用于调节至少一个定向的流体流温度的换热器和方法 本发明涉及用于调节至少一个定向的流体流温度的换热器和方法。
在此类换热器和调温方法中，定向的流体流与恰当地调好温度的表面接触，所以此流体流可按期望的方式吸收或放出能量。
虽然此表面可按任何适用的方法调节温度，但往往具有此表面的物体通过与第二个有另一种温度的流体流的接触进行调温。另一方面为了调节此表面地温度也可以利用其他已知的热源或冷源，例如加热器或冷却器，尤其还可以利用电的调温装置。
在上述通过第二个流体流调节表面温度的换热器中，人们在交流换热系统与同流换热系统之间加以区别。在交流换热的换热器中，热交换体通过第一表面与第一流体流热接触，以及通过第二表面与第二流体流热接触。基于热交换体的热导率，第一流体流或两个流体流如期望的那样调节温度。
在同流换热的换热器中，热交换体或它的表面交替地与第一和第二流体流热接触。在这里，热交换体与相应的流体热接触的表面或位于此表面周围的部分取相应的流体的温度，并以此方式根据热容量、热导率、有关介质热接触的持续时间等调节一种/多种流体的温度。
为了改善由先有技术已知的换热器的热交换特性，增加换热表面。然而增大与有关流体接触的表面，会引起相应地增加此换热器的流动阻力。
本发明的目的是制造一种按此类型的换热器和提供一种按此类型的调温方法，据此尽管与定向的流体流接触的表面比较大，但换热器的流动阻力仍能尽可能地小。
为达到此目的建议了一种按此类型的换热器，它有至少一个恰当地调好温度基本上相对于自身切向运动的表面或有至少一个恰当地调好温度基本上相对于自身切向运动的表面区，其中，流体流在表面或表面区附近有一个与此表面或表面区的运动方向同向的运动分量。此外，上述目的通过一种按此类型的方法达到，按照这种方法此流体流在紧挨着至少一个恰当地调好温度基本上相对于其自身切向运动的表面或表面区附近被导引，此表面或表面区的运动方向有一个与此流体流同向的运动分量。
表面或表面区的这种切向运动基本上避免形成涡流，涡流必然导致增加换热器的流动阻力。此外，还可以这样来减小形成涡流的危险，即，流体流在表面或表面区附近有一个与表面或表面区的运动方向同向的运动分量。因此降低了在流体流中存在于表面附近的速度梯度，并因而减小了形成涡流的危险。在换热器的恰当设计中可以这样来提高表面或表面区的速度，即换热器至少在热交换体区域内尤其在上述表面或表面区的范围内，定向的流体流的运动没有遇到明显的流动阻力，或甚至促进流体流的运动。
尤为有利的是，换热器有一个以两个恰当地调好温度互相面对基本上相对于自身切向地并互相平行地运动的表面或表面区为界的空间区，流体流通地它流动，在这种情况下流体流在表面或表面区之间有一个与表面或表面区的运动方向相同的运动分量。因此有可能进一步降低在流体内产生的速度梯度，在选择恰当的边界条件的情况下这种速度梯度甚至可降为零。通过表同或表面区平行地切向运动，在表面或表面区之间存在的亦即上面提及的空间区流过的流体流，由于不存在不必要的速度梯度而以特别有利的方式层流地加速。
按本发明的换热器有利的特性尤其可以在下列条件下获得，即表面或表面区之间的距离在1mm和50mm最好在5mm和6mm之间。
虽然，一个/多个运动的表面或运动的表面区可采用任何一种适用的方法，例如通过热传导、电加热器或冷却器、电磁束等，按要求的方式调节温度。但尤为有利的是将按本发明的换热器设计为在第一个流体流与第二个流体流之间进行交流换热，为此使不同的流体流流过不同的空间区以及一个/多个运动表面或运动的表面区至少交替地最好周期性交替地构成这一个空间区和另一个空间区的边界。应当指出，一个/多个表面或表面区间隔地可构成另一个例如没有流过一种流体或没有按本发明的方式流过流体的空间区的边界。
采用比较高的表面或表面区的运动速度以及必要时采用表面或表面区在第一和第二流体流之间相应地高频的周期性变换和/或使具有表面或表面区的物体有尽可能小的质量和热容量，可以保证特别快速的按本发明的热交换。还可以设想，一个/多个表面或表面区的速度选择为比流体速度高得多，以便在形成涡流的危险略有增加的情况下改善换热特性。显然，所选择的速度、材料和质量可按具体要求调整。
上述按本发明的特征可按非常简单的方式实现，只要将一个/多个表面或表面区设在一个转子上。在这种情况下有利的是，转子绕一根垂直于流体流的流动平面的轴旋转。在本发明中作为流动平面被定义为这样一个平面，即在此平面内至少有一条穿过按本发明的换热器的流线。在通过热交换体前或后出现的从此流动平面的偏离则不受上述流动平面的定义的约束。
在结构方面特别有效和特别简单的是，在按本发明的换热器中转子至少包括两个互相隔开距离地绕一根公共轴旋转的盘。尤其是这些盘应基本上互相平行排列。因此盘的几乎整个表面可用于热交换。要调节温度的气流以这样的方式导向互相隔开距离的旋转盘，即，使流体入流的流线垂直于盘轴线。此外，流体入流这样定向，即盘沿流动方向旋转的部分或位于这些部分之间的空间区的绝大部分被此流体流的流线通过。由于旋转盘的表面按本发明的方式切向运动并具有一个与流体流一致的分量，所以含有此盘的换热器没有流动阻力或有降低了的流动阻力。
旋转的盘使流体流加速从盘的轴线离开。因此在一个垂直于盘轴线的平面内亦即在流动平面内流线偏转。
虽然旋转盘可用任何一种恰当的方式按要求调节温度。不过特别有利的看来是在一种反向流动的交流换热的换热器中采用这种旋转盘。在这里两个反向的流体入流按上述方式流入旋转盘。因为两个流体流在通过旋转盘时被加速离开盘的轴线，所以通过恰当配置流入或流出喷嘴可以避免两个流体流的混杂。旋转盘或其表面周期性轮流与流体流接触，所以发生了一种在同流换热与交流换热之间的中间换热方式。原则上这种类型的热交换也可以有利地只使用一个旋转盘。应当指出，旋转速度、盘厚、盘直径、盘间距、盘数量可以与由此引起的或所要求的流动状况相比较后加以调整，使两侧的流体出流有相同的温度。已证实在实际上有利的是，盘的间距在1mm与50mm最好在5mm与6mm之间，盘的直径在10mm与1000mm之间，以及盘的厚度在0.1mm与10mm最好在0.5mm与2mm之间。
应当指出，盘并非无例外地必须有相同的厚度。确切地说，可能有利的是，使盘厚沿半径变化，以及通过设计盘的直径使换热器满足流体力学和热力学的要求。也就是说互相面对的表面或表面区并非无例外地必须彼此平行排列，确切地说只要这样做就行了，即它们包围了一个足够的空间区，在此空间区内表面或表面区通过其切向运动按本发明的方式影响流体流。
为避免可能发生的漏流，可在旋转盘之间装设一个定距器，其直径小于盘的直径。由此避免微粒进入表面速度较低的区域内，这种较低的表面速度不能保证有使这些微粒充分偏转的加速度。此外，定距器面朝着这些微粒的表面同样用于热交换和使流体微粒沿要求的方向加速。
如在交流换热时经常发生的情况那样，存在着通过粘附在一个/多个表面或表面区上的微粒漏泄的危险。采用相对于一个/多个运动的表面或表面区固定的恰当的导板，可以使此类漏泄减小到最低程度。尤其是此类导板也可以设计为刮板。
若此换热器沿流动方向有前后布置的轴和绕这些轴线旋转的盘，则可将按本发明具有一个旋转盘的换热器的相对效率提高50％。因此相对效率E取决于轴的数量n并按式E＝100％*n/(n+1)。应当指出，布置多个热交换的表面或表面区以及布置多个沿流动方向前后设置的转子通常均有利于提高按本发明的换热器的相对效率。
为了增加由于表面或表面区切向运动产生的加速度的贯入深度，这些表面或表面区可具有某种结构。在使用旋转盘的情况下，这种结构可例如是在盘内的基本上平行于盘轴线方向的孔。因此应在由于这些表面结构引起的层流流动的干扰与增加贯入深度(假想的粘度增大)之间求得平衡。
业已证明，尤其在使用旋转盘时，运动表面的效率非常高，所以表面或表面区间距可以比较宽。采用表面结构可以进一步增大这种必需的间距。
基于这一因良好的换热特性带来的大的间距，表面或旋转盘可以相隔一个比所有已知的片式或散热片式结构大得多的距离。由此降低了由于按本发明的换热器造成的在流动途径中以不可预见的方式出现的附加影响，所以进一步减少压降和形成流动噪声。尽管按本发明的换热器有运动的部件，但它比较安静，因为这种换热器可以形成一种层流的流体流。
具有按本发明的表面或表面区的热交换体-转子、轮盘等-可以用任何一种适宜的材料制造，尤其是塑料、纸、陶瓷。同样可以有利的是，此热交换体的表面为了影响其热交换和影响流动过程的特性，进行镀层、表面糙化或作其他恰当的处理。
应当指出，按照本发明的换热器可以具有所有由先有技术已知的装置，它们可以配属于或从属于此类换热器，例如附加的鼓风机、加热器、冷却器、加湿器、汽化器、雾化器、冷凝器等。尤其是可设想将按本发明的换热器与由先有技术已知的换热器按有利的方式组合起来，或借助于按本发明的换热器改造由先有技术已知的换热器。
例如在按本发明的一种换热器中，第一流体流和第二流体流通过不同的空间区导引以及一个/多个运动表面或运动的表面区至少交替地构成这一空间区和另一空间区的边界或经过它们，对于这一换热器可以在两个流体流之一进入由它流过的空间区之前加入一种要汽化的液体。汽化所需的能量从此液流提取，从而降低其温度。对此类换热器和对用于调节空气腔温度的此类方法特别有利的是，加入要汽化的液体的流体流是一种气流最好是空气流，以及，要汽化的液体包括形式上为小细滴的水或作为雾供给的水。
具有上述特征的换热器尤其可以有利地用作空气调节器，其中未加入汽化液体的流体流是空气流，它被引入一个供应冷却空气的内腔。在此类换热器中，可以在保持传统的空气冷地原理的情况下，通过加入要汽化的液体取消液体汽化需经过的比较长的距离。尤其是，在此类设计中不存在破坏现有的规程或规范的危险(按照这些规范禁止在内腔空气中添加小液滴)，因为这一液体只加入第二个流体流。所以液体的只是一种不完全的汽化是无害的。尤其是小液滴可能自动到达热交换的表面上。为避免这些小液滴进入导往内腔的第一个空气流中，可将此表面的运动设计成，通过离心力或也可通过上面曾提及的刮板，将小液滴在进入第一流体流中之前从表面上除去。但换热器最好设计成使得只有很少的小液滴沉积在热交换表面上，而当它们与第二个流体流接触期间被汽化。
以此方式设计的空气调节器，尤其由于没有必要有比较长的汽化距离，与由先有技术已知的空气调节器相比，在功率相同和应用相同的空气冷却原理的情况下体积小得多。
以上所述的以及提出权利要求和实施例中说明的按本发明要使用的构件在其尺寸、造型、选材和工艺方案等方面没有规定任何特殊条件，所以在有关的使用领域内现有已知的选择准则可以不受限制地应用。
由下面对附图的说明给出本发明对象进一步的细节、特征和优点，附图表示了按本发明的换热器作为范例的最佳实施形式。其中
图1按本发明的换热器第一种实施形式沿图2中线I-I的剖视图；
图2按图1的换热器沿图1中线II-II的剖视图局部；
图3按本发明的换热器第二种实施形式与图1类似的表示方式；
图4按本发明的换热器第三种实施形式局部断开后的透视图；以及
图5按本发明的换热器第四种实施形式作为空气调节器类似于图1的表示方式。
在按第一和第三种实施例(见图1、2和4)的换热器中，第一个流体入流1和第二个流体入流2供往多个装在轴3上用定距器4隔开间距被马达11(见图4)旋转驱动可绕轴线3旋转的盘5。在它们进行冷却或加热以及必要时加速后，这些流体流作为第二个流体出流6和第一个流体出流7离开盘5之间的区域。
通过两个基本上平行于流动平面和垂直于轴线3布置的侧面边界面12和13构成流体流1、7和2、6侧面的边界(见图4)。在背对轴线3的一侧第一流体流1、7以界壁17为界，第二流体流2、6以界壁26为界。在两个流体流1、7和2、6之间设有两块隔板16和27，隔板16分隔第一流体入流1和第二流体出流6，而隔板27分隔第二流体入流2和第一流体出流7。应当指出，无论是隔板16和27还是侧面界壁12和13均参与热交换。
流体入流1和2这样在盘5上定向，即总是每个盘5或有效盘环的一半流过第一流体流1、7，而另一半流过第二流体流2、6。通过每个盘5的旋转，使每个盘5的每个表面区交替地与第一流体流1、7和第二流体流2、6直接接触。因此流体入流1、2分别定向为，基本上使流体流与旋转盘5的方向有一个同向的运动分量。
第一种实施例的界壁17和26在流体入流1、2区内基本上直线延伸，而这些界壁在流体出流7和6的区域内离开轴线3向外指。因此，再加上隔板16和27的结构，当换热器工作时流体出流7、6在一个垂直于轴线3的平面内倾向于从轴3离开。由此按有利的方式使流体微粒在通过盘5引起的加速度作用下在通过换热器时没有能量损失地在流动方向改变的情况下转移。这样一种角度变化在使用换热器时往往是要求的，这在由先有技术已知的换热器中通常只能通过导流板和在有压力损失的情况下实现。
盘5的半径选择为使它们为每个流体流1、7和2、6的整个横截面构成所有横断的或侧面的边界。
通过旋转盘使各流体流1、7；2、6分别加速从轴线3离开。所以使两个流体流1、7；2、6较好地分开。为了减少可能发生的漏泄，各设两块导板8，它们插在盘5之间直至定距器4，并有助于各流体微粒与盘5分开。
在图1和2中作为示范表示了两个空间区9′和9″，通过此空间区9′和9″流动的流体在此空间区内有一个与设计在盘5上的构成此空间区9′或9″边界的表面的运动同向的速度分量。盘5上在这一时刻构成这一空间区9′边界的表面区，经过一定时间后成为空间区9″的边界。这些边界按本发明的方式周期性地交替。
盘的间距、盘的厚度以及盘的转速相互之间或与流体流1、7；2、6以及与流体入流1、2的具体温度应协调为使流体出流6、7有相同的温度。
在第一种实施例的具体设计中，有35个各相距5mm的盘，盘厚为1mm，直径为200mm，通过一台15W的电动机驱动。盘的本身用聚丙烯制造，有光滑的表面。换热器本身尺寸为215×200×250mm3。在此实施形式中，换热器输送两个各为250m3/h的流体流。表I列出了作为范例的温度状况。
表I T入流1 [℃] T入流2 [℃] T出流6 [℃] T出流7 [℃] 40 20 30 30 20 0 10 10 20 -10 5 5 20 18 19 19 -40 60 10 10
在换热器的第二种具体实施形式中有110个铝盘，盘的直径为350mm，厚度为1mm，彼此的间距为6mm，用一台功率150W的电动机驱动。在换热器尺寸为360×450×900mm3的情况下，通过此换热器可输送两个各为2500m3/h的流体流。表II中表示的温度状况是在这种条件下测得的。
表II T入流1 [℃] T入流2 [℃] T出流6 [℃] T出流7 [℃] 26 10 18 18 20 260 140 140
第二种实施例包括两根沿流动方向前后排列的轴3，盘5和装在盘5之间的定距器4在轴上旋转。此结构与第一种实施例的结构基本一致。不过在此实施例中各取消一块导板8。在分别绕轴线3旋转的盘的布局之间设有一块隔板10，它防止在盘结构之外两个流体流1、7和2、6的掺混。
在此实施例中可以很清楚地看出，通过旋转盘引起的流体流1、7和2、6的加速度使得有可能减小流体出流7或6区域内的通道截面。在图3中用虚线表示了可设想的另一些导板8′。
在此第二种实施例的具体设计中，在两根轴的每一根上装有35个盘，它们各通过一台15W电动机以每分钟2500转驱动旋转。盘用聚丙烯制造，盘厚为1mm，直径为200mm，盘的相互间距为5mm。整个换热器的尺寸为215×220×500mm3，输送各为250m3/h的两个流体流。在表III中表示了选择的温度状况。
表III T入流1 [℃] T入流2 [℃] T出流6 [℃] T出流7 [℃] 0 20 6.8 13.2 -20 40 0 20
第三种实施例的结构与第一种实施例的结构基本一致。显然，如在第二种实施例中那样，其中界壁17和26以及隔板16和27设计成平的。
第四种实施例与第三种实施例一致，其中第一个流体入流1通过供水装置14和两个喷雾用的喷嘴15加入水雾。要汽化的小水滴为了蒸发从流体流1、7吸取能量。小水滴的一部分沉积在旋转盘5上或定距器4沿径向在外部的表面上。旋转盘5和定距器4因而一方面通过沉积在其表面的要汽化的水滴以及另一方面通过已经预冷却的流体流1、7冷却。类似于盘的旋转能防止流体流1、7进入流体流2、6中那样，通过盘5的旋转也避免水进入流体流2、6中。尤其是通过旋转引起的离心力用于达到此目的。以此方式可以利用已知的借助于汽化水雾的冷却方法，不会因此而增加流体流2、6的含水量。此流体流2、6便可输入一个供应冷却空气的内腔。
在具体的设计中，一种按第四种实施例设计的空气调节器有35个聚丙烯盘，盘厚为1mm，盘的直径为200mm以及有光滑的表面，盘的相互距离为5mm，并由一台15W电动机以每分钟2500转的转速驱动旋转。向流体入流1供应形式上为20至50mm3大水滴的水1 l/h。在尺寸为215×220×300mm3时，此空气调节器将250m3/h的一个流体流2、6输入一个内腔。以温度为27℃和相对湿度46％输入的流体流1和2可以此方式在冷却功率为350W和一个COP为COP＝23的情况下使流体出流6为22℃。若流体入流1和2具有温度为35℃和相对湿度为50％，则在冷却功率为400W和一个COP为COP＝26的情况下得到的流体流6的温度为26.5℃。
在按本发明换热器的第五种实施形式中，该换热器的结构与第二种实施形式的基本一致，它通过三台15W电动机以每分钟2500转的转速旋转各有35个聚丙烯盘的三根轴。盘各有厚度为1mm，直径为200mm，盘的相互间距各为5mm并有光滑的表面。在尺寸为215×250×750mm3的情况下，此换热器各输送空气250m3/h。由表IV可见温度状况。
表IV T入流1 [℃] T入流2 [℃] T出流6 [℃] T出流7 [℃] 0 20 5 15 -20 +20 -10 +10 10 50 20 40
符号表1第一个流体入流 9″空间区2第二个流体入流 10隔板3轴(轴线) 11马达4定距器 12侧面界壁5盘 13侧面界壁6第二个流体出流 14供水装置7第一个流体出流 15喷雾用的喷嘴8导板 16隔板8′导板 17界壁9′空间区 26界壁
27隔板