CN103782124B - 热传导装置 - Google Patents

Abstract

一种热传导装置，其利用流动的热流体加热工作流体，其包括：用于引导所述热流体的流体通道；设置于所述流体通道内的用于引导所述工作流体的管束，所述管束包括多根沿纵向延伸且彼此平行的管段；以及固定连接到所述流体通道并用于支撑所述流体通道内的所述管束的支撑结构，其中，每根所述管段固定保持于所述支撑结构的至少一个第一支撑点，还在至少一个方向上以自由移动的方式保持于所述支撑结构的至少一个第二支撑点，所述第一支撑点和所述第二支撑点在纵向上彼此隔开。

Description

热传导装置

技术领域

本发明涉及一种热传导装置，其利用流动的热流体，特别是内燃机排出的废气流，加热尤其是汽化和过热工作流体，所述热传导装置具有用于引导所述热流体的流体通道、设置于所述流体通道内的用于引导所述工作流体的管束、以及固定连接到所述流体通道并用于支撑所述流体通道内的所述管束的支撑结构，其中所述管束包括多根沿纵向延伸且彼此平行的管段。

背景技术

这种装置也称为“热交换器”，并用于不同种类的由热流体通过的废热使用中。例如，内燃机中可使用这种热交换器进行废气利用，在其中，热废气流的部分热能被转换成在工业上有用的机械能，如使用于闭合的蒸汽回路结构中。这可以最终节省燃料。管束的多根管段平行延伸，尤其是沿直线延伸，这些管段周围流动着热流体，且以有效方式传热给位于管段内部的正在流动的工作流体。管束原则上可以设置在排气线路中的任何期望位置，例如位于消声器外壳中。

流体通道内的管束的连接存在问题，即在运行中产生的热膨胀和机械应力可导致管段上的材料出现临界应力。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于，利用简单的结构装置，使得在相关的流体通道中的管束结构的热交换器可能具有安全的连接。

这一目的可通过具有权利要求1的特征的热传导装置实现。

根据本发明，每个管段被固定保持于支撑结构的至少一个第一支撑点，以及在至少一个方向上以自由移动的方式保持于支撑结构的至少一个第二支撑点，第一支撑点和第二支撑点在纵向上彼此隔开。因此管束至少被支撑两次，其中一次支撑为定位支撑，至少一次远端支撑为浮动支撑。从而，一方面，管段彼此间安全地紧固于流体通道内；另一方面，浮动支撑允许管段由于热膨胀或机械应力而进行补偿性移动，从而避免不必要的拉紧或材料过载。

本发明的进一步的发展将在从属权利要求、说明书以及附图中阐明。

根据本发明的一种实施例，所述第二支撑点上的自由移动优选地仅在所述纵向上。从而运行中在轴向上频繁出现的管段的热膨胀和收缩可以得以补偿。

根据本发明的另一种实施例，所有的第一和/或所有第二支撑点分别位于横向平面内，所述横向平面延伸于与所述纵向成直角的方向上。从而所述管束的所有管段都均匀地支撑于两点。

所述支撑结构可以包括第一支撑元件和与所述第一支撑元件分开的第二支撑元件，所述第一支撑元件用于提供所有的第一支撑点，所述第二支撑元件用于提供所有的第二支撑点。该结构使得这两个分开的支撑元件之间存在自由空间，便于管束中基本上无阻碍地通流。

所述支撑元件优选地分别构造为面且延伸在垂直于所述纵向的方向上的横向平面。由于管束中存在横向于所述纵向方向的湍流，从而相对于热流体只有轻微的阻力。

该支撑结构优选包括至少一组层叠的细长的间隔件，优选地为两组，每个间隔件置于横向于所述纵向的方向上，其中设置有用于引入彼此相邻的管段的切口部。间隔件可以设置于管束的各平面之间，从而能够稳定和保持整个管束。

根据本发明的一种优选实施例，设置有用于使所述层叠的间隔件彼此被拉紧的部件。通过拉紧间隔件可使得管束的各管段被固定，且切口部的尺寸取决于处于张紧状态的管段是否存在自由移动，即是否设置定位支撑或浮动支撑。

设置两个夹持部用于拉紧所述层叠的间隔件，所述夹持部分别设置于管束的上方和下方并围住所述间隔件。由此能使得这种结构特别简单。

所述夹持部可以通过螺纹连接方式，特别是通过螺纹杆和螺帽，朝向彼此移动。从而通过拧紧螺帽可使所述夹持部朝向彼此移动，同时位于所述夹持部之间的间隔件可以一起被压缩，且管束被固定。特别地，螺纹杆和相关螺帽的设置可尽量减少制造方面的张拉。

按照本发明的一种实施例，所述夹持部通过处于张紧状态中的刚性桥接元件彼此连接，特别地彼此焊接连接。。该实施例中可以省去螺纹连接方式。

所述间隔件通过至少一个U形型材轨道彼此相互固定。这种型材轨道能够防止在拉紧前或拉紧期间间隔件的不必要的打滑。

根据本发明的另一种实施例，所述流体通道内的所述管束的两侧设有导流壁。这种导流壁可以提高热交换器的效率，因为它们直接引导热废气流过各管段。各导流壁可以优选地设置有多个珠子，以进一步降低热流体在管束两侧流通过的流量。

本发明还涉及一种热机，其具有按照上述实施例之一的热传导装置、膨胀机和用于冷却所述工作流体的冷凝器，其中所述工作流体通过热传导装置、膨胀机和冷凝器被循环引导，特别是以兰金循环方式引导。由此，所述热传导装置可以这么说是同时作为蒸发器和过热器进行工作，以便在热气流的热能的辅助下，将工作流体加热、汽化和过热。从而存储在所述工作流体的热能被转换成技术上在膨胀机内可用的机械能。该工作流体随后在冷凝器中被再冷凝，再冷却，最后再次供给到热传导装置。

本发明还涉及一种用于内燃机的废气系统，其集成了上述的热传导装置。

下面将参照附图以举例的方式来说明本发明。

附图说明

图1示出了根据本发明第一实施例的传热结构的透视图;

图2示出了根据本发明第二实施例的热传导装置，以及

图3示出了根据本发明第三实施例的热传导装置。

具体实施方式

如图1所示，热交换器包括管束11，本实施例中管束包括24个彼此相邻排列的管圈，每个管圈分别注入工作流体。每个管圈12包括多根彼此层叠的直的管段13，这些管段彼此平行延伸，且每根管段沿纵向L平行地延伸并由倾斜的U形弯曲部14连接。管束11组装于流体通道（图未示出）内，例如组装于废气系的消声器外壳中。热废气沿主流动方向S流经流体通道，并影响这些管段13的排列。据此，由热废气至运行于管圈12的工作流体产生了有效的热传递。工作流体可以以这种方式被汽化或过热，以便它随后可以在膨胀机构中做机械功。之后，工作流体被冷凝，再冷却并再次返回到管束11。

流体通道内的管束11由包括两个彼此分开的支撑环15a、15b的支撑结构15固定。支撑环15a、15b分别构造成面且延伸在垂直于纵向L的方向的横向平面。以这种方式，废气流沿主流动方向S的流动只有最小的阻碍。支撑环15a、15b的外周被设计为固定连接到所述流体通道，且特别地其适应于通道壁的几何形状。从而通过对支撑环15a、15b的简单改变可以得到适应于不同流体通道结构形状的支撑结构15。

每个支撑环15a、15b的平侧面上焊接有两个相对设置的夹持部23。在焊接前，夹持部23可通过两根螺纹杆25及相关的螺帽37朝向彼此移动。两夹持部23之间设置有多个层叠的细长间隔棒19，每个间隔棒通向管束11的各水平平面之间，其中设置有切口部21用于引入彼此相邻的管段13。每个U形型材轨道29围绕螺纹杆25接合，从而确保为每个间隔棒19提供正确的相对方位。通过拧紧螺帽27可使间隔棒19彼此被拉紧，且管段13被夹紧于切口部21内。

因此，每个管段13可相对于支撑结构15被容纳和支撑于第一支撑点17a和第二支撑点17b，第一支撑点和第二支撑点在纵向L上间隔开。在这方面，管段13的夹紧于切口部的周围被选择，以使得每个管段13被固定地保持在第一支撑点17a，而在第二支撑点17b的轴向即纵向L上存在一定的自由运动。在这方面，所有的第一支撑点17a位于由处在图示左侧的支撑环15a定界的横向平面中，而所有的第二支撑点17b位于由处在图示右侧的支撑环15b定界的横向平面中。当支撑结构15固定于流体通道，从而保证了管束11稳固地安装于两个隔开的位置，而同时总可能对管段13进行补偿性运动。

根据本发明的另一种实施例的热交换器如图2所示，该实施例具有与如图1所示的装置相同的设计原理。但是，另外，管束11的两侧设置有导流墙30，以便更好地引导热废气流过管束11。导流墙30上设置有多个珠子31，每个珠子伸入相邻管圈12之间的空间，从而减少不必要的废气流过管束的侧壁。

图3示出了根据本发明的又一种实施例的热交换器，其中，U形型材轨道29本身被焊接到夹持部23和可选地间隔棒19上，而不是采用由螺纹杆25和螺帽27形成的螺纹连接方式。为此目的，夹持部23、间隔棒19和型材轨道29的相应结构被预装在合适的夹紧装置中，并焊接在夹紧状态。在这方面，型材轨道29可选择性地或完全覆盖地连接到间隔棒19。

可以理解，这种具有运动可能性的双支撑的原理可应用到多个不同类型的流体导通中，特别地，通过这一原理，各直管段13是否彼此以平行的、串联的、或组合的方式连接并不重要。

参考标号列表

11管束

12管圈

13管段

14弯曲部

15支撑结构

15a,15b支撑环

17a第一支撑点

17b第二支撑点

19间隔棒

21切口部

23夹持部

25螺纹杆

27螺帽

29型材轨道

30导流墙

31珠子

L纵向

S主流动方向

Claims (18)

1.一种热传导装置，其利用流动的热流体加热工作流体，所述装置包括：

用于引导所述热流体的流体通道；

设置于所述流体通道内的用于引导所述工作流体的管束（11），所述管束包括多根沿纵向（L）延伸且彼此平行的管段（13）；以及

固定连接到所述流体通道并用于支撑所述流体通道内的所述管束（11）的支撑结构（15），

其特征在于，

每根所述管段（13）固定保持于所述支撑结构（15）的至少一个第一支撑点（17a），还在至少一个方向上以自由移动的方式保持于所述支撑结构（15）的至少一个第二支撑点（17b），所述第一支撑点和所述第二支撑点在纵向（L）上彼此隔开；所述第二支撑点（17b）上的自由移动仅在所述纵向（L）上。

2.根据权利要求1所述的热传导装置，

其特征在于，

所述热流体是内燃机的废气流，所述加热是汽化和过热。

3.根据权利要求1或2所述的热传导装置，

其特征在于，

所有第一和/或第二支撑点（17a，17b）分别位于横向平面内，所述横向平面延伸于与所述纵向（L）成直角的方向上。

4.根据权利要求1所述的热传导装置，

其特征在于，

所述支撑结构（15）包括第一支撑元件（15a）和与所述第一支撑元件（15a）分开的第二支撑元件（15b），所述第一支撑元件用于提供所有的第一支撑点（17a），所述第二支撑元件（15b）用于提供所有的第二支撑点（17b）。

5.根据权利要求4所述的热传导装置，

其特征在于，

所述支撑元件（15a，15b）分别构造成面且延伸在垂直于所述纵向（L）的方向上的横向平面。

6.根据权利要求1所述的热传导装置，

其特征在于，

所述支撑结构（15）包括至少一组层叠的细长间隔件（19），每个间隔件置于横向于所述纵向（L）上，其中设置有用于引入彼此相邻设置的管段（13）的切口部（21）。

7.根据权利要求6所述的热传导装置，

其特征在于，所述间隔件（19）为两组。

8.根据权利要求6所述的热传导装置，

其特征在于，

设置部件（23，25，27，29）用于使所述层叠的间隔件彼此被拉紧。

9.根据权利要求8所述的热传导装置，

其特征在于，

设置两个夹持部（23），用于拉紧所述层叠的间隔件（19），所述夹持部分别设置于所述管束（11）的上方和下方并围住所述间隔件（19）。

10.根据权利要求9所述的热传导装置，

其特征在于，

所述夹持部（23）通过螺纹连接（25，27），朝向彼此移动。

11.根据权利要求10所述的热传导装置，

其特征在于，所述螺纹连接（25，27）是通过螺纹杆（25）和螺帽（27）连接。

12.根据权利要求9或10所述的热传导装置，

其特征在于，

所述夹持部（23）通过处于张紧状态中的刚性桥接元件（29）彼此连接。

13.根据权利要求12所述的热传导装置，

其特征在于，所述彼此连接为彼此焊接连接。

14.根据权利要求6所述的热传导装置，

其特征在于，

所述间隔件（19）通过至少一个U形型材轨道（29）彼此相互固定。

15.根据权利要求1所述的热传导装置，

其特征在于，

所述流体通道内的所述管束（11）的两侧设有导流壁（30）。

16.一种热机，具有根据权利要求1-15任一项所述的热传导装置、膨胀机和用于冷却所述工作流体的冷凝器，其中，所述工作流体通过所述热传导装置、膨胀机和冷凝器被循环引导。

17.根据权利要求16所述的热机，

其特征在于，被循环引导是以兰金循环方式引导。

18.一种用于内燃机的排气系统，其集成根据权利要求1-15任一项所述的热传导装置。