УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА
HEAT RECUPERATION DEVICE

Изобретение относится к устройству для рекуперации тепла из нагревательной среды, которое содержит систему теплообменника с основным проточным каналом, окруженным дополнительным проточным каналом. При этом внутри дополнительного проточного канала находится по меньшей мере один теплообменный элемент, посредством которого при работе источника отходящего тепла тепло из нагревательной среды, создаваемой источником отходящего тепла, передается в текущую через теплообменный элемент рабочую среду.
В этой связи в DE 10 2012 204 126 A1 описан парогенератор, 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 разрезы на ее концевых участках, находящихся во впускной и выпускной зонах, так что отработанный газ, поступающий в парогенератор, может попадать в промежуток между стенкой корпуса и проходной линией. В этом промежутке рядом с проходной линией находится спиральная труба, через которую может течь текучая среда, подлежащая испарению. При этом спиральная труба, в одном варианте осуществления имеющая дискообразные ребра для повышения теплопередачи, служит структурным элементом теплообменника, через который содержащаяся в отработанном газе тепловая энергия передается на испаряемую текучую среду. 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 состоянии. 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 чего передача тепла от отработанного газа в испаряемую текучую среду по существу предотвращается. При этом конфигурация с использованием спиральной трубы считается невыгодной, поскольку адаптация спиральной трубы к различным требованиям, например, в отношении термостойкости, теплопроводности и коррозионной стойкости не представляется возможной.
Возможности изготовления вышеописанных, снабженных дискообразными ребрами спиральных труб раскрыты, наряду с прочим, в EP 0303074 B1 и EP 0819497 B1. В этом случае образующую ребра бесконечную ленту обвивают по спирали дистанцированно в продольном направлении вокруг трубы и соединяют с ней с замыканием материала способом лазерной сварки. При этом, согласно EP 0303074 B1, поверхность трубы и обращенная к трубе нижняя кромка ленты расплавляется в зоне контакта трубы и ленты, а согласно EP 0819497 B1, напротив, расплавляется только поверхность трубы в зоне контакта трубы и ленты, но перед контактом ленты с трубой. Таким образом, способ, описанный в EP 0819497 B1, позволяет упростить соединение трубы из нержавеющей стали с бесконечной лентой из меди. В случае способа, описанного в EP 0303074 B1, из–за разных свойств материала, таких как разные температуры плавления, это сделать затруднительно.
На этом фоне задачей изобретения является разработать устройство упомянутого в начале типа таким образом, чтобы система теплообменника и, в частности, теплообменный элемент были реализованы так, чтобы они позволяли адаптацию к различным требованиям, например, в отношении термостойкости, теплопроводности и коррозионной стойкости.
Эта задача решена посредством устройства с признаками пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты относятся к особенно целесообразным усовершенствованным вариантам изобретения.
Таким образом, согласно изобретению предусмотрено устройство для рекуперации тепла из нагревательной среды, которое содержит систему теплообменника с основным проточным каналом, окруженным дополнительным проточным каналом. При этом внутри дополнительного проточного канала находится по меньшей мере один теплообменный элемент, посредством которого при работе источника отходящего тепла тепло из нагревательной среды, создаваемой при работе источника отходящего тепла, передается в рабочую среду, текущую через теплообменный элемент. Далее, теплообменный элемент согласно изобретению содержит по меньшей мере два компонента, причем по меньшей мере на одном участке теплообменного элемента материал первого компонента теплообменного элемента, через который течет рабочая среда, и материал второго компонента теплообменного элемента, увеличивающего поверхность теплообменного элемента, имеют разные свойства материала. Так, можно, чтобы теплообменный элемент имел всего один участок, т.е. по существу состоял из этого одного участка, в котором материалы и/или свойства материала первого компонента и второго компонента теплообменного элемента отличаются. Однако, можно образовать два или более участков. Использование разных материалов или соответствующих материалов с разными свойствами материала для первого компонента и второго компонента теплообменного элемента позволяет адаптировать коррозионную стойкость теплообменного элемента в отношении рабочей среды и/или нагревательной среды. Кроме того, имеется возможность, также в сочетании с адаптацией к коррозионной стойкости, рассчитывать теплообменный элемент в отношении термостойкости и/или требований к теплопроводности первого компонента и второго компонента. Это особенно выгодно, когда нагревательная среда, текущая через дополнительный проточный канал теплообменника и, таким образом, перетекающая через теплообменный элемент, согласно случаю использования и/или позиционирования устройства имеет разные температуры.
Например, устройство может размещаться внутри газовыпускной системы двигателя внутреннего сгорания, причем в зависимости от расстояния устройства от находящегося ниже по потоку двигателя внутреннего сгорания отработанный газ, текущий через систему теплообменника устройства, будет иметь разную температуру.
Если температуры нагревательной среды будут слишком высокими, предпочтительно использовать материал с высокой термостойкостью и по возможности с более низкой теплопроводностью по сравнению с материалом, имеющим относительно него более низкую термостойкость, но более высокую теплопроводность. Напротив, при более низких температурах нагревательной среды, при которых высокая теплопроводность материала предпочтительнее высокой термостойкости, следует использовать такой материал.
Это относится как к первому, так и второму компоненту теплообменного элемента, причем следует внимательно выбирать материал, в частности, второго компонента, увеличивающего поверхность теплообменного элемента, так как из–за его большей, по сравнению с первым компонентом, поверхности, основная часть теплового потока будет отбираться из нагревательной среды через этот второй компонент.
Наряду с термостойкостью и теплопроводностью, следует учитывать коррозионную стойкость. Использование разных материалов или одного материала с разными свойствами материала в зависимости от нагревательной среды и/или рабочей среды позволяет повысить коррозионную стойкость в отношении нагревательной среды и/или рабочей среды.
При этом нагревательная среда может представлять собой, в частности, отработанный газ, который течет через газовыпускную систему, в частности, газовыпускную систему двигателя внутреннего сгорания, при этом двигатель внутреннего сгорания соответственно является источником отходящего тепла. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания может представлять собой двигатель внутреннего сгорания автомобиля.
С другой стороны, рабочая среда будет представлять собой текучую среду, которая за счет передаваемого из нагревательной среды теплообменным элементом тепла 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 усовершенствовании изобретения теплообменный элемент содержит по меньшей два участка, причем материал и/или свойства материала первого компонента и второго компонента теплообменного элемента на первом участке являются одинаковыми, а на втором участке – отличающимися. Выполнение первого компонента и второго компонента из одного и того же материала и, тем самым, с одинаковыми свойствами материала, на первом участке и выполнение первого компонента и второго компонента из разных материалов или материалов с разными свойствами материала на втором участке теплообменного элемента, позволяет адаптировать теплообменный элемент к требованиям, предъявляемым к участкам, различающимся, например, в отношении уже упомянутых термостойкости, теплопроводности и/или коррозионной стойкости, первого компонента и/или второго компонента.
Один очень предпочтительный вариант осуществления изобретения основан на том, что в дополнительном проточном канале первый участок теплообменного элемента обращен к впуску дополнительного проточного канала и/или второй участок теплообменного элемента обращен от впуска дополнительного проточного канала. Ориентация участков, в частности, первого участка теплообменного элемента к впуску дополнительного проточного канала, а второго участка теплообменника от впуска дополнительного проточного канала, позволяет согласовать материал и/или свойства материала первого компонента и второго компонента первого участка, в частности, со свойствами нагревательной среды, втекающей через впуск дополнительного проточного канала. В этом случае следует ожидать высоких температур нагревательной среды прежде всего в области впуска. Если исходить из того, что нагревательная среда представляет собой отработанный газ, текущий через газовыпускную систему двигателя внутреннего сгорания, то температуры нагревательной среды могут лежать в диапазоне от 400°C до 800°C. При выполнении первого участка теплообменного элемента из одинаковых материалов и/или с одинаковыми свойствами материала можно предотвратить протекающую при описанных температурах и в известных случаях катализируемую нагревательной средой реакцию, если использовать разные материалы для первого и второго компонентов теплообменного элемента.
В этой связи, если материал второго компонента на втором участке теплообменного элемента имеет, кроме того, более высокую теплопроводность, чем материал второго компонента на первом участке теплообменного элемента, то это является выгодным, поскольку это позволяет очень оптимальное использовать имеющуюся в нагревательной среде тепловую энергию. Вследствие охлаждения нагревательной среды при протекании через дополнительный проточный канал в нагревательной среде будет устанавливаться градиент температуры от впуска к выпуску дополнительного проточного канала по всей его длине. Из–за этого температурного градиента можно, например, второй участок теплообменного элемента, находящийся в дополнительном проточном канале и направленный от впуска дополнительного проточного канала, оформить так, чтобы благодаря более высокой теплопроводности можно было обеспечить почти неизменный высокой тепловой поток из нагревательной среды через второй компонент в первый компонент и из него в рабочую среду. В этой связи возможно, чтобы материал второго компонента на первом участке теплообменного элемента имел более высокую термостойкость, чем материал второго компонента на втором участке теплообменного элемента. В результате можно, например, избежать повреждения второго компонента на первом участке из–за более высоких температур, чем на втором участке. Таким образом, первый участок теплообменного элемента было бы чрезвычайно выгодно выполнять в виде квази высокотемпературной области, а второй участок теплообменного элемента – в виде низкотемпературная область.
Один очень предпочтительный вариант изобретения отличается, кроме того, тем, что теплообменный элемент выполнен как по меньшей мере один витой трубопровод. При этом конструкция в виде витого трубопровода выгодна по сравнению, например, с конструкцией теплообменного элемента в виде прямолинейных, а также по существу параллельных друг другу и параллельным основному и дополнительному проточному каналам отдельных труб тем, что не возникает неоднородного распределения объемного потока нагревательной среды и, таким образом, неравномерного испарения или даже отсутствия испарения рабочей среды, и/или не возникает повреждений локально перегретых отдельных труб.
В этой связи, чрезвычайно целесообразным следует считать вариант, когда первый компонент теплообменного элемента образован из образующей центральную часть витого трубопровода и спирально проходящей теплообменной трубы, причем витой трубопровод и/или теплообменная труба витого трубопровода предпочтительно спирально обегает основной проточный канал. При этом витой трубопровод и/или теплообменная труба предпочтительно могут быть напрямую или опосредованно опираться на основной проточный канал, в частности, на образующую основной проточный канал гидродинамическую трубу.
Кроме того, из практических соображений очень выгодно, если второй компонент теплообменного элемента выполнен как система из нескольких передающих ребер, при этом передающие ребра образованы на наружной боковой поверхности и по меньшей мере на отдельных участках вдоль следующей спиральной форме теплообменной трубы средней линии теплообменной трубы выполнены проходящими от средней линии. С помощью передающих ребер можно повысить поток тепла из нагревательной среды в рабочую среду, благодаря чему можно повысить эффективность (КПД) теплопередачи. Один вариант осуществления передающих ребер состоит в том, что на теплообменную трубу, несущую на участках передающие ребра, нанесена следующая средней линии теплообменной трубы бесконечная лента, которая спирально обвивает теплообменную трубу и нарезана в размер соответственно длине участка. Соединение между бесконечной лентой, образующей передающие ребра, и теплообменной трубой может быть выполнено с замыканием материала, при этом создание замыкание материала может быть реализовано с применением процесса сварки, в частности, лазерной сварки.
Если по меньшей мере два участка теплообменного элемента образованы как витой трубопровод, причем витой трубопровод выполнен как цельная или составная теплообменная труба с передающими ребрами, отличающихся на участках своим материалом и/или свойствами материала, то можно конструктивно выгодным способом реализовать разные варианты теплообменного элемента. При этом допустимо, чтобы витой трубопровод, с одной стороны, имел цельную теплообменную трубу или, с другой стороны, эта теплообменная труба состояла из нескольких гидравлически соединенных друг с другом частичных элементов. Соединение может представлять собой соединение с силовым и/или геометрическим замыканием, но, в частности, с силовым замыканием. Далее, передающие ребра, образованные на боковой поверхности теплообменной трубы, должны быть выполнены в зависимости от соответствующего участка теплообменного элемента из материала, отличающегося для разных участков, или материала, имеющего разные свойства материала. Если передающие ребра образованы, например, из вышеописанной бесконечной ленты, то тем самым можно, с одной стороны, цельную, т.е. не образованную способом соединения с замыканием материала, теплообменную трубу обвить по спирали – образующей теплопередающие ребра и отрезанной на длину, соответствующую длине участков – бесконечной лентой из разных материалов и/или материалов с разными свойствами. С другой стороны, можно два или более частичных элемента витого трубопровода, каждый из которых состоит из части теплообменной трубы и из отличающихся своим материалом и/свойствами материала передающих ребер, соединить с замыканием материала, с силовым замыканием и/или геометрическим замыканием с получением витого трубопровода.
Также чрезвычайно выгодным является, если материал первого компонента теплообменного элемента представляет собой коррозионностойкую сталь, и/или материал второго компонента теплообменного элемента представляется собой алюминий, медь и/или коррозионностойкую сталь. При этом коррозионностойкая сталь, в частности, нержавеющая сталь, обладает высокой термостойкостью благодаря более высокой по сравнению с алюминием и медью температурой плавления. Зато алюминий и медь обладают гораздо более высокими коэффициентами теплопроводности по сравнению с коррозионностойкой сталью. Благодаря комбинации материалов в первом компоненте и втором компоненте можно сочетать соответствующие преимущества. Так, например, первый компонент и второй компонент первого, требующего высокой термостойкости участка теплообменника, могут состоять из коррозионностойкой стали, а первый компонент второго, требующего высокой теплопроводности, участка теплообменника может состоять из коррозионностойкой стали, однако второй компонент должен состоять из алюминия и/или меди. Кроме того, использование коррозионностойкой стали для первого компонента как на первом, так и на втором участке теплообменного элемента обеспечивает высокую коррозионную стойкость относительно текущей внутри первого компонента рабочей средой, как, например, этанол.
Аналогично, особенно полезное усовершенствование заключается в том, чтобы затвор канала находился ниже по потоку от выпуска основного проточного канала и/или от выпуска дополнительного проточного канала системы теплообменника, так как расположение затвора канала ниже по потоку от выпуска и/или выпусков основного проточного канала и/или дополнительного проточного канала позволяет упростить конструкцию системы теплообменника, что может снизить подверженность устройства сбоям при работе. Затвор канала может быть выполнен, например, как заслонка отработанного газа, угловое положение которой можно менять посредством распределительного вала. Благодаря расположению ниже по потоку и, тем самым, снаружи системы теплообменника, можно использовать заслонки отработанного газа с более коротким распределительным валом, чем при размещении внутри системы теплообменника, в результате чего можно снизить вероятность неисправностей, например, из–за заклинивания распределительного вала.
Изобретение допускает большое число вариантов осуществления. Для лучшего уточнения его основного принципа один из этих вариантов представлен на чертежах и будет описан ниже. На чертежах:
– фиг.1 показывает усовершенствование вариант системы теплообменника,
– фиг.2 показывает один вариант осуществления изобретения с затвором канала,
– фиг.3 показывает принципиально спирально выполненный витой трубопровод.
На фиг.1 показан усовершенствованный вариант системы 1 теплообменника с основным проточным каналом 3, окруженным дополнительным проточным каналом 2, причем внутри дополнительного проточного канала 2 находится теплообменный элемент 4, выполненный в виде витого трубопровода 10. При работе источника отходящего тепла он служит для передачи тепла из нагревательной среды, создаваемой источником отходящего тепла, в текущую через теплообменный элемент 4 рабочую среду. При этом теплообменный элемент 4 имеет два компонента 5, 6, причем первый компонент 5, через который течет рабочая среда, выполнен в виде спирально проходящей теплообменной трубы 11, а второй, увеличивающий поверхность теплообменного элемента 4 компонент 6 выполнен в виде системы из передающих ребер 12. Кроме того, теплообменный элемент 4 имеет два участка 7, 8, которые образованы цельным витым трубопроводом 10. При этом в дополнительном проточном канале первый участок 7 теплообменного элемента 4 обращен к впуску 9 дополнительного проточного канала 2, а второй участок 8 теплообменного элемента 4 – от впуска 9.
На фиг.2 показан один вариант осуществления изобретения, в котором представлено расположение затвора 13 канала ниже по потоку от выпуска 14 основного проточного канала 3 и выпуска 15 дополнительного проточного канала 2 системы 4 теплообменника. Внутри дополнительного проточного канала 2, в свою очередь, находится теплообменный элемент 4, выполненный в виде витого трубопровода 10. Кроме того, показано, что дополнительный проточный канал 2 гидродинамически (проницаемо для текучей среды) соединен с основным проточным каналом 3 исключительно через впуск 9 дополнительного проточного канала 2. Таким образом, когда основной проточный канал 3 полностью или частично закрыт затвором канала 13, втекающая в систему 1 теплообменника  нагревательная среда проводится через дополнительный проточный канал 2, причем нагревательная среда выходит из него через выпуск 15 дополнительного проточного канала 2 и по перепускной трубе 19 ниже по потоку от затвора 13 канала возвращается в систему 20 нагревательной среды.
Фиг.3 иллюстрирует один усовершенствованный вариант принципиально спирально выполненного трубопровода 10, который показан на фиг.1 и 2, соответственно, в виде спирали. При этом на внешней боковой поверхности 16 теплообменной трубы 11 и вдоль принципиально следующей спиральной форме теплообменной трубы 11 средней линии 17 теплообменной трубы 11 выполнены передающие ребра 12, направленные от средней линии 17. Передающие ребра 11 в этом усовершенствованном варианте образованы бесконечной лентой 18, следующей средней линии 17 теплообменной трубы 11 и спирально завернутой вокруг теплообменной трубы 11.
Список ссылочных позиций
1
система теплообменник
2
дополнительный проточный канал
3
основной проточный канал
4
теплообменный элемент
5
первый компонент
6
второй компонент
7
первый участок
8
второй участок
9
впуск
10
витой трубопровод
11
теплообменная труба
12
передающие ребра
13
затвор канала
14
выпуск
15
выпуск
16
боковая поверхность
17
средняя линия
18
бесконечная лента
19
перепускная труба
20
система нагревательной среды