CN109477692A - 夹套式换热器 - Google Patents

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CN109477692A CN201780043565.XA CN201780043565A CN109477692A CN 109477692 A CN109477692 A CN 109477692A CN 201780043565 A CN201780043565 A CN 201780043565A CN 109477692 A CN109477692 A CN 109477692A
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Abstract

一种换热器设备包括：壳，其在从上游端处的入口到下游端处的出口的流动长度上延伸，并且为第一流体限定第一流路；设置于壳内的结构，其为第二流体限定第二流路；壳中的至少一个副入口，其设置于自上游端起的下游；以及喷嘴，其设置于入口的下游。

Description

夹套式换热器
背景技术
本发明大体上涉及热传递设备，且更特别地涉及换热器。
换热器是一种装置，其中处于不同温度的流体极为接近，使得热可以从一种流体传递到另一种。
换热器具有许多物理配置，因为它们往往被合并到机器或车辆中，其中它们必须配合到紧凑的或异常地成形的空间中，例如在包封燃气涡轮发动机的机舱内。
在高纵横比换热器中特别感兴趣的是具有相对较小的正面面积和在长的轴向长度上延伸，以便配合到紧凑的空间中。
众所周知的是，换热器中的热传递速率与流体之间的温度差(被称为德耳塔T(ΔT))成比例。关于高纵横比换热器的一个问题是它们可能具有相对较差的性能，因为随着冷流体沿着流动长度吸收热而降低温度差，冷却潜力迅速地降低。
发明内容
上文指出的问题通过一种换热器解决，在该换热器中，流体中的一种通过额外流的夹带而被周期性地更新。
根据本文中所描述的技术的一个方面，一种换热器设备包括：壳，其在从上游端处的入口到下游端处的出口的流动长度上延伸，并且为第一流体限定第一流路；设置于壳内的结构，其为第二流体限定第二流路；壳中的至少一个副入口，其设置于自上游端起的下游；以及喷嘴，其设置于入口的下游。
根据本文中所描述的技术的另一方面，一种用于燃气涡轮发动机的换热器设备包括：壳，其在从上游端处的入口到下游端处的出口的流动长度上延伸，并且为第一流体限定第一流路，其中壳在入口处具有特性尺寸，并且流动长度除以特性尺寸的纵横比为一或更大；设置于壳内的多个管，其横向于流动方向而延伸，并且为第二流体限定第二流路；壳中的至少一个副入口，其设置于自上游端起的下游；以及喷嘴，其设置于至少一个副入口的下游。
根据本文中所描述的技术的另一方面，一种操作换热器的方法包括：使处于第一温度的第一流体的主流流动通过壳，该壳在从上游端处的入口到下游端处的出口的流动长度上延伸；使处于与第一温度不同的第二温度的第二流体流动通过设置于壳内的结构，使得热从流体中的一种传递到另一种流体；将流体的副流通过壳中的至少一个副入口而夹带到壳中，该至少一个副入口设置于自上游端起的下游。
附图说明
通过参考结合附图做出的以下描述，可以最好地理解本发明，在附图中：
图1是现有技术换热器的示意横截面图；
图2是显示冷却剂总体温度分布相对流动长度的曲线图；
图3是带有夹带特征的换热器的示意横截面图；
图4是图3的换热器的示意俯视图；
图5是备选的换热器的示意横截面图；
图6是另一备选的换热器的示意横截面图；
图7是另一备选的换热器的示意横截面图；
图8是另一备选的换热器的示意横截面图；以及
图9是与流路壁相邻地设置的图1的换热器的示意横截面图。
具体实施方式
参考其中同一参考标号遍及各个视图表示相同元件的附图，图1描绘现有技术换热器10。换热器10属于壳管式，其包括分别具有上游端14和下游端16的壳或壳体12、以及横过壳12延伸的多个管18。
在操作中，处于第一温度的第一流体(在本文中也被称为冷却剂)沿着由箭头F所显示的从上游端14到下游端16的方向通过壳12并围绕管18流动。处于比第一温度更高的第二温度的第二流体流动通过管18。
注意到，术语“流体”在本文中以通常的意义使用，意指倾向于呈现其容器的形状而流动的物质，并且可以指代液体、气体或者它们的组合。
热能从第二流体通过管18的壁而流动并进入冷却剂中，且随后被带走。以每单位时间的能量为表征的热流的速率与第一流体和第二流体之间的温度之差(ΔT)成比例。
实际上，温度差在换热器10的长度上不是一致的，因为冷却剂的温度随着它流过管18而增大。因此，例如上游端14附近的第一温度差将大于下游端16附近的第二温度差。该特性随着换热器长度增长而加剧。这导致换热器10与期望的相比不那么有效。该特性由在图2中标记为“A”的曲线示出。
为了避免上述的有效性的损失，换热器可以以这样的方式配置，使得额外的新鲜冷却剂在一个或多个下游部位处被夹带到冷却剂的主流中。为了实现夹带，提供了缩流部或喷嘴，其增大流体速度且因此降低局部静压，从而提供用于夹带额外冷却剂的驱动力。如本文中所使用的，术语“喷嘴”指代无论其物理配置如何都实现该功能的任何结构。该原理可以在各种物理配置中体现。在下文中描述合适的配置的示例。
虽然在使用第一流体来冷却第二流体的情境下描述以下示例，但将理解，换热器的主要功能是将热从一种流体传递到另一种，并且最终用途对于理解本发明而言并非关键的。例如，本文中所描述的换热器可以与流动通过管内部的液体(诸如发动机润滑油)一起使用，以及使用围绕管流动通过壳的气体(诸如冲压空气或发动机排出空气)。该热传递过程的最终目的可以是减小润滑油的温度或提高空气的温度，或者两者。还将理解，两种流体的相对温度可以与本文中所描述的示例相反，即，通过管的流可以比通过壳的流更冷。
图3和图4示出使用该夹带原理的示范性换热器100。换热器100属于壳管式，其包括具有限定入口120的上游端114和限定出口122的下游端116的壳或壳体112。壳112由壁124限定。换热器100具有总流动长度“L”，并且在入口120处具有由一个或多个特性尺寸限定的正面面积。例如，如果入口120为圆形，其半径或直径可以是特性尺寸。在其它示例中，入口120可以是矩形或环形的形状。图3示出表示径向高度的特性尺寸“D”。通常，如本文中所使用的，“高纵横比”换热器指代其中正面面积特性尺寸中的至少一个小于流动长度的装置。在所示出的示例中，这对应于为一或更大的纵横比L/D。流动长度可以是正面面积的数倍。将理解，所示出的换热器100仅仅是示例，并且它可以表示更大或更长的换热器的一部分。
多个管118横向于流动方向而横过壳112的内部延伸，并且可以被分组成多组或多束。束可具有不同数量的管118，并且可以以可变的长度隔开。注意到，管118仅仅是为流体限定流路的结构的一个示例。如图4中所看到的，提供了入口导管126，以将流引导到最下游的管束中。每对相邻的管束利用回流歧管128互相连接，并且最上游的管束连接到出口导管130。入口导管126、回流歧管128以及导管130配置成限定通过多束管118的迂回流路。迂回流路只是如何可以引导流通过管118的一个示例，而许多其它的配置是可能的。
在自上游端114起的下游的一个或多个部位，壳112配置成限定喷嘴或面积缩小部132。在所示出的示例中，壁124被捏入，以限定最小流动面积的喉部134。中心体136在喉部128的正上游设置于壳112内。壳112还包括在喉部128的正上游的一个或多个副入口138。
在操作中，处于第一温度的第一流体(也被称为冷却剂)沿着如箭头F所显示的从上游端114到下游端116的方向流动通过壳112。这可以被称为“主流”。第一流体还在由箭头F2表示的“副流”中围绕壳112的外侧流动。处于第二温度的第二流体流动通过管118。
随着冷却剂流动通过喷嘴132，流体速度增大，因此降低局部静压。这提供了驱动力，用于夹带流动于壳112外部的额外冷却剂(即，副流)通过副入口138。该额外的夹带冷却剂与已经过上游束的管118的主流相混合。结果是，副入口138下游的主流体的温度低于在不存在夹带的情况下将会处于的温度。
图2示出带有夹带或更新的主流体的温度特性。参考曲线“B”可以看出，如将预期的那样存在有沿着流动长度的温度上升，但在其中额外冷却剂通过副入口138引入的每个部位，在冷却剂的温度上存在离散的下降。该特性倾向于增大温度差和因此热传递有效性。夹带可以发生在沿着换热器100的流动长度隔开的若干部位处。
图5示出使用夹带原理的另一示范性换热器200。换热器200在构造上类似于上述的换热器100，并且包括具有限定入口220的上游端214和限定出口222的下游端216的壳或壳体212。壳212由壁224限定。多个管218横过壳212而延伸。
在自上游端214起的下游的一个或多个部位，内部挡板240设置于壳212中，其配置成以便限定具有最小流动面积的喉部234的喷嘴或面积缩小部232。壳212还包括在喉部234的正上游的一个或多个副入口238。
喷嘴232和副入口238以与上述基本上相同的方式操作，以在操作期间将额外的冷却剂夹带到主流中。一个差异是，挡板240的使用将主流划分为分别以F3和F4表示的内部部分和外部部分。内部部分F3笔直地流动通过壳212，且未经历混合，而外部部分使所夹带的冷却剂与主流混合。因此，下游管束接收来自上游管束的冷却剂与混合冷却剂的混合物。与上述的换热器100相比，该示例提供更少的低温冷却剂的“更新”，但保留更多的流动能量。任选地，挡板240可以是穿孔的，使得在第二管的上游，存在主冷却剂和夹带冷却剂的混合。
图6示出使用夹带原理的另一示范性换热器300。换热器300在构造上类似于上述的换热器200，并且包括具有限定入口320的上游端314和限定出口322的下游端316的壳或壳体312。壳312由壁324限定。多个管318横过壳312而延伸。换热器300额外地合并外部壳体342，其环绕壳312，使得旁通导管344被限定于壳312与外部壳体342之间。
在自上游端314起的下游的一个或多个部位，内部挡板340设置于壳312中，其配置成以便限定具有最小流动面积的喉部334的喷嘴或面积缩小部332。壳312还包括在喉部334的正上游的一个或多个副入口338。
喷嘴332和副入口338以与上述基本上相同的方式操作，以在操作期间将额外的冷却剂夹带到主流中。一个差异是，旁通导管344的存在为将被夹带的流体提供了限定的流路。主流体因而在上游端314处分裂，使得一部分“F5”经过管束318，而另一部分“F6”用于被夹带。注意到，如图6中所显示的旁通导管可以与本文中所描述的其它夹带概念中的任一者一起使用。
图7示出使用夹带原理的另一示范性换热器400。换热器400在构造上类似于上述的换热器200，并且包括具有限定入口420的上游端414和限定出口422的下游端416的壳或壳体412。壳412由壁424限定。多个管418横过壳412而延伸。
在自上游端414起的下游的一个或多个部位，内部挡板440设置于壳412中，其配置成以便限定具有喉部434的喷嘴或面积缩小部432。壳412还包括在喉部434的正上游的一个或多个副入口438。
喷嘴432和入口438以与上述基本上相同的方式操作，以在操作期间将额外的冷却剂夹带到主流中。
换热器400包括用于调制夹带流的流控制设备，诸如阀和/或可移动挡板。例如，换热器400可以合并一个或多个可控制阀446。每个可控制阀446位于副入口438之一的正上游。当可控制阀446打开时，经过喷嘴432的主流提供用于夹带额外流体流的驱动力。当可控制阀446关闭时，驱动力不存在，并且外部冷却剂不被夹带。可控制阀446可以被设定于中间位置处，以如期望的那样调制流。作为另一示例，挡板中的一个或多个可以是可移动的。例如，挡板440’示出为在点448处铰接，从而允许挡板440’例如使用一个或多个致动器(未显示)而选择性地在各种位置之间移动。当挡板440’位于图7中所显示的位置时，经过喷嘴喉部434的主流提供用于夹带额外流体流的驱动力。挡板440’可以在该位置的内侧枢转和/或“压平”，以展开喉部434的面积来降低或消除驱动力使之不存在。备选地，挡板440’可以枢转到极外侧的位置，以有效地堵住通过喷嘴432的流。
可控制阀446或可移动挡板440’可以出于各种目的而被用于调制夹带流。作为示例，当在航空燃气涡轮发动机中使用时，可能出现如下的情形：在诸如高海拔巡航的条件下，不要求冷却剂的夹带(因为冷却剂的主流处于较低的温度)，但在更苛刻的条件(诸如地面怠速)下，要求夹带。还有可能例如在主冷却剂流是压缩机排出空气(其对于发动机操作循环是浪费的)的情况下，调制主冷却剂流。例如，可以通过触发夹带功能来降低主流排出空气的量，以改进热传递效率。
调制原理可以与各种类型的换热器一起使用，包括具有低纵横比的换热器和/或仅具有单组管或单级管的换热器。例如，图8示出使用夹带原理的另一示范性换热器500。换热器500包括壳或壳体512，其带有横过壳512的内部而延伸的多个管518。
在管518的上游，内部挡板540设置于壳512中，其配置成以便限定具有喉部534的喷嘴或面积缩小部532。壳512还包括在喉部534的正上游的一个或多个副入口538。
喷嘴532和副入口538配置成使得它们的操作影响管518的仅仅一部分。在所示出的示例中，喷嘴532和副入口538定位成与壳512的侧向边界相邻，使得它们影响外侧的管518，但不影响内侧或位于中心的管518。
可控制阀546位于每个副入口538的正上游。当可控制阀546打开时，经过喷嘴532的主流提供用于夹带额外流体流的驱动力。当可控制阀546关闭时，驱动力不存在，并且外部冷却剂不被夹带。
本文中所描述的换热器具有优于现有技术换热器的许多优点。特别地，它们具有降低达到期望的热传递速率所要求的冷却剂的量的可能性。在燃气涡轮发动机的情境下，这提供了降低排出空气流要求和降低换热器重量的可能性。该夹带概念还可以实施成防止规定换热器的物理尺寸的一件装备的“最坏情况”操作条件。
本文中所描述的换热器的额外用途是提供边界层控制。例如，图9显示图3的换热器100，其中壁124之一限定与内壁150相邻地定位的壳112，该内壁150与外壁154合作而限定流路152的一部分。任选地，内壁150和壁124可以是单个整体结构。该流路152可以表示例如燃气涡轮发动机中的风扇旁通导管，或者备选地(没有外壁154)，它可以表示开式转子燃气涡轮发动机中的流路表面，诸如风扇流路表面。
在操作中，第一流体的主流“F7”如上所述地流动通过壳112。处于第二温度的第二流体流动通过管118。
流“F8”经过导管152，例如由上游风扇(未显示)生成的。这也可以被描述为第三流体，且会处于第三温度。流“F8”可能或可能不来自与主流F7相同的源。边界层沿着内壁150的表面存在。该边界层流将会通过副入口138而被夹带到换热器100中。使用换热器100夹带来自流F8的空气将提供边界层控制功能，并且改进风扇的推力效率。
注意到，本文中所描述的概念可适用于任何换热器配置。例如，可以采用各种管横截面形状和管间距，以及各种热传递增强特征，诸如翅片、销、肋、湍流促进结构，等等。
还注意到，例如出于控制流动和压降的目的，在本文中所描述的换热器的管和壳两者上可以采用各种横截面形状。例如，上述的多组管可以在喷嘴附近收缩，以用于更好的流动控制。
前文已描述了换热器。在本说明书(包括任何所附的权利要求、摘要以及附图)中公开的所有特征、和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以组合在任何组合中，除了这些特征和/或步骤中的至少一些互相排斥的组合之外。
在本说明书(包括任何所附的权利要求、摘要以及附图)中公开的每个特征可以用起到相同、等同或类似的作用的备选特征来代替，除非另外明确地阐明。因而，除非另外明确地阐明，所公开的每个特征仅仅是通用系列的等同或类似特征的一个示例。
本发明不受限于前述(多个)实施例的细节。本发明扩展到在本说明书(包括任何所附的可能的新颖点、摘要以及附图)中公开的特征的任何新颖特征或任何新颖组合、或者如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖组合。

Claims (23)

1.一种换热器设备，包括：
壳，其在从上游端处的入口到下游端处的出口的流动长度上延伸，并且为第一流体限定第一流路；
设置于所述壳内的结构，其为第二流体限定第二流路；
所述壳中的至少一个副入口，其设置于自所述上游端起的下游；以及
喷嘴，其设置于所述至少一个副入口的下游。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二流路由多个管限定。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述管被分组成沿着所述流动长度隔开的多束。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述壳在所述入口处具有特性尺寸，并且所述流动长度除以所述特性尺寸的纵横比为一或更大。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述喷嘴由所述壳的间隔开的壁限定。
6.根据权利要求5所述的设备，还包括在所述喷嘴的喉部的上游设置于所述壁之间的中心体。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述喷嘴由设置于所述壳中的一个或多个挡板限定。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述挡板是穿孔的。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括外部壳体，其环绕所述壳，使得旁通导管被限定于所述壳与所述外部壳体之间。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括流控制设备，其可操作而选择性地控制通过所述喷嘴的流。
11.一种用于燃气涡轮发动机的换热器设备，包括：
壳，其在从上游端处的入口到下游端处的出口的流动长度上延伸，并且为第一流体限定第一流路，其中所述壳在所述入口处具有特性尺寸，并且所述流动长度除以所述特性尺寸的纵横比为一或更大；
设置于所述壳内的多个管，其横向于所述流动方向而延伸，并且为第二流体限定第二流路；
所述壳中的至少一个副入口，其设置于自所述上游端起的下游；以及
喷嘴，其设置于所述至少一个副入口的下游。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述管被分组成沿着所述流动长度隔开的多束。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述喷嘴由所述壳的间隔开的壁限定。
14.根据权利要求11所述的设备，其中，所述喷嘴由设置于所述壳中的一个或多个挡板限定。
15.根据权利要求11所述的设备，还包括外部壳体，其环绕所述壳，使得旁通导管被限定于所述壳与所述外部壳体之间。
16.根据权利要求11所述的设备，其中，所述入口设置成与限定流路的壁流体连通。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述流路是燃气涡轮发动机的风扇旁通导管。
18.一种操作换热器的方法，包括：
使处于第一温度的第一流体的主流流动通过壳，所述壳在从上游端处的入口到下游端处的出口的流动长度上延伸；
使处于与所述第一温度不同的第二温度的第二流体流动通过设置于所述壳内的结构，使得热从所述流体中的一种传热到另一种流体，
将流体的副流通过所述壳中的至少一个副入口而夹带到所述壳中，所述至少一个副入口设置于自所述上游端起的下游。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括使所述主流流动通过设置于所述副入口的下游的喷嘴，以便提供用于夹带所述副流的驱动力。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括通过选择性地阻塞通过所述喷嘴的流而调制所述副流。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括在沿着所述流动长度隔开的多个部位处将所述副流夹带到所述壳中。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述壳具有流动面积，并且所述流动长度除以所述流动面积的纵横比为一或更大。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，所述副流从在所述壳外部的流路中流动的处于第三温度的第三流体的边界层区域抽出。
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