称的图案中。如图5B中所示，交错的湍流器图案177包括沿着冷却剂流的方向(C)的多个纵向排(例如，R1、R2)。在每一行内，各个纵向相邻的湍流器175间隔开距离(XL)；并且在相邻的排之间，横向相邻的湍流器175间隔开距离(XH)。在图5B的交错的湍流器图案177中，同一行中的各个纵向相邻的湍流器被以交替交错的方式横向偏移。根据本发明的目的，研发出了用于限定湍流器图案间隔比率(β)的等式，该等式被定义为XL＝β*XH。在本发明的优选实施例中，各自相邻的湍流器175可以被在间隔比率为β＝1的情况下均匀地间隔开，或者该间隔可以是不均匀的，间隔比率为1<β<1。
实施一系列实验以便评估根据本发明的若干实施例的湍流器175的效果。该实验设备包含设置在腔室内的32英寸长的龙骨冷却器冷却剂管的节段，该冷却剂管使“外部”冷却水在该冷却剂管节段的外部表面上流动。该冷却剂管使内部冷却剂(该冷却剂为水)流动通过其内部通道。尽管龙骨冷却器冷却剂通常包括乙二醇混合物，但出于实验比较的目的，水的粘滞度和特性是足够相似的。热电偶被遍及该设备放置以便测量冷却剂管壳体(外壁)温度、冷却剂入口温度和冷却剂出口温度。基于热电偶读数，计算对数平均温差(LMTD)。基于计算出的LMTD、测量到的流量和流体比热，针对多个内部流量和外部流量来计算整体传热系数。定位在入口端口和出口端口处的压力变换器测量越过该冷却剂管节段的冷却剂的压降。在每一个实验中，冷却剂管材料和尺寸保持恒定不变。该检测在一系列的流量的范围内，在冷却剂入口温度为98℉以及环境壳体温度为75℉的情况下实施。在每一个系列的实验中的冷却剂管节段是大致相同的，其具有测量到的0.375英寸宽乘以2.375英寸高的矩形截面。该冷却剂管节段由90-10铜镍合金构成并且具有约0.062英寸的壁厚。冷却剂管内壁的表面粗糙度或相对粗糙度因数对于每一次安装都是大致等同的，并且从约63微英寸变化到125微英寸。
在该实验设备中检测三种构造。第一种构造是没有湍流器的冷却剂管，其表示基准状况(在下文中，“基准构造”)。第二种构造包含根据图5A-5B中描述的实施例的并且具有以均匀间隔比率(β＝1)交错的湍流器图案177的湍流器175(在下文中，“窄湍流器构造”)。第三种构造也包含根据图5A-5B中描述的实施例呈交错的湍流器图案177布置的湍流器175，该构造维持与第二种构造相同的横向间隔(XH)，但与第二种构造相比纵向间隔(XL)加宽，使得β＝4(在下文中，“宽湍流器构造”)。对于第二种构造和第三种构造，湍流器被通过贯穿冷却剂管侧壁钻孔而插入到该冷却剂管节段中，从而将湍流器插入到孔中并且将湍流器铜焊就位。对于这些实验，湍流器具有实心的圆形截面并且直径为约0.100英寸；并且湍流器图案在各自相邻的湍流器之间具有为约0.765英寸的横向间隔(XH)。
湍流器的效果和关于传热系数与流量的湍流器图案间隔比率(β)示于图6的曲线图中。图6中的每一个系列的结果表示三个实验的平均值。结果表明，根据本发明的实施例的湍流器在所检测的流量的整个范围上与基准构造相比改进了传热系数。特别地，窄湍流器构造(β＝1)与该基准构造相比具有传热系数的4％的增大，并且宽湍流器构造(β＝4)与该基准构造相比具有传热系数的10％的增大。所相信的是，基于这些实验，其它构造可产生传热的大幅增强。
湍流器的效果和关于压降与流量的湍流器图案间隔比率(β)示于图7的曲线图中。图7的结果表示用于图6中所示的每一个系列的相同的三个实验的平均值。结果表明，根据本发明的实施例的湍流器与该基准构造相比并不增大压降。特别地，宽湍流器构造(β＝4)具有与该基准构造等效的压降，并且窄湍流器构造(β＝1)与该基准状况相比展示出了压降的料想不到的降低。这些结果如此令人惊讶，以致于包括压力变换器的检测仪器被重新校准过两次。尽管在图6-7中未示出，但同样在入口温度为118℉和130℉下针对所有的三种构造进行了测试并且结果示出了相同的趋势。
所相信的是，窄湍流器构造(β＝1)由于约束流体的各个湍流器的更为接近的间隔而产生了较大的雷诺数(增强的湍流)以便产生流体速度的增大，如先前所说明的那样。该构造中的间隔并非如此窄以致于限制流体流并导致流动阻力或压降的大幅增大。如图8A的示意图中所示，用于根据该窄构造的较低压降的理由被相信通过该湍流尾流区域(W)而得到最好的说明，该湍流尾流区域(W)在上游湍流器(例如，C1)之后出现并且与下游湍流器(例如，C3)的边界层(B)相互作用。如先前所说明的那样，增大通过湍流尾流的旋涡运动会破坏下游边界层，这些下游边界层是摩擦剪切的来源，因此，增大湍流导致摩擦系数的降低(根据穆迪图)并且使压降最小化。另一方面，如在图8B的示意图中所示，宽湍流器构造(β＝4)被相信在各个湍流器之间具有足够大的纵向间隔(XL)，以便允许从上游湍流器(C1)产生的湍流尾流(W)散发出去并形成一个或多个涡流(V)，这增强了流体的混合作用并进一步改进了传热。湍流尾流(W)和/或涡流(V)也被相信增强了湍流且起作用以便以并不大幅增大压降的相似的方式破坏下游湍流器(C3)上的边界层(B)。
为了从视觉上校验根据上述实验结果的湍流尾流(W)和/或湍流涡流(V)的发展，可以透明材料(例如聚碳酸酯)制造冷却剂管节段和湍流器构造的复制品。相同的湍流器构造中的每一种均可被检测，由此可使冷却剂(例如，水)以相同的流量流动，并且可将颜料喷射到流动流中用于流动特性的可视化识别。在流体会显示位于该湍流器本体下游的扩展的尾迹区中的颜料流动流中的快速波动的情况下，湍流尾流区域会被视为被发展出。在染色的流体会显示漩涡涡旋运动的情况下，湍流涡流会被视为被发展出。这种测试是易于实施的并且通常用于描绘流体流的特性。这些检测可以甚至在上述传热实验之前作为一种适当的筛选工具来实施。
在本发明的某些优选的且非限制性的实施例中，湍流器可被呈交错的湍流器图案设置，其中间隔比率(β)优选地处于介于约0.75与9之间的范围中，并且更为优选地处于介于约1与7之间的范围中。在一些优选实施例中，在不大幅增大压降的情况下尽可能多地改进传热会是有益的，这可与宽湍流器构造相对应，其中，间隔比率(β)优选地大于约3.5，并且更为优选地处于介于约3.5与9之间的范围中。在其它优选实施例中，根据窄湍流器构造最小化或降低压降会是有益的，其中，间隔比率(β)优选地处于介于约0.75到3.5之间的范围中，并且更为优选地处于介于约1到3之间的范围中。如在图5A-5B的实施例中所示，湍流器175可以是在冷却剂管侧壁152之间延伸的实心圆柱或杆，其中，湍流器175被构造成具有直径介于0.030英寸与0.250英寸之间，并且更为优选地介于0.075英寸与0.125英寸之间，并且甚至更为优选地介于0.090英寸与0.110英寸之间的圆形截面。在某些优选实施例中，冷却剂管可具有典型的截面尺寸为1.375英寸×0.218英寸、1.562英寸×0.375英寸、或2.375英寸×0.375英寸的矩形截面，用于增大该龙骨冷却器的有效面积。
应理解的是，根据本发明的优选实施例的湍流器可在冷却剂管内具有不同的几何构造和/或不同的湍流器图案，用于增强湍流以便在不大幅增大压降的情况下改进传热。在图9A-9B中所示的本发明的另一优选实施例中，湍流器181包括细长的本体部分或杆部分，该细长的本体部分或杆部分被构造成具有圆形截面的中空的圆柱形管。湍流器181还包括位于相对的端部部分上的圆形开口，这些圆形开口在相对的端部部分之间形成湍流器内部通道182。湍流器内部通道182的目的是允许环境“外部”水(A)流经湍流器内部通道182，以便降低湍流器181的壁温并促进与内部冷却剂(C)的传热。与图5A-5B的实施例一样，图9A-9B的冷却剂管150'可具有长方体形的结构，该长方体形的结构在端部部分(未示出)之间包括具有外部表面157和内部表面158的细长的本体部分，该细长的本体部分形成了冷却剂流动通过的内部通道。图9A-9B中的冷却剂管150'包括多个湍流器181，这多个湍流器181从冷却剂管内部表面158延伸到体相冷却剂流中，并且可被以与上述湍流器相似的方式设置。湍流器181可在相对的侧壁152之间延伸，然而，湍流器181也可在相对的顶壁155与底壁153之间延伸。如所示，湍流器181的细长的本体部分可以与底壁153和顶壁155基本上平行。湍流器181可具有细长的本体部分，该细长的本体部分具有垂直或正交于相对的侧壁152的纵向轴线，该细长的本体部分也可正交于体相冷却剂流(C)的方向，如所示。在图9A-9B的实施例中，湍流器181呈预定的交错图案183设置，该交错图案183可与前述交错图案177相同，包括介于纵向相邻的湍流器181之间的纵向间隔(XL)和介于横向相邻的湍流器181之间的横向间隔(XH)。根据某些实施例的湍流器181可被设置成具有湍流器间隔比率(β)的相同的优选范围，并且可具有如相对于图5A-5B的实施例限定的湍流器直径的相同的优选范围。为了最大化通过湍流器181到流经湍流器内部通道182的环境水中的传热的效果，湍流器181可优选地具有介于约0.035英寸与0.125英寸之间、或者更为优选地介于约0.040英寸与0.080英寸之间的壁厚。
转向图10A-10B，湍流器191的另一实施例被示出为呈预定图案设置为位于冷却剂管150'的内部的多个湍流器191。冷却剂管150'可以与先前描述的冷却剂管相同，包括具有内部表面158、外部表面157、顶壁155、底壁153、和相对的侧壁152的细长的本体部分。如所示，湍流器191包括细长的本体部分195，该细长的本体部分195被构造成从冷却剂管内部表面158延伸到体相冷却剂流(C)中的杆，并且该细长的本体部分195可被以与上述湍流器相似的方式设置。如在图10B的截面图中所示，湍流器191包括引导头部196、具有凹形表面的中间部分197、和后面的尾部198。翼形湍流器191的目的是朝向下游湍流器191或冷却剂管内部表面158引导湍流尾流(W)和/或湍流涡流的流动，以便破坏那些区域中的边界层，从而进一步改进传热并最小化或降低大幅压降。如在图10A-10B的实施例中所示，湍流器191呈预定的交错图案193设置，该交错图案193可与前述交错图案类似，包括介于纵向相邻的湍流器191之间的纵向间隔(XL)和介于横向相邻的湍流器191之间的横向间隔(XH)。纵向间隔(XL)和横向间隔(XH)可被从湍流器191的前缘进行测量，如所示。因此，某些优选实施例中的湍流器191可具有用于湍流器间隔比率(β)的相同的范围，如参照图5A-5B的实施例所描述的那样。此外，如在图10B中所示，湍流器191可被沿着各个纵向排(例如，R1、R2)呈交替图案设置，其中，湍流器中间部分197的凹形表面面对第一系列(C1)中的第一壁(例如，顶壁155)，并且面对与第一系列(C1)纵向间隔开的第二系列(C2)中的相对的第二壁(例如，底壁153)，并且转而面对与第二系列(C2)纵向间隔开的第三系列(C3)中的第一壁(例如，顶壁155)，以此类推。更进一步地，湍流器191可在处于冷却剂管150'内的预定布置中被围绕其中央轴线旋转，其中，中间部分197的凹形表面面对更多的上游流动，或者可被根据将会如何朝向下游区域引导湍流尾流和/或湍流涡流来定向以面对更多的下游流动。
根据本发明的目的应理解的是，包括插件和/或障碍物的设置的湍流增强器或湍流器可被结合到不同类型的龙骨冷却器的冷却剂管中。例如，根据本发明的实施例的龙骨冷却器200在图11中示出。除了结合了根据本发明的湍流增强器270之外，龙骨冷却器200与美国专利No.6,575,227(由本受让人拥有并且被通过引用全部结合到本文中)中描述的龙骨冷却器相同。如在图11中所示，龙骨冷却器200包括集管230，该集管230与如早先根据本发明描述的集管130类似。集管230包括上壁234、优选地横向于上壁234的端壁236、和始于端壁236并终结于大致平坦的底壁232的倾斜的底壁237。具有接头221和带有螺纹223的连接器222的喷嘴220可以与早先描述的那些喷嘴相同并且附接于集管230。与衬垫126类似并且出于与衬垫126相同的目的，衬垫226设置在上壁234的顶部上。
仍然参考图11，根据本发明的实施例的龙骨冷却器200包括冷却剂管250，每一个冷却剂管250均具有大致呈长方体形的结构，并且冷却剂管250可以与先前描述的冷却剂管相同。冷却剂管250包括内部或内冷却剂管251和外部或外冷却剂管260。如在图11中所示，并且与早先描述的情况类似，内部冷却剂管251通过倾斜表面(未示出)连结集管230，该倾斜表面由指状件242组成，这些指状件242相对于内部冷却剂管251是倾斜的并且限定空间以接收内部冷却剂管251的开放的端部部分或端口244。外部冷却剂管260具有最外侧壁261，该最外侧壁261的一部分也是集管230的侧壁。外部冷却剂管也具有带有孔口231的内部侧壁263，该孔口231被设置成用于在集管230的腔室与外部冷却剂管260之间流动的冷却剂的冷却剂流动端口。
同样如在图11中并且根据本发明的优选实施例所示，冷却剂管250(包括内部冷却剂管251和/或外部冷却剂管260)包括多个湍流增强器270。湍流增强器270提供了相同的用于增强冷却剂的湍流的装置以便与上述那些湍流增强器一样在不大幅增大冷却剂的压降的情况下改进传热。因此，湍流增强器270可具有相同的根据湍流增强器的先前描述的实施例的结构构造、布置、和/或特性，并且同样不限于所描述的具体结构。湍流增强器270的某些非限制性的实施例可采取上文中参照图5A-5B和图9A-10B中所示的实施例描述的几何湍流器构造、湍流器图案、间隔比率(β)范围、和湍流器尺寸范围中的实体形态。具有在冷却剂管250中提高的冷却剂的流量和改进的流动分布的带有集管230的龙骨冷却器200可导致一种用于在结合湍流增强器270时在不大幅压降的情况下输送热量的非常有效的龙骨冷却器。这种龙骨冷却器可显著地减少龙骨冷却器的占用空间以及与该龙骨冷却器相关联的成本。
根据本发明的龙骨冷却器300的另一实施例示于图12中。除了结合了根据本发明的湍流增强器370之外，龙骨冷却器300与美国专利No.6,896,037(具有与本发明相同的受让人并且被通过引用全部结合到本文中)中描述的龙骨冷却器相同。参照图12，冷却剂管350(包括内部冷却剂管351和/或外部冷却剂管360)包括多个湍流增强器370。湍流增强器370提供了相同的用于增强冷却剂的湍流的装置以便与上述那些湍流增强器一样在不大幅增大冷却剂的压降的情况下改进传热。这样一来，湍流增强器370可具有与在先的湍流增强器相同的构造、布置、和特性并且也并不限制于所公开的具体结构。湍流增强器370的某些非限制性的实施例可采取上文中参照图5A-5B和图9A-10B中所示的实施例描述的几何湍流器构造、湍流器图案、间隔比率(β)范围、和湍流器尺寸范围中的实体形态。同样如在图12中所示，龙骨冷却器300包括集管330，该集管330包括上壁334、成角度的壁337，该成角度的壁337在其上端与端壁336的上部部分成一整体(或通过诸如焊接等的任何其它适当的方法附接)，该成角度的壁337又横向于(并且优选地垂直于)上壁334和底壁332。成角度的壁337可在其下端与底壁332成一整体，或者还通过适当的方法(例如通过焊接)附接于底壁332。换句话说，成角度的壁337是通过端壁336、成角度的壁337和底壁332形成的三角形截面的斜边。冷却剂管351通过倾斜表面(未示出)连结集管330，该倾斜表面由指状件342组成，这些指状件342相对于内部冷却剂管351是倾斜的并且限定空间以接收内部冷却剂管351的开放的端部部分或端口344。外部冷却剂管360具有最外侧壁361，该最外侧壁361的一部分也是集管330的侧壁。与前述实施例类似，外部冷却剂管也具有内部侧壁363(具有孔口331)。具有接头321和连接器322的喷嘴320可以与早先描述的那些喷嘴相同并且附接于集管330。与衬垫126类似并且出于与衬垫126相同的目的，衬垫326设置在上壁334的顶部上。
图13示出了根据本发明的龙骨冷却器400的再一实施例。除了结合了根据本发明的湍流增强器470之外，美国专利No.6,896,037中同样描述了龙骨冷却器400。参照图13，冷却剂管450(包括内部冷却剂管451和/或外部冷却剂管460)包括多个湍流增强器470，这多个湍流增强器470提供了相同的用于增强冷却剂的湍流的装置以便与先前描述的那些湍流增强器一样在不大幅增大冷却剂的压降的情况下改进传热。因此，湍流增强器470可具有与在先的湍流增强器相同的构造、布置、和特性，但是并未被限制于所公开的具体结构。湍流增强器470的某些非限制性的实施例可采取上文中参照图5A-5B和图9A-10B中所示的实施例描述的几何湍流器构造、湍流器图案、间隔比率(β)范围、和湍流器尺寸范围中的实体形态。同样如图13的实施例中所示，龙骨冷却器400包括集管430，该集管430包括上壁434、流动转向器或挡板437、底壁432、和端壁436。端壁436被横向附接于(并且优选地垂直于)上壁434和底壁432，使得集管430基本上是矩形的或正方形的。流动转向器437包括第一成角度的侧部或面板438和第二成角度的侧部或面板439，它们中的两者均从顶点440以预定角度向下延伸。从顶点440以与垂直于端壁436的平面成大于0°并且与同一平面成小于90°的角度向下延伸的是脊部441，该脊部441终止于底壁432的平面(如果存在底壁432；否则，脊部441会终止于与内部冷却剂管451的下部水平壁平行的平面)并且终止于多个水平的冷却剂管450的开口端444处或其附近。同样与在先实施例一样，冷却剂管451通过倾斜表面(未示出)连结集管430，该倾斜表面由指状件442组成，这些指状件442相对于内部冷却剂管451是倾斜的并且限定空间以接收内部冷却剂管451的开放的端部部分444。外部冷却剂管460具有最外侧壁461，该最外侧壁461的一部分也是集管430的侧壁。外部冷却剂管460也具有带有孔口431的内部侧壁463，这些孔口431被设置成冷却剂流动端口。具有接头421和连接器422的喷嘴420可以与早先描述的那些喷嘴相同并且附接于集管430。
转向图14，示出了根据本发明的龙骨冷却器500的另一实施例。除了孔口531的形状之外，龙骨冷却器500与图4中所示的龙骨冷却器100的实施例相同。如在图14的实施例中所示，孔口531可具有箭头形的构造，或者可具有适合于集管腔室的形状的任何其它的多边形构造，例如美国专利No.7,055,576(被通过引用全部结合到本文中)中描述的那些孔口构造。如在图14中所示，龙骨冷却器500包括集管530(与集管130类似)，该集管530包括上壁534、端壁536、和底壁532。具有接头521和连接器522的喷嘴520也可以是相同的。冷却剂管551通过倾斜表面(未示出)连结集管530，该倾斜表面由指状件542组成，这些指状件542相对于内部冷却剂管551是倾斜的并且限定空间以接收内部冷却剂管551的开放的端部部分544。外部冷却剂管560具有最外侧壁561，该最外侧壁561的一部分也是集管530的侧壁。外部冷却剂管560也具有内部侧壁563，该内部侧壁563带有被设置成冷却剂端口的孔口531。冷却剂管550(包括内部冷却剂管551和/或外部冷却剂管560)包括多个湍流增强器570，这多个湍流增强器570提供了相同的用于增强冷却剂的湍流的装置，以便与先前描述的湍流增强器一样在不大幅增大压降的情况下改进传热，并且这多个湍流增强器570可包括如所述的特定构造、布置和特性，但并不限制于此。湍流增强器570的某些非限制性的实施例可采取如参照图5A-5B和图9A-10B中所示的实施例描述的几何湍流器构造、湍流器图案、及其范围的实体形态。
同样应该理解的是，根据本发明的湍流增强器或湍流器的重要性与功能可在其它龙骨冷却器系统中同样具有优点。参照图15，示出了根据本发明的实施例的双道龙骨冷却器600。除了结合根据本发明的湍流增强器670'、670"之外，美国专利No.6,575,227中同样描述了龙骨冷却器600。如所示，龙骨冷却器600具有两组冷却剂流管650'、650"、集管630'和相对的集管630"。集管630'具有入口喷嘴620'和出口喷嘴620"，这两个喷嘴延伸穿过衬垫626。衬垫626位于集管630'的上壁634的顶部上。另一集管630"没有喷嘴，而是具有一个或两个双头螺栓组件627'、627"，用于将龙骨冷却器的包括集管630"的部分连接于船舶的船体。来自船舶的发动机或发电机的热的冷却剂如由箭头C所示进入喷嘴620'，并且冷却的冷却剂由箭头D所示从集管630'通过出口喷嘴620"返回该发动机。内部冷却剂管651'、651"与图11中的内部冷却剂管251一样。外部冷却剂管660'、660"与图11中的外部冷却剂管260一样，使得与孔口231相对应的孔口(未示出)将冷却剂从外部冷却剂管660"引导到外部冷却剂管660'中。此外，冷却剂管655'充当用于将入口冷却剂从集管630'输送到集管630"的缓冲管(separator tube)，并且它具有用于从集管630'的一部分接收缓冲管655'所用的处于高压下的冷却剂的孔口(未示出)。同样，作为用于从集管630'输送冷却剂的返回缓冲管的冷却剂管655"同样在集管630'中具有孔口631"。
图15中所示的双道龙骨冷却器600的实施例具有用于将热的冷却剂从集管630'输送到集管630"的一组冷却剂管650'(包括内部冷却剂管651'和外部冷却剂管660')，在那里，冷却剂流动的方向被通过集管630"翻转180°，并且冷却剂进入用于使局部冷却的冷却剂返回到集管630'并随后通过喷嘴620"返回到船舶的发动机或其它热源的第二组冷却剂管650"(包括内部冷却剂管651"和外部冷却剂管660")。根据本发明的目的，图15的实施例中所示的湍流增强器670'、670"可在不大幅增大压降的情况下改进这种双道龙骨冷却器600的传热。与其它实施例一样，湍流增强器670'、670"提供了相同的用于增强湍流的装置，以便在不存在大幅压降的情况下改进传热，这些湍流增强器670'、670"包括特定的构造和布置，但并不限制于此。湍流增强器670'、670"的某些非限制性的实施例也可采取如参照图5A-5B和图9A-10B中所示的实施例描述的几何湍流器构造、湍流器图案、及其范围的实体形态。图15中所示的龙骨冷却器600具有8个冷却剂管。然而，该双道系统对于任何偶数管、特别是对于具有超过两个管的那些情况会是适当的。存在具有多达24个管的当前龙骨冷却器，但是根据本发明，用于数量甚至进一步增大的管是有可能的。这些还可以是具有超过两个通道的龙骨冷却器。如果通道的数量是偶数的，则两个喷嘴均位于同一集管中。如果通道的数量是奇数的，则每一个集管中各定位有一个喷嘴。
本发明的另一实施例被示于图16中，图16示出了多系统组合的龙骨冷却器700，该龙骨冷却器700实际上不可能以一些在先的单片龙骨冷却器来实现。多系统组合的龙骨冷却器700可被用于冷却两个或更多个热源，例如单个船舶中的两个相对小的发动机或后冷却器和变速器。尽管图16中所示的实施例示出了两个龙骨冷却器系统，但根据该情形，也可存在附加的一个龙骨冷却器系统。由此，图16示出了多系统组合的(两个单道)龙骨冷却器700的实施例，该龙骨冷却器700包括分别具有入口喷嘴720'、720"并且分别具有出口喷嘴722'、722"的两个相同的集管730'和730"。各个集管730'和730"中的喷嘴均可被相对于它们中的流动方向颠倒，或者一个可以是用于各个集管的入口喷嘴并且另一个可以是用于各个集管的出口喷嘴。通过喷嘴的冷却剂流的方向被分别通过箭头E、F、G和H示出。龙骨冷却器700具有如在早先实施例中讨论的倾斜闭合的端部部分737'、737"。
进一步如图16的实施例中所示，用于在喷嘴720'与喷嘴722'之间引导冷却剂的一组冷却剂管751’以外部管760'开始并且以缓冲管753'终止，并且在喷嘴720"与喷嘴722"之间延伸的一组管751"以外部冷却剂管760"开始并且以缓冲管753"终止。外部冷却剂管760'、760"在它们的相应的内壁处具有孔口(未示出)，这些孔口在尺寸和位置方面与本发明的先前描述的实施例中所示的那些孔口是相似的。冷却剂管753'和753"的彼此相邻的壁是实心的，并且在集管730'的端壁与集管730"的端壁之间延伸。这些壁由此形成系统分离器，它防止冷却剂流动越过这些壁，使得管751'实际上形成一个龙骨冷却器并且管751"实际上形成第二龙骨冷却器(连同它们的相应集管一起)。龙骨冷却器700包括湍流增强器770'、770"，它们提供了相同的用于增强湍流的装置，以便根据在先实施例在不大幅增大压降的情况下改进传热。湍流增强器770'、770"可包括如上所述的某些几何湍流器构造和湍流器图案(包括其变化)，但并不具体地限定于此。应理解的是，这类龙骨冷却器可与具有两个单独的龙骨冷却器相比更为经济，这是由于通过仅需要两个集管而非四个集管而存在节省。
多个龙骨冷却器可被结合在多个组合中。例如，可存在如图16中所示的两个或更多个单道系统。然而，还可存在处于如图17的实施例中所示的组合中的一个或多个单道系统和一个或多个双道系统。在图17中，龙骨冷却器800的实施例被描述成具有单道龙骨冷却器部分802和双道龙骨冷却器部分804，每一个部分均具有如先前根据本发明的实施例描述的湍流增强器870'、870"。龙骨冷却器部分802如参照图11的实施例描述的那样起作用，并且龙骨冷却器部分804如参照图15的实施例描述的那样起作用。图17示出了用于一个热交换器的双道系统，并且也可以添加附加的双道系统。
图18示出了龙骨冷却器900的具有可以是相同的或者具有不同的容量的两个双道龙骨冷却器部分902、904的实施例，并且每一个部分均具有根据本发明的优选实施例的湍流增强器970'、970"。每一部分均如上文中参照图15的实施例描述的那样起作用。组合的多个冷却器是在在先的单片龙骨冷却器中并未发现的强大特征。特殊的分隔器/管设计的变型在关注最小化压降的同时改进了传热和流动分布，并且湍流增强器的结合会导致一种非常有效的龙骨冷却器系统。
已经具体参考本发明的优选实施例、本发明所属领域的技术人员可想到的变化和变型详细地描述了本发明。

Claims (44)

1.一种用于在海运船舶上使用的龙骨冷却器组件，所述龙骨冷却器组件与流经所述龙骨冷却器组件的内部冷却剂交换热量，所述龙骨冷却器组件包括：
集管；
至少一个冷却剂管，所述至少一个冷却剂管从所述集管沿着纵向方向延伸，所述至少一个冷却剂管包括：
用于所述冷却剂的进入的至少一个入口；
用于所述冷却剂的外出的至少一个出口；
细长的本体部分，所述细长的本体部分在所述至少一个入口与所述至少一个出口之间延伸，所述细长的本体部分包括内部表面，所述内部表面形成用于允许所述冷却剂在纵向方向上沿着所述细长的本体部分的长度流动的内部通道；和
用于增强流经所述至少一个冷却剂管的所述冷却剂的湍流的装置，所述装置用于在不大幅增大所述冷却剂的压降使其高于没有所述用于增强湍流的装置的相同的至少一个冷却剂管的情况下改进传热。
2.根据权利要求1所述的龙骨冷却器组件，其中，所述用于增强湍流的装置包括用于在所述冷却剂中产生湍流尾流的装置，用于在不大幅增大所述冷却剂的压降使其高于没有所述用于产生湍流尾流的装置的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强旋涡运动和改进传热。
3.根据权利要求1所述的龙骨冷却器组件，其中，所述用于增强湍流的装置包括用于在所述冷却剂中产生湍流涡流的装置，用于在不大幅增大所述冷却剂的压降使其高于没有所述用于产生湍流涡流的装置的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强冷却剂混合和改进传热。
4.根据权利要求1所述的龙骨冷却器组件，其中，用于在不大幅增大所述冷却剂的压降使其高于没有所述用于增强湍流的装置的相同的至少一个冷却剂管的情况下改进传热的所述用于增强所述冷却剂的湍流的装置包括下列装置中的至少一个(i)用于在所述冷却剂中产生湍流尾流以增强旋涡运动的装置，和(ii)用于在所述冷却剂中产生湍流涡流以增强冷却剂混合的装置。
5.根据权利要求1所述的龙骨冷却器组件，其中，所述用于增强湍流的装置包括从所述细长的本体部分内部表面向内延伸到所述内部通道中的多个湍流增强器，所述多个湍流增强器被呈预定图案设置。
6.根据权利要求5所述的龙骨冷却器组件，其中，所述预定图案包括多个纵向排的所述湍流增强器，所述多个纵向排的所述湍流增强器包括位于定位在同一纵向排中的各个纵向相邻的湍流增强器之间的第一纵向间隔(XL)和位于定位在相邻的纵向排中的各个横向相邻的湍流增强器之间的第二横向间隔(XH)。
7.根据权利要求6所述的龙骨冷却器组件，其中，定位在所述同一纵向排中的所述各个纵向相邻的湍流增强器被在交替交错的构造中横向偏移。
8.根据权利要求7所述的龙骨冷却器组件，其中，所述第一纵向间隔(XL)与所述第二横向间隔(XH)的间隔比率(β)大于约3.5，用于在所述冷却剂中产生和传播湍流涡流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降的情况下增强冷却剂混合和改进传热。
9.根据权利要求7所述的龙骨冷却器组件，其中，所述第一纵向间隔(XL)与所述第二横向间隔(XH)的间隔比率(β)处于介于约1.0与7.0之间的范围中，用于在所述冷却剂中产生湍流尾流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降的情况下增强旋涡运动和改进传热。
10.根据权利要求5所述的龙骨冷却器组件，其中，所述多个湍流增强器中的每一个都包括从所述冷却剂管细长的本体部分内部表面向内延伸到所述内部通道中的本体部分，当所述冷却剂流经所述至少一个冷却剂管时，所述本体部分被放置在所述冷却剂的体相区域中，用于在所述体相区域中产生湍流尾流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述多个湍流增强器的相同的龙骨冷却器组件的情况下增强旋涡运动和改进传热。
11.根据权利要求1所述的龙骨冷却器组件，其中：
所述集管包括上壁、端壁、底壁、相对的侧壁和倾斜表面，所述倾斜表面可操作地连接所述上壁、所述底壁和所述侧壁；和
所述至少一个冷却剂管包括至少一个内部冷却剂管，所述至少一个内部冷却剂管被构造成包括相对的上壁和下壁以及横向于所述相对的上壁和下壁的相对的第一侧壁和第二侧壁的长方体，所述第一侧壁和所述第二侧壁可操作地连接所述上壁和所述下壁用于形成所述内部通道，其中，所述细长的本体部分包括至少一个开放的端部部分，所述至少一个开放的端部部分被所述集管的所述倾斜表面中的至少一个间隔接收，所述至少一个开放的端部部分具有矩形截面构造，从而限定所述至少一个入口。
12.根据权利要求1所述的龙骨冷却器组件，其中：
所述集管包括上壁、端壁、底壁、相对的侧壁和倾斜表面，所述倾斜表面可操作地连接所述上壁、所述底壁和所述侧壁；和
所述至少一个冷却剂管包括至少一个外部冷却剂管，所述至少一个外部冷却剂管被构造成包括相对的上壁和下壁以及横向于所述相对的上壁和下壁的相对的第一侧壁和第二侧壁的长方体，所述第一侧壁和所述第二侧壁可操作地连接所述上壁和所述下壁，用于形成所述内部通道，所述第一侧壁为内部侧壁并且所述第二侧壁为最外侧壁；
其中，所述最外侧壁在所述集管下壁和所述集管上壁的侧部部分之间延伸，用于形成所述集管侧壁，并且其中，所述内部侧壁将集管腔室与所述集管侧壁分隔开，所述内部侧壁包括所述至少一个入口，所述至少一个入口被构造成位于所述相应的最外侧壁与所述集管腔室之间的孔口，用于允许所述冷却剂沿着所述内部通道流动通过所述孔口。
13.一种用于在海运船舶上使用的龙骨冷却器组件，所述龙骨冷却器组件与流经所述龙骨冷却器组件的内部冷却剂交换热量，所述龙骨冷却器组件包括：
集管；
至少一个冷却剂管，所述至少一个冷却剂管从所述集管沿着纵向方向延伸，所述冷却剂管包括：
细长的本体部分，所述细长的本体部分包括内部表面，所述内部表面形成用于允许所述冷却剂沿着所述细长的本体部分的长度在纵向方向上流动的内部通道；和
多个湍流器，所述多个湍流器从所述细长的本体部分内部表面向内延伸到所述内部通道中并且被构造成与所述冷却剂相互作用用于增强所述冷却剂的湍流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下改进传热。
14.根据权利要求13所述的龙骨冷却器组件，其中，所述至少一个冷却剂管被构造成长方体，所述至少一个冷却剂管包括相对的上壁和下壁以及横向于所述相对的上壁和下壁的相对的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁可操作地连接所述上壁和所述下壁，用于形成所述内部通道。
15.根据权利要求14所述的龙骨冷却器组件，其中，所述多个湍流器中的每一个都包括从所述冷却剂管细长的本体部分内部表面向内延伸到所述内部通道中的本体部分，当所述冷却剂流经所述至少一个冷却剂管时，所述本体部分被放置在所述冷却剂的体相区域中，用于在所述体相区域中产生湍流尾流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强旋涡运动和改进传热。
16.根据权利要求15所述的龙骨冷却器组件，其中，所述各个湍流器本体部分从所述相应的上壁、下壁、第一侧壁、和第二侧壁中的一个延伸到所述上壁、下壁、第一侧壁和第二侧壁中的不同的一个。
17.根据权利要求15所述的龙骨冷却器组件，其中，所述至少一个冷却剂管的所述各个相邻壁在冷却剂管壁交汇处相遇，并且其中，所述各个湍流器本体部分从所述相应的上壁、下壁、第一侧壁、第二侧壁和冷却剂壁交汇处中的选定的一个延伸到不同的上壁、下壁、第一侧壁、第二侧壁和冷却剂管壁交汇处。
18.根据权利要求15所述的龙骨冷却器组件，其中，所述各个湍流器本体部分包括细长的本体部分，所述细长的本体部分被基本上正交于所述相应的相对壁中的至少一个设置。
19.根据权利要求15所述的龙骨冷却器组件，其中，所述多个湍流器中的每一个都包括细长的本体部分，所述细长的本体部分具有从下列组中选择的截面构造，所述组包括：圆形、椭球形、椭圆形、矩形、正方形、三角形、翼形、机翼形、多边形、和不规则形状。
20.根据权利要求19所述的龙骨冷却器组件，其中，所述多个湍流器是第一多个湍流器，并且所述至少一个冷却剂管中的所述湍流器包括第二多个湍流器，所述第二多个湍流器具有不同于所述第一多个湍流器的截面构造。
21.根据权利要求14所述的龙骨冷却器组件，其中，所述多个湍流器中的每一个都包括细长的本体部分，所述细长的本体部分在下列特征中的至少一个之间延伸：(i)所述相对的第一侧壁和第二侧壁和(ii)所述相对的上壁和下壁，所述各个湍流器细长的本体部分具有相对的端部部分，所述相对的端部部分可操作地连接至所述相应的相对壁中的每一个。
22.根据权利要求21所述的龙骨冷却器组件，其中，所述各个湍流器细长的本体部分被构造成下列特征中的至少一个：
实心圆柱，所述实心圆柱具有圆形截面用于增强所述冷却剂的湍流，以便在不大幅增大压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下改进传热；
中空圆柱，所述中空圆柱具有圆形截面，所述中空圆柱在所述相对的端部部分上具有圆形开口，在所述相对的端部部分之间形成内部通道，用于允许环境流体流动通过所述湍流器内部通道，以便增强流经所述冷却剂管并围绕所述湍流器细长的本体部分流动的所述冷却剂的传热；和
实心杆，所述实心杆具有翼形截面，用于沿着预定方向引导所述冷却剂的湍流尾流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强传热。
23.根据权利要求14所述的龙骨冷却器组件，其中，所述多个湍流器被呈从下列组中选择的预定图案设置，所述组包括：对称形状、不对称形状、平行四边形、矩形、正方形、菱形、三角形、多边形、螺旋形、波形、蛇形、不规则形状、和任意形状。
24.根据权利要求14所述的龙骨冷却器组件，其中，所述多个湍流器被呈预定图案设置，所述预定图案包括多个纵向排的所述湍流器，所述多个纵向排的所述湍流器包括位于定位在同一纵向排中的各个纵向相邻的湍流器之间的第一纵向间隔(XL)和位于定位在相邻纵向排中的各个横向相邻的湍流器之间的第二横向间隔(XH)。
25.根据权利要求24所述的龙骨冷却器组件，其中，定位在同一纵向排中的所述各个纵向相邻的湍流器被在交替交错的构造中横向偏移。
26.根据权利要求25所述的龙骨冷却器组件，其中，所述第一纵向间隔(XL)与所述第二横向间隔(XH)的间隔比率(β)处于介于约1.0与7.0之间的范围中，用于在所述冷却剂中产生湍流尾流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强旋涡运动和改进传热。
27.根据权利要求25所述的龙骨冷却器组件，其中，所述第一纵向间隔(XL)与所述第二横向间隔(XH)的间隔比率(β)大于约3.5，用于在所述冷却剂中产生和传播湍流涡流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强冷却剂混合和改进传热。
28.根据权利要求27所述的龙骨冷却器组件，其中，所述多个湍流器中的每一个都包括相对的湍流器端部部分和在所述相对的湍流器端部部分之间延伸的细长的本体部分，所述各个湍流器细长的本体部分在所述相对的第一侧壁和第二侧壁之间延伸，所述相对的湍流器端部部分被可操作地连接至所述相应的侧壁中的每一个，其中：
所述各个湍流器细长的本体部分被正交于所述相对的第一侧壁和第二侧壁中的每一个设置；以及
其中，所述各个湍流器细长的本体部分被构造成下列组中的至少一个，所述组包括：
实心圆柱，所述实心圆柱具有圆形截面，用于增强所述冷却剂的湍流，以便在不大幅增大压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下改进传热；
中空圆柱，所述中空圆柱具有圆形截面，所述中空圆柱在所述相对的端部部分上具有圆形开口，在所述相对的端部部分之间形成内部通道，用于允许环境流体流动通过所述湍流器内部通道，以便增强流经所述冷却剂管并围绕所述湍流器细长的本体部分流动的所述冷却剂的传热；和
实心杆，所述实心杆具有翼形截面，用于沿着预定方向引导所述冷却剂的湍流尾流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强传热。
29.根据权利要求28所述的龙骨冷却器组件，其中，被构造成具有翼形截面的实心杆的所述湍流器细长的本体部分包括引导头部、具有凹形表面的中间部分、和后面的尾部；
所述湍流器中间部分的所述凹形表面被呈交替图案设置，其中，同一纵向排中的各个纵向相邻的湍流器的所述凹形表面面对大致相反的方向。
30.根据权利要求29所述的龙骨冷却器组件，其中，所述各个翼形湍流器被呈预定图案可旋转地设置，用于产生所述凹形表面，以便大致面对下列特征中的至少一个：(i)上游体相冷却剂流和(ii)下游体相冷却剂流。
31.根据权利要求14所述的龙骨冷却器组件，其中：
所述集管包括上壁、端壁、底壁、相对的侧壁和倾斜表面，所述倾斜表面可操作地连接所述上壁、所述底壁和所述侧壁；以及
所述至少一个冷却剂管包括内部冷却剂管，所述细长的本体部分包括具有矩形截面构造的至少一个开放的端部部分，所述至少一个开放的端部部分限定用于所述冷却剂的进入的至少一个入口，所述至少一个入口被所述集管的所述倾斜表面中的至少一个间隔接收。
32.根据权利要求14所述的龙骨冷却器组件，其中：
所述集管包括上壁、端壁、底壁、相对的侧壁和倾斜表面，所述倾斜表面可操作地连接所述上壁、所述底壁和所述侧壁；以及
所述至少一个冷却剂管包括外部冷却剂管，所述第一侧壁为内部侧壁并且所述第二侧壁为最外侧壁；
其中，所述最外侧壁在所述集管下壁和所述集管上壁的侧部部分之间延伸，用于形成所述集管侧壁，并且其中，所述内部侧壁将集管腔室与所述集管侧壁分隔开，所述内部侧壁具有至少一个入口，所述至少一个入口被构造成位于所述相应的最外侧壁与所述集管腔室之间的孔口，用于允许所述冷却剂沿着所述内部通道流动通过所述孔口。
33.根据权利要求13所述的龙骨冷却器组件，其中，所述湍流器通过铜焊、钎焊、熔接、以及一体地形成中的至少一种可操作地连接至所述至少一个冷却剂管细长的本体部分内部表面。
34.一种用于在龙骨冷却器中使用的冷却剂管，所述冷却剂管与流经所述冷却剂管的内部冷却剂交换热量，所述冷却剂管从集管沿着纵向方向延伸，所述集管包括上壁、端壁、底壁、相对的侧壁、和可操作地连接所述上壁、所述底壁和所述侧壁的倾斜表面，所述冷却剂管包括：
细长的本体部分，所述细长的本体部分包括：
内部表面，所述内部表面形成用于允许所述冷却剂沿着所述细长的本体部分的长度在纵向方向上流动的内部通道；
相对的上壁和下壁以及横向于所述相对的上壁和下壁的相对的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和第二侧壁可操作地连接所述上壁和所述下壁，用于形成所述内部通道；所述细长的本体部分具有矩形截面构造；和
多个湍流器，所述多个湍流器从所述细长的本体部分内部表面向内延伸到所述内部通道中并且被构造成与所述冷却剂相互作用，用于在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强所述冷却剂的湍流。
35.根据权利要求34所述的冷却剂管，其中，所述多个湍流器中的每一个都包括细长的本体部分，所述细长的本体部分在下列特征中的至少一个之间延伸：(i)所述相对的第一侧壁和第二侧壁和(ii)所述相对的上壁和下壁，所述各个湍流器细长的本体部分具有相对的端部部分，所述相对的端部部分可操作地连接至所述相应的相对壁中的每一个。
36.根据权利要求35所述的冷却剂管，其中，所述多个湍流器被呈预定图案设置，所述预定图案包括多个纵向排的所述湍流器，所述多个纵向排的所述湍流器包括位于定位在同一纵向排中的各个纵向相邻的湍流增强器之间的第一纵向间隔(XL)和位于定位在相邻纵向排中的各个横向相邻的湍流增强器之间的第二横向间隔(XH)。
37.根据权利要求36所述的冷却剂管，其中，定位在同一纵向排中的所述各个纵向相邻的湍流器被在交替交错的构造中横向偏移。
38.根据权利要求37所述的冷却剂管，其中，所述各个湍流器细长的本体部分被构造成下列特征中的至少一个：
实心圆柱，所述实心圆柱具有圆形截面，用于增强所述冷却剂的湍流，以便在不大幅增大压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下改进传热；
中空圆柱，所述中空圆柱具有圆形截面，所述中空圆柱在所述相对的端部部分上具有圆形开口，在所述相对的端部部分之间形成内部通道，用于允许环境流体流动通过所述湍流器内部通道，以便增强流经所述冷却剂管并围绕所述湍流器细长的本体部分流动的所述冷却剂的传热；和
实心杆，所述实心杆具有翼形截面，用于沿着预定方向引导所述冷却剂的湍流尾流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强传热。
39.根据权利要求38所述的冷却剂管，其中，所述第一纵向间隔(XL)与所述第二横向间隔(XH)的间隔比率(β)处于介于约1.0与7.0之间的范围中，用于在所述冷却剂中产生湍流尾流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强旋涡运动和改进传热。
40.根据权利要求38所述的冷却剂管，其中，所述第一纵向间隔(XL)与所述第二横向间隔(XH)的间隔比率(β)大于约3.5，用于在所述冷却剂中产生和传播湍流涡流，以便在不大幅增大所述冷却剂的压降以使其高于没有所述湍流器的相同的至少一个冷却剂管的情况下增强冷却剂混合和改进传热。
41.根据权利要求38所述的冷却剂管，其中，被构造成具有翼形截面的实心杆的所述湍流器细长的本体部分包括引导头部、具有凹形表面的中间部分、和后面的尾部；
所述湍流器中间部分的所述凹形表面被呈交替图案设置，其中，同一纵向排中的各个纵向相邻的湍流器的所述凹形表面面对大致相反的方向。
42.根据权利要求34所述的冷却剂管，其中，所述至少一个冷却剂管包括内部冷却剂管，所述细长的本体部分包括具有矩形截面构造的至少一个开放的端部部分，所述至少一个开放的端部部分限定用于所述冷却剂的进入的至少一个入口，所述至少一个入口被所述集管的所述倾斜表面中的至少一个间隔接收。
43.根据权利要求34所述的冷却剂管，其中，所述至少一个冷却剂管包括外部冷却剂管，所述第一侧壁为内部侧壁并且所述第二侧壁为最外侧壁；
其中，所述最外侧壁在所述集管下壁和所述集管上壁的侧部部分之间延伸，用于形成所述集管侧壁，并且其中，所述内部侧壁将集管腔室与所述集管侧壁分隔开，所述内部侧壁具有至少一个入口，所述至少一个入口被构造成位于所述相应的最外侧壁与所述集管腔室之间的孔口，用于允许所述冷却剂沿着所述内部通道流动通过所述孔口。
44.根据权利要求34所述的冷却剂管，所述冷却剂管由铜镍合金构建而成，其中，所述湍流器通过包括铜焊、钎焊、熔接、以及一体地形成的组中的至少一种可操作地连接至所述至少一个冷却剂管细长的本体部分内部表面。
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