CN101031771A - 热交换器及冷却增压空气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于冷却增压空气的热交换器(1)，其中以小点滴和/或雾状为形式的水、特别是冷凝水可以进入到增压空气中，并且热交换器(1)至少在其一个局部区域具有疏水表面。

Description

热交换器及冷却增压空气的方法
技术领域
本发明涉及一种热交换器，以及一种冷却增压空气的方法。
背景技术
为了提高发动机的效率，涡轮增压器被用来压缩空气。但同时空气(下文中被称为压缩空气)由于涡轮增压器的压缩也被加热到150℃以上。为了避免空气出现这种变热而采用了空气冷却器，它布置在冷却模块的前部以冷却增压空气。在这种情况下，增压空气穿过一个被周围空气穿流的热交换器并被冷却。通过这种方式，可以使增压空气冷却到一个比周围空气的温度低大约20-90K的温度。增压空气的冷却使发动机的效率得以提高。
举例来说，在DE 102 54 016 A1中公开了一种用于冷却增压空气的两级装置以及一种这种装置的运行方法，这个发明通过改善增压空气的冷却而进一步提高了发动机的效率。
在DE 28 14 593 C2中公开了一种被增压的内燃机的运行方法及装置，按照这一发明，在增压空气冷却器中析出的冷凝水被收集起来，然后从增压空气冷却器排出，并在一个独立于增压空气冷却器的集流器中汇集，然后，被汇集的冷凝水沿流动方向在废气涡轮之前进入到内燃机的废气管中。为此要设置一个泵或具有足够的压降，来使冷凝水从集流器进入到废气管中。
用于冷却增压空气的热交换器，为了改善在自身汇集的冷凝水的排放而带有亲水涂层，因为人们通常想避免在冷却后的空气中还带有液态的水组分。
但这些热交换器还不能满足人们的需要。
发明内容
本发明的目的是改善本文开头所提及的这种热交换器。
这一目的由具有下述特征的热交换器以及方法实现。
按照本发明，一种热交换器用于冷却增压空气，而以小点滴和/或雾状为形式的水、特别是冷凝水可以进入到增压空气中，其中，热交换器至少在一个局部区域具有疏水表面。在设有已知的亲水表面的情况下，冷凝水在重力作用下向下流出，与之相反，在设有疏水表面的情况下，冷凝水以水滴的形式在亲水表面汇集，在这种情况下，水滴伸入到流道中，这样水滴就容易被带动并最终脱离，并以小点滴和/或雾状的形式在增压空气流中一起流动。对于带有冷凝水的增压空气的移动，与现有技术不同的是，为了使冷凝水以水滴或雾的形式进入到增压空气流中，在这里不再要求任何特殊的装置。再次进入到增压空气中的冷凝水起到了冷却增压空气的作用并提高了发动机的效率。
与传统的析出水的排放不同的是，按照本发明进行的是一种有目的的水的混合，从而可以提高冷却效率，而与之相反，按照传统的方式则损失了效率。在传统的冷却方式中，增压空气的冷却是通过一个第二冷却级进行的，举例来说，其冷却效率来自于制冷循环，而这显著地降低了冷却系统的效率。在另一方面，不希望看到的是，析出的水不受控制地流向汽车发动机，即在位置上和时间上呈不均匀状态。
在疏水表面，水滴的接触角优选大于90°，较佳的是大于120°，最好是大于150°，这样，冷凝水可以呈珍珠状在表面汇集，从而容易被增压空气流带动。疏水表面使水滴可以形成近乎球形的形状，这些水滴以较小的尺寸被增压空气流带动并输送。
在热交换器上优选地设有分离边(Abrisskante)，在这些边上，在疏水表面汇集的水滴在强大的增压空气流的作用下脱离热交换器。在这里，这些分离边也优选地带有疏水涂层，这样，较低的附着力使水滴容易从表面脱离。分离边优选地由板式肋片(Stegrippe)的端部或鳃状肋片(Kiemenrippe)的鳃片形成。
优选地大于3m/s、特别优选地大于6m/s的流动速度有助于水滴的脱离，因此要在流体技术方面对热交换器予以相应的设计。此外，高的流动速度还有助于减少在疏水表面的停留时间，从而可以避免多个水滴紧密地结合在一起，并使处于分离时间点的水滴尺寸较小。
为了有助于水滴的形成，热交换器至少在表面的一个局部区域是可以加载静电的，这样，在加载静电后形成的水滴相互排斥，并因此更容易从热交换器的表面肋片结构上脱离。此外，水滴再次被沿流动方向布置的热交换器表面结构捕捉的趋势也得以减少。水滴的静电加载也阻止了水滴在气流中的结合，从而使水滴不会结合成更大的水滴。而更大的水滴在更大的惯性力作用下，其被后面的肋片结构再次捕捉的趋势变得更大，因此要尽可能避免出现这种水滴。
疏水表面优选地具有分散的、导电的成分，例如以纳米粒子的形式，它-们使被加载的疏水表面和在疏水涂层上滚动的水滴之间能形成导电接触，从而使电能更好地加载到水滴上。
作为导电成分的替代形式，热交换器可以在至少一个区域具有中性或亲水的导电表面，它可以对水滴加载静电。在这里，亲水区域优选地明显小于疏水区域。
热交换器的肋片之间的距离优选为最大2mm，特别优选为最大1.5mm，也就是说，它们可以彼此明显地比传统的热交换器的肋片靠得更近。
增压空气中的水滴的良好分布通过以下方式实现：肋片具有间隔最大为5mm的分离边。
在一个优选的实施形式中，疏水表面的特征与一种机械的、优选地处于不可听到的超声区域的振动激励相结合。
在一个优选的实施形式中，一个振动发生器与蒸发器耦合，目的在于，使主要在热交换器的传热面形成的冷凝水水滴在机械振动的作用下脱离表面，并在必要时分成更小的水滴。
在选择耦合的振动发生器的振动方向时，要优选地使其垂直于传热面。在另一个实施形式中，至少两个振动发生器与蒸发器耦合，它们在位置上的分布，应使得穿过蒸发器的固体声振动区域(Krperschall-Schwingungsfeld)尽可能均质，和/或在其振动方向和相位上予以补充，从而产生一种循环的固体声振动。这样，就可以使所有的具有一个振动分量的传热面垂直于表面振动。
在另一个实施形式中，振动发生器可以在其频率和振幅上调谐，从而出现谐振现象，使具有一定大小的水滴优选地从表面脱离。这样，可以将所需的超声波发生器的效率限制在较小的数值上，从而有助于小水滴的脱离。此外，在与热交换器的支承(Lagerung)相结合和/或与其它导声元件连接的情况下，振动发生器的频率和布置可以在声抗方面调谐，从而产生具有所需振幅分布的驻波。
在本发明的另一个实施形式中，振动激励也可用于提高热交换器内侧(即另一流体侧)的传热系数，或减少压力损失。特别是在蒸发器上，气蚀作用于将有助气泡晶核的形成，和/或破坏层状的粘性下层。这特别有利于于多元混合物(例如制冷剂/冷却油)的蒸发。
机械振动与传热结构的耦合表现为在表面形成的冷凝水水滴至少暂时地脱离，这样就使得在穿过表面结构的气流的作用下，它们可以迅速地离开表面结构。
附图说明
下面通过实施例和附图对本发明进行详细说明。其中，
图1是按照第一个实施例的热交换器上带有如本发明所述的涂层的局部区域(鳃状肋片)的放大示意图，
图2是按照第二个实施例的热交换器上带有如本发明所述的涂层的局部区域(板式肋片)的放大示意图，
图3是按照第三个实施例的热交换器的放大示意图。
具体实施方式
用于冷却输往汽车发动机的增压空气的热交换器1，按照第一个实施例具有在原理上已公开的表面结构，表面结构包括斜向布置且相互平行的鳃状肋片2，在这里，图1中只显示了经过简化并放大的、穿过一部分鳃状肋片2的截面。按照本发明，鳃状肋片2具有疏水的表面涂层，其作用在于，使从增压空气析出并在热交换器1的表面汇集的冷凝水，以水滴的形式在鳃状肋片2处汇集，如图1中近乎圆形的水滴3所示。在这里，汇集在热交换器1的疏水表面上的水滴3，与热交换器1表面之间的接触角大于90°，这样，它们从热交换器1的表面滚落，被由箭头所示的增压空气流沿鳃状肋片2的表面带动，并在分离边4处脱离后以冷凝水雾5的形式一同流动。在这里，增压空气在分离边4区域以高于6m/s的速度流动，这样就保证了水滴3的分离和带走。
由于被增压空气带走的冷凝水在吸入和/或压缩过程中再次被蒸发，使增压空气再次被冷却，这样就可以通过例如提高喷射量以及其速度进一步提高发动机效率。
按照如图2所示的第二个实施例，热交换器1具有在原理上已公开的表面结构，表面结构包括相互平行并错开的板式肋片12。与第一个实施例中的鳃状肋片2相同，第二个实施例中的板式肋片12具有疏水的涂层，它保证了汇集在温度较低的板式肋片12处的冷凝水的滚落。
疏水涂层的功能与第一个实施例中所述相同，因此在此处对它就不再详细说明，但是，由于肋片的形状，增压空气的流动路线在这里更均匀，而且，由于板式肋片12与流动路线平行，所以增压空气没有出现明显的折流现象。
图3中显示了热交换器21的局部，它带有在这里以管子的形式出现并被流体1穿流的流道22，以及在这里以波纹翅片形式出现的肋片23。通过两个图未示的、振动方向(激励1或激励2)基本上相互垂直的振动发生器，产生了垂直于传热面的振动24。这样，穿过热交换器21的固体声振动区因此而被均匀化。

Claims (17)

1.热交换器，用于冷却增压空气，其中以小点滴和/或雾状为形式的水、特别是冷凝水进入到增压空气中，其特征在于，热交换器(1)至少在一个局部区域具有疏水表面。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在疏水表面区域，水滴(3)的接触角大于90°，优选大于120°，最好大于150°。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，在热交换器(1)上设有分离边(4)。
4.根据权利要求3所述的热交换器，其特征在于，分离边(4)由板式肋片(12)的端部或鳃状肋片(2)的鳃片形成。
5.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，热交换器(1)至少在表面的一个局部区域加载静电。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，疏水表面具有分散的、导电的成分。
7.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，热交换器(1)在至少一个区域具有中性或亲水的导电表面。
8.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，热交换器(1)的肋片之间的距离最大为2mm，优选最大1.5mm。
9.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，肋片具有间隔最大为5mm的分离边(4)。
10.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，在流体技术方面设计热交换器(1)时，使得在分离边(4)区域的流动速度，在处于相应的要求混入冷凝水的运行状态中时，大于3m/s、最好大于6m/s。
11.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，热交换器包括至少一个或两个振动发生器。
12.冷却增压空气的方法，在这种方法中，增压空气穿过热交换器，并且以冷凝水为形式的水加入到增压空气中，其特征在于，穿过热交换器(1)的空气将在热交换器(1)上形成的冷凝水带走。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在热交换器中，被带走的冷凝水以水滴状或雾状在增压空气中一同流动。
14.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在热交换器中的冷凝水在疏水表面以水滴的形式汇集，同时，所形成的水滴(3)的接触角大于90°，较佳大于120°，最好大于150°。
15.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少在冷凝水加入到增压空气中的运行状态中，热交换器(1)中的增压空气至少在分离边(4)区域的流动速度大于3m/s，较佳是大于6m/s。
16.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在热交换器中，机械振动被至少一个与蒸发器耦合的振动发生器激励。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，机械振动基本上垂直于热交换器的传热面。
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