ТЕПЛООБМЕННИК, РАБОТАЮЩИЙ НА ОГ
HEAT EXCHANGER WORKING ON OG

Изобретение относится к работающему на ОГ (отработавших газах) теплообменнику, в частности, для использования в автомобиле, содержащему, по меньшей мере, один направляющий первую текучую среду первый проточный канал, концы которого размещены в трубной доске, кожух, окружающий первый проточный канал, причем кожух имеет входное и выходное отверстия и образует второй проточный канал для второй текучей среды, причем через кожух протекает вторая текучая среда, а первый проточный канал обтекается ею, трубные доски установлены в кожухе так, что первый проточный канал герметизирован от второго проточного канала, первый диффузор, который подает первую текучую среду в первый проточный канал, и второй диффузор, который выводит ее из него.
Работающие на ОГ теплообменники используются сегодня в автомобилях для снижения температуры ОГ и тем самым для заметного уменьшения выбросов оксида азота и частиц. При этом часть ОГ после двигателя ответвляется и подается затем через соответствующий теплообменник.
После этого охлажденные ОГ смешиваются с всасываемым двигателем свежим воздухом и снова подаются в двигатель. На выходе работающего на ОГ теплообменника возникают температуры до 700°С.
Известны работающие на ОГ теплообменники, например, из DE 102007011184 А1, которые состоят из направляющих ОГ труб, которые обоими концами вставлены в трубные доски, соединены с ними, например, пайкой или сваркой и окружены кожухом. При этом ОГ подаются в трубы через присоединенные к трубным доскам диффузоры. Через кожух протекает хладагент, благодаря чему направляющие ОГ трубы обтекаются им.
При этом между ОГ в трубах и обтекающим их хладагентом происходит теплообмен, в результате чего ОГ охлаждаются.
Недостаток уровня техники заключается в том, что в работающих на ОГ теплообменниках описанной конструкции в хладагенте нередко происходят процессы кипения. Это уменьшает срок службы такого и может негативно сказаться на химическом составе хладагента. При этом процессы кипения могут происходить, в частности, во входной зоне, поскольку здесь горячие ОГ попадают непосредственно на трубную доску теплообменника, которая находится в непосредственном контакте с хладагентом.
Кроме того, на выходной стороне теплообменника может происходить конденсация ОГ. Осаждающийся при этом конденсат вместе с возвращенными в двигатель ОГ может проникнуть в камеру сгорания и привести к повышенной коррозии и иному повреждению отдельных компонентов.
Задачей изобретения является создание работающего на ОГ теплообменника, в котором не происходили бы процессы кипения и, кроме того, было бы исключено образование или передача конденсата от выходной стороны в зону всасывания двигателя теплообменника.
Эта задача решается посредством работающего на ОГ теплообменника, охарактеризованного признаками п. 1 формулы. Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах.
Предпочтительным является работающий на ОГ теплообменник, в частности для использования в автомобиле, содержащий, по меньшей мере, один направляющий первую текучую среду первый проточный канал, концы которого размещены в трубной доске, кожух, окружающий первый проточный канал, причем кожух имеет входное и выходное отверстия и образует второй проточный канал для второй текучей среды, причем через кожух протекает вторая текучая среда, а первый проточный канал обтекается ею, трубные доски установлены в кожухе так, что первый проточный канал герметизирован от второго проточного канала, первый диффузор, который подает первую текучую среду в первый проточный канал, и второй диффузор, который выводит ее из него, причем теплообменник содержит, по меньшей мере, один первый экранирующий элемент, по меньшей мере, с одним первым проходом и, по меньшей мере, один первый дистанционный элемент, который надет на трубную доску с обращенной от первого проточного канала стороны.
Это предпочтительно, в частности, потому, что экранирующий элемент образует термический промежуток между первой через теплообменник текучей средой и трубной доской и первыми проточными каналами. Это оказывает положительное влияние на нагрев теплообменника.
Также предпочтительно, если проход направлен в первый проточный канал. За счет этого протекающая через экранирующий элемент текучая среда подается непосредственно в первый проточный канал. Непосредственного контакта между протекающей текучей средой и трубной доской тем самым не происходит.
Далее предпочтительно, если внешний контур прохода, в основном, совпадает с внутренним контуром первого проточного канала.
Это предпочтительно для такого позиционирования экранирующего элемента на трубной доске, что проходы могут быть направлены в первые проточные каналы для подачи текучей среды непосредственно внутрь них.
Также предпочтительно, если внешнее сечение прохода меньше внутреннего сечения первого проточного канала.
Предпочтительно, если внешний контур прохода не касается внутреннего контура первого проточного канала.
За счет меньшего внешнего сечения прохода по сравнению с внутренним сечением проточного канала проход может отстоять от него так, что оба не касаются друг друга, что способствует термической изоляции.
Также целесообразно, если дистанционный элемент удерживает первый экранирующий элемент на расстоянии от трубной доски. Это также повышает термическую изоляцию между трубной доской и экранирующим элементом, что в целом способствует предпочтительному распределению температуры в теплообменнике.
Предпочтительно, если первый экранирующий элемент имеет, по меньшей мере, частично огибающую приподнятую краевую зону, которой он опирается на первый диффузор.
Это служит, в частности, длительному позиционированию экранирующего элемента внутри теплообменника.
Также целесообразно, если второй экранирующий элемент, по меньшей мере, в одном месте прочно соединен со вторым диффузором.
За счет расположения второго экранирующего элемента, в частности, во втором диффузоре можно достичь термического изолирующего действия экранирующего элемента на обеих сторонах теплообменника. Расположение второго экранирующего элемента на второй стороне теплообменника может быть дополнительно предпочтительным для осаждения конденсационной воды, которая образуется в рамках охлаждения протекающей через теплообменник текучей среды.
Кроме того, предпочтительно, если второй диффузор имеет отверстие в боковой стенке, которое расположено между обращенным к кожуху входным отверстием второго диффузора и местом соединения с ним второго экранирующего элемента.
Через это отверстие в диффузоре упомянутая конденсационная вода, которая осаждается на стенках первых проточных каналов и через воздушный зазор между вторым экранирующим элементом и первыми проточными каналами вытекает вдоль них, может отводиться из теплообменника и, таким образом, отбираться от потока текучей среды.
Также целесообразно, если второй диффузор содержит водоотделитель, расположенный в направлении течения первой текучей среды за вторым экранирующим элементом.
Этот водоотделитель может дополнительно отфильтровывать из потока первой текучей среды влагу, которая вместе с ней течет через теплообменник. За счет этого достигаются предпочтительные свойства текучей среды, в частности, если первая текучая среда представляет собой ОГ, которые после протекания через теплообменник, по меньшей мере, частично снова подаются в двигатель.
Далее предпочтительно, если второй экранирующий элемент имеет в, по меньшей мере, частично приподнятой краевой зоне отверстие, расположенное между водоотделителем и обращенным к кожуху входным отверстием второго диффузора.
Через расположенное таким образом отверстие осажденная на водоотделителе конденсационная вода может предпочтительно отводиться из теплообменника.
Предпочтительным является также работающий на ОГ теплообменник, в частности по одному из предыдущих вариантов, причем он имеет большое число первых проточных каналов, первый и второй экранирующие элементы с соответствующим большому числу первых проточных каналов числом проходов и большим числом дистанционных элементов, причем каждый экранирующий элемент надет на одну из трубных досок с обращенной от кожуха стороны.
Вариант выполнения работающего на ОГ теплообменника предпочтителен, в частности, для применения в выхлопном тракте автомобиля. За счет первого экранирующего элемента на стороне втекания теплообменника достигается предпочтительно термическая изоляция трубной доски и первых проточных каналов, за счет второго экранирующего элемента на стороне вытекания теплообменника из потока текучей среды предпочтительно удаляется образующаяся конденсационная вода.
Изобретение подробно поясняется ниже на примере его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - разрез кожухотрубного теплообменника с дополнительным экранирующим элементом;
фиг. 2 - схематично фрагмент работающего на ОГ теплообменника, в котором хладагент кипит во входной зоне;
фиг. 3 - детальный вид работающего на ОГ теплообменника по фиг. 1 с потоками газа и хладагента;
фиг. 4 - схематично фрагмент работающего на ОГ теплообменника, в котором протекающие ОГ конденсируются в выходной зоне;
фиг. 5 - детальный вид выходной зоны работающего на ОГ теплообменника с потоками газа и хладагента;
фиг. 6 - разрез работающего на ОГ теплообменника с его выходной стороной с выпускным отверстием для образующегося в выходной зоне конденсата.
На фиг. 1 представлен разрез работающего на ОГ теплообменника 1. Он состоит из большого числа проточных каналов 2, через которые течет текучая среда, в данном случае ОГ.
Своими концами проточные каналы 2 размещены в трубных досках 3. Размещенные в трубных досках 3 проточные каналы 2 окружены кожухом 4 таким образом, что он вместе с трубными досками 3 образует герметичное соединение, которое отделяет проточные каналы 2 от проточного канала 10 внутри кожуха.
Кожух 4 имеет входное и выходное отверстия (не показаны), благодаря чему через него может протекать текучая среда. При этом проточные каналы 2, направляющие первую текучую среду, обтекаются ею. Теплообмен происходит между первой текучей средой, протекающей внутри проточных каналов 2, и второй текучей средой, протекающей через кожух 4 и тем самым в проточном канале 10 вокруг проточных каналов 2.
В трубной доске 3 установлен первый диффузор 5.1, который подает текучую среду в проточные каналы 2 или второй диффузор 5.2, который отводит ее из них в зависимости от направления ее течения. На частичном фрагменте на фиг. 1 показана зона втекания теплообменника 1.
ОГ втекают в первый диффузор 5.1, распределяются там по проточным каналам 2 и протекают через теплообменник 1 вдоль них.
Во избежание непосредственного попадания втекающих ОГ на трубную доску 3 в теплообменник 1 на фиг. 1 дополнительно встроен экранирующий элемент 6.1.
Первый экранирующий элемент 6.1 имеет несколько проходов 7 и несколько дистанционных элементов 8. Он вставляется проходами 7 в проточные каналы 2 и дистанционными элементами 8 опирается на трубную доску 3 теплообменника 1. При этом, согласно изобретению, важно, что проходы 7 выполнены таким образом, что они не находятся в непосредственном контакте с внутренними поверхностями проточных каналов 2. Первый экранирующий элемент 6.1 имеет также приподнятую сбоку краевую зону, которая образует внутреннюю форму первого диффузора 5.1, обеспечивая тем самым опирание первого экранирующего элемента 6.1 сбоку на первый диффузор 5.1.
За счет первого экранирующего элемента 6.1 достигается то, что горячие втекающие ОГ не попадают непосредственно на трубную доску 3 и в проточные каналы 2, а сначала попадают на первый экранирующий элемент 6.1, который за счет своего конструктивного выполнения отстоит от трубной доски 3 и проточных каналов 2.
Между первым экранирующим элементом 6.1 и трубной доской 3 и проточными каналами 2 за счет обеспечиваемого дистанционными элементами 8 промежутка образуется воздушное пространство, которое обладает изолирующим действием в отношении температуры ОГ.
Проходы 7 соответствуют по своему внешнему контуру внутреннему контуру проточных каналов 2. Однако внешнее сечение проходов 7 меньше внутреннего сечения труб 2, что предотвращает непосредственное контактирование проходов с поверхностями стенок проточных каналов 2.
На фиг. 1 первый экранирующий элемент 6.1, изготовленный преимущественно из материала, противостоящего высоким температурам потока ОГ, имеет некоторое число дистанционных элементов, соответствующее промежуткам между проточными каналами 2. Таким образом, первый экранирующий элемент 6.1 опирается на трубную доску 3 в зонах между проточными каналами 2. С боков первый экранирующий элемент 6.1 дополнительно опирается на внутренние поверхности первого диффузора 5.1.
В альтернативных вариантах выполнение и число дистанционных элементов 8 могут отличаться от описанного варианта. Преимущественно следует обеспечить минимальную площадь контакта между первыми экранирующими элементами 6.1 и трубной доской 3. В альтернативных вариантах также возможно, чтобы первый экранирующий элемент 6.1 полностью опирался в первом диффузоре 5.1, так что нет необходимости в дополнительном поддержании первого экранирующего элемента 6.1 относительно трубной доски. Это еще больше повысило бы его изолирующее действие. Этого можно было бы достичь, например, посредством огибающего паза на внутренней поверхности диффузора, в которую вставляется экранирующий элемент.
На фиг. 2 изображен подробный вид проточного канала 2, через который протекают ОГ, и двух проточных каналов 10, через которые протекает хладагент. На фиг. 2 видно, как внутри проточных каналов 10 образуются зоны, в которых хладагент начинает кипеть. Эти зоны кипения 13 образуются преимущественно в том месте теплообменника 1, которое обращено к входной стороне ОГ.
За счет попадания горячих ОГ на трубную доску 3 последняя и примыкающие стенки проточных каналов 2, 10 нагреваются. Температура ОГ передается тем самым через мостик трубной доски 3 непосредственно на хладагент, протекающий внутри проточных каналов 10. Если температура ОГ соответственно достаточно высока, а в дополнение к этому хладагент плохо протекает через проточный канал 10, то это может привести к тому, что хладагент начнет кипеть.
В результате кипения может измениться химическое свойство хладагента. Так, могут разрушиться растворенные в нем силикаты, что приводит к повышенной коррозионной нагрузке материалов, в частности алюминиевых материалов теплообменника 1.
На фиг. 3 показан аналогичный фиг. 2 вид. Дополнительно на фиг. 3 изображен аналогичный фиг. 1 первый экранирующий элемент 6.1, который способствует уменьшению или исключению зон кипения хладагента.
Как уже описано в связи с фиг. 1, первый экранирующий элемент 6.1 через дистанционные элементы 8 опирается на трубную доску 3. Дополнительно проходы 7 направлены в проточные каналы 2, не касаясь их. За счет небольшой площади контакта первого экранирующего элемента 6.1 с трубной доской или стенками проточных каналов 2 возникает изолирующее действие.
Высокие температуры ОГ, протекающих по стрелке 11 на фиг. 2 через теплообменник 1, больше не попадают непосредственно на трубную доску 3 или стенки проточных каналов 2, что приводит к термической разгрузке этих деталей. Как уже упомянуто в описании к фиг. 1, в частности, термическая развязка первого экранирующего элемента 6.1 от трубной доски 3 или стенок проточных каналов 2 имеет большое значение.
На фиг. 1-3 была описана входная сторона теплообменника 1.
На фиг. 4 показан разрез теплообменника 1 и при этом, в частности, выходной стороны, на которой протекающие через него ОГ выходят из проточных каналов 2 во второй диффузор 5.2 и, наконец, покидают теплообменник 1.
Новые элементы обозначены соответственно новыми ссылочными позициями.
Конструкция второго экранирующего элемента 6.2 на выходной стороне в самой значительной степени идентична конструкции входной стороны на фиг. 1 и 3. В отличие от выполнения на входной стороне второй экранирующий элемент 6.2, по меньшей мере, в одном месте прочно соединен со вторым диффузором 5.2.
Предпочтительным образом это место соединения расположено в нижней части теплообменника 1. Второй экранирующий элемент 6.2 соединен с внутренней стенкой второго диффузора 5.2 так, что он отстоит от нее, в частности в зоне второго диффузора 5.2, вставленной в трубную доску 3. Благодаря этому конденсат, образующийся внутри проточных каналов 2 вблизи выходной зоны, может скапливаться в полости 24 между вторым экранирующим элементом 6.2 и внутренней поверхностью второго диффузора 5.2.
Протекающие через теплообменник 1 ОГ сильно охлаждаются вдоль проточных каналов 2 обтекающим их хладагентом. В результате этого охлаждения может произойти так, что ОГ будут конденсироваться, в частности, на обращенном к выходной стороне конце проточных каналов 2. Поскольку эти капли конденсата, если они беспрепятственно затекают во второй диффузор 5.2, могли бы за счет возможной имеющейся рециркуляции ОГ попасть дальше в двигатель, где они могли бы вызвать коррозию и повреждения иного рода, следует избегать вытекания конденсата из теплообменника 1.
Эту функцию на выходной стороне теплообменника 1 выполняет второй экранирующий элемент 6.2. В противоположность входной стороне, где первый экранирующий элемент 6.1 служит в качестве термической изоляции трубной доски 3 и стенок проточных каналов 2, второй экранирующий элемент 6.2 на выходной стороне служит осадительным элементом, который удаляет образующийся конденсат из теплообменника 1.
Как и на входной стороне, проходы 7 направлены в проточные каналы 2, а второй экранирующий элемент 6.2 опирается на трубную доску 3 через находящиеся в контакте с ней дистанционные элементы 8. Точно так же проходы 7 отстоят от внутренних поверхностей проточных каналов 2.
Образующийся, в частности, на внутренних стенках проточных каналов 2 конденсат может вытекать из низ через щели между проходами 7 и внутренними поверхностями проточных каналов 2. Конденсат скапливается, таким образом, на обращенной к проточным каналам 2 стороне второго экранирующего элемента 6.2 и соответственно стекает там вниз.
За счет промежутка между приподнятой краевой зоной экранирующего элемента 6.2 и внутренней стенкой второго диффузора 5.2 образуется полость 24, которая может принимать скопившийся на втором экранирующем элементе 6.2 и стекающий вниз конденсат. Он тем самым эффективно удаляется из потока ОГ.
Чтобы еще больше удалить из потока ОГ содержащийся в них конденсат, на фиг. 4 изображен дополнительный водоотделитель 16. Он расположен внутри второго диффузора 5.2 и в направлении потока ОГ за вторым экранирующим элементом 6.2.
Водоотделитель 16 представляет собой, в основном, перфорированный лист. На водоотделителе 16 осаждается содержащийся в ОГ конденсат, который затем аналогично конденсату, осаждающемуся на втором экранирующем элементе 6.2, стекает на водоотделителе 16 вниз и там через отверстие во втором экранирующем элементе 6.2 также стекает в полость 24 между ним и внутренней стенкой второго диффузора 5.2.
Во внешней стенке второго диффузора 5.2 в зоне полости 24 выполнено отверстие 17. Через него скопившийся на водоотделителе 16 и втором экранирующем элементе 6.2 конденсат может вытекать из теплообменника 1. Вне него изображен конденсатосборник 20, который трубопроводом соединен с отверстием 17 второго диффузора 5.2.
В конденсатосборник 20 стекает скопившийся на водоотделителе 16 и втором экранирующем элементе 6.2 конденсат. Внутри конденсатосборника 20 расположен поплавковый клапан 21, который в зависимости от уровня конденсата выпускает его через выпускное отверстие 22.
В качестве опции конденсатосборник 20 может иметь воздуховыпускное отверстие, которое трубопроводом сообщено со вторым диффузором 5.2. Через него в первый диффузор 5.1 могут возвращаться остаточные количества ОГ, которые через отверстие 17 подавались из второго диффузора 5.2 в конденсатосборник 20.
В альтернативных вариантах выполнения теплообменника изображенный вне второго диффузора 5.2 конденсатосборник может быть не нужен, если предусмотрен другой отвод для конденсата. Например, можно было возвратить конденсат через сопло, которое крайне мелко распыляет его, в диффузор 5.1, где он затем в рамках возврата ОГ снова подается в процесс сжигания в двигателе.
На фиг. 5 показан подробный вид аналогично фиг. 2. В отличие от фиг. 2 здесь изображена выходная сторона теплообменника.
Видно, что в направляющем ОГ проточном канале 2, в частности на его конце, возникает зона 14 конденсации, в которой жидкий конденсат из потока ОГ осаждается на внутренних стенках проточных каналов 2. За счет этого могут образоваться капли 15 конденсата, подхватываемые потоком ОГ.
На фиг. 6 показано устройство из фиг. 4 с тем отличием, что здесь дополнительно изображен второй экранирующий элемент 6.2. Как и на описанных выше фигурах, он опирается через дистанционные элементы 8 на трубную доску 3 теплообменника 1. Проходы 7 также направлены в проточные каналы 2, не касаясь их.
Помимо зон 14 конденсации показан также поток ОГ 11, проходящий через второй экранирующий элемент 6.2 вдоль проточных каналов 2.