Теплообменник

006026 Настоящее изобретение относится к конструкции с использованием дисперсии тепла типа теплоприемника, теплообменника или радиатора, которая способствует дисперсии тепловой энергии от твердого материала или к нему и оптимизации передачи тепловой энергии к жидкости, окружающей конструкцию, или обратно от этой жидкости (или наоборот) с большей эффективностью, нежели этого удается добиться в современных теплоприемниках или теплопроводных устройствах. Это изобретение можно также применять, когда два твердых или жидких проводника примыкают друг к другу и требуется передача тепла от одного материала к другому. В числе прочих возможных областей применения изобретения можно назвать радиаторы для печатных плат схем электроники, охлаждающие ребра отопительных батарей, компрессоры и двигатели внутреннего сгорания, трубы горячего водоснабжения для отопительных батарей и теплообменников, системы кондиционирования воздуха и охлаждения, плазменные генераторы, а также жидкостные или биметаллические теплообменники. Известный уровень техники Было разработано множество конструкций для оптимизации передачи тепловой энергии между твердым и жидким веществом. Лишь небольшая часть из них используется в теплоприемниках, отопительных приборах, радиаторах автомобилей и теплообменниках систем кондиционирования воздуха. О теплоприемниках речь идет, как правило, применительно к охлаждению твердого материала и связано,главным образом, с расположением ребер охлаждения такой конструкции из твердого материала. Главная задача, которая была поставлена перед подобными устройствами, - это увеличение поверхности теплообмена между твердым материалом этой поверхности и жидкостью, находящейся в контакте этой поверхностью, с тем чтобы можно было увеличить количество тепловой энергии, которая передается жидкости. Хорошо известно, что оребреные конструкции также используются в отопительных приборах, где нагревается жидкость. Автомобильные радиаторы конструируются с расчетом на дисперсию тепла от двигателя в атмосферу путем передачи тепловой энергии вначале от охлаждающего агента к теплообменным элементам радиатора, а затем - от этих элементов непосредственно в атмосферу. Для облегчения этой второй теплопередачи опять же применяются ребра, обеспечивающие увеличение поверхности теплообмена. Похожие конструкции встречаются и в других самых разнообразных системах. Как правило, назначение подобных конструкций, используемых для передачи тепловой энергии между твердым и жидким веществом, состоит в максимальном увеличении поверхности теплообмена между этими веществами. Однако эффективность теплопередачи с помощью таких конструкций зависит также от объема потока жидкости, контактирующей с твердым материалом. Было разработано много конструкций, которые, хотя и давали возможность получить значительную площадь поверхности теплообмена, но при этом не были достаточно эффективными из-за ограничений по объему потока жидкости в такой конструкции. Во многих случаях естественный объем потока усиливался дополнительным нагнетанием жидкости в теплообменник. Общеизвестно, что природа использует самые эффективные системы теплопередачи из всех известных людям. В природе передача тепла происходит неизменно в виде турбулентного потока. В своей самой эффективной форме турбулентность заключается в трехмерном движении единого вихреобразного потока. Такой конвективный поток жидкости приобретает форму равноугольных логарифмических спиралей, у которых коэффициент сжатия или расширения составляет приблизительно 1:0,618, что соответствует хорошо известному Золотому Сечению. В качестве примера такого вращения потока жидкости можно привести торнадо. Другим примером может служить образ пламени и дыма, возникающие при сильных пожарах. Предыдущие технологии этим природным характеристикам потоков уделяли недостаточно внимания. Уже не раз говорилось о том, что природа всегда следует по пути наименьшего сопротивления. Движение и рост в природе подчиняются законам логарифмической и геометрической зависимости - по трехмерному Золотому Сечению или равноугольной спирали. Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить оптимальную теплопередачу путем организации потока жидкости согласно свойствам естественного потока при полном или частичном соответствии с природной равноугольной, логарифмической траекторией движения. Настоящие изобретение использует все преимущества природной геометрии вихревого потока. Вихревые потоки действуют как своего, рода "тепловые насосы", т.е. они могут существовать лишь при наличии разности температур, и наоборот. Изобретение направлено на извлечение максимальной пользы из исключительных охлаждающих свойств вихрей. Их эффективность частично обеспечивается тем, что геометрия вихря может способствовать получению высоких, не турбулентных степеней адиабатического расширения, т.е. тепло может быть отведено или подано в оптимальное время и на оптимальное расстояние. Наиболее простой, основной и распространенной формой вихря является вихревое кольцо или тороид (фиг. 13 и 14). Одно из примечательных и полезных свойств вихревого кольца состоит в том, что оно отличается исключительно малым трением и является быстрым и энергосберегающим способом перемещения жидкостей и тепла. Для оптимизации эффективности охлаждения любого радиатора, теплообменника или теплоприем-1 006026 ника целесообразно создавать, поддерживать и рационально использовать отдельные вихревые потоки. Поток жидкости как внутри, так и снаружи может иметь форму тороида, ячеек Бенара, конвекционного или потенциального вихря. Все они приблизительно согласуются с трехмерным Золотым Сечением или равноугольной спиралью. Прекрасным примером использования этого метода в известных ранее технологиях является вихревая труба Ранка-Гильша (фиг. 13). Полное или частичное применение конструкционных решений вариантов данного изобретения позволяет улучшить эксплуатационные показатели существующих теплопроводных конструкций. Краткое изложение сущности изобретения Таким образом, предметом этого изобретения является теплообменник, имеющий активную поверхность теплопередачи, омываемую потоком жидкости, для осуществления теплообмена между этой активной поверхностью и жидкостью, причем активная поверхность теплопередачи имеет кривизну, которая в значительной степени соответствует как минимум одной из логарифмических кривых, отвечающих правилу Золотого Сечения. Предпочтительным признаком изобретения является то, что активная поверхность теплопередачи в значительной степени соответствует форме вихревой воронки природного вихря, что создает поток жидкости по этой активной поверхности в виде такого природного вихря. Другим предпочтительным признаком изобретения является то, что активная поверхность теплопередачи приспособлена для создания вихревого, вращательного движения потока жидкости, омывающего эту активную поверхность. Согласно одному из предпочтительных вариантов изобретения в теплообменнике есть разделительный барьер между двумя направлениями потоков жидкости для обеспечения теплообмена от одной жидкой среды к другой, при этом обе стороны разделительного барьера имеют активную поверхность теплопередачи. Согласно другому предпочтительному варианту изобретения, теплообменник оснащен одной или более струенаправляющей перегородкой. Согласно одному из предпочтительных признаков изобретения, активная поверхность теплопередачи имеет форму наружной поверхности раковин отряда моллюсков, класс Gastropoda или Cephalopoda. Согласно отдельным вариантам изобретения, активная поверхность теплопередачи имеет форму наружной поверхности раковин, относящихся к родам Volutidea, Argonauta, Nautilus, Conidea или Turbinidea. По дополнительному предпочтительному признаку изобретения активная поверхность теплопередачи имеет форму внутренней поверхности раковин отряда моллюсков, класс Gastropoda или Cephalopoda. Согласно отдельным вариантам изобретения, активная поверхность теплопередачи имеет форму внутренней поверхности раковин, относящихся к родам Volutidea, Argonauta, Nautilus, Conidea или Turbinidea. По дополнительному предпочтительному признаку теплообменник оснащен каналом, как правило,сферической или эллиптической формы, имеющим вход и выход, при этом кривизна внутренней поверхности канала между его входом и выходом соответствует логарифмической кривой, которая в значительной мере или по большей части отвечает характеристикам Золотого Сечения. Согласно следующему предпочтительному признаку изобретения, кривизна активной поверхности теплопередачи является одномерной. Согласно следующему предпочтительному признаку изобретения, кривизна активной поверхности теплопередачи является двумерной. Согласно следующему предпочтительному признаку изобретения, активная поверхность теплопередачи имеет глубину, которая может изменяться в соответствии с правилом Золотого Сечения. Согласно предпочтительному варианту изобретения, теплообменник оснащен теплоприемником, а активная поверхность теплопередачи имеет одну или более струенаправляющую перегородку, выступающую из корпуса устройства, где должен происходить теплообмен. Согласно другому предпочтительному варианту изобретения, активная поверхность имеет конфигурацию морской ракушки. Более полно сущность изобретения явствует из нижеследующего подробного описания конкретных вариантов изобретения: Краткое описание чертежей Фиг. 1 - схема Золотого Сечения, или последовательности Фибоначчи. Фиг. 2 - схематический вид сбоку природного вихря, соответствующего Золотому Сечению. Фиг. 3 - график, показывающий коэффициент геометрической прогрессии структуры вихря Золотого Сечения. Фиг. 4 - вид сбоку в разрезе теплообменника по первому варианту изобретения. Фиг. 5 - вид с торца теплообменника по первому варианту изобретения согласно фиг. 4. Фиг. 6 - вид сбоку в разрезе теплообменника по второму варианту изобретения. Фиг. 7 - вид с торца теплообменника по второму варианту изобретения согласно фиг. 6. Фиг. 8 - вид сбоку теплообменника по третьему варианту изобретения.-2 006026 Фиг. 9 - вид с торца теплообменника по третьему варианту изобретения согласно фиг. 8. Фиг. 10 - вид сбоку теплообменника по четвертому варианту изобретения. Фиг. 11- разрез теплообменника по четвертому варианту изобретения. Фиг. 12 - вид с торца теплообменника по четвертому варианту изобретения. Фиг. 13 - схематическое изображение вихревой трубы Ранка-Гильша. Фиг. 14 - схематическое изображение охлаждающего устройства по пятому варианту изобретения. Фиг. 15 - схематическое изображение охлаждающего радиатора для двигателей внутреннего сгорания и систем охлаждения. Фиг. 16 - крупный план схематического изображения струенаправляющих перегородок в соответствии с одним из вариантов изобретения в том виде, в каком они присутствуют в радиаторе по фиг. 14 и 15. Фиг. 17 - схематическое изображение центра вихревого кольца с иллюстрацией характера вихревого потока жидкости или тепловой энергии. Подробное описание конкретных вариантов изобретения Каждый вариант изобретения относится к теплообменнику, рассчитанному на процесс теплопередачи между твердой поверхностью и жидкостью. Как было указано ранее, все жидкости в природе при естественном движении стремятся перемещаться по спирали или в вихревом потоке. Эти спирали или вихри по большому счету отвечают математической зависимости, известной под названием "Золотое Сечение" или "последовательность Фибоначчи". Каждый из вариантов изобретения предназначен для того, чтобы заставить жидкость перемещаться своим естественным путем, устраняя при этом недостатки, связанные с турбулентностью и трением, какие всегда можно найти в обычных устройствах, широко используемых в теплообменниках такого типа. Разработанные ранее технологии обычно в малой мере согласуются с естественными свойствами потоков жидкости. Теплообменники по каждому из описанных здесь вариантов изобретения во всех отношениях спроектированы по правилу Золотого Сечения, и потому каждый из этих вариантов характеризуется тем, что в теплообменнике создается поток жидкости, направленный по спирали, который, по меньшей мере в общих чертах, отвечает характеристикам Золотого Сечения. Характеристики золотого сечения представлены на фиг. 1, где показана развертка спиралевидной кривой по правилам Золотого Сечения. По мере развертывания спирали, прирост радиуса кривой, который измеряется в равноугольных радиусах (например, Е, F, G, Н, I и J), остается неизменным. Это можно показать в виде треугольного изображения каждого радиуса между каждым последовательным рядом, который отвечает формуле a:b = b:a+b, что соответствует отношению 1:0,618 и это относится ко всей длине кривой. Один из признаков, характеризующих каждый вариант изобретения, состоит в том, что форма изгиба поверхностей, образующих теплообменник, принимает двумерную или трехмерную конфигурацию,которая в значительной мере соответствует характеристикам Золотого Сечения, и в том, что любое изменение площади поперечного сечения потока по траектории движения жидкости также в значительной мере соответствует тем же характеристикам Золотого Сечения. Более того, было обнаружено, что характеристики Золотого Сечения встречаются в Природе в форме изгиба наружных и внутренних поверхностей раковин моллюсков, класс Gastropoda или Cephalopoda. Поэтому один из общих признаков, характеризующих, по меньшей мере, некоторые из вариантов изобретения, состоит в том, что траектория движения потока жидкости в теплообменнике, в принципе соответствует наружной или внутренней конфигурации раковин животных одного или нескольких родов, относящихся к типу моллюсков, класса Gastropoda или Cephalopoda. Была также выявлена особая характеристика потока жидкости, состоящая в том, что, если направить его по спиралевидной кривой со свойствами Золотого Сечения, то поток жидкости, идущий по такой поверхности, будет практически не турбулентным и, как следствие, будет иметь сниженную тенденцию к кавитации. В результате поток жидкости по поверхности оказывается организованным более эффективным образом, нежели наблюдалось ранее в ситуациях, когда траектория движения практически не отвечала принципам Золотого Сечения. Принимая во внимание меньшую степень турбулентности, возникающей в жидкости при ее прохождении по такой траектории, теплообменники с различными вариантами их исполнения обеспечивают более эффективную теплопередачу между твердым и жидким веществом, чем та,которую удавалось достичь ранее при работе с традиционными теплообменниками аналогичных типоразмеров. Поток жидкости по поверхности принимает теперь целенаправленную и целостную форму. Благодаря такой организации предотвращается образование застойных зон и прерывания единообразного потока жидкости, что является распространенной проблемой при использовании традиционных теплообменных систем. На фиг. 4-12 показаны различные варианты изобретения теплообменников. Хотя по внешнему виду варианты различаются, у них есть одна общая черта - работа в качестве теплоприемников. Поэтому на всех указанных чертежах одинаковые элементы обозначены одними и теми же цифрами. По каждому из вариантов изобретения, теплообменник имеет активную поверхность теплопередачи, форма которой приведена в соответствие с центром кавитации вихря либо с центральными спираля-3 006026 ми, как в закрученном листке свитка, конуса или любой морской раковины. Конструкция по каждому из вариантов имеет основание 2, приспособленное для крепления к источнику тепловой энергии для последующего ее потребления. При передаче тепла жидкости, циркулирующей по активной поверхности теплопередачи устройства от основания 2, происходит ускорение ее движения в направлении удаленного конца теплообменного устройства, и по мере такого ускорения жидкость подвергается адиабатическому охлаждению, которое требуется для сохранения разности температур между активной поверхностью теплопередачи и потоком жидкости, что способствует дальнейшему теплообмену. Активная поверхность теплопередачи 1 может быть образована лишь одной струенаправляющей перегородкой или ребром, как показано на фиг. 6, 7, 10, 11 и 12, или же несколькими такими перегородками. Ширина профиля теплообменника 1 может быть также увеличена или уменьшена (как на фиг. 6 и 8, в отличие от фиг. 4) в полном или частичном соответствии правилу Золотого Сечения, в зависимости от конкретных условий эксплуатации. Струенаправляющие перегородки могут быть цельными, полыми или в виде вихреобразных пустот, как показано на фиг. 14 и 16. Теплообменники согласно данному изобретению могут найти применение в самых разнообразных областях. Так, теплоприемники в соответствии с вариантами исполнения, продемонстрированными на фиг. 4, 6 и 8 могут быть спроектированы для охлаждения для самых разнообразных источников тепла,таких как: полупроводники, силовые трансформаторы, холодильные и отопительные приборы. В этих ситуациях обеспечивается более эффективная теплопередача благодаря созданию вихревого потока жидкости по поверхностям теплообмена. Такое повышение эффективности потока жидкости сводится к более эффективному использованию самого теплообменника, который теперь может быть изготовлен меньшего размера по сравнению с известными конструкциями. Как говорилось выше, помимо преимуществ по улучшению характеристик потока жидкости по рабочим поверхностям теплообменника, настоящее изобретение позволяет также создать дополнительный механизм для достижения и поддержания разности температур в процессе теплообмена. В вариантах изобретения, показанных на фиг. 4-12, при поступлении жидкости в систему у основания 2 ее движение резко ускоряется по мере продвижения в сторону удаленного конца 3, достигая в этом месте максимальной скорости при минимальном давлении. Вследствие этого температура жидкости адиабатически снижается, способствуя тем самым созданию разности температур по всей длине вихревого потока. Разность температур присуща любому вихревому потоку. Аппарат специально сконструирован с учетом преимуществ от использования указанной разности температур. На фиг. 13 показана вихревая труба Ранка-Гильша, в которую по касательной 13 поступает сжатый воздух. Разность температур создается радиально по сечению трубы, а жидкость, проходящая по центральной оси, является охладителем. Кроме того, направление потока жидкости в центре трубы противоположено потоку по периметру. Поэтому в силу эффекта Ранка холодный воздух выходит из одного конца 14 трубы, а горячий - из другого конца 15. В таких устройствах можно достичь разности температур до -50 С. На сегодняшний день подобные устройства не слишком экономичны в плане потребления энергии. Хотя с их помощью и стараются извлечь пользу из разностей температур, свойственных вихревым системам, все же до сих пор не спроектирован аппарат с использованием Фи-вихревой геометрии потока. В результате, потребление энергии на внутреннюю турбулентность и трение в ходе процесса значительно возрастает. В пятом варианте изобретения, показанном на фиг. 14, имеется охлаждающее устройство типа вихревой трубы Ранка-Гильша, которое сконструировано согласно изобретению. Однако, здесь не используется труба со строго параллельными стенками, как на фиг. 13, а применен полый вариант конструкции по одному из вариантов изобретения, как на фиг. 4-12, где все поверхности выполнены с приближением к трехмерным кривым по принципу Золотого Сечения. По полой спиральной направляющей 5 через входное отверстие 1 подается газ, который выходит через отверстие 3. По мере продвижения газ ускоряется, что приводит к перепаду давления и, как следствие, снижению температуры,как и в вихревой трубе Ранка-Гильша. Горячий воздух выбрасывается из выходного отверстия 2, а через выходное отверстие 3 нагнетается холодный воздух. Когда такие устройства модернизируются согласно принципам изобретения, достигается значительное увеличение эффективности работы установки. На фиг. 15 и 16 изображена емкость для жидкости или газа со струенаправляющими перегородками или каналами 7 на передней и задней стенках с тем, чтобы по этим перегородкам в емкость могла подаваться какая-либо текучая среда. В качестве альтернативы, блок 6 может представлять собой монолит, в котором врезаны струенаправляющие перегородки 7. Струенаправляющие перегородки или каналы на фиг. 14 и 15 могут быть выполнены в форме песочных часов, как на фиг. 16, в соответствии с описанными выше принципами. При прохождении жидкости через струенаправляющие перегородки 7 создается разность температур между одной стороной, 8, емкости или блока 6 и противоположной стороной 9, что способствует теплообмену во всем объеме этого блока. Следует иметь в виду, что объем охраны данного изобретения не должен быть ограничен отдельными примерами изобретения, которые приведены выше. Во всем описании, если не оговорено отдельно, слово имеет или оснащен и их вариации, должны пониматься как обозначение интегрированного элемента или группы элементов в одно цельное уст-4 006026 ройство, а не дополнение к этому устройству. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Теплообменник, имеющий активную поверхность теплопередачи, омываемую потоком жидкости,для осуществления теплообмена между этой активной поверхностью и жидкостью, причем активная поверхность теплопередачи имеет кривизну, которая в значительной степени соответствует как минимум одной из логарифмических кривых, отвечающих правилу Золотого Сечения. 2. Теплообменник по п.1, характеризующийся тем, что его активная поверхность теплопередачи в значительной степени соответствует форме вихревой воронки природного вихря, что создает поток жидкости по этой активной поверхности в виде такого природного вихря. 3. Теплообменник по п.1 или 2, характеризующийся тем, что его активная поверхность теплопередачи приспособлена для создания вихревого, вращательного движения потока жидкости, омывающего эту активную поверхность. 4. Теплообменник по любому из пп.1-3, характеризующийся тем, что обеспечивает передачу тепловой энергии в виде трехмерного логарифмического вихревого движения при взаимодействии с другой средой, которой требуется передать тепло. 5. Теплообменник по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что имеет разделительный барьер между двумя направлениями потоков жидкости для обеспечения теплообмена от одной жидкой среды к другой, причем обе стороны разделительного барьера имеют активную поверхность теплопередачи. 6. Теплообменник по любому из пп.1-5, характеризующийся тем, что в значительной мере соответствует воображаемым спиралеобразным вихревым линиям, которые имеются в структуре природного вихря. 7. Теплообменник по любому из пп.1-6, характеризующийся тем, что кривизна его активной поверхности теплопередачи является одномерной. 8. Теплообменник по любому из пп.1-6, характеризующийся тем, что кривизна его активной поверхности теплопередачи является двумерной. 9. Теплообменник по любому из пп.1-8, характеризующийся тем, что его активная поверхность теплопередачи имеет глубину, которая может изменяться в соответствии с правилом Золотого Сечения. 10. Теплообменник по любому из пп.1-9, характеризующийся тем, что имеет одну или более струенаправляющую перегородку. 11. Теплообменник по любому из пп.1-10, характеризующийся тем, что его активная поверхность теплопередачи имеет форму наружной поверхности раковин отряда моллюсков, класс Gastropoda илиCephalopoda. 12. Теплообменник по любому из пп.1-11, характеризующийся тем, что его активная поверхность теплопередачи имеет форму наружной поверхности раковин, относящихся к родам Volutidea, Argonauta,Nautilus, Conidea или Turbinidea. 13. Теплообменник по любому из пп.1-12, характеризуется тем, что его активная поверхность теплопередачи имеет форму внутренней поверхности раковин отряда моллюсков, класс Gastropoda илиCephalopoda. 14. Теплообменник по любому из пп.1-13, характеризующийся тем, что его активная поверхность теплопередачи имеет форму внутренней поверхности раковин, относящихся к родам Volutidea,Argonauta, Nautilus, Conidea или Turbinidea. 15. Теплообменник по любому из пп.1-9, характеризующийся тем, что оснащен каналом, как правило сферической или эллиптической формы, имеющим вход и выход, причем кривизна внутренней поверхности канала между его входом и выходом соответствует логарифмической кривой, которая в значительной мере отвечает характеристикам Золотого Сечения. 16. Теплообменник по любому из пп.1-9, характеризующийся тем, что содержит теплоприемник,имеющий одну или более струенаправляющих перегородок, выступающих из корпуса устройства, где должен происходить теплообмен. 17. Теплообменник по любому из пп.1-9, характеризующийся тем, что имеет конфигурацию морской ракушки.