Теплообменник для охлаждения отработавших газов двигателя внутреннего сгорания

Техническое решение относится к теплообменным аппаратам, в частности к охладителю отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, представляющему собой кожухотрубный теплообменник, состоящий из отдельных теплообменных секций с теплообменными трубами, заполненными пенометаллом, в котором организовано раздельное и встречно-поперечное движение теплоносителей - отработавших газов и охлаждающей жидкости.
Теплообменники различного назначения широко используются в транспортных средствах и энергоустановках, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, для регулирования температуры охлаждающей жидкости и моторного масла, для использования остаточной теплоты отработавших газов, выходящих из двигателя внутреннего сгорания, и пр.
В целом, теплообменники представляют собой устройства, в которых происходит перенос тепловой энергии между двумя теплоносителями без прямого контакта между ними. Таким образом, тепловая энергия переносится между теплоносителями через стенки и прочие элементы теплообменника, разделяющие теплоносители.
Рабочие параметры теплообменника, связанные с передачей тепловой энергии между теплоносителями, зависят от площади поверхности теплообмена и физических свойств используемых материалов.
Современные тенденции к энергосбережению и повышению эффективности использования топлива, а также меры, направленные на решение экологических проблем, приводят к необходимости постоянного совершенствования компонентной базы, используемой при создании транспортных и стационарных энергоустановок. Вышесказанное в полной мере относится и к теплообменникам для охлаждения отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Известно, что стремление повысить мощность теплообменника при сохранении прежних габаритных размеров, приводит к росту внутреннего гидравлического сопротивления, вызванного увеличением скорости движения теплоносителей, и использованию сложных технологий и дорогих материалов при создании теплообменных поверхностей.
Одним из решений возникающих проблем является использование пенометаллов в конструкции теплообменника для интенсификации теплообмена и повышения площади теплообменной поверхности.
2
3
Пенометалл представляет собой пористый материал с высокой удельной площадью поверхности, составляющей 2000-10000 м/м. Пористость пенометалла, представляющая собой отношение объема воздуха, заключенного в пенометалле, к полному объему пенометалла, обычно равна 75-98%, благодаря чему плотность пенометалла является очень низкой. Для изготовления пенометаллов обычно используются материалы с высокой теплопроводностью (алюминий, медь и др.), благодаря чему достигается более равномерное температурное поле пенометалла и теплоносителя, протекающего в нем.
Пенометалл является относительно новым материалом и его использование во многих областях машиностроения является перспективным.
Из уровня техники известны различные варианты исполнения теплообменных аппаратов для охлаждения отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.
В патенте на полезную модель (CN 201748825, МПК: F28D 7/00, F28F 1/42, опубликованному 16.02.2011) предложен кожухотрубный теплообменник, в конструкции которого использован пенометалл для улучшения теплообмена. Пенометалл представляет собой многослойную пористую структуру, которая получается из пористой ленты после ее сворачивания в цилиндр. Полученный при этом сплошной цилиндр устанавливается внутрь теплообменной трубы теплообменника, а полый цилиндр размещается снаружи теплообменной трубы.
Использование пенометалла в конструкции теплообменника позволяет снизить его габаритные размеры и массу, а также достичь снижения материалоемкости и стоимости готового изделия. В патенте предлагается отказаться от внутренних перегородок, что упрощает конструкцию и сборку теплообменника.
Однако предложенный теплообменник обладает несколькими недостатками.
Так при размещении пенометалла снаружи теплообменной трубы предложенный теплообменник будет иметь ограниченное применение. Например, при использовании плотного теплоносителя, к которому можно отнести воду и прочие охлаждающие жидкости, его прохождение через пенометалл с относительно высокими скоростями будет сопровождаться увеличенным гидравлическим сопротивлением. Это приведет к увеличению затрат энергии на привод насоса, что снизит общую эффективность использования теплообменника.
Отметим также технологические недостатки теплообменника, связанные с процессом внешней и внутренней установки пенометалла.
Для обеспечения достаточного усилия прилегания пенометалла к внешней поверхности теплообменной трубы необходимо создание изначального соединения с гарантированным натягом, когда внутренний диаметр пенометалла будет меньше внешнего диаметра теплообменной трубы. Сложность состоит в обеспечении надежного соединения свернутого пенометалла и гарантированного сохранения его формы во время работы, поскольку отдельные связи таких пенометаллов, как медь или алюминий, не обладают достаточной прочностью.
При внутреннем размещении пенометалла также необходимо сворачивать листовой пенометалл в цилиндр и фиксировать полученную форму. В этом случае при установке пенометалла внутрь теплообменной трубы его форма будет поддерживаться во время работы теплообменника. Однако процесс установки пенометалла, имеющего высокую пористость, в трубу будет затруднен, так как установка пенометалла, выполненного в виде стержня, в трубу с требуемым натягом приведет к его деформации и повреждению.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является кожухотрубный теплообменник, рассмотренный в патенте на изобретение (US 8272431, МПК: F28F 13/12, публ. 25.09.2012). Теплообменник относится к кожухотрубному типу и используется для теплообмена между двумя теплоносителями. Корпус теплообменника состоит из трех деталей: входного и выходного коллекторов и центральной части, содержащей теплообменные трубы. Корпус теплообменника оснащен трубными решетками, в которые устанавливаются теплообменные трубы, а внутри корпуса расположены перегородки, обеспечивающие встречно-перпендикулярное движение теплоносителей.
Особенностью теплообменника является использование пенографита и слоя из графитового материала для изготовления теплообменных труб, которые имеют двухслойную конструкцию. Первый внешний слой является стенкой теплообменной трубы и образован слоем из графитового материала, который является непроницаемым или частично проницаемым для теплоносителей. Второй слой, выполненный из пенографита с открытыми ячейками, расположен внутри теплообменной трубы и является проницаемым для теплоносителя, движущегося внутри трубы. Оба слоя соединены между собой в единую неразборную структуру.
Благодаря применению пенографита значительно снижается масса теплообменных труб, а высокая площадь поверхности теплообмена пенографита обеспечивает компактность конструкции.
Однако представленная конструкция имеет ряд недостатков, связанных с технологией изготовления и эксплуатацией теплообменника.
1) Отметим сложность технологии изготовления теплообменных труб, практическая реализация которой требует применения специального оборудования и оснастки для создания двухслойной теплообменной трубы. К тому же невозможно проведение замены пенографита, что может потребоваться при засорении пенографита, вызывающем снижение пропускной способности и увеличение гидравлического сопротивления, или при иных повреждениях.
2) Для соединения теплообменных труб, внешний слой которых выполнен из графитного материала, с трубной решеткой необходимо использование химических или клеевых способов соединения. При этом возникают ограничения по рабочим температурам и устойчивости полученного соединения к вибрациям, которые могут возникать во время работы. Таким образом, это снижает области применения рассмотренного теплообменника.
3) Неразборная конструкция центральной части теплообменника приводит к сложности проведения периодического обслуживания во время его эксплуатации. Например, выполнение работ по очистке турбулизаторов потока от загрязнений и отложений, расположенных на внешней поверхности теплообменных труб. Нарушение нормальных условий работы турбулизаторов потока приводит к снижению эффективности теплообменника, увеличению гидравлического сопротивления и пр.
Задача, поставленная в полезной модели, заключается в расширении областей применения теплообменника, в повышении технологичности конструкции и упрощении периодического обслуживания теплообменника во время его эксплуатации.
Технический результат заключается в повышении надежности теплообменника, а также в снижении стоимости изготовления теплообменника и эксплуатационных расходов, связанных с обслуживанием элементов теплообменника.
Сущность полезной модели состоит в том, что теплообменник для охлаждения отработавших газов двигателя внутреннего сгорания содержит разъемный корпус теплообменника, содержащий не менее двух теплообменных секций, впускной коллектор для подачи первого теплоносителя в теплообменные трубы теплообменника, выпускной коллектор для отвода первого теплоносителя из теплообменных труб теплообменника, причем каждая теплообменная секция включает в состав теплообменные трубы, заполненные внутри пенометаллом с необходимой пористостью и внутри которых движется первый теплоноситель, и снабжена двумя крепежными фланцами, уплотнительными и крепежными элементами, теплообменные трубы, а объем, ограниченный внутренней поверхностью корпуса и внешними поверхностями теплообменных труб, образует межтрубное пространство теплообменника.
Каждая теплообменная секция содержит две трубные решетки, обеспечивающие шахматное расположение теплообменных труб, причем взаимное расположение теплообменных труб и патрубков обеспечивает противоточное движение обоих теплоносителей, при котором также происходит поперечное омывание наружной поверхности теплообменных труб вторым теплоносителем, при этом межтрубное пространство теплообменника выполнено таким образом, что во время движения обоих теплоносителей не происходит их смешивания.
Также внешняя поверхность теплообменных труб для повышения коэффициента теплоотдачи содержит турбулизаторы потока, выполненные в виде пластин, впускной патрубок, установленный на корпусе теплообменника и используемый для подачи второго теплоносителя в межтрубное пространство, выпускной патрубок, установленный на корпусе теплообменника и используемый для отвода второго теплоносителя из межтрубного пространства.
При этом каждая теплообменная секция имеет два патрубка, один из которых используется для подачи второго теплоносителя в межтрубное пространство секции, а другой - для отвода второго теплоносителя из секции, при этом для обеспечения гидравлической связи межтрубного пространства каждой секции патрубки секций последовательно соединены между собой с помощью гибкого трубопровода.
Причем по одному патрубку на крайних теплообменных секциях используется для гидравлической связи теплообменника с внешним охлаждающим контуром.
Кроме того, еще отличия состоят в том, что:
теплообменные трубы изготовлены из нержавеющей стали;
теплообменные трубы заполнены пенометаллическими цилиндрическими элементами, изготовленными из пеномеди;
пеномедь установлена в теплообменные трубы с необходимым натягом, величина которого определяется пористостью пеномеди в свободном состоянии и рабочими температурами теплоносителей;
Достигается технический результат тем, что при таком исполнении теплообменника теплообменные трубы, изготовленные из нержавеющей стали, фиксируются в трубных решетках с помощью сварного соединения, которое имеет высокую устойчивость к вибрационным и температурным нагрузкам, возникающим во время работы теплообменника, что обеспечивает повышение надежности теплообменника.
Пористая структура из пеномеди, размещаемая внутри трубы, представляет собой отдельные цилиндрические элементы, которые получаются в результате раскроя листовой пеномеди, не требующего использования дорогостоящего оборудования. Теплообменная труба имеет круглое сечение и турбулизаторы потока на наружной поверхности. Использование стандартных и доступных материалов снижает стоимость изготовления теплообменника.
Предложенное исполнение теплообменника, согласно которому он имеет разъемный корпус, позволяет проводить обслуживание турбулизаторов потока и пенометалла. Причем пенометалл, при необходимости, может быть полностью заменен на аналогичный или с другими свойствами без внесения изменений в конструкцию теплообменника. Такое исполнение обеспечивает снижение эксплуатационных расходов.
Полезная модель иллюстрируется двумя чертежами, на которых представлен продольный разрез теплообменника для охлаждения отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (фиг. 1) и общий вид теплообменника (фиг. 2).
Теплообменник состоит из разъемного корпуса 1 теплообменника, содержащего не менее двух теплообменных секций 2, теплообменных труб 3, расположенных в каждой теплообменной секции 2 и заполненных внутри пеноматериалом 4 с необходимой пористостью, межтрубного пространства 5, представляющего собой объем, ограниченный внутренней поверхностью корпуса и внешними поверхностями теплообменных труб 3, причем также внешняя поверхность теплообменных труб 3 для повышения коэффициента теплоотдачи содержит турбулизаторы потока (на чертеже не показаны), выполненные в виде пластин, каждая теплообменная секция, снабженная двумя крепежными фланцами 6, уплотнительными 7 и крепежными 8 элементами, соединяется между собой и образует разъемный корпус 1 теплообменника, впускного коллектора 9 для подачи первого теплоносителя в теплообменные трубы 3, выпускной коллектор 10 для отвода первого теплоносителя из теплообменных труб 3.
Каждая теплообменная секция 2 содержит две трубные решетки 11, обеспечивающие шахматное расположение теплообменных труб 3, впускной 12 и выпускной 13 патрубки, установленные на корпусе теплообменника и используемые, соответственно, для подачи второго теплоносителя в межтрубное пространство 5 и отвода второго теплоносителя из межтрубного пространства 5, при этом для обеспечения гидравлической связи межтрубного пространства 5 каждой секции 2 патрубки 12 и 13 секций последовательно соединены между собой с помощью гибкого трубопровода 14.
При этом взаимное расположение теплообменных труб 3 и патрубков 12 и 13 обеспечивает встречно-поперечное движение обоих теплоносителей, при котором второй теплоноситель омывает наружную поверхность теплообменных труб 3 в перпендикулярном направлении, причем по одному патрубку 12 и 13 на крайних теплообменных секциях 2 используется для гидравлической связи теплообменника с внешним охлаждающим контуром (на чертеже не показан).
Теплообменник для охлаждения отработавших газов двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
Теплообменник устанавливается в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. При наличии каталитического нейтрализатора в системе выпуска теплообменник размещается после нейтрализатора по ходу движения отработавших газов. Такое расположение теплообменника вызвано необходимостью осуществления окислительно-восстановительных реакций в присутствии катализатора, для которых необходима высокая температура отработавших газов.
Первый теплоноситель, которым являются горячие отработавшие газы, поступает во впускной коллектор 9 теплообменника. Впускной коллектор 9 в продольном направлении имеет необходимое расширение проходного сечения, выполненное для обеспечения равномерного распределения потока отработавших газов на входе в теплообменные трубы 3, а также для безотрывного движения отработавших газов относительно внутренней стенки впускного коллектора 9. Выполнение последнего требования позволяет снизить завихрения отработавших газов и гидравлическое сопротивление теплообменника.
Затем поток отработавших газов последовательно проходит через пенометалл 4 теплообменных труб 3, расположенных в трех теплообменных секциях 2.
Работа пенометалла 4 заключается в увеличении скорости движения первого теплоносителя внутри теплообменной трубы 3, что приводит к повышению значения числа Рейнольдса. В результате этого увеличивается число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи от отработавших газов к пенометаллу 4 и стенке теплообменной трубы 3. В результате этого повышается эффективность теплообмена со стороны первого теплоносителя.
Использование пенометалла 4 также увеличивает площадь теплообменной поверхности, что позволяет повысить тепловую мощность, передаваемую от первого теплоносителя.
Второй теплоноситель, которым является охлаждающая жидкость двигателя, поступает через впускной патрубок 12 в межтрубное пространство 5 первой теплообменной секции 2 и омывает внешнюю поверхность каждой теплообменной трубы 3 в перпендикулярном направлении.
Во время движения поперек теплообменных труб второй теплоноситель проходит через турбулизаторы потока, при этом увеличивается скорость движения охлаждающей жидкости вокруг теплообменных труб 3, что приводит к повышению значения числа Рейнольдса. В результате этого увеличивается число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи между наружной поверхностью теплообменных труб 3 и охлаждающей жидкостью, что приводит к росту эффективности теплообмена со вторым теплоносителем.
Использование турбулизаторов потока также увеличивает площадь теплообменной поверхности, в результате чего повышается тепловая мощность, которая может передаваться второму теплоносителю.
Поскольку межтрубное пространство 5 каждой теплообменной секции 2 гидравлически связано между собой с помощью трубопроводов 14 и штуцеров 12 и 13, то охлаждающая жидкость проходит последовательно через все теплообменные секции 2, в которых полностью повторяется теплообменный процесс, описанный для первой секции 2.
С помощью впускного 12 и выпускного 13 патрубок крайних теплообменных секций 2 теплообменник соединяется с внешним охлаждающим контуром, который связан с контуром охлаждения двигателя и отопителем салона транспортного средства. Для циркуляции охлаждающей жидкости через теплообменник используется дополнительный жидкостной насос с электрическим приводом.
Электрический привод жидкостного насоса позволяет регулировать расход охлаждающей жидкости, проходящей через теплообменник. Во время прогрева холодного двигателя и в режиме холостого хода расход охлаждающей жидкости снижается, а на средних и высоких оборотах расход повышается.
После прохождения последней теплообменной секции 2 охлажденные отработавшие газы поступают в выпускной коллектор 10 теплообменника, который имеет необходимое сужение проходного сечения в продольном направлении. Такая форма выпускного коллектора 10 обусловлена необходимостью снижения коэффициента местного сопротивления, вызванного уменьшением площади проходного сечения.
Совместная работа пенометалла и турбулизаторов потока обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи теплообменника, что позволяет сократить его массогабаритные параметры и стоимость.
Теплообменник для охлаждения отработавших газов используется на различных режимах работы двигателя. Например, запуск холодного двигателя и его работа до момента достижения рабочей температуры по многим параметрам относятся к неблагоприятным режимам работы двигателя. Производители прикладывают усилия, чтобы сократить продолжительность этих режимов. Для этого существует несколько способов, среди которых использование предпусковых подогревателей (электрических и топливных), применение системы охлаждения двигателя с несколькими термостатами и др.
Работа предложенного теплообменника на этом режиме состоит в ускорении нагрева охлаждающей жидкости за счет использования остаточной теплоты отработавших газов. В результате этого снижается продолжительность выхода двигателя на рабочую температуру, сокращается расход топлива и повышается скорость прогрева салона.
При работе погретого двигателя тепло, передаваемое охлаждающей жидкости в теплообменнике, может использоваться только для поддержания необходимой температуры в салоне транспортного средства. Если для работы двигателя и транспортного средства не требуется дополнительная тепловая энергия, то отработавшие газы могут проходить в обход теплообменника и он не будет использоваться.
Таким образом, наибольшая эффективность работы теплообменника достигается в холодное время года, когда все тепло, получаемое при охлаждении отработавших газов, может использоваться для совершения необходимых процессов.