Теплообменник отработавшего газа, в частности, охладитель отработавшего газа для рециркуляции отработавших газов в автомобилях - RU2511930C2
Код документа: RU2511930C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к теплообменнику отработавшего газа, в частности охладителю отработавшего газа, для рециркуляции отработавших газов на автомобилях, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
С одной стороны, теплообменники отработавшего газа используются для отопительных целей для нагрева охлаждающего средства и, с другой стороны, для охлаждения отработавших газов, т.е. как охладитель отработавшего газа при рециркуляции отработавших газов в автомобилях. Рециркуляция отработавших газов, коротко обозначаемая AGR, служит, как известно, для уменьшения потребления топлива и снижения выбросов. Системы рециркуляции отработавших газов известны, например, из DE-C 19906401. Проблемой в таких теплообменниках отработавшего газа, в частности, охладителях отработавшего газа, в случае отработавших газов дизеля является отложение сажи в каналах отработавшего газа охладителя отработавшего газа. Поэтому в EP-A 677715 и в DE-A 19540683 для охладителя предлагалось в трубопроводах отработавшего газа устанавливать устройства завихрения, которые предотвращают отложение сажи в потоке отработавшего газа. Для этого на внутренней стороне каналов отработавшего газа V-образно расположены накладки или, соответственно, возвышения, так называемые крылышки, которые создают специфические вихри в потоке отработавшего газа. Альтернативно этому также могут использоваться ребра. Однако эти мероприятия являются не всегда достаточными для предотвращения отложений сажи, которые ведут к ухудшению рабочих характеристик соответствующего теплообменника отработавшего газа - с теми последствиями, что нужно рассчитывать размеры охладителей отработавшего газа более крупными.
В других известных теплообменниках отработавшего газа предусмотрено, что перед теплообменником отработавшего газа включен катализатор с параллельными друг другу проточными каналами. Как правило, катализатор выполнен цилиндрическим и расположен в также цилиндрическом трубопроводе отработавших газов. Катализатор является проточным по прямой линии в направлении его оси симметрии и таким образом продлевает трубопровод отработавших газов, в котором расположен этот катализатор. С этим связано повышение занимаемой площади, по сравнению с теплообменником отработавшего газа без катализатора.
В автомобилях в тракте отработавших газов известны дизельные катализаторы окисления, сокращенно - DOC. Такие катализаторы содержат металлическое или керамическое ячеистое тело с множеством тонких каналов отработавшего газа, которые покрыты каталитической субстанцией, например, благородным металлом, таким как платина. В присутствии катализатора углеводороды при избытке кислорода в выхлопном газе окисляются в двуокись углерода и воду. Структура таких катализаторов, например, с матрицей из высококачественной стали, описана в DE-A 2924592 и DE-A 3543011. Носитель металла состоит, например, из гладкой и волнистой, спиралеобразно намотанной ленты, которая после свертки запаивается или сваривается. Затем это ячеистое тело покрывается каталитической субстанцией, согласно известным методам.
Задача изобретения состоит в предоставлении теплообменника отработавшего газа с уменьшенной занимаемой площадью.
Эта задача решается посредством теплообменника отработавшего газа, в частности, охладителя отработавшего газа для рециркуляции отработавших газов в автомобилях, с приспособленными для протекания отработавшего газа каналами теплообменника, которые оканчиваются в распределительной и/или собирающей камере, с расположенным в распределительной и/или собирающей камере устройством с направляющими каналами, причем устройство с направляющими каналами имеет входную область для отработавшего газа, выходную область для отработавшего газа и множество проходящих от входной области для отработавшего газа к выходной области для отработавшего газа проточных каналов, причем проточные каналы расположены наклонно друг относительно друга, проточные каналы - наклонно к нормалям к поверхностям входной и/или выходной областей для отработавшего газа, и/или нормали к поверхностям входной и выходной областей отработавшего газа - наклонно друг относительно друга.При этом концентрация проточных каналов в поперечном сечении составляет 100 - 600 единиц/кв.дюйм, а длина проточных каналов составляет 15 - 100 мм.
Кроме того, устройство с направляющими каналами представляет собой катализатор, в частности катализатор окисления или дизельный катализатор окисления, проточные каналы, нормаль к входной области для отработавшего газа и/или нормаль к выходной области для отработавшего газа расположены наклонно к основному направлению протекания каналов теплообменника.
Кроме того, проточные каналы могут быть полностью отделены друг от друга или могут сообщаться друг с другом через проемы.
Выходная область для отработавшего газа может быть одинакова по размеру с входной областью для отработавшего газа или выходная область для отработавшего газа меньше или больше, чем входная область для отработавшего газа.
Входная или выходная область для отработавшего газа может противостоять каналам теплообменника и, в частности, перекрывать все каналы теплообменника на стороне выхода или, соответственно, входа.
Интервал между входной областью для отработавшего газа или, соответственно, выходной областью для отработавшего газа и каналами теплообменника меньше 15 мм, предпочтительно меньше 10 мм, особенно предпочтительно меньше 5 мм.
Проточные каналы могут быть выполнены прямолинейными или изогнутыми.
Входная область для отработавшего газа и/или выходная область для отработавшего газа может быть круглой, в частности, закругленной, или многоугольной, в частности, четырехугольной или прямоугольной и может быть окружена кольцевым каналом для отработавшего газа.
Распределительная и/или собирающая камера образована в виде диффузора и заполняет устройство с направляющими каналами, в частности, поперечное сечение диффузора.
Каналы теплообменника образованы парами дисков или трубами, которые своими концами удерживаются в основаниях труб и окружены корпусом, проводящим охлаждающее средство.
Распределительная и/или собирающая камера имеет фланец для присоединения к трубопроводу отработавших газов, в частности, к трубопроводу рециркуляции отработавших газов.
Основная идея изобретения состоит в интеграции устройства с направляющими каналами в теплообменник отработавшего газа так, что с помощью этого устройства с направляющими каналами оказывается воздействие на поток отработавшего газа в направлении потока, на скорость потока, на площадь поперечного сечения потока, на распределении потока и/или на другие параметры потока. Вследствие этого становится возможным, например, отклонение и/или расширение потока компактным способом.
Согласно предпочтительному варианту осуществления проточные каналы сообщаются друг с другом, например, через проемы в перегородках, отделяющих проточные каналы друг от друга, так что гарантировано выравнивание давления между отдельными проточными каналами и распределение потока через проточные каналы становится равномерным.
Согласно предпочтительному варианту осуществления с торцевой стороны каналы теплообменника распределены по поверхности, которая противостоит входной или, соответственно, выходной области для отработанных газов и, особенно предпочтительно, перекрывается ею. Таким образом, поток отработавшего газа распределяется устройством с направляющими каналами непосредственно по каналам теплообменника и, соответственно, от каналов теплообменника по проточным каналам.
Особенно предпочтительно интервал между устройством с направляющими каналами и каналами теплообменника выбран настолько незначительным, что проточные каналы и каналы теплообменника будут более равномерно нагружаться с равномерным распределением потока.
Согласно предпочтительному варианту устройство с направляющими каналами проходит от круглой входной области для отработанных газов до четырехугольной выходной области для отработавшего газа, или наоборот, вследствие чего становится возможен переход от круглого в прямоугольное поперечное сечение потока или, соответственно, наоборот. При этом углы также могут быть закруглены.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления теплообменник отработавшего газа содержит любые каналы теплообменника, например, шайбы или пучок труб с трубами отработавшего газа. Теплообменник отработавшего газа может содержать также обводной канал с клапаном отработавшего газа.
Предпочтительно, устройство с направляющими каналами потока интегрировано в теплообменник отработавшего газа, т.е. является частью теплообменника отработавшего газа. Тем самым этот интегрированный конструктивный блок может предварительно изготавливаться и вставляться в трубопровод отработавшего газа, что облегчает монтаж. Особенно выгодно, устройство с направляющими каналами расположено внутри входного патрубка, чем достигают преимуществ крайне короткой конструктивной длины, так как устройство с направляющими каналами вставляется в уже имеющееся пространство теплообменника отработавшего газа.
Теплообменник отработавшего газа расположен, согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, в трубопроводе AGR, который присоединяется к трубопроводу отработавшего газа двигателя либо перед, либо за работающей на отработавших газах турбиной. При этом на входе в теплообменник отработавшего газа получаются разные температуры отработавших газов.
Концентрация проточных каналов в поперечном сечении составляет, например, от 100 до 600, предпочтительно от 150 до 300 ед./кв.дюйм. Проточные каналы имеют длину, например, от 15 до 100 мм, предпочтительно до 80 мм, особенно предпочтительно от 30 до 40 мм. Проточные каналы преимущественно снабжены платиновым покрытием, в частности с плотностью от 20 до 320, в частности от 40 до 200 или 250 граммов на кубический фут.
Входная область для отработавшего газа составляет предпочтительно от 30 до 150%, особенно предпочтительно от 80 до 110% площади поперечного сечения блока теплообменника, образованного каналами теплообменника. Потеря давления в устройстве с направляющими каналами в целом составляет предпочтительно меньше 100%, особенно предпочтительно меньше 50%, в особенности меньше 30%, особенно выгодно от 5 до 20% потери давления в каналах теплообменника.
Согласно одному предпочтительному варианту через каналы теплообменника может протекать, в частности, жидкое охлаждающее средство. Предпочтительно, теплообменник отработавшего газа имеет боковую поверхность для направления охлаждающего средства, причем боковая поверхность преимущественно содержит входной патрубок и выходной патрубок для охлаждающего средства.
Согласно одному предпочтительному варианту каналы теплообменника могут охлаждаться газообразным охлаждающим средством, в частности, охлаждающим воздухом.
Примеры выполнения изобретения представлены на чертежах и в дальнейшем описываются точнее. На чертежах представлено:
Фиг.1 - схематически, первый пример выполнения изобретения,
Фиг.2 - схематически, второй пример выполнения,
Фиг.3 - схематический фрагмент третьего примера выполнения,
Фиг.4 - схематический фрагмент четвертого примера выполнения,
Фиг.5 - схематическое поперечное сечение пятого примера выполнения,
Фиг.6 - схематическое поперечное сечение шестого примера выполнения, и
Фиг.7 - схематически, система рециркуляции отработавших газов.
Фиг.1 показывает теплообменник 110 отработавшего газа с не представленными по отдельности каналами теплообменника, которые объединены в блоке 120 теплообменника, например, пучок труб. Каналы теплообменника оканчиваются на входной стороне в распределительной камере 130, в которой расположено устройство 140 с направляющими каналами с плоской входной областью 150 для отработавшего газа и плоской выходной областью 160 для отработавшего газа, параллельной входной области 150 для отработавшего газов. Распределительная камера 130, например, приварена или припаяна к блоку 120 теплообменника.
Множество проточных каналов 170 проходит от входной области 150 для отработавшего газа до выходной области 160 для отработавшего газа. Проточные каналы 170 наклонены друг относительно друга, так что поперечное сечение входящего слева на фиг.1 в теплообменник 110 потока отработавшего газа увеличивается с помощью устройства 140 с направляющими каналами, причем при этом выгодным образом дополнительно выравнивается поток отработавшего газа.
Входная область 150 для отработавшего газа и выходная область 160 для отработавшего газа являются круглыми. Если площадь поперечного сечения блока 120 теплообменника является многоугольной, то требуется минимальный интервал между выходной областью 160 для отработавшего газа и блоком 120 теплообменника, так как распределительная камера 130 содержит область 180 перехода от круглой к многоугольной форме поперечного сечения.
Фиг.2 показывает теплообменник 210 отработавшего газа с не представленными по отдельности каналами теплообменника, которые объединены в блоке 220 теплообменника, например, пучок труб. Каналы теплообменника оканчиваются на входной стороне в распределительной камере 230, в которой расположено устройство 240 с направляющими каналами с плоской входной областью 250 для отработавшего газа и плоской выходной областью 260 для отработавшего газа, параллельной входной области 250 для отходящих газов. Распределительная камера 230, например, приварена или припаяна к блоку 220 теплообменника.
Множество проточных каналов 270 проходит от входной области 250 для отработавшего газа к выходной области 260 для отработавшего газа. Проточные каналы 270 частично изогнуты, частично прямолинейны и наклонены друг относительно друга, так что поперечное сечение входящего слева на фиг.2 в теплообменник 210 потока отработавшего газа увеличивается с помощью устройства 240 с направляющими каналами, причем при этом выгодным образом дополнительно выравнивается поток отработавшего газа.
Входная область 250 для отработавшего газа является круглой, а выходная область 260 для отработавшего газа закрывает площадь поперечного сечения блока 220 теплообменника и, соответственно, каналов теплообменника и для этой цели является, например, многоугольной. Устройство с направляющими каналами способствует переходу от круглой в многоугольную форму поперечного сечения, так что интервал между выходной областью 260 для отработавшего газа и блоком 220 теплообменника может быть оставлен очень небольшим.
Фиг.3 показывает теплообменник 310 отработавшего газа с не представленными по отдельности каналами теплообменника, которые объединены в блоке 320 теплообменника, например, пучок труб. Каналы теплообменника оканчиваются на входной стороне в распределительной камере 330, в которой расположено устройство 340 с направляющими каналами с плоской входной областью 350 для отработавшего газа и плоской выходной областью 360 для отработавшего газа, наклоненной к входной области 350 для отходящих газов. Распределительная камера 330, например, приварена или припаяна к блоку 320 теплообменника.
Множество проточных каналов 370 проходит от входной области 350 для отработавшего газа к выходной области 360 для отработавшего газа. Проточные каналы 370 изогнуты и расположены таким образом, что поперечное сечение входящего снизу на фиг.3 в теплообменник 310 отработавшего газа увеличивается с помощью устройства 340 с направляющими каналами, причем при этом выгодным образом дополнительно выравнивается поток отработавшего газа. Кроме того, устройство 340 с направляющими каналами способствует отклонению потока отработавшего газа.
Фиг.4 показывает теплообменник 410 отработавшего газа с не представленными по отдельности каналами теплообменника, которые объединены в блок 420 теплообменника, например, пучок труб. Каналы теплообменника оканчиваются на входной стороне в распределительной камере 430, в которой расположено устройство 440 с направляющими каналами потока с плоской входной областью 450 для отработавшего газа и плоской выходной областью 460 для отработавшего газа, наклоненной к входной области 450 для отходящих газов. Распределительная камера 430, например, приварена или припаяна к блоку 420 теплообменника.
Множество проточных каналов 470 проходит от входной области 450 для отработавшего газа к выходной области 460 для отработавшего газа. Проточные каналы 470 параллельны друг другу, однако, наклонены относительно нормалей (перпендикуляров) к площадям как входной области 450 для отработавшего газа, так и выходной области 460 для отработавшего газа, так что поперечное сечение потока отработавшего газа, входящего на фиг.4 снизу в теплообменник 410 отработавшего газа, отклоняется с помощью устройства 440 с направляющими каналами и, предпочтительно, выравнивается.
Фиг.5 показывает теплообменник 510 отработавшего газа с не представленными по отдельности каналами теплообменника, которые объединены в блоке 520 теплообменника, например, пучок труб. Каналы теплообменника оканчиваются на входной стороне в распределительной камере 530, в которой расположено устройство 540 с направляющими каналами с цилиндрической входной областью 550 для отработавшего газа и цилиндрической выходной областью 560 для отработавшего газа, которая коаксиальна с входной областью 550 для отработавшего газа.
Множество проточных каналов 570 проходит звездообразно от входной области 550 для отработавшего газа к выходной области 560 для отработавшего газа. Проточные каналы 570 вследствие звездообразности наклонены друг относительно друга, однако, параллельны относительно нормалей к площадям как входной области 550 для отработавшего газа, так и выходной области 560 для отработавшего газа, т.е. проточные каналы 570 оканчиваются соответственно перпендикулярно к площадям 550, 560. Чтобы по возможности более равномерно нагружать отработавшим газом входную область 550 для отработавшего газа, она окружена кольцевым каналом 590, через который входящий на фиг.5 снизу в теплообменник 510 поток отработавшего газа проводится к устройству 540 с направляющими каналами. Во внутреннем пространстве устройства с направляющими каналами, т.е. внутри цилиндра, образованного выходной областью 560 для отработавшего газа, отработавший газ собирается и подводится к каналам теплообменника блока 520 теплообменника.
Фиг.6 показывает теплообменник 610 отработавшего газа с не представленными по отдельности каналами теплообменника, которые объединены в блоке 620 теплообменника, например, пучок труб. Каналы теплообменника оканчиваются на входной стороне в распределительной камере 630, в которой расположено устройство 640 с направляющими каналами с цилиндрической входной областью 650 для отработавшего газа и цилиндрической выходной областью 660 для отработавшего газа, которая коаксиальна с выходной областью 650 для отработавших газов.
Множество проточных каналов 670 проходит звездообразно от входной области 650 для отработавшего газа к выходной области 660 для отработавшего газа. Проточные каналы 670 вследствие звездообразности наклонены друг относительно друга и, исходя из этого, наклонены относительно нормалей к площадям как входной области 650 для отработавшего газа, так и выходной области 660 для отработавшего газа. Чтобы по возможности более равномерно нагружать отработавшим газом входную область 650 для отработавшего газа, она окружена кольцевым каналом 690, через который входящий на фиг.6 снизу в теплообменник 610 поток отработавшего газа проводится к устройству 640 с направляющими каналами. Во внутреннем пространстве устройства с направляющими каналами, т.е. внутри цилиндра, образованного выходной областью 660 для отработавшего газа, отработавший газ собирается и подводится к каналам теплообменника блока 620 теплообменника, причем посредством наклона проточных каналов 670 к нормалям к площадям 650, 660 осуществляются дополнительное отклонение и вместе с тем при определенных обстоятельствах уменьшение потери давления.
Согласно непоказанным примерам выполнения, распределительная камера посредством фланцевого соединения закреплена на блоке теплообменника.
Фиг.7 показывает в схематическом представлении систему 20 рециркуляции отработавших газов с дизельным двигателем 21, к которому присоединены всасывающий трубопровод 22 и трубопровод 23 отработавших газов. Во всасывающем трубопроводе 22 расположен приводимый в действие работающей на отработавших газах турбиной 24 турбонагнетатель 25, который сжимает всасываемый воздух и подводит к охладителю 26 наддувочного воздуха. Работающая на отработавших газах турбина 24 расположена в трубопроводе 23 отработавших газов и нагружается отработавшими газами дизельного двигателя 21. Трубопровод 28 рециркуляции отработавших газов с клапаном 29 рециркуляции отработавших газов и теплообменником 30 отработавшего газа присоединен в точке 27 разветвления к трубопроводу 23 отработавших газов и в точке 31 соединения - к всасывающему трубопроводу 22. Отработавший газ циркулирует таким образом охлажденным. Отбор отработавшего газа в точке 27 разветвления происходит перед работающей на отработавших газах турбиной 24. Согласно одной альтернативе, которая представлена обозначенным штриховой линией трубопроводом 32 рециркуляции отработавших газов, отработавший газ изымается в точке 33 ответвления за работающей на отработавших газах турбиной 24. Теплообменник 30 отработавшего газа соответствует описанному выше соответствующему изобретению теплообменнику отработавшего газа. Впрочем, теплообменник 30 отработавшего газа может быть образован так же, как теплообменник отработавшего газа с обводным каналом и байпасным клапаном отработавшего газа, например, согласно DE 10203003 A1.
Реферат
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплообменниках отработавшего газа, в частности охладителях отработавшего газа для рециркуляции отработавших газов в автомобилях, с приспособленными для протекания отработавшего газа и обтекаемыми охлаждающим средством каналами теплообменника, которые оканчиваются в распределительной и/или собирающей камере, с расположенным в распределительной и/или собирающей камере устройством с направляющими каналами, причем устройство с направляющими каналами имеет входную область для отработавшего газа, выходную область для отработавшего газа и множество проходящих от входной области для отработавшего газа до выходной области для отработавшего газа проточных каналов, которые наклонены друг относительно друга. Концентрация проточных каналов в поперечном сечении составляет 100-600 единиц/кв.дюйм, а длина проточных каналов составляет 15 - 100 мм. При таком выполнении оказывается воздействие на поток отработавшего газа в направлении пока, на скорость потока, на площадь поперечного сечения, на распределение потока и на другие параметры потока. 14 з.п. ф-лы, 7 ил.
