УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА
HEAT RECUPERATION DEVICE

Изобретение относится к устройству для рекуперации тепла из протекающей через выхлопной тракт двигателя внутреннего сгорания отработанного газа, которое содержит систему теплообменника с центральным проточным каналом, окруженным по меньшей мере одним краевым проточным каналом. При этом внутри краевого проточного канала находится по меньшей мере один теплообменный элемент, посредством которого при работе двигателя внутреннего сгорания тепло от создаваемого двигателем внутреннего сгорания отработанного газа может передаваться в протекающую через теплообменный элемент рабочую среду. Кроме того, центральный проточный канал, а также краевой проточный канал имеют, каждый, по меньшей мере один впуск для втекания отработанного газа. При этом краевой проточный канал имеет по меньшей мере две проточные камеры, разделяющие краевой проточный канал перпендикулярно центральной оси системы теплообменника, и устройство ниже по потоку от выпуска центрального проточного канала и/или выпуска краевого проточного канала имеет затвор канала, посредством которого можно регулировать объемный поток отработанного газа через центральный проточный канал и/или краевой проточный канал.
Устройство указанного типа описано в DE 10 2012 204 126 A1 в форме парогенератора, который находится в выпускном тракте автомобильного двигателя. При этом парогенератор содержит корпус с впускной и выпускной зонами, причем внутри и коаксиально корпусу находится трубчатая проходная линия, проходящая от впускной зоны к выпускной. Эта проходная линия имеет также прорези на ее концевых участках, находящихся во впускной и выпускной зонах, так что отработанный газ, поступающий в парогенератор, газ может попадать в промежуток между стенкой корпуса и проходной линией. В этом промежутке рядом с проходной линией находится спиральная труба, через которую может течь жидкость, подлежащая испарению. При этом спиральная труба, в одном варианте осуществления имеющая дискообразные ребра для усиления теплопередачи, служит структурным элементом теплообменника, через который содержащаяся в отработанном газе тепловая энергия передается в испаряемую жидкость. Кроме того, внутри парогенератора, более точно внутри проходной линии, находится управляющий клапан, при этом в зависимости от положения управляющего клапана проходная линия находится в закрытом или открытом положении. Предпочтительно, управляющий клапан находится во впускной зоне, причем при закрытой проходной линии отработанный газ через прорези в концевой области проходной линии попадает в промежуток между проходной линией и корпусом и перетекает в спиральную трубу. При открытой проходной линии отработанный газ, минуя промежуточную зону, сразу попадает из впускной зоны в выпускную зону, вследствие передачи тепла от отработанного газа на испаряемую жидкость по существу предотвращается. Кроме того, в одном варианте осуществления DE 10 2012 204 126 A1 описано два указанных выше парогенератора, которые находятся на расстоянии друг от друга и по существу параллельны друг другу, чтобы достичь высокой эффективности выпаривания, причем течение через спиральные трубы обоих парогенераторов осуществляется исключительно в одном направлении и в противотоке текущему отработанному газу.
В US 2011/0289905 A1 описано другое, родовое устройство для рекуперации тепла, которое содержит корпус, а также находящуюся внутри корпуса и коаксиально ему проходную линию, причем внутри корпуса и при этом также внутри проходной линии находится запорный клапан. Посредством этого запорного клапана проходная линия может быть закрыта, чтобы подаваемый во входную зону устройства отработанный газ проходил через отверстие, находящееся в направлении потока отработанного газа выше до запорного клапана, в промежуточную область между проходной линией и корпусом. Внутри промежуточной области расположены две не сообщающиеся, но смежные друг с другом спиральные трубы, коаксиальные с проходной линией, которые имеют разные диаметры и содержат, каждая, подвод и сток для нагревающей среды. Отдельные трубы, образующие спиральные трубы, имеют при этом прямоугольное сечение и спирально скручены вокруг своей продольной оси.
Устройство, похожее на устройство в US 2011/0289905 A1, описано в US 2005/0133202 A1. Однако в отличие от US 2011/0289905 A1, в US 2005/0133202 A1 описаны коаксиальные спиральные трубы, соединенные друг с другом через общий подвод, а также общий отвод, и снабженные реберными структурами, причем в одном варианте осуществления в промежутке между проходной линией и корпусом может находиться более двух таких спиральных труб. Таким образом, спиральные трубы, соединены друг с другом в параллельной конфигурации, так что поток среды в отдельных спиральных трубах всегда течет в одном направлении. Для получения радиально отстоящих друг от друга спиральных труб их вводят между разделенными штырями пластинами из четверти цилиндра, которые при изготовлении отделяют друг от друга отдельные спиральные трубы при изготовлении. Однако после термообработки спиральных труб эти пластины удаляют, в результате чего спиральные трубы остаются отделенными друг от друга без вспомогательных средств.
Для всех этих решений, описанных в предшествующем уровне техники, расстояние, проходимое отработанным газом через устройство (далее длина протекания), по существу соответствует длине устройства. Это приводит к тому, что передача тепла может происходить только на этом расстоянии, что приводит к низкой эффективности устройства.
Из ЕР 1 460 363 А1 известен теплообменник, который имеет центральный проточный канал, а также состоящий из по меньшей мере двух соединенных друг с другом проточных камер байпасный канал. При этом в обеих проточных камерах байпасного канала расположено по одной части трубопроводной системы. Кроме того, центральный проточный канал также имеет часть указанной трубопроводной системы.
Из US 2010/0200080 А1 также известен теплообменник, который центральный проточный канал, который окружен байпасным каналом, имеющим две соединенные проточные камеры. В этих проточных камерах, в свою очередь, расположена часть спирального трубопровода. Для запирания центрального проточного канала и для ввода отработанного газа в байпасный канал теплообменник имеет расположенный с выходной стороны клапан переключения.
WO 2016/088489 А1 показывает теплообменник, который имеет лишь один байпасный канал, причем он окружает запираемый клапанной заслонкой центральный проточный канал. В байпасном канале при этом расположен теплообменный элемент.
WO 93/03318 А1 раскрывает теплообменник, который имеет центральный проточный канал, который имеет несколько выполненных концентрично относительно центрального проточного канала и соединенных друг с другом краевых проточных каналов.
На этом фоне задачей изобретения является разработать устройство упомянутого выше типа таким образом, чтобы система теплообменника устройства имел увеличенную по сравнению с уровнем техники длину протекания, чтобы обеспечить повышение эффективности.
Эта задача решена посредством устройства с признаками пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты относятся к особенно целесообразным усовершенствованиям изобретения.
Таким образом, согласно изобретению предусмотрено устройство для рекуперации тепла нагревательной среды, которое содержит систему теплообменника с центральным проточным каналом, окруженным по меньшей мере одним краевым проточным каналом. При этом внутри краевого проточного канала находится по меньшей мере один теплообменный элемент, посредством которого при работе источника отходящего тепла тепло из нагревательной среды, создаваемой источником отходящего тепла, может передаваться на текущую через теплообменный элемент рабочую среду. Кроме того, центральный проточный канал, а также краевой проточный канал имеют, каждый, по меньшей мере один впуск для втекания нагревательной среды. Далее, согласно изобретению, краевой проточный канал содержит по меньшей мере две проточные камеры, делящие краевой проточный канал перпендикулярно центральной оси системы теплообменника, благодаря чему достигается максимально большая длина протекания через краевой проточный канал. При этом проточные камеры могут проходить параллельно друг другу, а также центральному проточному каналу, и/или, в частности, коаксиально. В результате внутри проточных камер устанавливается главное направление течения нагревательной среды, которое ориентировано по существу параллельно центральной оси системы теплообменника и, тем самым, параллельно центральному проточному каналу. Секционирование или разделение краевого проточного канала на отдельные параллельные и при этом, в частности, расположенные коаксиально, а также перпендикулярно центральной оси системы теплообменника, проточные камеры может достигаться, например, за счет того, что между проточными камерами краевого проточного канала и между центральным проточным каналом и краевым проточным каналом в продольном направлении проточных камер и центрального проточного канала отформованы проходящие параллельно друг другу разделительные стенки для разделения текучей среды. Поскольку проточные камеры в совокупности образуют краевой проточный канал, они должны по меньшей мере на одном участке гидравлически соединяются друг с другом. Расположенное со стороны торца завершение проточных камер для предотвращения нежелательного выхода нагревательной среды – за исключением выпуска внешнего проточного канала – следует считать обязательным, при этом проточные камеры проходят по существу по всей длине центрального проточного канала.
Гидравлическое соединение означает в этой связи соединение, проницаемое для веществ, которое может быть проницаемым по меньшей мере для текучих сред, а также для газов. Однако при этом не исключается проницаемость для твердых веществ. Само собой разумеется, что через это гидравлическое соединение может также передаваться энергия.
В усовершенствованном варианте центральный проточный канал может быть выполнен как цилиндрическая центральная труба, при этом системы теплообменника будет выполнена по существу вращательно-симметрично. В этом связи возможно, чтобы окружающий центральный проточный канал краевой проточный канал и, таким образом, также проточные камеры краевого проточного канала были образованы промежуточным пространством между центральной трубой и/или расположенными коаксиально вокруг центральной трубы и цилиндрически выполненными краевыми трубами разного диаметра, при этом центральная труба и/или краевые трубы образуют разделительные стенки для разделения текучей среды. Кроме того, самый внешний, наиболее удаленный от центральной оси системы теплообменника краевой проточный канал особенно предпочтительно в конструктивно изящной манере может быть образован промежуточным пространством между краевой трубой и по существу цилиндрическим корпусом системы теплообменника.
Нагревательная среда может представлять собой, в частности, отработанный газ, который течет через выпускной тракт, в частности, выхлопной тракт двигателя внутреннего сгорания. При этом двигатель внутреннего сгорания может представлять собой вышеописанный источник отходящего тепла. Соответственно, нагревательная среда будет течь через тракт нагревательной среды, который соответствует выпускному тракту, в частности, выпускному тракту двигателя внутреннего сгорания, например, автомобильного двигателя внутреннего сгорания.
Согласно изобретению центральный проточный канал служит байпасом для краевого проточного канала, причем для такой функции центральный проточный канал должен быть выполнен с возможностью частичного или полного открывания или закрывания. Этого можно достичь, например, с помощью затвора канала, посредством которого можно влиять на объемный поток нагревательной среды через центральный проточный канал и/или краевой проточный канал в зависимости от степени раскрытия затвора канала.
Рабочая среда должна представлять собой текучую среду, которая за счет тепла, передаваемого ей теплообменным элементом от нагревательной среды, переходит из жидкой фазы в газообразную, то есть может испаряться. В качестве таких рабочих сред годятся, например, вода, а также спирты, как этанол. Кроме того, в качестве рабочей среды можно использовать хладагенты различного типа.
В одном особенно предпочтительном усовершенствованном варианте изобретения проточные камеры последовательно гидродинамически сообщаются друг с другом через торцевые зоны, лежащие в продольном направлении проточных камер, так что нагревательная среда может по очереди течь через проточные камеры краевого проточного канала. Это означает, что нагревательная среда течет через проточные камеры последовательно, но не параллельно. Преимуществом этого, помимо направленного главного потока нагревательной среды, является то, что нагревательная среда проходит большее расстояние при протекании через краевой проточный канал, чем в случае параллельного течения. Увеличение пройденного расстояния позволяет с успехом передать большее количество тепла от нагревательной среды. Гидродинамическое соединение между отдельными проточными камерами может осуществляться через перепускные отверстия, которые должны быть образованы попеременно на противоположных концах проточных камер, чтобы последовательное протекание через проточные камеры достигалось с максимально большой длиной протекания через краевой проточный канал.
Далее, один чрезвычайно выгодный вариант осуществления изобретения основан на том, что в каждой проточной камере краевого проточного канала находится теплообменный элемент или частичный компонент теплообменного элемента. Таким образом, возможно, во–первых, чтобы в одной или нескольких проточных камерах находились отдельно выполненные теплообменные элементы, а во–вторых, чтобы теплообменный элемент состоял из по меньшей мере двух гидродинамически соединенных частичных компонентов, через которые может течь рабочая среда, и при этом в каждой проточной камере находится по одному частичному компоненту. Кроме того, можно иметь смешанную конфигурацию, в которой в одной или нескольких проточных камерах находится теплообменный элемент, а в других проточных камерах находится по одному частичному компоненту. При такой конфигурации можно предпочтительным образом передавать тепло от нагревательной среды в разные контуры рабочей среды, при этом в результате целенаправленного размещения теплообменных элементов и/или частичных компонентов теплообменных элементов можно реализовать разное повышение температуры рабочей среды в контуре рабочей среды. Однако предпочтительной является конфигурация теплообменного элемента с по меньшей мере двумя частичными компонентами, причем в каждой проточной камере находится по одному частичному компоненту.
Если, кроме того, при работе системы теплообменника направление течения нагревательной среды через каждую проточную камеру противоположно направлению течения рабочей среды через находящийся в соответствующей проточной камере теплообменный элемент или частичный компонент теплообменного элемента, это можно считать выгодным в том, что рабочая среда и нагревательная среда в результате протекают через систему теплообменника внутри краевого проточного канала всегда в противоположных направлениях, т.е. система теплообменника всегда работает по принципу противотока. При подходящем выборе точки втекания рабочей среды в теплообменный элемент, а также нагревательной среды в краевой проточный канал можно, благодаря противоположному направлению течения рабочей среды и нагревательной среды по длине протекания краевого проточного канала, с выгодой достичь максимально возможной разницы температур между рабочей средой и нагревательной средой и, тем самым, повышения эффективности системы теплообменника.
В высшей степени перспективным следует считать также вариант осуществления изобретения, в котором теплообменный элемент выполнен как витой трубопровод из спирально проходящей трубы, и/или витой трубопровод из спирально проходящей трубы содержит по меньшей мере два расположенных коаксиально друг другу слоя, причем слои витого трубопровода будут соответствовать частичным компонентам теплообменного элемента. Такой витой трубопровод представляет собой очень экономичную конструкцию теплообменного элемента и, кроме того, обеспечивает по сравнению с возможными вариантами осуществления с несколькими прямолинейными отдельными трубами, проходящими по существу параллельно друг другу и параллельно центральному и краевому проточным каналам, преимущество в том, что не возникает неравномерного распределения объемного потока нагревательной среды. В случае нескольких отдельных труб может случиться, что такое неравномерное распределение приведет к локальному перегреву и/или переохлаждению разных отдельных труб, следствием чего может быть неоднородное испарение или даже отсутствие испарения рабочей среды и/или возникновение дефекта локально перегретых отдельных труб. Дополнительный вариант осуществления с витым трубопроводом, в котором на его внешней боковой поверхности образованы ребра, усиливает тепловой поток из нагревательной среды в рабочую среду, благодаря чему можно повысить эффективность теплопередачи. При этом допустимо, чтобы ребра были образованы тем, что на несущую по меньшей мере на отдельных участках ребра трубу нанесена спирально обвивающаяся в продольном направлении трубы бесконечная лента, нарезанная в размер в соответствии с длиной участка. Соединение между образующей ребра бесконечной лентой и трубой может быть выполнена с замыканием материала, причем создание замыкания материала может быть реализовано с использованием процесса сварки, в частности, лазерной сварки.
Один особенно предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения отличается также тем, что каждый слой витого трубопровода расположен соответственно в одной из проточных камер краевого проточного канала, благодаря чему получается оптимальная конструкция системы теплообменника относительно выполнения краевого проточного канала с находящимся в краевом проточном канале теплообменным элементом, например, относительно использования монтажного пространства, эффективности (КПД), а также с экономической точки зрения.
Если в одном осуществления устройства центральный проточный канал закрыт на его противоположном от впуска центрального проточного канала торцевом конце, то система теплообменника в этом отношении должен быть выполнена так, чтобы она могла применяться, например, для длительной работы при низкой нагрузке и связанных с этим низких температурах. За счет этого функция центрального проточного канала в виде при необходимости в зависимости от нагрузки открывающегося или закрывающегося байпаса для краевого проточного канала не обеспечивается, что снижает проектировочные и производственно–технические затраты, а также связанные с этим издержки производства.
Кроме того, в одном в высшей степени выгодном на практике варианте осуществления изобретения впуск краевого проточного канала образован в центральном проточном канале, причем при четном числе проточных камер впуск краевого проточного канала образован в концевой зоне центрального проточного канала, противоположной от впуска центрального проточного канала, а при нечетном числе проточных камер в концевой зоне центрального проточного канала, обращенной к впуску центрального проточного канала. При этом, в принципе, краевой проточный канал должен соединяться с центральным проточным каналом исключительно через впуск краевого проточного канала. Это справедливо независимо от того, может ли центральный проточный канал открываться для сквозного течения или закрыт с одной стороны. При выполнении краевого проточного канала, например, с двумя или же четырьмя проточными камерами впуск краевого проточного канала был бы выполнен на противоположном от впуска центрального проточного канала конце центрального проточного канала. Если же, напротив, в краевом проточном канале образовано три или пять проточных камер, впуск краевого проточного канала будет выполнен на конце центрального проточного канала, обращенном к впуску центрального проточного канала.
Далее, очень многообещающим следует считать усовершенствованный вариант изобретения, в котором витой трубопровод имеет впуск для текучей среды, а также выпуск для текучей среды, причем впуск для текучей среды образован в самом внутреннем слое витого трубопровода, а выпуск для текучей среды в самом внешнем слое витого трубопровода. При этом самый внутренний ряд витого трубопровода находится на самом малом, а самый внешний слой витого трубопровода на самом большом расстоянии, отсчитываемом перпендикулярно центральной оси, при вращательно-симметричной конструкции отстоящего в радиальном направлении от центрального проточного канала слоя витого трубопровода. Преимуществом витого трубопровода, выполненного подобным образом, является то, что он делает возможной непрерывную работу систему теплообменника по принципу противотока, благодаря чему выгодно может достигаться повышение КПД системы теплообменника, что выгодно.
Если, кроме того, устройство отличается тем, что оно ниже по потоку от выпуска центрального проточного канала и/или выпуска краевого проточного канала имеет затвор канала, с помощью которого может регулироваться, то есть, контролироваться и/или устанавливаться, объемный поток нагревательной среды через центральный проточный канал и/или краевой проточный канал, то можно менять высоту объемного потока нагревательной среды через центральный проточный канал и/или краевой проточный канал, причем одновременно конструкция системы теплообменника будет иметь меньшую подверженность сбоям при работе. Затвор канала выполнен согласно изобретению как заслонка отработанного газа, угловое положение которой может изменяться распределительным валом. Благодаря размещению ниже по потоку от центрального проточного канала и/или краевого проточного канала и, таким образом, согласно изобретению снаружи системы теплообменника можно использовать заслонки отработанного газа с более коротким распределительным валом, чем при размещении внутри системы теплообменника. Благодаря этому можно снизить вероятность неисправностей, например, из–за заклинивания распределительного вала и/или из–за конструкции затвора канала, выполненного в виде заслонки отработанного газа.
Изобретение допускает большое число вариантов осуществления. Для лучшего уточнения его основного принципа один из этих вариантов представлен на чертеже и будет описан ниже.
На фигуре показан усовершенствованный вариант системы 1 теплообменника, причем центральный проточный канал 3, образующий часть системы 1 теплообменника, окружен краевым проточным каналом 2. Внутри краевого проточного канала 2 находится теплообменный элемент 4, выполненный как витой трубопровод 13, который при работе источника отходящего тепла служит для передачи тепла от создаваемой источником отходящего тепла нагревательной среды в рабочую среду, текущую через теплообменный элемент 4. Краевой проточный канал 2 при этом разделен перпендикулярно центральной оси 7 системы 1 теплообменника на две проточные камеры 8, причем проточные камеры 8 отделены друг от друга параллельными разделительными стенками 21 для разделения текущих сред. Кроме того, проточные камеры 8 последовательно гидродинамически соединены друг с другом торцевыми зонами, находящимися в продольном направлении 9 проточных камер 8, 22, так что при работе системы 1 теплообменника, в соответствии с функцией внешнего проточного канала, нагревательная среда может последовательно течь через проточные камеры 8. При этом в каждой проточной камере 8 находится выполненный в виде слоя 14 витого трубопровода частичный компонент 10 теплообменного элемента 4, причем слои 14 витого трубопровода, в свою очередь, расположены коаксиально относительно друг друга. При этом витой трубопровод 13 имеет впуск 17 для текучей среды, а также выпуск 18 для текучей среды, причем впуск 17 для текучей среды образован в самом внутреннем слое 14 витого трубопровода, а выпуск 18 для текучей среды в самом внешнем из слоев 14 витого трубопровода 13. Нагревательная среда, поступающая при работе системы 1 теплообменника через впуск 6 центрального проточного канала 3 в систему 1 теплообменник, переливается через образованный в центральном проточном канале 3 впуск 5 в краевой внешний проточный канал 2. Поскольку в этом случае имеется две, то есть четное число проточных камер 8, впуск 5 образован в противоположной от впуска 6 центрального проточного канала 3 концевой зоне 15 центрального проточного канала 3. Чтобы позволить перепуск нагревательной среды из центрального проточного канала 3 в краевой проточный канал 2, центральный проточный канал 3 также закрыт с торца в противоположной от впуска 6 центрального проточного канала 3 концевой зоне 15. При этом устанавливается направление течения 11 нагревательной среды, которое ориентировано по существу в продольном направлении 9 проточных камер 8 и, таким образом, параллельно центральному проточному каналу 3. После протекания через самую внутреннюю проточную камеру 8, то есть через проточную камеру 8, которая имеет наименьшее расстояние, отсчитываемое перпендикулярно центральной оси 7, от центрального проточного канала 3, нагревательная среда перетекает в самую внешнюю проточную камеру 8, которые для этой цели гидравлически соединяются друг с другом через перепускное отверстие 20. Кроме того, в этом усовершенствованном варианте перепускное отверстие 20 образовано параллельно концевой зоне 16 центрального проточного канала 3. Самая внешняя из проточных камер 8 имеет соответственно наибольшее расстояние, отсчитываемое перпендикулярно центральной оси 7, от центрального проточного канала 3. После протекания через самую внешнюю проточную камеру 8 нагревательная среда выходит из краевого проточного канала 2 через его выпуск 19. Направление течения 12 рабочей среды, устанавливающееся в выполненном в виде слоев 14 витого трубопровода частичного компонента 10 теплообменного элемента 4, выполненного как витой трубопровод 13, противоположно направлению течения 11 нагревательной среды через соответствующую проточную камеру 8, в которой находится соответствующий частичный компонент 10. Направление течения 11 нагревательной среды через проточные камеры 8 также является противоположным в последовательных проточных камерах 8. Это справедливо также в отношении направления течения 12 рабочей среды через последовательные частичные компоненты 10.
Список позиций
1
Система теплообменника
2
Краевой проточный канал
3
центральный проточный канал
4
теплообменный элемент
5
впуск
6
впуск
7
центральная ось
8
проточная камера
9
продольное направление
10
частичный компонент
11
направление течения нагревательной среды
12
направление течения рабочей среды
13
витой трубопровод
14
слои витого трубопровода
15
концевая зона
16
концевая зона
17
впуск для текучей среды
18
выпуск для текучей среды
19
выпуск краевого проточного канала
20
перепускное отверстие
21
разделительная стенка для текучих сред
22
торцевая зона