均化设备、热交换器组件及均化流体流中温度分布的方法

摘要

一种特别适于均化离开热交换器的流体流中的温度分布的均化设备（10），一种热交换器组件以及一种均化流体流中温度分布的方法。所述均化设备（10）包括具有流体流动通道（14）的主体（12），所述流体流动通道（14）延伸通过所述主体（12）。所述均化设备（10）进一步包括流动控制设备（20），该流动控制设备（20）被设置在所述流体流动通道（14）中并被构造为在流动通过所述流体流动通道（14）的流体流的外层（32）中诱发旋涡（S），同时所述流体流的内层（34）的流动特性基本保持不受所述流动控制设备（20）的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种均化设备、一种包括均化设备的热交换器组件及一种均化流体流 中的温度分布的方法。

背景技术

离开热交换器的流体流通常显示在热交换器的出口面的一边到另一边的温度梯 度，这可能影响热交换器下游的感应温度测量的准确度。而且，从热交换器的出口面 的一边到另一边的温度梯度可能妨碍将离开热交换器的主流体流分为具有基本相同的 温度的两个或更多分流体流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种均化设备，该均化设备允许离开热交换器的流体流在 热交换器的出口面的一边到另一边的温度分布快速且可靠的均化，而不引起流体流中 过多的压力损失。进一步，本发明的目的在于提供一种包括这种类型的均化设备的热 交换器组件。最后，本发明的目的在于提供一种方法，该方法设备允许离开热交换器 的流体流在热交换器的出口面的一边到另一边的温度分布快速且可靠的均化，而不引 起流体流中过多的压力损失。

这些目的通过具有如下特征的均化设备、具有如下特征的热交换器组件以及具有 如下特征的均化流体流中的温度分布的方法而实现。

根据本发明的均化设备包括具有流动通道的主体，流动通道延伸通过主体。该主 体例如可至少部分地由热交换器的集管形成，特别是设置在热交换器的出口区域中的 热交换器集管。然而，替代地，该主体至少部分地还可由在热交换器出口下游延伸的 管形成。然而，也可想到，该主体包括由热交换器的集管形成的第一部分和由在热交 换器的下游延伸的管形成的第二部分。

均化设备进一步包括设置在流体流动通道中的流动控制设备。该流动控制设备被 构造为在流动通过流体流动通道的流体流的外层中诱发旋涡，同时流体流的内层的流 动特性基本保持不受流动控制设备的影响。流动控制设备未必被构造为完全不影响流 体流内层的流动特性。替代地，当然能想到，例如当流体流通过流动控制设备的下游 区域时，流动控制设备影响流体流内层。然而，在根据本发明的均化设备中，流动控 制设备被构造为在流体流的外层中诱发旋涡，同时至少对于某一时段和/或至少沿流体 流动通道的某一长度，流体流内层的流动特性保持不受流动控制设备的影响。

在根据本发明的均化设备中，流动控制设备诱发流体流的外层相对于流体流的内 层的旋转运动。因此，流动控制设备对于均化流体流中显示在流体流的横截面的一边 到另一边的温度梯度（即，沿基本垂直于流体流的流动方向的方向的温度梯度）的温 度分布特别有效，因为流体流中显示最大温差的区域通过流体流的外层相对于流体流 的内层的旋转运动而彼此紧密接触。与流体流的外层中存在的温差相比，流体的内层 中的温差相对较小。因此，至少对于某一时段和/或至少沿流体流动通道的某一长度， 流动控制设备基本不影响流体流内层的流动特性的事实基本不会削弱流动控制设备的 均化效果。替代地，流动控制设备的构造确保由均化设备引起的流体流的压力损失被 限制。

因此，根据本发明的均化设备允许流体流中显示沿基本垂直于流体流的流动方向 的方向的温度梯度的温度分布的快速且可靠的均化，并因此特别适于均化离开热交换 器的流体流。同时，由均化设备引起的流体流中的压力损失特别低。当根据本发明的 均化设备被用于均化离开热交换器的流体流的温度分布时，能改善热交换器的下游的 流体流的温度的感应测量的准确性和可靠性。进一步，在热交换器的下游的流体流应 该被分为两个或更多分流体流时，均化设备确保分流体流具有基本相同的温度。

流动控制设备优选设置在流体流动通道的内壁的区域中。例如，流动控制设备可 被附接到流体流动通道的内壁或与流体流动通道的内壁整体形成。进一步，流动控制 设备优选为不包括可移动元件的静态设备。静态流动控制设备不需要用于驱动流动控 制设备的外部能源的存在。替代地，流动控制设备允许影响流动通过流体流动通道的 流体流的流动特性，例如，以均化流体流中的温度分布，其中影响流体流的流动特性 所需的能量输入取自流体流本身，导致流体流中的压力下降。然而，如上所讨论，在 根据本发明的均化设备中，由于流动控制设备的构造，由均化设备引起的流体流中的 压力损失被限制。

在根据本发明的均化设备的优选实施例中，流动控制设备被构造为使流体流的外 层沿着沿流体流动通道的内壁的螺旋形流体流动路径行进。通过迫使流体流的外层沿 着螺旋形流体流动路径行进，能影响流体流中温度分布的均化的流体流动路径的有效 长度被增加。因此，均化设备的均化效果被增强，而不需要增加均化设备所需的安装 空间。

流动控制设备可进一步被构造为在流体流的外层与内层之间的缓冲层中诱发相干 涡流。例如，流动控制设备的构造可在流体流内层的流动特性不受影响的情况下在流 体流的外层中诱发旋涡的时段之后或在流体流已经在流体流内层的流动特性不受影响 的情况下通过流体流的外层中诱发旋涡所沿的流体流动通道的长度之后，促使在流体 流的外层与内层之间的缓冲层中产生相干涡流。

例如，在流体流的外层与内层之间的缓冲层中的相干涡流可通过流动控制设备诱 发，该流动控制设备被构造为在流体流中引起压差，特别在流动控制设备的下游区域 引起压差。然而，当流动控制设备使流动流的外层沿着螺旋形流体流动路径行进而内 层仍然沿着基本沿流体流动通道的纵向轴线的流体流动路径行进时，或者当流体流的 外层中诱发的旋涡的角速度大于内层的旋转运动的角速度（这例如可以是流动控制设 备的下游区域中的情况）时，也可在流体流的外层与内层之间的缓冲层中诱发相干涡 流。在这种情况下，内层与外层之间的相对运动在外层与内层之间的缓冲层中诱发另 外的旋涡，并因此在流体流的外层与内层之间的缓冲层中产生相干涡流。流体流的外 层与内层之间的缓冲层中的相干涡流的产生进一步改善均化设备的均化效果。优选地， 涡流的直径达到流体流动通道的直径的尺寸的一半，导致均化设备的最佳均化效果。

流体流动通道可包括具有第一流动截面的第一部分和具有比第一流动截面小的第 二流动截面的第二部分。例如，流体流动通道的第一部分可由热交换器的集管限定， 流体流动通道的第二部分可由在热交换器下游延伸的管限定。

根据本发明的均化设备的流动控制设备可包括从流体流动通道的内壁延伸到流体 流动通道中的至少一个流动控制叶片。流动控制叶片可被附接到流体流动通道的内壁 或与流体流动通道的内壁整体形成。优选地，至少一个流动控制叶片的内边缘区域被 布置为与流体流动通道的中心轴线相距预定距离。流动控制叶片的这种设计确保至少 对于某一时段和/或至少沿流体流动通道的某一长度，流动通过流体流动通道的流体流 的内层基本保持不受流动控制设备的影响，但是流动控制设备在流体流的外层中诱发 旋涡。流动控制设备还可包括多个流动控制叶片，例如，沿流体流动通道的周边分布 的四个流动控制叶片。

流动控制设备的至少一个流动控制叶片可相对于流体流动通道的内壁倾斜。具体 而言，流动控制叶片的第一主表面与流体流动通道的内壁之间限定的角度可小于 90°，并且流动控制叶片的第二主表面与流体流动通道的内壁之间限定的角度可大于 90°。流动控制叶片的主表面可基本平行于流体流动通道的纵向轴线延伸，即基本平 行于在流动控制设备的上游流动通过的流体流动通道的流体流的流动方向延伸。包括 至少一个倾斜的流动控制叶片的流动控制设备适于在流体流中受到流动控制设备影响 的层中诱发旋涡，即旋转运动，从而流体流的外层沿着沿流体流动通道的内壁的螺旋 形流体流动路径行进。

替代地或除此之外，流动控制设备的至少一个流动控制叶片可被设计为使得流动 控制叶片的主表面中的一个被提供具有凹曲度。优选地，流动控制叶片被设计为使得 其主表面中的一个被提供具有凹曲度，而其主表面中的另一个显示凸曲度。弯曲的流 动控制叶片有助于在流体流的受到流动控制设备影响的层中产生旋涡。

在流动控制设备的下游端的区域中，流体流的外层逐渐与内层相互作用，促使外 层与内层之间的缓冲层中的涡流的形成。进一步，由于至少一个流动控制叶片的上述 设计，流体流的外层与内层之间的压力差产生，特别在流动控制设备的下游，这有助 于流体流的外层与内层之间的缓冲层中的相干涡流的产生。

在流体流动通道包括第一部分和第二部分的情况下，流动控制设备的至少一个流 动控制叶片可包括设置在流体流动通道的第一部分中的第一部分和设置在流体流动通 道的第二部分中的第二部分。优选地，流动控制叶片的第一部分和第二部分的设计适 于流体流动通道的第一部分和第二部分的流动横截面。具体而言，流动控制叶片优选 被设计为使得流动控制叶片的第一部分的内边缘区域与流动控制叶片的第二部分的内 边缘区域被布置为与流体流动通道的中心轴线相距基本恒定的预定距离。流动控制叶 片的该设计确保流动通过流体通道的流体流的内层基本保持不受流动控制设备的影 响，虽然流体流动通道的第二部分的流动横截面小于流体流动通道的第一部分的流动 横截面。

根据本发明的均化设备的流动控制设备可包括提供在流体流动通道的内壁的区域 中的第一螺旋形槽。该槽可与流体流动通道的内壁整体形成或可由附接到流体流动通 道的内壁的槽形部件限定。形成在流体流动通道的内壁中的螺旋形槽在流动通过流体 流动通道的流体流的外层中诱发旋涡，即旋转运动，而至少对于某一时段和/或至少沿 流体流动通道的某一长度，流体流的内层基本保持不受影响。进一步，流体流的外层 在流动通过槽时沿着沿流体流动通道的内壁的螺旋形流体流动路径行进。在槽的下游 端区域中，外层逐渐与内层相互作用，促使在外层与内层之间的缓冲层中形成涡流。

流动控制设备可进一步包括提供在流体流动通道的内壁区域中的第二螺旋形槽， 从而第一螺旋形槽的绕组（winding）与第二螺旋形槽的绕组交替地提供在流体流动通 道的内壁的区域中。为流动控制设备提供两个槽允许进一步增加用于流体流的外层的 流体流动路径的长度，并因此增强流动控制设备的均化效果。第一螺旋形槽的上游端 可被设置在流体流动通道的适于具有第一温度的流体流动通过的第一区域中，并且第 二螺旋形槽的上游端可被设置在流体流动通道的适于具有第二温度的流体流动通过的 第二区域中。槽的这种设计确保具有第一温度的流体与具有第二温度的流体紧密接触， 由此均化流体流中的温度分布。

包括至少一个螺旋形槽的流动控制设备优选设置在流体流动通道的第二部分中。 特别地，螺旋形槽可设置于在热交换器的下游延伸并具有圆形横截面的管的内壁区域 中。

根据本发明的均化设备的流动控制设备可包括从流体流动通道的内壁延伸的至少 一个流动控制叶片或提供在流体流动通道的内壁的区域中的至少一个螺旋形槽。然而， 还可想到均化设备的流动控制设备被提供有从流体流动通道的内壁延伸的至少一个流 动控制叶片和提供在流体流动通道的内壁的区域中的至少一个螺旋形槽。例如，流动 控制设备的至少一个流动控制叶片可至少部分地设置在流体流动通道的第一部分中， 流动控制设备的至少一个螺旋形槽可形成在流体流动通道的第二部分的内壁中。

根据本发明的热交换器组件包括至少一个热交换器和如上所述的均化设备。均化 设备设置在热交换器的出口处并用于均化离开热交换器的流体流中的温度分布。均化 设备可至少部分地整合到热交换器中。例如，均化设备的流动控制设备可至少部分地 设置在热交换器的集管中。

在根据本发明的均化流体流中的温度分布的方法中，流体流被引导通过流体通道， 该流体通道延伸通过主体。进一步，通过设置在流体流动通道中的流动控制设备在流 动通过流体流动通道的流体流的外层中诱发旋涡，同时至少对于某一时段和/或至少沿 流体流动通道的某一长度，流体流的内层的流动特性保持不受流动控制设备的影响。

优选地，使流体流的外层沿着沿流体流动通道的内壁的螺旋形流体流动路径行进。

优选地，在流体流的外层与内层之间的缓冲层中诱发相干涡流。

如上所述的均化设备、热交换组件和/或均化流体流中的温度分布的方法特别适于 在飞机中使用，特别适于均化离开安装在飞机上的热交换器的流体流中的温度分布。

附图说明

现在参照所附示意图更详细地描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出离开安装在飞机上的热交换器的流体流中的温度分布；

图2示出用于均化离开热交换器的流体流中的温度分布的均化设备的第一实 施例的三维视图；

图3示出由根据图2的均化设备在流体流中诱发的流动特性；

图4示出用于均化离开热交换器的流体流中的温度分布的均化设备的第二实 施例的第一个三维视图；

图5示出根据图4的用于均化离开热交换器的流体流中的温度分布的均化设 备的第二实施例的第二个三维视图；

图6示出由根据图4和图5的均化设备在流体流中诱发的流动特性；以及

图7示出根据图2、图4和图5的均化设备对离开热交换器的流体流中的温度 分布的影响。

具体实施方式

图1示出离开安装在飞机上的热交换器的流体流中的温度分布。由图1变得 明显的是，流体流显示在热交换器的出口面的一边到另一边的温度梯度，其中当 流体流离开热交换器的具有第一流动横截面的集管并进入在热交换器的下游延伸 且具有比热交换器集管的第一流动横截面小的第二流动横截面的管时，基本维持 该温度梯度。在流体流中，冷流主要存在于热交换器集管的下部分以及在热交换 器下游延伸的管的下部分中。与此相反，暖流主要存在于热交换器集管和在热交 换器下游延伸的管的上部分中。流体流的中心区域显示中间温度。因此，离开热 交换器的流体流显示在其横截面的一边到另一边的温度梯度，即沿基本垂直于流 体流的流动方向F的方向的温度梯度。

为了均化离开热交换器的流体流的温度分布，可采用图2中描绘的均化设备 10。均化设备10包括具有流体流动通道14的主体12，流体流动通道14延伸通过 主体12。主体12包括热交换器的集管16，特别是布置在热交换器的出口处的集 管16。主体12进一步包括具有圆形横截面并在热交换器集管16下游延伸的管18。 与图1中类似，离开热交换器并流动通过流体流动通道14的流体流的流动方向在 图2中也由箭头F指示。

热交换器的集管16具有比管18的流动横截面大的流动横截面。因此，延伸 通过主体12的流体流动通道14包括由集管16限定并具有第一流动横截面的第一 部分14a。进一步，流体流动通道14包括由在热交换器集管16下游延伸的管18 限定并具有比流体流动通道14的第一部分14a的第一流动横截面小的第二流动横 截面的第二部分14b。

均化设备10进一步包括设置在流体流动通道14的内壁22的区域中的流动控 制设备20。在根据图2的均化设备10的实施例中，流动控制设备20包括从流体 流动通道14的内壁22延伸的四个流动控制叶片24。流动控制叶片24沿流体流动 通道14的周边分布并相对于流体流动通道14的内壁22倾斜，从而由流动控制叶 片24的第一主表面26与流体流动通道14的内壁22限定的角度α小于90°，并 且在流动控制叶片24的第二主表面28与流体流动通道14的内壁22之间限定的 角度β大于90°。进一步，流动控制叶片24被设计为使得其第一主表面26被提 供具有凸曲度，而其第二主表面28被提供具有凹曲度。

流动控制叶片24的第一上游部分设置在流体流动通道14的第一部分14a内， 即，从集管16的内壁延伸。流动控制叶片24的第二下游部分被布置在流体流动 通道14的第二部分14b内，即，从管18的内壁延伸。然而，流动控制叶片24在 流体流流动通过流体流动通道14的流动方向F沿着流动控制叶片24全部延伸部 的内边缘区域30被布置为与流体流动通道14的中心轴线A相距预定距离。

图3中描绘流动控制设备20对流动通过流体流动通道14的流体流的流动特 性的影响。首先，流动控制设备20的流动控制叶片24在流动通过流体流动通道 14的流体流的外层32中诱发旋涡S，即，流体流的外层24相对于流体流的内层 34的旋转运动，参见图3a。由于流体流的外层32的旋转运动，流体流中具有较 高温度的区域与流体流中具有较低温度的区域接触。结果，如图1中描绘的流体 流的横截面的一边到另一边的温度分布被显著地均化。由于流动控制叶片24的内 边缘区域30被布置为与流体流动通道14的中心轴线A相距预定距离，所以流体 流的内层34在通过流动控制设备20的上游部分时保持基本不受流动控制设备20 的影响。因此，流动控制设备20的上游区域中的内层34通常具有基本平行于流 体流动通道14的中心轴线A的流动方向。在任何情况下，流体流的外层32中诱 发的旋涡S的角速度大于内层34的旋转运动的角速度，例如，内层34的旋转运 动在流体流达到流动控制设备20的下游区域时可能产生。结果，使由流动控制设 备20的均化作用引起的流体流中的压力损失最小化。

由于流动控制叶片24的形状和布置，使得流动通过流体通道24的流体流的 外层32沿着沿流体流动通道24的内壁22的螺旋形流体流动路径行进。与平行于 流体流动通道14的中心轴线A延伸的流体流动路径相比，沿流体流动通道14的 内壁22的螺旋形流体流动路径明显更长，而不需要均化设备10具有更大的尺寸 并因此不需要更大的安装空间。然而，流体流中温度分布的均化可沿螺旋形流体 流动路径的全部长度发生，从而可实现流体流中的温度分布的非常有效地均化。

由于流体流的外层32与内层34之间的相对运动并且由于流动控制设备20的 下游区域中存在的压力差，在流动控制设备20的下游的流体流的外层与内层之间 的缓冲层I中诱发相干涡流，参见图3b。因此，在流动控制设备20的下游，流体 流的内层34也包含湍流特性，其进一步改善均化设备10的均化效果。

图4和图5示出均化设备10的第二实施例。根据图4和图5的均化设备10 与根据图2的布置的不同在于：流动控制设备10不再包括从流体流动通道14的 内壁22延伸的流动控制叶片24，而是包括形成在流体流动通道14的内壁22中的 第一螺旋形槽36和第二螺旋形槽38。第一槽36的上游端设置在流体流动通道14 的下部区域中，即，在流体流动通道14中具有较低温度的流体流动通过的区域中。 相比之下，形成在流体流动通道14的内壁22中的第二槽38的上游端被布置在流 体流动通道14的上部区域中，即，在流体流动通道14中具有较高温度的流体流 动通过的区域中。

与根据图2的均化设备10中的流动控制设备20的流动控制叶片24类似，形 成在流体流动通道14的内壁22中的槽36和38首先在流动通过流体流动通道14 的流体流的外层32中诱发旋涡S，而当通过流动控制设备20的上游部分时，流体 流的内层34基本保持不受流动控制设备20的影响，参见图6a。由于外层32相对 于内层34的旋转运动，具有较低温度的流体与具有较高温度的流体紧密接触，导 致流动通过流体流动通道14的流体流中的温度分布的均化。同时，使由流动控制 设备20引起的流体流中的压力损失最小化。

流动控制设备20的上游区域中的内层34通常具有基本平行于流体流动通道 14的中心轴线A的流动方向。在任何情况下，流体流的外层32中诱发的旋涡S 的角速度大于内层34的旋转运动的角速度，例如，内层34的旋转运动在流体流 达到流动控制设备20的下游区域时可能产生。因此，流体流的沿着沿流体流动通 道14的内壁22的螺旋形流体流动路径行进的外层32用作一种用于内层34的“滚 柱轴承（roller bearing）”，导致由槽36、38限定的流线（fluid strand）围绕流线 的中心轴线的旋转运动，其中流线的该旋转运动甚至在槽36、38的下游也能维持。 在流动控制设备20的下游区域，流体流的外层32与内层34之间的相对运动在流 体流的外层32与内层32之间的缓冲层I中诱发相干涡流，参见图6b。因此，在 流动控制设备20的下游区域中，流体流的内层34也包含由流动控制设备20诱发 的湍流特性。结果，能进一步增强均化设备10的均化效果。

图6中描绘根据图2、图4和图5的均化设备10的效果。具体而言，图6显 示流体流中在流体流的横截面的一边到另一边的温度分布（即沿基本垂直于流体 流的一般流动方向F）被基本均化。

在如上所述的均化设备10的示例性实施例中，流动控制设备20包括形成在 流体流动通道14的内壁22中的流动控制叶片24或槽36、38。然而，还能想到为 流动控制设备20提供被提供在流体流动通道14的内壁22中的流动控制叶片24 和至少一个槽36、38。进一步，参照均化设备10的仅一个示例性实施例的上述所 有特征还可用于均化设备10的另一实施例中。