CN110998207A - 热交换器 - Google Patents
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Abstract
一种热交换器(4)，其具有流体流通道(6)，流体流通道(6)具有至少一个热交换表面(10)，至少一个热交换表面(10)具有波动表面部分，对于该波动表面部分，表面轮廓沿着预定方向变化，使得：在第一边缘(E1)处，表面轮廓遵循第一横波(20)，在第二边缘(E2)处，表面轮廓遵循第二横波(22)，并且在边缘之间的中间点I处，表面轮廓遵循第三横波(24)。第三横波(24)具有与第一横波和第二横波不同的相位、频率或振幅，从而形成了V形脊或谷。这提高了通过通道的流体的混合，并且从而提高了热交换效率。
Description
技术领域
本技术涉及热交换器领域。
背景技术
热交换器可以包括若干流体流通道，流体可以通过这些通道流动，使得热可以通过热交换器的各个通道中的流体进行交换。热交换器可用于一系列应用，例如用作从内燃机或燃气涡轮机的排气中回收热量的回热器(recuperator)，或用于其他应用，例如发电或通风系统。
发明内容
示例至少提供了一种热交换器，其包括：多个流体流通道；流体流通道中的至少一个流体流通道包括至少一个热交换表面，该至少一个热交换表面包括沿着通道长度的至少一部分延伸的至少一个波动表面部分，其中至少一个热交换表面包括热交换器的次级表面；其中，对于每个波动表面部分：沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第一边缘，热交换表面的轮廓根据第一横波而变化，第一横波具有与预定方向相对应的行进方向；沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第二边缘，热交换表面的轮廓根据第二横波而变化，第二横波具有与预定方向相对应的行进方向；并且在位于第一边缘和第二边缘之间的波动表面部分的中间部分处，热交换表面的轮廓根据第三横波而变化，第三横波具有与预定方向相对应的行进方向；其中，第三横波与第一横波和第二横波中的至少一者相比具有不同相位、不同振幅和不同频率中的至少一者，以在波动表面部分中提供一个或多个V形脊或谷。
示例至少提供了一种制造热交换器的方法，其包括：形成多个流体流通道；流体流通道中的至少一个流体流通道包括至少一个热交换表面，该至少一个热交换表面包括沿着通道长度的至少一部分延伸的至少一个波动表面部分，其中至少一个热交换表面包括热交换器的次级表面；其中，对于每个波动表面部分：沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第一边缘，热交换表面的轮廓根据第一横波而变化，第一横波具有与预定方向相对应的行进方向；沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第二边缘，热交换表面的轮廓根据第二横波而变化，第二横波具有与预定方向相对应的行进方向；并且在位于第一边缘和第二边缘之间的波动表面部分的中间部分处，热交换表面的轮廓根据第三横波而变化，第三横波具有与预定方向相对应的行进方向；其中，第三横波与第一横波和第二横波中的至少一者相比具有不同相位、不同振幅和不同频率中的至少一者，以在波动表面部分中提供一个或多个V形脊或谷。
示例至少提供了一种系统，该系统包括通过燃烧燃料来产生热量的燃烧室和从燃烧室输出的排气中回收热量的回热器，其中该回热器包括如上所述的热交换器。
示例至少提供了表示如上所述的热交换器设计的计算机可读数据结构。该数据结构可以存储在存储介质上。存储介质可以是非暂时性存储介质。
附图说明
根据下面对示例的描述，本技术的另外的方面、特征和优点将显而易见，下面将结合附图阅读对示例的描述，在附图中：
图1示意性地示出了用作热电联供(combined heat and power，CHP)系统中的回热器的热交换器的示例；
图2显示了包括流体流通道的热交换器的示例；
图3显示了热交换器的流体流通道之一的热交换表面的示例，该至少一个热交换表面包括波动表面部分；
图4显示了热交换表面的波动表面部分的侧视图；
图5显示了内部鳍片(fin)包括波动表面部分的示例，该内部鳍片在内部细分热交换通道；
图6显示了波动表面部分具有中间部分的示例，该中间部分具有在横波上变化的轮廓(profile)，该横波的振幅与和波动表面部分在边缘处的部分相对应的波的振幅不同；
图7显示了波动表面部分的V形(chevron-shaped)脊和谷的顶点更靠近一个边缘(与另一边缘相比)的示例；
图8显示了在波动表面部分的中间点处的第三横波与波动表面部分的边缘处的第一和第二横波具有不同频率的示例；
图9显示了热交换表面包括并排布置的多个波动表面部分的示例；
图10示出了通过增材制造(additive manufacture)来制造热交换器的制造设备的一个示例；
图11是示出制造热交换器的方法的流程图；
图12和13显示了通过对流过具有如图3所示的热交换表面的通道的流体进行计算流体动力学(CFD)模拟来获得的速度流线图，其中图12显示了顶视图和正视图，图13显示了侧视图；以及
图14显示了在流体以与图12和13所示方向相反的方向流过通道的情况下通过CFD获得的速度流线图，以便进行比较。
具体实施方式
热交换器具有许多流体流通道。流体可以流过通道，并与流过相邻通道的流体交换热量。在一些示例中，热交换器可以包括用于第一流体和第二流体流动的交替通道，以便第一流体和第二流体可以交换热量。然而，流过给定通道的流体可能有粘附在通道的壁上的趋势，从而在与通道的壁邻近的流体和远离壁的通道的中心处的流体之间可能不存在显著的混合量。这会降低热交换器的效率，因为通道中心的流体通过通道的边界与相邻通道中的流体交换热量的机会较少。
在下面描述的热交换器中，流体流通道中的至少一个包括至少一个热交换表面，该至少一个热交换表面具有沿通道长度的至少一部分延伸的至少一个波动表面部分。对于每个波动表面部分，沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第一边缘，热交换表面的轮廓根据第一横波而变化，第一横波具有与预定方向相对应的行进方向；沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第二边缘，热交换表面的轮廓根据第二横波而变化，第二横波具有与预定方向相对应的行进方向；并且在位于第一边缘和第二边缘之间的波动表面部分的中间部分处，热交换表面的轮廓根据第三横波而变化，第三横波具有与预定方向相对应的行进方向。第三横波与第一横波和第二横波中的至少一者相比具有不同相位、不同振幅和不同频率中的至少一者，以在波动表面部分中提供一个或多个V形脊或谷。
因此，波动表面部分具有波动表面轮廓，并且波动表面部分的中间部分处的波与波动表面部分的边缘处的第一横波和第二横波中的至少一者相比具有不同相位、不同振幅和不同频率中的至少一者。这意味着在波动表面部分中提供一个或多个V形脊或谷。这些V形脊和谷有助于引导流体流动远离热交换表面并促进流体在流体流通道内的混合，从而较低可能出现一定量的流体沿着通道的长度一直保持在通道的中心的情况。因为流通过谷的凹面，以在V形顶点的各个边上形成反向旋转的涡流，从而生成流分离和再附着的局部区域，所以热传递被增强。与表面轮廓在垂直于预定方向的方向上在整个表面上一直遵循相同的波轮廓的表面不同，通过使第三横波具有与第一和第二横波不同的形式并形成V形脊和谷，可以实现较低的压降并提高热交换效率。虽然使用常规手段(例如铸造或模塑)制造具有这种波形轮廓的表面可能具有挑战性，但通过使用增材制造，可以制造复杂的图案化表面。因此，具有如上所述的波动表面部分的至少一个通道的热交换器提供更好的热交换特性，并且在制造中是实用的。
在一些示例中，第一横波和第二横波可以具有不同相位、不同振幅和/或不同频率。这为控制波动表面剖面的表面轮廓提供了高自由度。
然而，在其他示例中，第一横波可以具有与第二横波相同的相位、振幅和频率。因此，在波动表面部分的边缘处的表面轮廓可以沿预定方向以相同的方式变化，但是在中间部分处的表面轮廓的变化存在不同的横波模式。
在一个示例中，第三横波可以与第一横波和第二横波中的至少一者不同相。因此，V形脊或谷的顶点出现在波动表面部分的中间部分处而非边缘处沿预定方向的不同位置。这产生在预定方向或与预定方向的相对方向上指向的V形脊，这已被发现是促进循环再循环模式以促进流体混合的有效表面轮廓。
在另一示例中，第三横波可以具有与第一横波和第二横波中的至少一者不同的频率。因此，与边缘相比，表面在波动表面部分的中心处可能具有更多或更少数量的脊或谷。
在另一示例中，第三横波可以具有与第一和第二横波中的至少一者不同的振幅。因此，在波动表面部分的中间部分，谷的深度和脊的高度之间的差可以大于或小于波动表面部分的边缘处的脊高度和谷深度之间的差。再次，这产生跨波动表面部分延伸的V形脊和谷，这有助于促进流体的混合。
在一些示例中，第一横波、第二横波和第三横波中的每一者可以具有相同的波形。然而，第三横波也可以具有与第一横波和第二横波中的至少一者不同的波形。可以使用许多不同的波形，但特别有用的波形可以包括正弦波或三角波。正弦波或三角波是有用的，它们可以避免水平的急剧变化，从而更容易通过增材制造技术制造波动表面部分(因为增材制造可能会施加一个限制，即如果上层悬垂(overhang)超过特定阈值角度则可以在材料的下层上构建上层)。然而，也可以使用其他波形。第一横波、第二横波和第三横波的波形不需要是规则的，例如它们可以是一组谐波或分量的叠加。例如，在某些情况下，第一横波、第二横波或第三横波可以包括具有从一个波峰到下一波谷的周期不同于从一个波谷到下一波峰的周期的波形，或者具有在周期内以不规则间隔的每周期多个波峰/波谷的波形。
在一些示例中，V形脊或谷的顶点位于第一边缘和第二边缘之间的中间。因此，V形可以是对称的，以便在第一边缘和第二边缘的中点处顶点的任一侧上有等同大小的V形部分。替代地，V形脊或谷中的至少一者可以具有顶点，该顶点更靠近第一边缘和第二边缘中的一者(相比于另一者)。在这种情况下，V形可能是不对称的，因为顶点一边的部分可能大于另一边的部分。
如上文所述，一些流体流通道可以具有单个波动表面部分，该波动表面部分设置在通道的宽度上。然而，也可以在热交换表面内并排设置多个这样的波动表面部分，其中一个波动表面部分的第一边缘与另一波动表面部分的第二边缘相邻。在这种情况下，相邻波动表面部分的V形脊可以连接起来形成W形脊或Z形脊。替代地，相邻波动表面部分的V形可能彼此异相，在这种情况下，可以提供若干不同的V形，这些V形以与预定方向正交的方向跨过波动表面部分，V形不会在相邻波动表面部分中连接，因为它们沿预定方向设置在不同的位置，以用于热交换表面内的不同波动表面部分。
所述至少一个热交换表面可在所述至少一个波动表面部分中具有基本上恒定的厚度。因此，即使波动表面部分的表面轮廓在上面讨论的波图案中变化，厚度仍然保持不变(在制造公差的范围内)，而不管表面上的给定点所位于的波的点。这可用于确保波动表面上的一致导热性，从而提供用于促进流体混合的热交换器表面的波动表面不会损害通过通道壁传导热量的能力。
在一些情况下，波动的热交换表面可以包括设有热交换表面的流体流通道的壁。替代地，热交换表面可以是内部鳍片，其部分地细分给定流体流通道。内部鳍片不需要沿整个热交换通道的长度传递。相反，内部鳍片可以在预定方向上沿热交换通道的不足整个长度延伸。如果提供多个鳍片，则这些鳍片可以沿通道长度被置于偏移位置，其间有间隙。在一些情况下，在与预定方向正交的方向上，通道中内部鳍片的横向位置可以偏移或交错。
预定方向对应于流过流体流通道的流体流方向。例如，流体流方向可以对应于流体流通道的长轴。注意，在一些实施例中，流体流通道可以对应于直通道，但也可以弯曲或沿着弯曲的路径或围绕弯道弯曲的路径，因此在一些情况下，流体流方向可能不是直的，而是沿着曲线路径。在这种情况下，第一横波、第二横波和第三横波也可以沿着曲线路径。通过定向第一横波、第二横波和第三横波，使其具有与流体流方向相对应的行进方向，这提供了更高的热交换器效率，因为这意味着通过通道的流体交替跨过波动表面部分中的V形脊和谷，这促进了流体沿通道长度以周期性间隔再循环，使得给定体积的流体远离可以将热量传导到邻近通道中流体的任何表面保留的可能性降低。
热交换器可以包括例如由增材制造制成的固结材料的整体块。这与由多个单独的组件制造各个通道的热交换器不同。因此，流体流通道(包括具有波动表面部分的至少一个热交换表面)可以由单个材料体一起形成为一个整体。
上述热交换器可用于一系列工程系统。然而，这对于包括用于通过燃烧燃料产生热量的燃烧室以及用于从燃烧室输出的排气中回收热量的回热器的系统而言尤其有用。回热器可以包括如上文所述的热交换器。紧凑性通常是这样的系统的一个重要要求。通过提高热交换器的效率，通常可以使热交换器变小，因为较短的通道足以提供给定的热交换量。
例如，可以通过增材制造来形成热交换器。在增材制造中，为了生产一整件物品，可以通过一层又一层材料的连续堆积来制造一件物品。例如，增材制造可以通过选择性激光熔化、选择性激光定心、电子束熔化等来进行。热交换器所使用的材料可以不同，但在一些示例中，可以是金属，例如铝、钛或钢，也可以是合金。在一些情况下，热交换器可以在一个单一的过程中形成，借此可以通过增材制造成功地铺设构成热交换器各个部分的层。
可以通过提供表示要制造的设计的特性的电子设计文件，并将该设计文件输入到将该设计文件转换为提供给制造设备的指令的计算机来控制增材制造过程。例如，计算机可以将三维设计分割成连续的二维层，并且代表每一层的指令可以提供给增材制造机，例如控制激光在粉末床上的扫描以形成对应的层。因此，在一些实施例中，除了提供物理热交换器之外，该技术还可以在表示如上所述的热交换器的设计的计算机可读数据结构(例如，计算机自动设计(CAD)文件)中实现。因此，除了以其物理形式销售热交换器之外，还可以以控制增材制造机以形成这种热交换器的数据的形式销售。可以提供存储数据结构的存储介质。
图1示意性地示出了包括热交换器4的系统2的示例。在本示例中，系统2包括用于家庭能源供应的热电联供(CHP)的微型涡轮发动机。燃烧室306燃烧燃料(例如气体)。燃烧室的进气由压缩机308压缩，压缩机308由涡轮机310驱动，涡轮机310由来自燃烧室306的排气驱动。涡轮机和压缩机308与发电机312一起安装在公共轴上，发电机312基于涡轮机的旋转生成电力。电力可以被供应作为家庭供电的一部分。
驱动涡轮机310的来自燃烧室306的排气被传递到回热器4，回热器4包括热交换器，该热交换器具有用于在第一流体和第二流体之间交换热量的交替通道。排气中的热量用于预热进入燃烧室的压缩空气，使得空气在进入燃烧室时处于更高的温度，从而可以提高燃烧室306的燃烧效率。排气通过回热器4后，仍然含有一些热量，这些热量可以被回收，例如在加热元件314处加热家庭内部的生活供水或中央供暖，然后在排气口316处将排气排放到外部。进入回热器4的燃烧室进气的压力高于来自燃烧室306和涡轮机310的排气的压力，因为进气已由压缩机308压缩，排气已由涡轮机310膨胀。
当然，可以理解，图1显示了热交换器的一个用例，但是上面和下面描述的热交换器也可以用于许多其他工程应用。
图2更详细地显示了热交换器4的示例。热交换器包括多个流体流通道6，流体可通过该流体流通道沿图2顶部所示的流体流方向流动。分别为热流体(第一流体)和冷流体(第二流体)的流动提供多个交替的热通道和冷通道。例如，在图1的系统中，热流体可以是离开涡轮机310的燃烧室306的排气，冷流体可以是使用排气热量进行预加热的压缩机308的压缩进气。歧管被提供，以分别分配来自热入口导管或冷入口导管的流体，并且在相应的热通道或冷通道之间适当地分离流体。热交换器可以是平行流热交换器，其中热流体和冷流体以一致的方向流动流过通道，或者热交换器可以是逆流热交换器，其中热流体与冷流体以相反的方向流动。
在这个示例中，热通道和冷通道由沿着图2所示的Y轴延伸的主通道壁8分隔开。此外，在每个热通道或冷通道内，许多区域被次级表面10在内部细分，次级表面10将热通道的不同部分或冷通道的不同部分彼此分开。尽管热交换的主要机制是通过热通道和冷通道之间的主通道壁8，但是热通道内或冷通道内由次级表面10进行的内部细分提供了可以将热传导到主通道壁8的附加表面。次级表面10可以是在流体流方向上沿着流体流通道6的整个长度延伸的另外的壁，或者可以是仅沿着小于通道的整个长度部分延伸的细分鳍片(例如，参见下面的图5)。
虽然图2显示了热通道成列对齐、冷通道成列对齐的示例，但在其他示例中，热通道和冷通道可以是在棋盘图案中错列的或交错的，使得每个热通道(热交换器边缘处的通道除外)在每侧被冷通道包围，反之亦然。
如上所述，主要表面分离两种不同的流体，例如热通道和冷通道，而次级表面分离包含相同流体的两个通道，例如两个通道包含热流体或两个通道包含冷流体。由于主要表面任一侧上的流体性质(例如温度和压力)与次级表面相比存在差异，因此要求主要表面比次级表面更坚固且更鲁棒。例如，主要表面的壁厚度可能大于次级表面的壁厚度。
如图3所示，对于至少一些通道6，次级热交换表面10沿其长度的至少一部分提供有波动轮廓，该波动轮廓具有沿对应于流体流方向(在本示例中的Z轴)的预定方向以波状图案变化的表面轮廓。在这种情境下，表面的表面轮廓是指在Y轴上的表面的位置，Y轴通常垂直于表面的X、Z平面。因此，通道6内的次级划分者10不是平坦表面，而是具有起伏表面。
更具体地，对于次级热交换表面10的每个波动部分，在与预定方向(Z轴)对齐的波动部分的第一边缘E1处，表面轮廓根据第一横波20而变化，其中第一横波20的行进方向与预定方向相对应。类似地，在与预定方向对齐的第二边缘E2处，轮廓根据第二横波22而变化，其中第二横波的行进方向与预定方向(Z轴，在本示例中对应于流体流方向)相对应。另一方面，在位于第一边缘E1和第二边缘E2之间的中间点I处，波动表面部分的表面轮廓根据第三横波24而变化，其中第三横波的行进方向与预定方向相对应。
在本示例中，第一横波20和第二横波22同相且具有相同的频率和振幅，使得在波动表面部分的边缘E1和E2处的表面的Y位置(轮廓)相同。另一方面，在本示例中，第三横波24具有与第一横波和第二横波相同的频率和振幅，但具有不同的相位关系。当第三横波24与第一横波和第二横波20、22异相时，波的波峰和波谷沿Z轴(预定方向)出现在不同的位置。注意，为了在二维图中显示第一横波、第二横波和第三横波之间的关系，图3右侧所示的部分并排绘制了第一横波、第二横波和第三横波，其中E1、I和E2按与图3所示的视图相同的方式从左到右排列。然而，虽然Y轴在图3的右侧部示出为沿着页面的平面延伸，以便实现二维表示，但是要理解的是，如果如图3所示在实际情况中视图中使得E1、I和E2并排可见，Y轴实际上会垂直于页面延伸(进入或退出页面)，使得脊和谷的波峰和波谷实际上会进出页面。
如图3所示，在中间部分处的表面轮廓的变化与边缘处的变化异相的影响是，该表面提供了许多V形脊26和谷28，它们在Z轴上沿着流体流方向呈V形。这也可以通过连接相邻波峰和波谷的线29看到，如图3的右侧部分所示。当使用热交换器4时，其效果是当流体(气体或液体)流过通道时，最靠近热交换表面10粘附的流体部分必须流过脊，这往往导致流体向中心再循环，而流体的其他部分则远离壁，从而取代先前在脊处的流体，因此当流体沿通道长度通过时，这将混合流体并降低给定体积的流体远离热交换表面或沿通道长度停留的可能性。
图4显示了次级热交换表面10在Z-Y平面上沿X轴观察时的波动表面轮廓的另一个视图。从侧视图可以清楚看出，V形脊26的波峰如何在V形的边缘处(相比于中间点I处V形的中心)沿Z轴出现在不同位置，从而它们提供沿预定流体流方向指向的V形。
如图3和图4所示，次级热交换表面在一端可以包括弯曲部分30，其可以引导流体以一定角度围绕弯道。这对于热交换器来说是有用的，其中流体需要在具有与输入流不同取向的管道处排出。因此，例如，弯曲部分可以引导流体围绕出口导管的拐角。如图3所示，在表面的一端，该表面可以形成有从表面的这一端向内延伸的V形切口32。这可能是有用的，因为它允许通过增材制造来构建表面，因为这意味着在增材制造过程中逐层形成时，当上层构建在下层材料之上时，没有超过一定角度的悬垂。因此，在如图3所示的特定示例中，表面的构建方向可以与流体流方向相反。
如图5所示，如果沿Y-Z平面观察流体流通道6，则不需要沿通道6的整个长度提供次级划分表面10，而是次级划分表面10可以是仅沿长度的一部分延伸以根据需要细分热通道6或冷通道6的区域的内部鳍片。鳍片的位置可以沿Y轴在不同部分处交错。要注意，每个内部鳍片可以具有如图3所示的波动轮廓，如图5中的示例鳍片10-1所示。替代地，只有部分鳍片可以有波动部分而其他鳍片可以是平坦的。如图5的下部所示，当多个鳍片沿Z轴在不同位置处提供时(鳍片10之间有间隙40)，通过在每个鳍片的基底处具有切口(notch)形状32，这使得鳍片能够通过增材制造而制成，因为它们从通道的相邻的主壁8桥接出来。由于存在V形切口，因此铺设材料的上层只需对于每个连续层以较小的角度延伸出下层，直到它们最终在中间相遇，然后就可以形成具有V形脊26和谷的整个表面。
虽然图3示出了第一横波20和第二横波22相同的示例，但这并不重要，在其他示例中，第二横波22可以具有与第一横波20不同的相位、振幅和/或频率。在这种情况下，在V形中可能会有一些差异或不对称。
如图6所示，在替代方案中，第三横波24可以具有不同的振幅，使得其波峰和波谷比第一和第二横波中的波峰和波谷更深或更浅。在这种情况下，如图6的底部图所示，V形脊26和谷28沿Y轴指向，而不是沿Z轴指向。因此，如果在X-Z平面上观察，当第一横波20、第二横波22和第三横波24的波峰和波谷在Z方向上处于同一相位时，脊26和谷可能看起来是直的，但是当在X-Y平面上从上方观察时，如图6底部所示，则可以看出，形成V形是因为表面中间点I1处的波峰和波谷的尺寸比边缘E1、E2处的更大。同样，这种类型的表面促进流体混合，从而更好地进行热交换。虽然在图6中，第一波和第二波与第三波同相，但在其他示例中，第三波与第一波和第二波相比，在振幅和相位上都可能有所不同。
在图3和图6的示例中，中间点I1位于边缘E1和E2之间的中间，但这不是必需的，图7显示了在该处形成每个V形脊或谷的顶点的中间点更靠近一个边缘E1(相比于另一边缘E2)的示例。
图8示出了第三横波24具有与第一横波20和第二横波22不同的频率的另一示例，因此在这种情况下，在热交换表面10的波动表面部分的中间点I1处的波峰和波谷比在边缘E1、E2处的波峰和波谷更多。这可能产生菱形脊，其中两个相邻的V形连接在一起，如图8的左侧部分所示。同样，这可以提供更大的流体混合。
如上所述，给定热交换表面10的整个表面具有波状波动部分不是必要的。在一些情况下，只有次级热交换表面10的一部分可以设有波状表面，而其他部分可以是平坦的。
此外，虽然上述示例显示了波动表面位于热交换通道的次级壁10中的情况(其分别划分热通道的不同部分或冷通道的不同部分)，但也可以形成利用这样的波动表面部分将热通道与冷通道分开的主壁8。
此外，在上面所示的示例中，次级壁表面10包括单个波动部分，该波动部分跨整个表面宽度上有单个V形。然而，如图9所示，还可以并排提供多个波动部分50，以便在表面10的宽度上形成多个V形脊26，如图9底部所示。因此，在第一波动部分50-1中，沿Z轴的表面轮廓变化对应于分别在边缘E1、E2和中间点I1处的第一横波20、第二横波22和第三横波24，在第二波动部分中，第一边缘E1实质上对应于第一波动部分的第二边缘E2，因此，第二波动部分50-2的第一横波与第一波动部分的第二横波相同，然后在第二波动部分50-2的第二边缘E2和中间I1部分形成另外的第二横波22-2和第三横波和24-2。在图9的顶部和左下角所示的示例中，第二横波22-2和第三横波24-2分别与第一波动部分50-1的第二横波22和第三横波24同相，使得相邻波动部分中的V形排列成W形脊，这不是必需的，在替代方案中，第二波动部分可以使其波与第一波动部分的波的相位不一致，从而使V形脊26对于第一和第二波动部分而言沿Z轴在不同位置处。要理解的是，可以并排放置两个以上的波动部分。
此外，虽然在上面所示的示例中，形成波动表面的第一横波、第二横波和第三横波在预定方向上沿波动表面的长度具有恒定的频率、振幅和相位，但波的频率、振幅和相位中的一者或多者可能沿表面的长度而变化。例如，第一横波、第二横波和第三横波中的每一者的频率可以沿着Z轴减小，从而使第一横波、第二横波和第三横波中的每一者沿Z轴波长增加。替代地或另外地，第一横波、第二横波和第三横波中的每一者的振幅可以沿着Z轴增加。在另一示例中，第一横波和第二横波的频率可以沿着Z轴增加，而第三横波的频率沿Z轴保持恒定。替代地，第一横波和第二横波的频率可以沿Z轴以比第三横波的频率更大的速率增加。在这两种情况下，这沿Z轴减小了V形脊或谷的内部角，从而产生沿Z轴的不同的V形脊或谷。
沿波动表面长度的第一横波、第二横波和/或第三横波的频率、振幅和相位的任何变化可解释流体流通道中流体性质的变化。例如，如果预期流体在沿着z轴流动时减速，则可以沿z轴增加第一横波、第二横波和/或第三横波的频率，以确保沿波动表面的长度出现相同程度的流体混合。通过这种方式，波动表面可以调整到流体流通道中流体的预期流动特性。要理解的是，可以利用第一横波、第二横波和/或第三横波沿Z轴的频率、振幅和相位变化的任何组合，以实现波动表面中的期望波动。
在次级表面而不是主要表面上提供波动表面，使得热交换器更容易使用增材制造来构建，同时不会对主要表面的结构刚性产生不利影响。它还允许在划分两个热流体通道的次级表面(与划分两个冷流体通道的次级表面相比)上使用不同的波动表面图案，从而允许根据次级表面两侧上特定流体的流体特性(例如温度、压力和质量流)来调整每个波动表面的图案。
波动表面可以被布置为使得给定的流体通道在通道的多于一个的表面上具有波动表面。在这种情况下，构成每个波动表面的横波可以具有频率、振幅和/或相位，这确保了流体通道的一个波动表面上的波的波峰和/或波谷不接触流体通道的另一个波动表面上的波的波峰和/或波谷。
图10示意性地示出了增材制造的示例。在本示例中，激光熔融金属粉末188用于形成物品4，例如上述热交换器。物品4在降低的粉末床180上逐层形成，在该粉末床180的顶部上，要熔融的金属粉末的薄层在被通过激光184提供的扫描激光束熔化(熔融)之前由粉末涂布器182涂布。利用激光184进行的激光束的扫描和床180的降低由控制计算机186进行计算机控制。控制计算机186进而由计算机程序(例如，定义要制造的物品4的计算机数据)控制。定义数据的该物体存储在计算机可读的非暂时性介质198上。图10示出了可用于执行增材制造的机器的一个示例。各种其他机器和增材制造过程也适合于根据本技术使用，借此热交换器制造有包括具有如上所述的波动部分的热交换表面的通道。对于图4所示的特定设计，一个示例中增材制造的构建方向由右侧的箭头示出。通过从与热交换器核心的入口/出口最接近的层开始构建歧管部分，可以构建歧管部分的其余部分，而不需要上层以相对于竖直方向超过45度角延伸超过下层，并且下层对上层的支持更大，使得通过增材制造组件更加实用。
图11显示了用于制造热交换器的方法。在步骤200，获得计算机自动设计(CAD)文件。CAD文件提供了数据结构，该数据结构表示热交换器的设计，该热交换器包括流体流通道，该流体流通道包括具有如上所述的波动表面部分的热交换表面。例如，在步骤200获得CAD文件可以包括设计者从零开始生成热交换器的三维(3D)模型，或者可以包括从记录介质读取现有设计或通过网络获得CAD文件。设计文件可以表示要制造的3D几何图形。
在步骤202，CAD文件被转换为用于向增材制造机供应的指令。指令控制增材制造机沉积或形成相应的材料层，这些材料层被逐层构建以形成整个热交换器。例如，由CAD文件表示的3D设计可以被分割成各个层，每个层提供要在对应层中形成的材料的二维表示。
在步骤204，将转换后的指令提供给增材制造机，该增材制造机使用增材制造将热交换器制造成固结材料的整体块。热交换器可以由各种材料制成，例如金属或合金，例如钛或不锈钢，或例如聚合物。可以使用各种形式的增材制造，但在一个示例中，增材制造使用选择性激光熔化。
图12至14显示了速度流线图，其显示了对流过具有如图3的示例所示的具有波动表面部分的热交换表面的通道的流体进行计算流体动力学(CFD)模拟的结果。用于流线的阴影代表流体流的速度。在距离V形脊顶点最近的区域400中的最暗的线表示最慢的流体流速度。如图12所示的两个视图所示，V形脊和谷促进流体从通道边缘向通道中心的周期性再循环。如图13中的侧视图所示，再循环的效果是分散缓慢流动流体的幕，在其他方式下，该幕呈现在通道的边界处。从图13和图14之间的比较中可以清楚地看出这一点。图13显示了对流过通道的流体的模拟，其中流体流方向与V形所指的方向对齐(使得V形脊和谷的顶点指向通道的流体出口区域，并远离流体入口区域)。相比之下，图14显示了对流体以相对于V形的相反方向流动的情况的模拟(使得V形顶点指向流体入口区域)。在图14所示的比较模拟中，对于图14所示的通道部分的基本上整个长度，缓慢移动的流体的幕402(由通道边缘附近较暗的线指示)保持在通道的侧壁附近。类似的幕也会出现具有平坦表面的通道中。这样的幕作为热边界层，往往会降低通道的热交换效率，因为它将通道中心较热的流体与通道壁隔离，通过通道壁可以将热量传导到相邻通道。相比之下，如图13所示，当V形与流体流对齐，使得每个V形的顶点指向背离流体入口区域的方向时，边界幕402被波动表面上的V形脊引起的周期性再循环迅速地打破，以使通道中的流体与相邻通道中的流体之间有更多的热交换。
在一个示例中，热交换器包括：多个流体流通道；流体流通道中的至少一个流体流通道包括至少一个热交换表面，所述至少一个热交换表面包括沿着通道长度的至少一部分延伸的至少一个波动表面部分；其中，对于每个波动表面部分：沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第一边缘，热交换表面的轮廓根据第一横波而变化，第一横波具有与预定方向相对应的行进方向；沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第二边缘，热交换表面的轮廓根据第二横波而变化，第二横波具有与预定方向相对应的行进方向；并且在位于第一边缘和第二边缘之间的波动表面部分的中间部分处，热交换表面的轮廓根据第三横波而变化，第三横波具有与预定方向相对应的行进方向；其中，第三横波与第一横波和第二横波中的至少一者相比具有不同相位、不同振幅和不同频率中的至少一者，以在波动表面部分中提供一个或多个V形脊或谷。
在一个示例中，提供了一种制造热交换器的方法，其包括：形成多个流体流通道；流体流通道中的至少一个流体流通道包括至少一个热交换表面，该至少一个热交换表面包括沿着通道长度的至少一部分延伸的至少一个波动表面部分；其中，对于每个波动表面部分：沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第一边缘，热交换表面的轮廓根据第一横波而变化，第一横波具有与预定方向相对应的行进方向；沿着与预定方向对齐的波动表面部分的第二边缘，热交换表面的轮廓根据第二横波而变化，第二横波具有与预定方向相对应的行进方向；并且在位于第一边缘和第二边缘之间的波动表面部分的中间部分处，热交换表面的轮廓根据第三横波而变化，第三横波具有与预定方向相对应的行进方向；其中，第三横波与第一横波和所述第二横波中的至少一者相比具有不同相位、不同振幅和不同频率中的至少一者，以在波动表面部分中提供一个或多个V形脊或谷。
尽管本发明的说明性实施例已经参考附图在本文中详细描述，但是应当理解，本发明不限于那些精确的实施例，并且本领域技术人员可以在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下执行各种更改和修改。
Claims (22)
1.一种热交换器，包括：
多个流体流通道；
所述流体流通道中的至少一个流体流通道包括至少一个热交换表面，所述至少一个热交换表面包括沿着所述通道的长度的至少一部分延伸的至少一个波动表面部分，其中，所述至少一个热交换表面包括所述热交换器的次级表面；
其中，对于每个波动表面部分：
所述热交换表面的轮廓沿着与预定方向对齐的所述波动表面部分的第一边缘根据第一横波而变化，所述第一横波具有与所述预定方向相对应的行进方向；
所述热交换表面的轮廓沿着与所述预定方向对齐的所述波动表面部分的第二边缘根据第二横波而变化，所述第二横波具有与所述预定方向相对应的行进方向；并且
在位于所述第一边缘和所述第二边缘之间的所述波动表面部分的中间部分处，所述热交换表面的轮廓根据第三横波而变化，所述第三横波具有与所述预定方向相对应的行进方向；
其中，所述第三横波与所述第一横波和所述第二横波中的至少一者相比具有不同相位、不同振幅和不同频率中的至少一者，以在所述波动表面部分中提供一个或多个V形脊或谷。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述预定方向与通过所述流体流通道的流体的流体流方向相对应。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述第一横波、所述第二横波和所述第三横波中的至少一者的频率、振幅和相位中的一者或多者在所述预定方向上变化。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其中，所述第一横波与所述第二横波具有相同的相位、振幅和频率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热交换器，其中，所述第三横波与所述第一横波和所述第二横波中的至少一者不同相。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的热交换器，其中，所述第三横波与所述第一横波和所述第二横波中的至少一者相比具有不同频率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述第三横波与所述第一横波和所述第二横波中的至少一者相比具有不同振幅。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述第三横波与所述第一横波和所述第二横波中的至少一者相比具有不同波形。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述V形脊或谷的顶点位于所述第一边缘和所述第二边缘之间的中间。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的热交换器，所述V形脊或谷中至少一个V形脊或谷的顶点相对于所述第一边缘和所述第二边缘中的一者更靠近所述第一边缘和所述第二边缘中的另一者。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述至少一个热交换表面包括并排布置的多个所述波动表面部分，其中一个波动表面部分的第一边缘与另一波动表面部分的第二边缘相邻。
12.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述至少一个热交换表面在所述至少一个波动表面部分中具有基本上恒定的厚度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述至少一个热交换表面包括所述至少一个流体流通道的壁。
14.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述至少一个热交换表面包括所述至少一个流体流通道内的内部鳍片。
15.根据权利要求13所述的热交换器，其中，所述内部鳍片在所述预定方向上沿着小于所述热交换通道的整个长度的长度延伸。
16.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述热交换器包括固结材料的整体块。
17.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，包括至少两个热交换表面，其中，所述至少两个热交换表面中的第一热交换表面上的波动表面与所述至少两个热交换表面中的第二热交换表面上的波动表面不同。
18.一种系统，包括：
燃烧室，所述燃烧室用于通过燃烧燃料来产生热量；以及
回热器，所述回热器用于从所述燃烧室输出的排气中回收热量，
其中，所述回热器包括根据前述权利要求中任一项所述的热交换器。
19.一种制造热交换器的方法，包括：
形成多个流体流通道；
所述流体流通道中的至少一个流体流通道包括至少一个热交换表面，所述至少一个热交换表面包括沿着所述通道的长度的至少一部分延伸的至少一个波动表面部分，其中，所述至少一个热交换表面包括所述热交换器的次级表面；
其中，对于每个波动表面部分：
所述热交换表面的轮廓沿着与预定方向对齐的所述波动表面部分的第一边缘根据第一横波而变化，所述第一横波具有与所述预定方向相对应的行进方向；
所述热交换表面的轮廓沿着与所述预定方向对齐的所述波动表面部分的第二边缘根据第二横波而变化，所述第二横波具有与所述预定方向相对应的行进方向；并且
在位于所述第一边缘和所述第二边缘之间的所述波动表面部分的中间部分处，所述热交换表面的轮廓根据第三横波而变化，所述第三横波具有与所述预定方向相对应的行进方向；
其中，所述第三横波与所述第一横波和所述第二横波中的至少一者相比具有不同相位、不同振幅和不同频率中的至少一者，以在所述波动表面部分中提供一个或多个V形脊或谷。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述热交换器由增材制造制成。
21.一种计算机可读数据结构，表示根据权利要求1至17中任一项所述的热交换器的设计。
22.一种存储介质，存储根据权利要求21所述的数据结构。
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