CN105783549A - 用于车辆中郎肯循环的换热器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于车辆中郎肯循环的换热器。一种车辆包括用于废热回收的包含工作流体的郎肯循环，并具有蒸发器。所述蒸发器具有换热管，所述换热管定位成用于使工作流体基本水平地流动通过所述换热管。进口集管连接到所述换热管的端部区域的下表面。出口集管具有定位成用于使工作流体基本竖直地流动的多个立管。所述立管连接到所述换热管的上表面并沿着所述换热管的上表面间隔开。

Description

用于车辆中郎肯循环的换热器
技术领域
多个实施例涉及用于向车辆中郎肯循环(Rankinecycle)中的工作流体传热的换热器。
背景技术
包括混合动力车辆的车辆具有内燃发动机，所述内燃发动机产生高温废气。所述车辆还可具有具有废热并且需要冷却的多个系统(例如，具有冷却流体的发动机冷却系统)。在运转期间，热力循环(诸如，郎肯循环)可用于回收车辆中的废热并使用换热器将能量提供至车辆。归因于换热器中的混合相的工作流体，现有的传统换热器可导致加热不均匀、热疲劳和磨损以及循环中的气阻(vaporlock)。
发明内容
在一个实施例中，提供一种用于具有工作流体的车辆郎肯循环的换热器。换热管定位成用于使工作流体基本水平地流动通过所述换热管。进口集管连接到所述换热管的端部区域的下表面。出口集管具有定位成用于使工作流体基本竖直地流动的多个立管。所述立管连接到所述换热管的上表面并沿着所述换热管的上表面间隔开。
根据本发明的一个实施例，所述换热器还包括：出口歧管，连接到出口集管；其中，所述换热管限定纵向轴线；其中，所述出口集管还包括位于所述换热管上方并基本平行于所述纵向轴线延伸的收集管；其中，所述收集管将所述多个立管与所述出口歧管流体地连接。
根据本发明的一个实施例，所述换热器还包括连接到所述进口集管的进口歧管；其中，所述换热管位于所述进口集管和出口集管之间；其中，所述换热管位于所述进口歧管和出口歧管之间。
根据本发明的一个实施例，所述进口歧管基本横向于所述纵向轴线并定位成用于使工作流体基本水平地流动；其中，所述出口歧管基本横向于所述纵向轴线并定位成用于使工作流体基本水平地流动。
根据本发明的一个实施例，所述收集管和所述多个立管定位成基本上彼此垂直。
根据本发明的一个实施例，所述换热管是所述换热器中布置为基本上彼此平行的多个换热管中的一个，每个换热管具有对应的进口集管和出口集管；其中，所述多个换热管的进口集管连接到进口歧管；并且其中，所述多个换热管的出口集管的收集管连接到出口歧管。
根据本发明的一个实施例，所述换热管的端部区域是第一端部区域；其中，所述换热管具有与所述第一端部区域基本相对的第二端部区域；其中，所述多个立管中的第一立管连接到所述换热管的第一端部区域的上表面并邻近于所述进口集管；其中，所述多个立管中的第二立管连接到所述第二端部区域的上表面。
根据本发明的一个实施例，所述多个立管中的另外的立管连接到所述换热管的中部区域的上表面，所述中部区域位于所述第一端部区域和第二端部区域之间。
根据本发明的一个实施例，所述进口集管定位成用于使工作流体基本竖直地流动到所述换热管中。
在另一个实施例中，提供一种具有发动机的车辆。所述车辆还具有膨胀机、冷凝器和泵，所述膨胀机、冷凝器和泵在包含蒸发器的闭合回路中按顺序流体连通，所述蒸发器被构造为在来自所述发动机的废气和工作流体之间传热。所述蒸发器包括基本水平的换热管和多个立管，所述换热管具有连接到进口集管的下表面，所述多个立管连接到所述换热管的上表面并沿着所述换热管的上表面间隔开。
根据本发明的一个实施例，所述车辆还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述闭合回路，使得工作流体在所述泵的进口处是液相并且在所述膨胀机的进口处是汽相。
根据本发明的一个实施例，所述车辆还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述闭合回路，使得工作流体在所述多个立管中包括汽相并且工作流体在所述进口集管中包括液相。
根据本发明的一个实施例，所述蒸发器还包括壳体，所述壳体大体上包围所述换热管并被构造为容纳废气，所述壳体支撑至少一个挡板，所述至少一个挡板定位成引导废气在所述换热管周围的流动。
根据本发明的一个实施例，所述换热管具有与第二端部区域相对的第一端部区域，其中，所述进口集管连接到所述第一端部区域的下表面；其中，所述多个立管中的第一立管连接到所述第一端部区域的上表面；其中，所述多个立管中的第二立管连接到所述第二端部区域的上表面；其中，所述多个立管中的第三立管在中部区域连接到换热管的上表面，所述中部区域位于所述第一端部区域和所述第二端部区域之间；其中，所述多个立管连接到与所述蒸发器的出口歧管流体连通的收集管。
根据本发明的一个实施例，所述换热管具有纵向轴线；其中，所述收集管位于所述换热管的上方并基本平行于所述纵向轴线；其中，所述多个立管沿着所述换热管的纵向轴线间隔开；其中，每个立管沿着相交于所述纵向轴线并基本垂直于所述纵向轴线的相应的轴线延伸。
在又一实施例中，提供一种用于热力循环的单程蒸发器。所述蒸发器包含用于从废热中回收能量的车辆中的工作流体。所述蒸发器具有进口歧管和至少一个进口集管，所述进口集管具有进口立管区段以为包含液相的工作流体提供竖直流动分量。所述蒸发器具有至少一个换热管，所述至少一个换热管具有第一端部区域和第二端部区域。所述换热管具有限定用于所述工作流体的流动通道的外表面。所述外表面适于接触废热流体。关联的进口集管的进口立管连接到换热管的邻近于所述第一端部区域的底侧并与所述流动通道流体连通以将包含液相的工作流体提供到所述换热管。所述蒸发器还具有出口歧管和至少一个出口集管，所述至少一个出口集管具有收集管和一系列出口立管，每个出口立管为所述工作流体的汽相提供竖直流动分量。所述出口集管的出口立管连接到关联的换热管的顶侧并沿着换热管的长度在所述第一端部区域和第二端部区域之间间隔开。一个出口立管邻近于所述第一端部区域，另一个出口立管邻近于所述第二端部区域。所述出口立管与所述流动通道流体连通以将所述工作流体的汽相提供到所述收集管和所述出口歧管。
根据本发明的一个实施例，所述进口歧管邻近于所述第一端部区域，所述出口歧管邻近于所述第二端部区域；其中，所述收集管平行于关联的换热管并与关联的换热管间隔开。
本公开的各个示例具有关联的、非限制性优点。例如，提供一种用于车辆中郎肯循环或其它热力循环的换热器。所述换热器具有用于使用废热流体(诸如，在换热管周围流动的废气)来蒸发循环中的工作流体的换热管或腔。随着工作流体在换热管中蒸发，工作流体的汽相与液相分离并在出口集管的竖直的出口立管中上升。工作流体的液相保留在换热管中并继续由废热流体加热。换热管中保留的液体相比于蒸汽相具有高热导率和高传热效率。由于随着工作流体的蒸发工作流体的相分离，因此该换热器的设计使得液体腔和气体管具有大致均匀的温度分布。
附图说明
图1示出了根据实施例的包括郎肯循环的车辆的系统的示意图；
图2示出了用于图1的郎肯循环的简化的压力-焓图；
图3示出了用于图1的郎肯循环的换热器的透视图；
图4示出了图3的换热器的局部剖视示意图。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应理解公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以以各种和替代的形式来体现。附图不一定按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种形式使用本发明的代表性基础。以化学术语描述的组分是指添加到说明书中特定的任何组合物时的组分，并且不一定排除混合物一旦混合后混合物的组分之间的化学相互作用。如本公开中描述的流体可指处于各种状态或相(包括汽相、液相、汽/液混合相、过热气体、过冷液体等)的物质。
郎肯循环可用于将热能转化成机械能或电能。已致力于更有效地收集热能或从车辆中排出废热的不止一个系统(诸如发动机冷却剂、发动机或变速器油、废气再循环(EGR)气体、废气等)中收集热能。本公开提供具有随着工作流体蒸发而提供相分离的换热器或蒸发器的郎肯循环，从而提高循环效率并维持蒸发器中工作流体的液相和汽相的大致均匀的温度分布。
图1示出了根据示例的车辆10中的各个系统的简化示意图。各个车辆系统中的流体可通过与郎肯循环的换热器内的工作流体进行热传递而被冷却，并且工作流体进而在郎肯循环的冷凝器中使用外界空气而被冷却。郎肯循环通过将本来会作为废热而传递至外界空气的车辆10中的废热转换成电能或机械能而允许能量回收。
所述车辆可以是具有可用于车轮的多个扭矩源的混合动力车辆。在其它示例中，车辆是仅具有发动机的传统车辆，或是仅具有电机的电动车辆。在示出的示例中，车辆具有内燃发动机50和电机52。电机52可以是马达或马达/发电机。发动机50和电机52经由变速器54连接到一个或更多个车轮55。变速器54可以是变速箱、行星齿轮系统或其它变速器。离合器56可被设置在发动机50、电机52以及变速器54之间。动力传动系统可以以各种方式(包括并联、串联或串-并联混合动力车辆)进行配置。
电机52接收来自牵引电池58的电能以将扭矩提供至车轮55。例如，在制动操作期间，电机52还可运转为发电机以提供电能来为电池58充电。
发动机50可以是内燃发动机(诸如压燃式发动机或火花点火式发动机)。发动机50具有排气系统60，废气通过排气系统60从发动机50中的汽缸排出到大气。排气系统60可包括用于噪声控制的消声器。排气系统60还可包括减排系统(emissionssystem)(诸如催化转化器、微粒过滤器等)。
发动机50还具有冷却系统62。冷却系统包含在运转期间从发动机50去除热的发动机冷却剂流体，该流体可包括水、乙二醇和/或其它流体。发动机50可设置有具有通道的内部或外部冷却夹套以使用再循环的发动机冷却剂流体从发动机50的各个区域去除热。冷却系统62可包括泵和储液器(未示出)。
所述车辆具有热力循环70。在一个示例中，循环70是郎肯循环。在另一个示例中，循环70是变型的郎肯循环或包括在循环操作期间通过不止一个相转变的工作流体的另一热力循环。郎肯循环70包含工作流体。在一个示例中，工作流体经历相变并且在系统中是以汽相和液相两者存在的混合相流体。所述工作流体可以是R-134a、R-245或基于所述循环的期望运转参数的其它有机或无机化学制冷剂。
循环70具有被配置为使工作流体的压力增加的泵72、压缩机或其它装置。泵72可以是离心泵、容积泵等。工作流体从泵72流到一个或更多个换热器。换热器可以是被配置为向工作流体传递热的预热器、蒸发器、过热器等。
示出的示例具有第一换热器74，该换热器被配置为预热器。设置第二换热器76，并且该换热器可被配置为蒸发器。在其它示例中，更多或更少的换热器可设置在泵72的下游。例如，循环70可仅设置有换热器76，或可设置有三个或更多个换热器以加热工作流体。此外，泵72的下游的换热器可相对于彼此以各种方式布置或定位，例如，并联、如图所示的串联或串联和并联流动的组合。
换热器74、76被配置为从外部热源传热以加热循环70中的工作流体并引起液相到汽相的相变。在示出的示例中，换热器74被配置为从冷却回路62中的发动机冷却剂流体传热到循环70中的工作流体。因此，在发动机冷却剂返回到发动机50之前发动机冷却剂的温度降低以从其中去除热，并且换热器74在冷却系统62中充当散热器。同样地，循环70的工作流体的温度在换热器74中增加。
在其它示例中，如下文更详细讨论的，换热器74被配置为从车辆系统中的另一流体(包括但不限于发动机润滑流体、变速器润滑流体和电池冷却流体)传热到循环70的工作流体。在进一步的示例中，设置多个预热换热器74并且每个预热换热器74与独立的车辆系统流体连通以从其中接收热。可设置阀或其它流动控制机构以选择性地引导或控制至多个换热器的流动。
在另一个示例中，换热器74位于换热器76的下游，使得换热器74被配置为过热器，并从来自各种车辆系统的流体(包括但不限于废气再循环(EGR)流)传热。换热器74提供用于EGR流的散热器，从而将废热提供到循环70中的工作流体。换热器74相对于换热器76的定位可以是基于车辆系统的废热流体的平均温度或可用热量的。
在循环70中还设置第二换热器76。在一个示例中，换热器76被配置为将热从发动机排气系统60中的废气传递到所述循环的工作流体。发动机排气系统60可具有穿过换热器76或与换热器76接触的第一流动路径78。发动机排气系统60还可具有第二流动路径或旁通流动路径80以转移在换热器76周围流动的废气。阀82可被设置为控制流经换热器76的废气的量，进而对传递到工作流体的热的量以及换热器76的出口处或膨胀机84的上游的工作流体的温度和状态提供控制。
如下文进一步讨论的，换热器74、76中的至少一个被配置为向循环70中的工作流体传递足够的热以使所述工作流体蒸发。蒸发器接收液相或液-汽混合相溶液的工作流体，并将所述工作流体加热到汽相或过热蒸汽相。本公开总体上描述了使用利用发动机废气60的换热器76作为蒸发器；然而，下面参照图3和图4更详细描述了蒸发器。循环70中的换热器74可设置为蒸发器。
膨胀机84可以是汽轮机(诸如离心汽轮机或轴流汽轮机)或其它类似的装置。随着工作流体膨胀，通过工作流体旋转或致动膨胀机84而产生功。膨胀机84可连接到马达/发电机86以旋转马达/发电机从而产生电能，或连接到其它机械联动装置以将额外的机械能提供到驱动轴和车轮55。膨胀机84可通过轴或其它机械联动装置连接到发电机86。发电机86连接到电池58以提供电能从而给电池58充电。可在发电机86和电池58之间设置逆变器或AC-DC转换器88。
工作流体离开膨胀机84并流到循环70中的换热器90(也称为冷凝器90)。冷凝器90可位于车辆10的前部区域。冷凝器90被配置为与外界气流92接触使得热从工作流体传递到外界气流92以从工作流体去除热并冷却和/或冷凝工作流体。冷凝器90可以是单级或多级，并可根据循环70的需要使用阀或其它机构来控制经过各级的工作流体的流动。
在一些示例中，循环70包括流体储存器94或干燥器。储存器94可设置为用于循环70中工作流体的流体或液体储存器。泵72从储存器94吸取流体以完成循环70。如从图2可以看出的，循环70是闭合回路循环使得工作流体不与车辆中的其它流体或外界空气混合。
如下文描述的，循环70可包括被配置为使循环在预定参数内运转的控制器96。控制器96可以与泵72、膨胀机84以及循环70和车辆10中的各种阀和/或传感器通信。
控制器96可以与发动机控制单元(ECU)、变速器控制单元(TCU)、车辆系统控制器(VSC)等合并或者与发动机控制单元(ECU)、变速器控制单元(TCU)、车辆系统控制器(VSC)等通信，也可与各种车辆传感器通信。用于车辆10的控制系统可包括若干控制器，可集成到单个控制器中，或具有多个模块。一些控制器或所有控制器可通过控制器局域网(CAN)或其它系统连接。控制器96和车辆控制系统可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器或中央处理器(CPU)。例如，计算机可读存储装置或介质可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性存储和非易失性存储。KAM是一种可以用于在CPU掉电时存储各种操作变量的永久或非易失性存储器。计算机可读存储装置或介质可以使用任意数量的已知存储装置(诸如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、闪存或能够存储数据的任意其它电、磁性、光学或组合的存储装置)来实现，这些数据中的一些数据代表由控制器使用以控制车辆或循环70的可执行指令。
在一个或更多个实施例中，车辆还可设置有空调系统100。空调系统100可形成用于车辆10的暖通空调(HVAC)系统的一部分。HVAC系统将温度受控的空气提供到车辆或乘客舱用于车辆乘员的车舱气候控制。空调系统100具有与外界空气92接触的第一换热器101或冷凝器。冷凝器101可位于车辆10的前部区域。冷凝器101被配置为用于在外界空气和系统100中的制冷剂或其它流体之间进行热传递。
空调系统100还可包括膨胀装置、阀或节流器102以及压缩机或泵送装置104。系统100具有与将被引导到车舱108的气流110以及系统100中的制冷剂接触的另一个换热器106。用于车舱调节的气流110流过换热器106并由换热器106中的制冷剂冷却，并随后根据车辆乘员的需要流向车舱108。
图2示出了用于如图1中所示的郎肯循环或热力循环70的工作流体的压力-焓图。该图的纵轴上是压力(P)而横轴上是焓(h)。焓的单位可以是每单位质量的能量，例如kJ/kg。
圆顶(dome)120提供了工作流体的各相之间的分割线。在圆顶120左边的区域122中，工作流体是液体或过冷液体。在圆顶120右边的区域126中，工作流体是蒸汽或过热蒸汽。在圆顶120下方的区域124中，工作流体是混合相(例如，液相和汽相的混合)。沿着圆顶120的左手边，在区域122和124相遇处，工作流体是饱和液体。沿着圆顶120的右手边，在区域124和126相遇处，工作流体是饱和蒸汽。
根据实施例，在图上示出了图1的郎肯循环70。出于本公开的目的而简化了所绘制的循环70，并且尽管在实际应用中可能存在损失但是没有示出循环70或系统中的任何损失。损失可包括泵送损失、管道损失、压力和摩擦损失、通过各个部件的热损失以及系统中的其它不可逆因素。如图2中所示的循环70的运转简化为假设压力恒定、绝热、可逆和/或适当的且在下文描述的等熵过程步骤；然而，本领域的普通技术人员应认识到在实际应用中循环70的这些假设可以有所不同。所述循环被绘制为在高压PH和低压PL之间运转。图中还示出了等温线(例如TH和TL)。
循环70在工作流体进入泵72的点130处开始。在130处，工作流体是液体并且可以被过冷至低于PL处的饱和温度2-3摄氏度或更多的温度。在点132处，工作流体以较高压力PL并以液相离开泵72。在示出的示例中，从130到132的泵送过程建模为等熵或绝热可逆的。
在132处，工作流体进入一个或更多个换热器(例如，换热器74、76)。在换热器74、76中使用来自一个或更多个车辆系统中流体的废热来加热工作流体。在示出的示例中，使用发动机冷却剂和废气来加热所述工作流体。在点134处，工作流体离开换热器。从132到134的加热过程被建模为恒压过程。如从图中可以看出的，从132到134的过程发生在PH处，并且在134处温度增加到TH。工作流体在132处以液相开始并在134处以过热蒸汽相离开换热器74、76。在示出的示例中，工作流体以混合的液-汽相流体进入换热器76，并以汽相离开换热器76。
在点134处，工作流体以过热蒸汽进入膨胀机84(诸如，汽轮机)。工作流体随着它膨胀而驱动或旋转膨胀机以产生功。在点136处，工作流体以压力PL离开膨胀机84。如图所示，在136处，工作流体可以是过热蒸汽。在其它示例中，工作流体在离开膨胀机84之后可以是饱和蒸汽或者可以是混合相并在区域124中。在进一步的示例中，工作流体在圆顶120的右手边的饱和蒸汽线的几摄氏度内。在示出的示例中，从134到136的膨胀过程建模为等熵或绝热可逆的。随着工作流体膨胀，膨胀机84引起装置两端的压力下降和相应的温度下降。
在136处，工作流体进入一个或更多个换热器(例如，换热器90)。在换热器90中使用通过车辆的前部区域接收的外界空气来冷却工作流体。在点130处，工作流体离开换热器90并随后流到泵72。在循环70中还可包括储存器。从136到130的冷却过程建模为恒压过程。如从图中可以看出的，从136到130的过程发生在PL处。在换热器90中工作流体的温度可减小。工作流体在136处以过热蒸汽或汽-液混合相开始并在130处以液体离开换热器90。
在一个示例中，循环70被配置为以PH/PL约为3的压力比运转，或者在进一步的示例中，压力比约为2.7。在其它示例中，压力比可以更高或更低。根据车辆10及其周围环境的要求，循环70可适于在各种外界环境中运转。在一个示例中，循环70被配置为在可能的外界温度的范围内运转。外界温度可对可用于换热器90中的工作流体的冷却量提供限制。在一个示例中，循环70可以在-25摄氏度和40摄氏度的外界或环境温度之间运转。在其它示例中，循环70可以以更高和/或更低的外界温度运转。
由循环70提供的功率可以是废热流体的质量流率、废热流体的温度、工作流体在点134处的温度以及外界空气的质量流率的函数。例如，在废气提供唯一的废热源的情况下，由循环70提供的功率是通过换热器76的废气的质量流率、进入换热器76的废气的温度、工作流体在点134处的温度以及外界空气的质量流率的函数。对于具有不止一个废热源的系统，由循环70提供的功率还会包括每个源的质量流率和温度。在一个示例中，循环70输出的功率是大约0.5-1.5kW，而在进一步的示例中，对于废气温度的范围为500-800摄氏度并且废气质量流率的范围为50-125kg/hr的循环，输出的功率约为1kW。
可以基于发电机86产生的电力以及来自废热源(例如发动机废气、发动机冷却剂等)的可用的热传递的速率来确定循环70相对于车辆10的效率。可用的热传递的速率是通过关联的循环换热器的废热流体的质量流率和换热器两端的废热流体的温度差的函数。在一个示例中，仅使用废气热的循环效率测量为平均在5％以上，而在进一步的示例中，对于仅使用废气废热的循环，循环效率测量为平均在8％以上。
在循环70中的特定运转点处维持工作流体的状态或相对于系统运转和维持系统效率可能是关键的。例如，换热器74、76中的一个或两者可能需要设计为使用液相、混合相流体和汽相流体。在循环中点130处工作流体可能需要是液相以防止泵72内的气阻。此外，基于膨胀机84的结构，在点134和136之间可能需要工作流体保持为蒸汽，因为混合相可能降低系统效率或使装置84磨损。基于外界空气温度和控制外界气流速率的车速，还可限制可用于换热器90内的工作流体的冷却量和/或冷却速率。此外，在车辆启动时当发动机废气和/或发动机冷却剂没有达到它们的运转温度时可以限制可用于工作流体的加热量和/或加热速率。
例如，基于最小的外界空气运转温度TL,min和最大的外界空气运转温度TH,max，循环70可以在多个运转条件下运转。基于循环和循环中各个点的运转状态以及由这些运转状态施加的约束来选择工作流体。此外，可通过修改通过换热器74、76的废气或其它废热源的流率来控制循环70在期望的温度和压力范围内运转，从而控制传递到工作流体的热的量和工作流体在点134处的温度。还可通过基于外界空气温度、流率和湿度提供用于使工作流体流过的额外的级或限制的级来控制换热器90，从而控制在点130处的工作流体温度和冷却量。此外，工作流体的流率可由泵72控制，使得工作流体在每个换热器74、76、90中具有较长或较短的停留时间，从而控制传递到工作流体或从工作流体传递的热的量。
图3示出了用于车辆中废热回收的郎肯循环70或类似的混合相热力循环的换热器150。换热器150被配置为用于循环70的蒸发器。换热器150可用作循环70中的换热器76并被配置为在废气和循环70中的工作流体之间传热以加热工作流体。在其它示例中，换热器150可用于在另一废热流体流(例如，EGR气流)和工作流体之间传热。
换热器150具有壳体152，该壳体包围一系列换热管154或腔。换热器150可具有一个换热管154或可具有两个、三个、五个、十个或任意数量的换热管154或腔。进口歧管156将热力循环70中的工作流体流提供至换热器150。进口歧管156连接到进口集管158。进口集管158具有一系列管子，每个管子连接到关联的换热管154并将液相工作流体提供至关联的换热管154。出口歧管160具有出口集管162，出口集管162具有连接到关联的换热管154的管子。出口歧管160和出口集管162接收来自换热管154的蒸汽相工作流体使得工作流体继续流动通过热力循环。
换热器150具有纵向轴线170、横向轴线172和竖直轴线174。换热管154被示出为具有基本平行于纵向轴线170的纵向轴线，例如，换热管154基本平行于纵向轴线170延伸。竖直轴线174可以与换热器150上的重力基本对准。纵向轴线170和横向轴线172可基本垂直于竖直轴线174使得它们两者处于换热器150的水平面中。如上文所述，由于换热器150可用于具有循环70的车辆10中，因此随着车辆10移动经过不同坡度，轴线170、172、174可偏离真实的垂直和水平。然而，随着车辆行驶经过不同坡度，竖直轴线174至少保持竖直重力的分量。
进口歧管156在热力循环(诸如循环70)中定位到泵或类似物的下游。进口歧管156接收液相或液汽混合相的工作流体。在其它示例中，工作流体可以是汽相，例如，当在循环中另一个换热器位于泵和换热器150之间时。包含液相的工作流体流动通过进口歧管156。尽管只有一个进口歧管156被示出，但在其它示例中换热器150还可具有额外的歧管、控制流体流的阀等。进口歧管156可在横向方向上延伸并且可基本平行于横向轴线172。在其它示例中，歧管156可以以其它方式定位在换热器150中。进口歧管156可使工作流体基本水平地流动通过该进口歧管。
进口歧管156具有进口集管158，所述进口集管158包括一个或更多个进口集管管子或进口立管180以将工作流体引导至各个换热管154。进口集管158可包括用于各个换热管154的一个或更多个进口立管180。进口立管180将进口歧管156流体地连接到换热管154。每个进口立管180可包含为工作流体提供竖直流动分量的区段182。如图3中所示，立管180具有连接到歧管156的第一区段和连接到换热管154的基本竖直的区段182。第一区段和区段182可彼此垂直或相对于彼此以另一角度布置。在其它示例中，立管180可具有其它形状或可仅具有将歧管156连接到换热管154的直管区段(诸如区段182)。由于换热管154以阵列布置，因此集管158的各个立管180可彼此不同以将歧管156连接到换热管154。
换热管154设置在换热器150中并为换热器150中废热流体和工作流体之间的热传递提供主要机构。如图所示，换热管154可在换热器150内基本水平地延伸，并可基本平行于纵向轴线170。在其它示例中，换热管154可以以其它形式定位在换热器150中。如图所示，换热管154可以以阵列布置，其中它们彼此间隔开以允许废热流体在它们之间流动。换热管154的间隔和定位还可提供对废热流体通过换热器150的流动路径的控制。例如，通过偏移相邻行的换热管154，可在废热流体中产生湍流，从而增加热传递。
换热管154总体上示出为直管。在其它示例中，换热管可以是弯的或其它形状的。换热管154具有第一端部区域184和第二端部区域186。中部区域188位于两个端部区域184、186之间。在一个示例中，如图所示，进口集管158连接到第一端部区域184。
如由箭头190所示，换热管154可具有壳结构。换热管154的壳结构使废热流体流动经过换热管154的内壁和外壁，从而增加换热管154的表面面积并增加了从废热流体传递到工作流体的热。在另一个示例中，换热管154设置为无壳结构的标准管。在进一步的示例中，换热管154可具有为热传递提供额外的表面面积的多层的壳型结构。
出口歧管160具有出口集管162，所述出口集管162包括接收来自各个换热管154的工作流体的一个或更多个出口收集管200。出口集管162的每个收集管200可包括一个或更多个出口立管202。出口立管202和收集管200将换热管154流体地连接到出口歧管160的主出口管。
每个出口立管202可包含为工作流体提供竖直流动分量的区段。如图3中所示，立管202具有连接到换热管154的基本竖直的区段。立管202为来自换热管154的多个位置处的汽相的工作流体提供出口。在示出的示例中，多个立管202设置用于每个换热管154，其中，一个立管202在第一端部区域184连接到换热管154，另一个立管202在第二端部区域186连接到换热管154，并且另外的立管202在整个中部区域188连接到换热管154。立管202可连接到换热管154并沿着换热管154的纵向轴线204间隔开。立管202可彼此等距地间隔开，或在立管202之间可以有可变的间距。立管202可具有相同的横截面面积，或者可具有变化的横截面面积以对工作流体的流动提供额外的控制。由于换热管154以阵列布置，因此包括立管202的集管162的各个管子可彼此不同以将歧管160连接到换热管154。
收集管200均位于各个换热管154的上方并可基本平行于纵向轴线204。收集管200基本上可延长换热管154的长度，并将立管202与出口歧管160的管子流体地连接。在一个示例中，收集管200和立管202布置为基本上彼此垂直。
出口歧管160的主管在热力循环中定位到膨胀机或类似物的上游。出口歧管160提供汽相或过热蒸汽相的工作流体。尽管仅有一个出口歧管160被示出，但在其它示例中换热器150还可具有额外的歧管、控制流体流的阀等。出口歧管160可在横向方向上延伸并可基本平行于横向轴线172。在其它示例中，歧管160可以以其它方式定位在换热器150中。出口歧管160可使工作流体基本水平地流动通过该出口歧管160。出口歧管160可与进口歧管156相对使得换热管154定位在它们之间。在其它示例中，进口歧管156和出口歧管160可位于换热器150的同一侧上并彼此相邻。
换热管154可由壳体152支撑(例如，支撑在壳体的端部)。所述壳体设置有用于废热流体的进口206和出口207。在示出的示例中，进口206设置在壳体152的一个端板上，出口207设置在壳体152的另一个端板上。进口206和出口207可连接到用于发动机的排气系统或提供用于郎肯循环或热力循环的废热的另一个车辆系统。如图所示的换热器150被构造为工作流体和废热流体以相反方向行进的逆流式换热器。在其它示例中，换热器150可被构造为并流式换热器、交叉流式换热器等。换热器150可以是工作流体仅单次通过换热器并且不在其中循环或再循环的单程换热器(once-throughheatexchanger)。
壳体152可设置有挡板(baffle)208。挡板208可为换热管154、收集管200以及壳体的外壁提供结构支撑。挡板208可额外地支撑立管202或形成立管202的一部分。挡板208可包括多个开口209以允许废热流体通过。挡板208的间隔和定位可用于控制通过换热器150的废热流体的流动。此外，挡板208中的开口209的位置和尺寸可形成为控制通过换热器150的废热流体的流动。
换热器150的各个管示出为具有圆形横截面；然而，还可考虑用于换热器150的管子的其它形状，并且各个管可以具有相同的形状和尺寸，或可具有彼此不同的形状或尺寸。
换热器150可以由各种材料制成并相应地进行制造。在示出的示例中，换热器150由金属(诸如铝)制成并且是焊接或以其它方式连接在一起的。在其它示例中，换热器150可以基于材料的热导率、熔融温度和其它材料特性(诸如耐腐蚀性或耐化学性等)而由其它材料制成。例如，如果废热流体是发动机废气，则换热器150被构造为用于在高温(例如，约800摄氏度的气体)中运转。对于工作流体和废热流体两者还可能需要以压降作为考虑因素来设计换热器150。例如，当发动机废气用作废热流体时，换热器150可被构造成为穿过换热器150的废气提供低的压降以限制发动机上的背压。
图4示出了换热器150的局部剖视示意图，用以描述换热器150(例如，作为循环70中的换热器76)的运转。换热器150可设置为用于循环70中的工作流体的蒸发器。
工作流体在进口歧管156处进入换热器150。进口歧管156中的工作流体可以是过冷液体、饱和液体或液汽混合相流体。在一个示例中，进口歧管156中的工作流体作为过冷液体而位于图2中的图上的点132处。在另一个示例中，工作流体可以是处于在区域122、区域124或沿着圆顶120的左手边的另一个状态。在进一步的示例中，换热器150可用作过热器，在过热器中在进口歧管156内的工作流体是汽相。出于本公开的目的，以进口歧管156中的工作流体为过冷液体(如图2中点132所示)的蒸发器来描述换热器150的运转。工作流体在换热器中被加热使得在出口歧管160的管子处的工作流体是汽相或过热蒸汽(如图2中点134所示)。因此，换热器150描述为提供循环70的132至134过程部分。在循环中具有额外换热器的其它示例中，换热器150仅提供点132和点134之间的加热的一部分。
液相工作流体从进口歧管156流到进口集管158。进口集管180具有竖直区段182。图4中竖直区段182示出为连接到换热管154的下表面210，并且连接到换热管154的外壁212。如图4中可以看出的，进口集管158连接在换热管154的端部区域184。换热管154具有壳结构。
进口集管158连接到下表面210以为换热管154提供底部填充功能。进口集管158可在换热管154的低点处充当集液槽以供应液态工作流体用于蒸发。基于因重力而作用在液体上的力及液体密度高于蒸汽相的密度，进口集管158定位在下表面210。重力的至少一部分沿着竖直轴线174。液相工作流体可填充由液位218所示的换热管154的一部分。
换热管具有外壁212。换热管154还可具有带有内壁214的如之前描述的壳结构。内壁214和外壁212在由壁限定的通道内包含工作流体。废热流体216(例如，来自内燃发动机的废气)流经内壁214和外壁212。内壁214和外壁212可围绕换热管154的纵向轴线204周向同心地布置。
换热器150示出为逆流式换热器。废热流体216处于比工作流体更高的温度。废热流体216将热或能量传递到换热管154内的工作流体。热传递基于对流传热过程和传导传热过程两者发生。辐射传热也可发生。从废热流体216经过换热管154至工作流体进行热传递。
随着工作流体在换热管154中被加热，工作流体的能量或焓增加。由于这是基本恒压的过程，因此当达到用于工作流体的蒸发潜热时传递到工作流体的热引起工作流体的相变。工作流体从液体转变成液-汽饱和混合物，并在220处转变成汽相。换热管154可基本水平地定位或与轴线170对准以提供蒸发器150和循环70的提高的效率。在一个示例中，在废热流体以约700摄氏度供应至换热器150时，换热器150的效率约为90％，
随着工作流体蒸发，换热管154和立管202允许工作流体的直接即时的相分离和换热器150内更均匀的温度分布。液相218保留在换热管154中，并继续接收来自废热流体216的热。由于换热管是水平布置的，因此液相与内壁和外壁具有大的接触面积从而改善传热。此外，工作流体的液相与换热管154具有更大的自由面用于蒸发。由于换热器150和多个立管202的几何结构，蒸汽相具有在蒸发后流到出口歧管160的直接路径，从而减少或消除错综复杂的流动路径、气阻或由于在持续加热的流动通道中一部分气相被周围液体困住而造成“热点”的其它区域。通常，对于工作流体而言，气相的热导率远小于液相的热导率。例如，液相R-134a和气相R-134a分别具有0.092瓦特每米开尔文(W/mK)和0.012W/mK的热导率。
工作流体的汽相220在换热管154中上升，并通过立管202离开换热管154。立管202沿着换热管154的长度间隔开以为汽相提供多个出口。立管202还定位为用于汽相工作流体220的基本竖直的流动。立管202连接到换热管154的上表面222。上表面与下表面210基本相对。立管202可定位成与换热管154的各个端部区域184、186邻近，并且其它立管202可设置在换热管154的中部区域188中。每个立管202示出为沿着基本垂直于纵向轴线204(并且在一些示例中，相交于轴线204)的相应的轴线224延伸。
汽相工作流体220从立管202流到收集管200中并流到出口歧管160。如图4中所示，收集管200可基本平行于换热管154，并与换热管154间隔开。出口歧管160位于循环70中的膨胀机84的上游。
如图4中可以看出的，换热管154位于进口集管158和出口集管202之间，并位于进口歧管156和出口歧管160之间。
如图1中所示的控制器96可用于控制循环70和闭合回路，使得工作流体在泵72的进口处是液相并且在膨胀机84的进口处是汽相。控制器96可被配置为控制闭合回路或循环，使得工作流体在多个立管202中包括汽相并且工作流体在进口集管180中包括液相。
例如，传统的蒸发器使工作流体流动通过封闭通道，在所述封闭通道，工作流体从热流吸热并蒸发成气体。由于相比于液相蒸汽的热导率低，因此蒸汽相工作流体具有降低的传热效率。传统的蒸发器包括用于使工作流体(例如对于圆蒸汽机)按照正弦曲线在蒸汽机中上下行进的流动路径或换热腔。由于蒸汽的密度低于液体的密度，因此液体停留在通道的底部而蒸汽移动到顶部而造成“热点”，其可导致蒸发器的热疲劳和潜在的泄漏问题。
本公开的各个示例具有关联的、非限制性优点。例如，提供一种用于车辆中郎肯循环或其它热力循环的换热器。所述换热器具有用于使用废热流体(诸如，在换热管周围流动的废气)来蒸发循环中的工作流体的换热管或腔。随着工作流体在换热管中蒸发，工作流体的汽相与液相分离并在出口集管的竖直的出口立管中上升。工作流体的液相保留在换热管中并继续由废热流体加热。换热管中保留的液体相比于蒸汽相具有高热导率和高传热效率。由于随着工作流体的蒸发工作流体的相分离，因此该换热器的设计使得液体腔和气体管具有大致均匀的温度分布。
虽然上文描述了示例性实施例，但并非意味着这些实施例描述了本公开的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以作出各种改变。此外，可以组合各种实现的实施例的特征以形成本公开进一步的实施例。

Claims (4)

1.一种用于具有工作流体的车辆郎肯循环的换热器，包括：
换热管，定位成用于使工作流体基本水平地流动通过所述换热管；
进口集管，连接到所述换热管的端部区域的下表面；以及
出口集管，具有定位成用于使工作流体基本竖直地流动的多个立管，所述立管连接到所述换热管的上表面并沿着所述换热管的上表面间隔开。
2.根据权利要求1所述的换热器，还包括外部壳体，所述外部壳体包围所述换热管并被构造为容纳气相流体；
其中，所述换热管适于将热从所述气相流体传递到所述工作流体。
3.根据权利要求2所述的换热器，还包括至少一个挡板，所述至少一个挡板定位成引导所述气相流体在所述换热管周围的流动。
4.根据权利要求2所述的换热器，其中，所述换热管是具有周向同心地布置的内壁和外壁的壳；
其中，在所述内壁和所述外壁之间限定通道，所述通道与所述进口集管和所述出口集管流体连通用于所述工作流体的流动；
其中，所述内壁和所述外壁被构造为接触所述气相流体。
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