CN1651847A - 改进型换热器 - Google Patents

Abstract

一种龙骨冷却器，具有带斜面的底部壁，延伸进集管的外管内壁上装有孔板，孔板是冷却剂流动的自然流道。该孔板足够大这样不会限制冷却介质的流动。阳极组件和排放栓安装在斜面状底壁上。

Description

改进型换热器

本申请是2000年10月26日提交的发明名称为“改进型换热器”，申请号为00814812.0的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及换热器，尤其是指以流体冷却热源的工业装置中(例如船舶)冷却发动机、发电机、齿轮箱及其它热源用的换热器。更具体的说，本发明涉及用于冷却热源的开放式换热器(指传热管暴露于周边冷却或加热流体，而不是置于装有冷却或加热流体的壳体或容器中)，与业内其它类型的换热器相比，该换热器效率更高，也因此重量较轻、体积较小。另外，本发明的换热器可用作加热器，其中，相对冷的流体通过传热管吸热。

背景技术

在工业应用中，如在海轮上，热源常常由水、其它流体或水与其它流体的混合物冷却。例如，在淡水/咸水中航行的海轮上，冷却流体或冷却剂流过发动机或其它热源，在那里冷却剂吸收热量，然后流至管路中的另一部分。热量必须从冷却剂中传导到周围环境，如船舶所在的水体。对小型发动机，如小船上的外装马达而言，泵送通过发动机的环境水足可以用作冷却剂。然而，随着轮船的能量需求的变大，泵送通过发动机的环境水虽有可能继续提供对发动机的冷却，但同时又是发动机污染受损的一个重要原因。如果用未经处理的环境水冷却发动机，会将杂质和腐蚀性化学物质带进发动机，盐水尤甚。因此，已经开发出各种设施，用于发动机和其它热源的冷却。一种用于船舶发动机冷却的设施是槽钢，它基本上是将大量型钢焊在船壳体底部，可以传送冷却剂，并将热量由冷却剂传导到周围水体(环境水)。槽钢有严重的局限性，它效果很差，需大量的钢材来达到所需求的冷却效果；固定到船上本身造价很高，原因是要焊到船体上，这是一项劳动力非常密集的工作；由于槽钢非常重，发动机须足够大，以承载槽钢，使得原始设备造价和操作成本很高；目前的大马力发动机要载着增加的槽钢以满足其冷却能力，从而使船体上装配发动机本身的空间相对减小，有效承载能力降低；大量的槽钢是很大的开销；而且，说到最后，槽钢不能满足现代级海轮的当前和将来的冷却要求。尽管槽钢是船舶业中应用最广泛的换热器，海洋工业的各行业正在摒弃槽钢，而在新型造船中采用较小的龙骨冷却器，以克服前面提到的局限性。

龙骨冷却器于1940年代开发出来，在美国专利#2,382,218(Fernstrum)中作了介绍。Fernstrum专利描述了可附于海船壳体上的换热器，包括一对固定在壳体上的隔开的集管，很多导热管。导热管具有矩形横断面，在集管间延伸。柱形管子通过船体将集管与自发动机或其它热源延伸出来的冷却剂流动管线连接起来。热冷却剂离开发动机，流入位于水位以下的换热器集管之一(水位指溶汽水以下的水位，即发生泡沫和气泡的水位以下)，或者在船体以下，或者至少在船体的低端。冷却剂接着通过各自的矩形导热管至相对的集管。由此，被冷却的冷却剂返回发动机。集管和导热管均浸在周围水域中。热量自冷却剂通过导热管壁及集管传给周围的水。连接两根集管的矩形管之间相互非常靠近，以产生很大的热流表面积，同时又保持了相对密集的尺寸和形状。通常，这些龙骨换热器放置在轮船壳体底部的凹陷处，有时安装在侧部，但任何情况下均低于水位线。

上述龙骨冷却器被称作整体(或单件，one-piece)龙骨冷却器，原因在于它是一个整体，主要部件均已焊接或钎焊到位。整体龙骨冷却器通常都是整体安装和拆除。

整体龙骨冷却器有很多种类。有时是多程龙骨冷却器，其集管和导热管的布置使流向至少可以改变180度，而进出口可以在同一集管上。

尽管上述带矩形导热管的换热器自50多年前面世以来，被广泛使用，但也有不足之处，本发明对其进行了改进。

现有技术中的矩形换热器具有由平行管线构成的外向型矩形，平行管两端为集管。这些集管端壁相对，与船体垂直，彼此平行。当带换热器的船在水中行驶时，阻挡周围的水与龙骨冷却器作相对流动。垂直的集管壁在换热器上造成死点(缺少周围水流)，这样大大降低了在死点区发生的热传导量。另外，直立管壁减少了导热管间的周围水量，进而降低或减少了可在管中冷却剂与周围水之间传递的热量。

换热器通过导热管从冷却剂有效传热的能力部分取决于通过管子的冷却剂量及其在平行导热管中的分布情况，还取决于冷却剂物流是湍流还是层流。因此每根导热管的冷却剂流量影响着传热效率及跨换热器的压降。目前在带矩形管子的换热器中，最外面的矩形管的端面或延长段构成了各集管的外壁。流经换热器的冷却剂，在进入最外层管子时受到限制，本发明获得的数据决定了这一点。目前情况下，最外层管子有一个固定的外壁及平行的内壁。为了使冷却剂流入最外层的矩形管，孔板，通常为圆形的，切入每根外管的内壁，以使冷却剂流入、流出外管。外管的进/出口孔板，目前一般置于龙骨冷却器各集管的末端中心部位，方向垂直。然而，对通过上述龙骨冷却器的冷却剂物流分析显示，靠近中心部位的管子中，有大量冷却剂通过，流经外层管子的冷却剂很少。通过管子的流量图一般呈钟形结构，从管束中心到外延，流经量递减。结果是外层管子的热传递很低，龙骨冷却器的总体传热效率也相对较低。因此，跨龙骨冷却器的压降较期望的要高。

已经发现，通过各孔板流入最外层管的冷却剂是不够的，结果造成了外管层传热不足。其原因在于孔板的位置较形成优化物流所要求的位置要高，而且太靠近集管的末端。本发明的发明者业已发现，放大孔板尺寸将其移至冷却剂流经集管的自然流道，即优化物流通道处，结合下面要讨论的集管设计变更，可以进一步提高流经外管层的流量，使流经所有管子的流量更均匀，降低跨冷却器压降，同时又能提高传热。

目前的带矩形导热管的龙骨冷却器上有阳极和排泄栓，位于各集管的顶部，这增加了集管的总体高度，又有可能使这些设施存在因水中杂物或水下结构而受损的潜在因素。为了降低损坏的发生机会，配备了遮板以保护龙骨冷却器免受损坏。另外，将阳极和排泄栓置于水下，当轮船移动时会阻止周围水的相对流动，增加拖力。下面会解释，阳极和排泄栓的位置安排可以使集管的高度增加最小化，以解决上述问题。

下面将要讲到，带斜面集管和阳极组件及排泄栓的重新就位，按本发明设计也会有利于增加龙骨冷却器的总体冷却效率，因为会引起周围水流向各导热管，并在其间流动，使得传热较当前采用的龙骨冷却器显著提高。这种传热的改善，至少部分是由于流经前集管沿着冷却剂管及冷却剂管之间的周围水流的湍流度增加所致。

船用龙骨冷却器的一个重要方面是要求其占用尽可能小的轮船面积，同时又要在冷却剂物流压降最小化的情况下，满足或超过其传热要求。轮船壳体上用于容纳龙骨冷却器的面积在业界被称为脚印(footprint)。总的说来，脚印最小且内部压降最小的龙骨冷却器是最理想的。上述带矩形导热管的龙骨冷却器之所以如此流行，其原因之一就在于，与其它类型的龙骨冷却器相比，它要求很小的脚印。然而本发明的发明者已经发现，当前采用的符合带矩形传热管的龙骨换热器设计的龙骨换热器，其尺寸及内部压降均比需要的要高。通过结合前述的(及后续的)有关本发明的各方面的各个方面，制作出脚印较小、内部压降较小的龙骨冷却器是可能的。这些是本发明的主要优点。

目前使用的带矩形传热管的换热器的一些不足之处，与各平行管中的冷却剂物流不平衡有关，对会引起压降过大或传热不好的龙骨冷却器尤其突出，利用本发明可以改善这种情况。当前使用的矩形管系统中，流经传热管的冷却剂物流不均匀的情况导致了系统的热传递低下。为了改善这种较差的热传递情况，市场中现有龙骨冷却器的设计者们被迫通过增加管子表面积解决系统的冷却剂物流分配不好及传热差的问题，将龙骨冷却器放大或作成过大。这也有可能会增大冷却器的脚印。这种情况导致了整体型龙骨冷却器的出现，而较下述发明说明的换热器而言，其尺寸显然大得毫无必要。在某些情况下，下述发明使得原本需多个龙骨冷却器的冷却回路中仅需很少的冷却器。

现有矩形管系统中的冷却剂物流在传热管中的不均匀分布还造成了较高的系统内部压降。较高的系统压降是现有技术中要求使用大尺寸换热器的另一个原因。尺寸过量太多可以弥补较差的传热效率及过量的压降，但这需增加投资以及更大面积的脚印。

在目前技术状态下，要求采用多程(通常为两程)龙骨冷却器，与下述本发明情况相比较，其所要求的尺寸差别更加显著。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用流体冷却热源的换热器，这种换热器与其它具有相同换热能力的换热器相比尺寸要小。

本发明的另一个目的是提供一种用于工业应用的改进型换热器，这种换热器比现有的换热器效率更高。

本发明的再一个目的是提供一种用于轮船的改进型整体换热器，这种换热器较目前已知的整体型换热器在传热方面效率更高。

再一个目的是生产一种整体型换热器及其集管，能够从整体上均衡流经龙骨冷却器管的冷却剂量。

再一个目的是提供一种改进型整体换热器，可以降低冷却剂的流通压降。

本发明的再一个目的是提供一种带有传热管的改进型整体换热器，传热管的横断面为矩形，其长度较当前换热器要短，原因是由于换热器内的冷却剂物流分布以及流经龙骨冷却器的周围水流得到了改善。

另一个目的是提供一种改进型整体换热器，其大小较目前的具有相似传热能力的整体换热器要小，原因在于传热管长度、管子数及/或管子尺寸都减小了。

本发明的另一个目的是提供一种新型的、带有矩形导热管的整体换热器，导热管的寿命较目前市场上的龙骨冷却器更长。

本发明的一个相关的目的是提供一种改进型换热器及其集管，能够更方便的折流杂质，以便受周围水流域中杂质影响更小。

另一个目的是提供一种龙骨冷却器及其集管，由壳体伸入水中的量较目前对应的龙骨冷却器及其集管伸入水中的量要小。

本发明的另一个目的是提供一种改进型整体换热器，其在轮船上的安装较目前市场上相应的冷却器更为容易。

本发明的另一个目的是提供一种整体换热器，其冷却剂物流压降更小并且流量分配较目前市场上的换热器更均匀，以便使流经换热器的冷却剂物流量增加改善其传热能力。

本发明的另一个目的是提供一种整体换热器及其集管，其重量较现有的相当的整体换热器要轻，因而成本也较低。

本发明的另一个目的是提供一种带有矩形导热管的整体换热器及其集管，冷却剂流经换热器的压降较目前现有的换热器要小。

本发明的另一个目的是提供一种船用整体换热器，用以改造以前安装的整体换热器，无须额外管线或额外空间，总体传热性能及压降均比以前的设备要好，以处理更大的热输出。

本发明的另一个目的是提供一种用于带矩形冷却剂流通管的整体换热器的改进型集管。

另一个目的是提供一种用于带矩形冷却剂流通管的整体换热器的改进型集管，其减小会降低整体换热器传热能力的死角以及降低周围水体环冷却剂物流管及其之间流动的死角。

本发明的另一个目的是提供一种用于带矩形冷却剂流通管的整体龙骨冷却器的改进型集管，降低水中杂物冲击对集管的损坏以及水下物体对龙骨冷却器造成损坏的可能性。

另一个目的是提供一种增加周围水环绕传热管及在其间流动的湍流度的集管。

另一个目的是提供一种用于整体龙骨冷却器的改进型集管，使得此类龙骨冷却器上的阳极少受杂质及水下物体的冲撞。

另一个目的是提供一种龙骨冷却器，其轮廓更小，更具流线性，以便当使用龙骨冷却器的轮船行驶于周围水域时产生的拖力较小。

另一个目的是提供一种用于整体龙骨冷却器的集管，可以提高冷却剂和周围冷却介质(如水)之间的热交换。

另一个目的是提供一种用于整体龙骨冷却器的集管，可以使流经龙骨冷却器上所有管子的冷却剂物流量更均衡，相对现有同等集管而言，可以改善传热性能。

本发明的一个总体目的是提供一种整体换热器及其集管，其在生产和使用上效率更高，效果更好。

其它的目的将从随后的说明及所附的权利要求中体现出来。

本申请的主体发明是一种整体换热器，即带有两个集管的换热器，该集管与冷却剂流通管成一体。尤其适用于前面讨论的海轮用换热器，在行文中亦称为龙骨冷却器。然而，本发明的换热器还可用于其它情况下冷却热源(或加热凉的或冷的流体)，如用于工业及科技设备。因此，换热器这一术语广义包含了此处讨论描述的产品。该换热器包括两个集管，以及与集管成一体的一根或多根冷却剂流通管。

附图说明

图1是水中轮船上的换热器的一个示意图；

图2是船用安装在船体并与发动机连接的船用整体龙骨冷却器的发动机的侧视图；

图3是现有技术的龙骨冷却器的示意图；

图4是现有技术的整体龙骨冷却器上集管截面和部分冷却剂流通管的示意图；

图5是现有技术的龙骨冷却器的部分截面图，表示的是集管和部分冷却剂流通管；

图6是本发明整体龙骨冷却器的一部分的侧视图、截面图及分视图，图中表示的是集管和部分冷却剂流通管；

图7是本发明整体龙骨冷却器的部分示意图，有一部分已被切除；

图8是本发明龙骨冷却器的集管及部分冷却剂流通管的示意图；

图9是图8所示的设备的一部分的侧视图；

图10是图8所示的设备的正视图；

图11是图8所示的设备的底部的部分视图；

图12是本发明集管的一部分的侧视图，表示出了周围(环境)水的流径；

图13是本发明龙骨冷却器的示意图；

图14表示的是现有技术的龙骨冷却器的一部分的截面图，但是集管和外层冷却剂流通管之间冷却剂的流动孔是按本发明制作的；

图15表示的是一个龙骨冷却器的截面图，其中用于集管与外层冷却剂流通管之间冷却剂流动的孔的几种变化是按照本发明有关方面而设计的；

图16是根据本发明的一个双程龙骨冷却器系统的示意图；

图17表示的是图16中的集管的一部分的局部剖视图；

图18表示的是按本发明有两个单程部分的多级系统的示意图；

图19表示的是按本发明有一个单程部分和一个双程部分的龙骨冷却器的示意图；

图20表示的是按本发明两个双程系统的示意图。

具体实施方式

轮船用换热器系统的基本组成见图1所示。该系统包括热源1，换热器3，从热源1向换热器3传送热的冷却剂的管子5以及从换热器3向热源1传送降温的冷却剂的管子7。热源1可以是发动机、发电机或轮船上的其它热源。换热器3可以是整体龙骨冷却器(由于此处只讨论整体龙骨冷却器，所以通常称其为“龙骨冷却器”)。换热器3位于环境水中，在水线之下(即在溶汽水线之下)，来自热冷却剂的热量通过换热器3的器壁传导，并被传入到冷却器环境水中。

图2表示的是安装在轮船上的换热器11，用于向环境水中传导来自发动机或其它热源13的冷却剂所带的热量。冷却剂从发动机13的管线14或15流向龙骨冷却器11，通过另一根流通管从龙骨冷却器11流回到发动机13。龙骨冷却器11附在轮船的壳体上，但与船体空间分分隔。

现有技术的龙骨冷却器17如图3所示。它包括一对集管19、21位于相互平行矩形导热管23的相对端，矩形导热管有内管25和两个外管(以下讨论)。一对管口27和28将冷却剂引入或导出龙骨冷却器17。管口27、28的具有螺纹连接头29、30和在末端的短管31、32。集管9、21大体上说是棱柱形结构，其端部34、35垂直于管子23的上下表面所处的平面。龙骨冷却器17与船体相连，管口27和28穿过船体延伸出去。大垫片36、37每个的一侧分别贴住集管19、21，另一侧与船体接合。当轮船上安装龙骨冷却器时，橡胶垫圈38、39置于船体内侧，金属垫圈40、41座在橡胶垫圈38、39上。螺母42、43，其材质一般为与管口相容的金属，向下拧在接头29、30的螺纹44、45上，将垫片和橡胶垫圈靠船体拧紧，固定龙骨冷却器并密封船体的穿孔，以防泄漏。

参见图4，为应用现有技术和图3所示的龙骨冷却器的局部截面图。龙骨冷却器17由平行的传热管或冷却剂流通管23以及集管或集合管19组成。管口27按如下说明连列到集管19。管口27有管短管31，连接头29有如上所述的螺纹44和垫圈40及螺母42。管口27的短管31一般是钎焊或焊接在伸入壳体内的连接头29的内侧，集管19有一上壁或顶47，外后壁34，以及底壁或底板48。集管19包括一系列的相对于管23的倾斜的指形导管52(fingers)，限定了容纳内管25的末端55的空间。

关于图5，它表示的是龙骨冷却器17和集管19的横切面，集管19另外还包括一个由指形导管52构成的倾斜表面或壁面49。内管25的末端部分55穿过表面49延伸。内管25硬焊或电焊到指形导管52上，形成一个连续的表面。法兰56环绕着内侧孔板57，管口27通过法兰延伸，帮助支撑管口27在集管19上处于垂直位置。法兰56与壁47下面的加强板58相连。

在以上和以下的讨论中，术语“上(部)”、“内(部)”、“向下”、“尾部”是指换热器、龙骨冷却器或集管水平放置时的相对位置，如图5所示。这样做是因为意识到，这些设备，如当用于水航轮船上时，可能被安装在轮船的侧面，或倾斜在船体的前面或后面，或各种各样的其它位置。

集管19的每个外壁由一根外部的或外层的矩形管构成，其中一根在图4中标号为60。外管延伸进入集管19。图4和5表示出了外管壁61的两面。内壁65的两侧也由图4和5表示。圆形孔板(孔)69被显示向外延伸通过龙骨冷却器17的外部矩形管的内壁67，其作用是控制通过外侧管子的冷却剂进出集管19。从这点出发，管口27可以是进口导管，用于接收来自发动机的热的冷却剂，其流向如图5中的箭头A所示；也可以是出口导管，用于接收来自集管19的已被冷却的冷却剂，并循环回到热源。有一点很重要，就是要注意到在现有技术中，孔69的位置和大小限制了可以通过孔69的物流的量。尤其是，迄今为止，孔安装位置太高、尺寸太小，而且距冷却剂自然流道太远，造成流经外部矩形管的物流量减少，通过管子23的冷却剂物流不均匀，冷却剂物流通过孔板时压降高，流经限制较小的内管的量大，即使最外层管的传热能力最大也无济于事。

图4还显示，龙骨冷却器19有一个排泄孔71，用于承接一个对应的可拆卸带螺纹的丝堵。龙骨冷却器17内的东西可通过孔71除去。

孔57与孔69之间的间隔距离相当大，造成通过孔69的流量减小，流量减小的主要原因是冷却剂的自然流道上没有孔板。虽然这一问题已存在了五十年，但是只有当本发明的发明者们分析了所有的流动特征后，才验证了孔的位置及大小的重要性。另外，在单程和多程系统中集管的结构会影响通过集管的物流，讨论如下：

继续探讨图3-5中表示的应用现有技术的集管19，可以看出，外后壁34和底板48成直角。这种结构有多种缺点，以前的龙骨冷却器设计及制造都没有认识到。首先，壁34垂直于通过管子的冷却剂的流向，使得冷却剂的流动变为杂乱无章的湍流，通过冷却剂流通管的速度会因阻力不同而变化，这样，集管19内出现较大的压降。这一情况，再加上尺寸和位置均不好的孔69的影响，导致了流量的净减少，通过龙骨冷却器17的外管60传递冷却剂所带的热量也同样减少。关于壁34外侧，直立壁相当于环境水流的障碍，减少了可在管23周边及其间流动的环境水的量，吸收了杂物的全部影响，对龙骨冷却器造成了潜在的损害。另外，由于壁34和底板48成直角，增加了龙骨冷却器的用料，提高了成本费用。大多数龙骨冷却器是用90-10铜镍(或含大量铜的其它材料)制造的，这是一种相对来说很贵的材料。此外，由于处于水中的直立壁以及安装在底板48上的突出的阳极和排泄栓(以下讨论)而所受的阻力会产生很大的拖曳力。这限制了环境水至龙骨换热器的热交换管的流动。增加了龙骨冷却器需要的(吃水)深度，这可能提高龙骨冷却器被杂物撞击的可能性并降低了船的深度，增加了被水下物体损坏的可能性，还增加了轮船在水中行驶时的拖曳力。

还参见图3-5，垫片36、37的主要作用有三个：(1)隔离集管，防止电蚀；(2)防止环境水向轮船的渗透；和(3)通过在换热器和轮船壳体之间产生一定距离的间隔，允许环境水在其间流通，使得热传导可以在龙骨冷却器管子和轮船间的空间里进行。垫片36、37一般用聚合物材料制成。通常情况下，垫片36、37的厚度在四分之一英寸到四分之三英寸。龙骨冷却器安装在轮船上，如前所述。来自轮船的管道通过到短管31、接头29的软管及到短管32和接头30的软管连接。一个围堰或船舷水管(船的一部分)位于船的每一端，容纳有管口27和螺母42的直接进入壳体的部分。船舷水管的作用是防止当龙骨冷却器被严重损坏或撕裂时，环境水流入轮船内，否则，环境水会从穿透位置轻易地流入轮船。

图6-11表示的是本发明的优选实施例。实施例包括带有冷却剂流通管(或传热流体流通管，因为某些情况下流体可能被加热而不是被冷却)202的龙骨冷却器200，该流通管的横断面大体上为矩形。集管204为龙骨冷却器200整体的一部分。管子202包括内部或内层冷却剂流通管206和最外部或外层管208。带短管31和螺纹连接头29的管口27同前面说明的一样，而且连接在集管上。集管204包括一上壁或顶210，一个斜面的密闭末端部分212，末端部分有一个末端壁214横向于(最好还垂直于)上壁210，一个斜面状的底壁216，始自末端壁214，结束在一般说来较平的低壁217。斜面状壁216的长度(从末端壁214至低壁217)应比末端壁214的高度要大。外部或最外层矩形流通管208的内壁218(图6-7)有一个孔板(孔)220(按集管每根管208一个)用作在集管204的箱室内与外部流通管208之间流动的冷却剂流通口(箱室由上壁210，倾斜面或内端或入口端部分229，斜面状底壁216，低壁217及末端壁214围成)，集管204还有一个阳极构件222(图6所示)，用于减轻龙骨冷却器的腐蚀。

阳极构件222包括钢质阳极塞栓223，与作为集管204的一部分的阳极嵌件224相连，阳极安装螺钉242，锁紧垫圈246(图11)及阳极棒228，一般用锌制成。阳极嵌件、阳极塞栓和阳极棒与现有技术无异，但为清晰起见，在图3和4中省略。然而，阳极构件的位置改变了，以下将解释。

特别要考虑局部剖面图图7，龙骨冷却器200包括矩形管202，其包含内管206和最外管208，以及最外管的内壁218(带孔220)。内管206的开孔端或进口在图中的编号为227。管206透过集管204另一侧的倾斜面229(图6)于斜面状壁216处与集管204相交。外管208有外壁230，它一部分也是集管204的侧壁。一个与垫片36形式及作用均相似的垫片232位于顶板210。

本发明的一个很重要的部分是斜面状密闭端部分212。斜面状密闭端部分212及斜面底壁216为该龙骨冷却器提供了多种重要的优点。首先，由于如图所示的呈斜面状，它提高了从导热管202到管口27的连续冷却剂物流(此时管口27为出口管口)，或者提高了从管口27到管202的物流，此时管口27为入口管口。当管口27为进口时，斜面壁216与带角度的表面协同，引导冷却剂流入孔220和开口227，即斜面壁216将自然流动的冷却剂从管口27导向至220和管开口227。可以看出，斜面端部分212要么将冷却剂更均匀地在进口227与管202间分配(包括外管208内壁218内的孔220)，或者从管202将冷却剂从排放至管口27，此时管口27为出口管口。最外管中冷却剂流量的增加改善了所有管子间的冷却剂流量分配，这降低了整个系统的压降，提高了通过管202和集管204的壁的冷却剂与环境水间的热传递。例如，一个带有8根矩形管的龙骨冷却器，管子的外部尺寸为高2 1/2英寸、宽1/2英寸，龙骨冷却器安装在航速为2海里的轮船上，其外管中冷却剂的流量比图3-5所示的流量分布不好的应用现有技术的尺寸相同(管子根数和长度一样)的换热器在相应的换热条件下的流量增加35％。另外，由外管传递的热量在同等条件下较图3-5所示的现有龙骨冷却器提高了45％。在一个特例中，整个系统的热传递总量较图3-5所示的设备提高17％。如同下面解释的，对于双程系统，预计相对于现有技术的改进会更显著。而且，以后会讨论到，高冷却剂流量时现有技术呈现的缺陷也不会以同等程度体现在本发明之龙骨冷却器上。

斜面壁216的角度是本发明的一个重要部分。如同此处要讲的，这个称为θ的角，在位于集管204密闭端部分且垂直于冷却剂流通管202径向方向的平面内适当测量，跨越管206端部或开口间的空间，即从末端壁214到斜面壁216。角θ为外角，因为它在端壁214和斜面壁的外部：角的测量是从垂直于流通管202和顶壁210径向轴的平面上，沿着位于斜面底壁216开始处的末端壁214。确定角θ的影响因素是考虑维持管口间距中心点的间距，以及维持龙骨冷却器的总体长度，在集管下面提供竖直落差以便集管能装得下阳极嵌件，控制阳极构件不要向超出壁214的纵向延伸，使传热管的长度为最大(并使集管长度相应缩短)。角θ可以受孔板220的大小的影响，但一般说来，在孔板能对其有影响之前，其它因素已限制了角θ的大小。

斜面壁216的另一个重要方面是其引导环境水流在冷却剂流通管202的外壁及其之间流过的方式，以增强管内冷却剂与外界环境水间热传递的方式。回想一下，图3-5所示的现有技术的内容，当轮船行驶通过环境水使，直立壁34使环境水转向，这样环境水在很大程度上绕过而不是在各矩形管27之间或之上流过。

人们希望不要毫无必要地再加大龙骨冷却器的深度，使其少与水中的杂物碰撞，少与水下物体或轮船底面即底部下的地面碰撞。有鉴于此，阳极构件222最好安装在斜面壁216上。如图6和11所示，阳极构件222的阳极棒228由阳极螺钉242连在斜面壁216上，阳极螺钉242延伸通过锁定垫片246并进入阳极嵌件224。阳极嵌件224自壁216延伸进入集管204。这样缩短了现有技术中阳极构件的深度，在现有技术中阳极构件从低壁217延伸。

图10和11更清楚地表示：排泄栓(塞)244也最好安装在斜面壁216上，以避免栓塞244与水中杂物相撞或碰上底部。更重要的是，位于斜面壁表面上的排泄栓与阳极同环境水的流动方式少有冲突(图12，箭头B)。排泄栓244延伸进入作为集管的一部分的排泄栓嵌件。在现有技术中，排泄栓224将从低壁217处延伸。

参见图12，它表示的是龙骨冷却器200的侧视图，箭头B表示龙骨冷却器通过环境水向右移动时环境水流过龙骨冷却器200的流动方式。箭头B显示水撞击斜面壁216，绕流过斜面壁，而且由于压力下降，沿着斜面229，向上在冷却剂流通管202之间流动。此流动为湍流，与图3-5所示的现有技术相比，极大地增加了导热管的热传递，换热器的效率和效果更好。另外，将排泄栓244和阳极棒228置于斜面壁216上，使其与箭头B所示的环境水流方式干扰较小。这有利于改善热传递效率。

根据本发明的龙骨冷却器的用途与在现有技术中的用途相同，其结合了由一排相互平行的冷却剂流通管相连的两个集管。根据本发明的一个代表性的龙骨冷却器如图13所示，其中龙骨冷却器200’与图7所示的一样，有相对的集管204，图中的集管与图7中的数目相同。热的冷却剂从轮船中的一个热源流入管口27，然后流过一个集管204，冷却剂管202，另一个集管204，另一个管口27，然后被冷却的冷却剂流回轮船内的热源。当冷却剂流过集管204和冷却剂流道管202时，传热给环境水。斜面壁216的所有优点都应用在龙骨冷却器200’上。

正如前面提到过的，孔220的大小是新型龙骨冷却器及新型集管的一个重要因素。人们希望孔要足够大，不要影响流向龙骨冷却器的外传热管208的冷却剂流量，并使斜面壁216、面229内部和进口227交界处的流量平衡。已经发现，当制作时孔220与其低延(壁216、217及表面229低端内部，如图6所示)相邻的壁间应留有1/8英寸的间距，作为制作余量，最好将孔220钻入或切割进入壁218，冷却剂要流入靠近壁218底部而不是顶部的外管208，这很重要。孔220顶端与顶板210间的距离并不很关键。适当的孔板220的尺寸及放置会降低冷却剂在龙骨冷却器200整个系统中的压降，平衡多级管子之间的流量，并进而提高通过外管并整个装置的热传递。

虽然此处讨论的实施例为一斜面龙骨冷却器，而按照本发明，图3-5中所示的应用现有技术的整体龙骨冷却器中到最外管的孔板的位置和尺寸都被极大地改善了。图14表示的是龙骨冷却器及外层冷却剂管与图5所示的基本一致(对应的部分编码相对应)，不同的是孔69由孔221取代。孔221更靠近冷却剂内管的开口，更低，其尺寸放的更大，在壁67上允许的区域内尽可能地大。重新就位并放大的孔使得更多的冷却剂流体流经外层冷却剂管(或从其流出，如果物流是从管口27出来)。下一段将要讨论，孔221的应用，降低了冷却剂的压降，平衡了冷却剂在冷却剂管间的流动，并因此提高了龙骨冷却器(或其它换热器)的热传递。

事实上，已经发现，只要保持孔在集管内的壁上，圆形孔的孔径尽可能地大，就可以提供期望的冷却剂流量进入外管，同时又能使适量的冷却剂流入内管。也可以提供一个以上的孔，如图15所示，其中所有的组件与图6-12中的编号与名称相同，不同的是有些带有一撇(’)，因为角θ改变为40度，壁214’较214大，斜面壁216’较216短，壁218’的结构是由壁218改造而来。孔220由两个孔220’和220”替代。还有就是，阳极构件222及排泄栓移动到集管204’的较低的壁217’。管202也随集管204’变化而移动。

孔被表示为一个或多个圆形孔，因为圆形孔相对容易提供。然而，非圆形孔也在本发明的范围之内，壁218的长度可以调整(如图15中的218’所示)。

孔220的尺寸和位置的重要性还体现在其它方面。迄今为止，只对单程龙骨冷却器作了说明。与孔的尺寸和位置相关的问题在多程系统或多系统组合中可能会更突出，下面将讲到。在双程系统中，进出管口置于一个集管内，冷却剂通过进入管口流入集管，通过始自第一个集管的第一组管子进入第二个集管(没有管口)，然后以较低的压力通过第二组管子流回，最后，通过出口管口从集管流出。参见图16和17，表示的是本发明的双程龙骨冷却器300。龙骨冷却器300有两组冷却剂管302，304，一集管306和一相对的集管308。集管306有进口管口310和出口管口312，通过垫片314延伸。垫片314位于集管306的顶壁316上。另一个集管308没有管口，但有两根双头螺栓318，320用于将龙骨冷却器的集管308所在部分与轮船壳体连接起来。来自轮船发动机的热冷却剂进入管口310，如箭头C所示，冷却后的冷却剂如箭头D所示通过出口管口312从集管306返回到发动机。外管322，324与图7，8和11中的外管208很相似，与孔220对应的孔将冷却剂导入管322，并导出管324。另外，管326用作分离器管，从集管306向集管308传输流进的冷却剂，它有一个孔(没标出)，用于在高压下为分离器管326从集管306的一部分接收冷却剂，下面将要讲到。类似地，用于传送来自集管308的冷却剂的回流分离器管327也在集管306内有一个孔板328。

由于空间限制或出于装配的考虑，有时(见以上说明)有必要拆除内壁或内管的一部分，而不是拆除一个或另一个孔。还有些其它情况，就是用一块分离器板和标准角度内管替代分离器管。

龙骨冷却器300有一组冷却剂管302，用于从集管306到集管308传载热的冷却剂，冷却剂的流向经集管308转向180度，然后冷却剂进入第二组管子304，将被冷却的冷却剂(部分)回流到集管306。这样，高压冷却剂通过管302从集管306流到集管308，冷却剂然后通过管304返回，再通过管口312到轮船的发动机或其它热源。在集管306内的管326和327的壁334和336(图17所示)是整体连续的，相当于分离器，防止进入冷却剂管302的热冷却剂与从管304流过的冷却的冷却剂混合。在两个方向，通过管子的流量相当均衡。在现有技术条件下，不能产生如此有效地系统，因为跨越所有六个(或现实设想可能的数量)孔板的压降使得前期龙骨冷却器由于不好的冷却剂分配所致的过于低效而不能够在没有增加相当的安全因素条件下进行操作。也就是说，要做成双程系统，带双程布置的现有整体龙骨冷却器需比本发明的设备大到20％，才能提供足够的换热表面，以资维持可接受的压降条件下从冷却剂中带走所要求的热量。

图16所示的龙骨冷却器系统有8根流通管。然而，双程系统可适用于任何偶数根管子的情况，尤其是那些两根以上的情况。目前的龙骨冷却器的管子多达24根，但按照本发明，管子数有可能进一步增加。这些可以是两程以上的龙骨冷却器。如果程数为偶数，两个管口位于同一个集管。如果程数为奇数，每一个集管上都有一个管口。

本发明的另一个方面如图18所示，表示的是一个多系统组合龙骨冷却器，迄今为止，整体龙骨冷却器在实际是不能实现这种组合。多系统组合可用于两个或以上热源的冷却，如两个相对较小的发动机或一个轮船上的后冷却器和齿轮箱。尽管图18所示的实施例为双龙骨冷却器系统，但根据实际情况可以增加，下面要讲到，本发明使多重系统较之以前更为有效。这样，图18给出了一个多重系统的龙骨冷却器400。龙骨冷却器400有一组带有外管404和406的传热或冷却剂管402，外管404和406内壁上装有尺寸与位置均与本发明实施例中描述的孔。对于两个单程、多系统组合，龙骨冷却器400有相同的集管408和410，各自的进口管口412、416，各自的出口管口414、418，各集管408和410的管口根据其流动方向可以互换，或者一个可以是对应集管的进口管口，而另一个是其出口管口。冷却剂流经管口的方向如箭头E、F、G和H所示。一组用于在管口414和416之间传导冷却剂的管子420始于外管404，终止于分离器管422，一组管子424在管口414和416之间延伸始自外管406，直到分离器管426。相邻的管子422和426的内壁为连续的整体，在集管408和410的端壁之间伸展。这些壁形成了系统的分离器，阻止冷却剂越过这些壁，这样，管子420实际上形成了一个龙骨冷却器，而管子424实际上形成另一个龙骨冷却器(与其各自的集管一起)。龙骨冷却器400具有如早前提到的斜面状密闭端部分428、430。这种类型的龙骨冷却器较两个单独的龙骨冷却器更为经济，因为只需要两个而不是四个集管，这样就节省了。多个龙骨冷却器可有各种组合。可以有两个或以上的单程系统，如图18所示。

可以有一个或以上的单程系统和一个或以上的双程系统的组合，如图19所示。在图19中，龙骨冷却器500有一个单程龙骨冷却器部分502和一个双程龙骨冷却器部分504。龙骨冷却器部分502的功能如图6-11所说明的，龙骨冷却器部分504的作用参照图16和17的说明。图19给出了用于一个换热器的双程系统，可以添加另外的双程系统。

图20所示的是龙骨冷却器600，它有两个双程龙骨冷却器部分602和604，两部分可以一样，或者有不同的能力。其作用参见图17和17的说明。多级冷却器组合是现有技术不具备的一个强势特点。对特殊分离器/管子设计的改造来说，改善了热传递和流量分布，同时减小了压降。

前面讲到的龙骨冷却器有管口将传热流体输入或输出龙骨冷却器。然而，还有其它的方法将流体输入或输出龙骨冷却器；例如，在龙骨冷却器中安装的法兰，有一个或以上的导管如管道从船体或从带有连接法兰的龙骨冷却器延伸，建立起传热流道。一般法兰之间加垫片。还可有其它方法将轮船中的龙骨冷却器连接到船上的冷却剂管道系统。本发明不受龙骨冷却器与冷却剂管道系统的连接类型的限制。

至此，已对本发明进行了说明并特别阐述了优选实施例。但应该理解，本专业技术人员可能会在本发明的精神和范围内对其进行改变或修改。

Claims (22)

1.一种用于换热器的集管，所述换热器有多个通常断面为矩形的管子，管子包括一对最外管和至少一根在最外管之间的内管，内管有冷却剂口，所述集管包括：

一个上壁，包括末端部分，与之对应的侧部，一个内部部分以及一个进口/出口开口部分，允许冷却剂在进/出口和所述集管之间流动；

一个底壁，包括末端部分，与之对应的侧部和内部部分；

连接所述上壁的和所述底壁的末端部分的末端壁；

在所述底壁和所述上壁的内部部分之间延伸的倾斜面，包括至少一根通向集管的内管的开口端；以及

在所述上壁和所述低壁的侧部之间延伸的侧壁，所述侧壁为换热器最外管的延伸，包括一个最外壁和一个内壁；

所述侧壁、上壁、端壁、底壁以及倾斜面的内壁构成一个集管箱室；

每个所述侧壁的所述内壁均有孔板装置，以允许冷却剂在所述集管和各自的外管间流动，所述孔板设施的位置应至少一部分在倾斜面之上，而且至少一部分在所述进/出口之下。

2.根据权利要求1所述的集管，其中所述孔板装置尽可能做成孔板设施所在位置所能允许的面积最大的圆形孔。

3.根据权利要求1所述的集管，其中所述孔板装置为一圆形孔。

4.根据权利要求1所述的集管，其中所述孔板装置为多个孔。

5.根据权利要求1所述的集管，其中所述孔板装置基本上充满了所述集管箱室的内壁。

6.根据权利要求1所述的集管，其中所述孔板装置有各种形状，足够大，以使对液流的限制为最小。

7.根据权利要求1所述的集管，其中所述的上壁一般位于一个平面里，所述底壁根据上壁做成斜面状，而且所述底壁自所述倾斜面的较低的部分与所述端壁的较低部分的交界处延伸；以及

其中所述的孔板设施位于所述倾斜面的较低部分与所述底壁的交界处以上。

8.根据权利要求7所述的集管，其中所述孔板设施为圆形孔，一般与所述底壁相切。

9.根据权利要求7所述的集管，其中所述孔板装置为圆形孔，其大小为所述集管箱室的内壁内可行的最大尺寸。

10.根据权利要求7所述的集管，其中所述孔板装置为能够有效地避免对流体流动的限制的、足够大的任意形状。

11.根据权利要求1所述的集管，其中平行管道有一个内部横断面，而所述孔板设施的面积至少是每根所述平行管道的横断面面积的1.5倍。

12.根据权利要求1所述的集管，其中所述带有所述孔板装置的侧壁上有一内部横断面，而所述孔板装置的面积至少是所述横断面积的1.5倍。

13.根据权利要求11所述的集管，其中所述孔板装置的面积约为每根平行管道的面积的两倍。

14.根据权利要求7所述的集管，还进一步包括位于所述斜面底壁上的阳极构件。

15.根据权利要求14所述的集管，其中所述阳极构件有一阳极棒位于底板的外侧，而且所述阳极棒不会延伸超过所述端壁。

16.根据权利要求7所述的集管，其中所述集管包括一个排泄构件，包括在斜面底壁上的排泄口和可以置入排泄口内的排泄栓，所述排泄栓从斜面底壁向外延伸。

17.根据权利要求16所述的集管，其中所述排泄栓不会延伸到所述倾斜面和所述底壁的交界处之下。

18.根据权利要求1所述的集管，其中所述的进/出口开口是一个可以接到管口上的开口，而进/出口本身是管口。

19.一种用于换热器的集管，所述换热器有多个一般为矩形横截面的平行管道，所述集管包括：

一个一般为平面的包括有末端部分的上壁，与之对应的侧部，一个内部部分和一个进/出口开口，允许冷却剂在进/出口和集管间流动；

带有末端部分的底壁，与之对应的侧部和内部部分，所述底壁根据所述上壁做成斜面状；

连接所述上壁和底壁的末端部分的端壁；

在所述底壁和所述上壁的内部部分间伸展的倾斜面，所述倾斜面可使多重管道中的至少一根进入所述集管，所述倾斜面和所述底壁在交界处汇合；

所述的壁在所述上壁和所述低面的侧部间延伸；还有

延伸通过所述斜面底壁的排泄栓。

20.根据权利要求19所述的集管，其中所述排泄栓不延伸到所述底壁和所述倾斜面的交界处之下。

21.根据权利要求19所述的集管，其中所述进/出口开口为可接在管口上的开口，而进/出口本身是管口。

22.一个整体换热器，包括：

纵向延伸的多重冷却剂流通管道，用于从热源传送冷却剂流体，将热量从冷却剂流体传送到流体冷源，并且将冷却的冷却剂流体返回到热源，所述冷却剂流通管带有内管和外侧管，所述内管有至少一组开口端相互邻近；和

与所述冷却剂流通管在所述管道的所述开口端处连接的集管，所述集管有一个进口末端部分，用于从冷却剂流通管处通过所述开口端接收和/或输送冷却剂，一个与所述进口末端部分相对应的密闭端部分延纵向穿过所述冷却剂流通管，带有冷却剂流入流出所述集管的开口的上壁，由所述外侧管延伸部分组成的侧壁，每个所述侧壁包括一个外壁和一个内壁，所述内壁有孔板设施用于冷却剂在所述集管和所述外管间流通，外管的内壁为延伸部分，所述孔的位置至少一部分在所述进口端部分以上，而且至少一部分在所述开口处以下。

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