CN106677887B - 抗污换热器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种与空气处理系统一起使用的换热器。该换热器可具有入口、出口以及流体地连接入口和出口的至少一条通道。该至少一条通道可包括配置为在至少一条通道内的第一流体与至少一条通道外的第二流体之间传递热量的壁。换热器还可具有沿至少一条通道的长度设置的多个导热特征件和仅应用于该多个导热特征件的子集的抗污涂层。

Description

抗污换热器
技术领域
本公开通常涉及一种换热器，并且更具体地涉及一种具有抗污特征的换热器。
背景技术
换热器具有很多不同的结构(如波纹板结构、壳管式结构、管翅式结构等)并且用于在两种流体之间传递热能，而不会使流体之间发生直接接触。具体地，初级流体(如空气或者排气)通常是通过换热器的流体通道进行引导，而次级流体(如空气、水、乙二醇等)与该通道的壁发生外部接触。以此方式，热量可以通过壁在两种流体之间传递。
在一些应用中，循环通过换热器的一种或两种流体可以具有夹杂在流体中的颗粒(例如，未燃烧的碳氢化合物，如燃料或油)。当通道壁接触到颗粒时，这些壁可变成涂覆有该颗粒(即受到污染)。这在这些壁具有容易产生颗粒沉积的粗糙表面纹理时可能尤其如此。当颗粒粘附于通道壁时，壁的导热性降低。
在Birgler等人于2014年6月19日公布的公开号为2014/0165558的美国专利(“’558专利公开”)中描述了一种示例性换热器。具体地，’558专利公布公开了一种废气换热器，其具有不锈钢外壳、设置在其内的不锈钢管以及连接到该管的不锈钢线圈和翅片。暴露于废气的换热器表面设置有由陶瓷制成的防护涂层。陶瓷涂层旨在保护不锈钢免于受到腐蚀。
虽然’558专利公布中的换热器可能有助于减少在一些应用中发生腐蚀的可能性，但是其对于其他应用而言可能是多余的，同时还较昂贵，并且对于抗污不起什么作用。特别地，在某些情况下，要将整个换热器完全罩住可能成本太高和/或难度太大。进一步地，由于陶瓷材料和不锈钢的热膨胀系数可能不同，因此，用陶瓷材料涂覆整个换热器可能会将陶瓷材料暴露在较大的温度范围内，这在膨胀不均时可以造成材料的开裂和剥落。当陶瓷材料发生开裂和/或剥落时，其可能会失去其有效性。另外，尽管’558专利公布中使用的陶瓷材料可能有助于保护换热器免于受到腐蚀，但是它在保护换热器免于受到污染这一方面作用不大。也就是说，’558专利公布中使用的抗腐蚀陶瓷材料可以具有便于或者甚至促进颗粒沉积的表面粗糙度。
所公开的换热器目的是克服上面提到的一个或多个问题和/或现有技术的其它问题。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种换热器。该换热器可包括入口、出口以及流体地连接入口和出口的至少一条通道。该至少一条通道可包括配置为在至少一条通道内的第一流体与至少一条通道外的第二流体之间传递热量的壁。换热器还可具有沿至少一条通道的长度设置的多个导热特征件和仅应用于多个导热特征件的子集的抗污涂层。
在另一个方面，本公开涉及另一种换热器。此换热器可包括入口、出口以及流体连接入口和出口的至少一条通道。至少一条通道可具有壁，其配置为在位于壁的一侧的再循环废气与位于壁的相反侧的冷却剂之间传递热量。换热器还可包括沿至少一条通道的长度可操作地设置的多个不锈钢翅片和仅应用于不锈钢翅片的下游部分的抗污陶瓷涂层。抗污陶瓷涂层可由氮化硼超增强石墨或碳化硅中的一种制成。抗污涂层可具有比多个不锈钢翅片更为光滑的表面光洁度。
在又一个方面，本公开涉及一种流体处理系统。流体处理系统可包括空气供应源、再循环废气供应源以及配置为与发动机连通的入口歧管。流体处理系统还可包括换热器，其配置为对再循环废气进行冷却并将经过冷却的再循环废气引导来与进入入口歧管的空气混合。换热器可具有与再循环废气供应源连通的入口、与入口歧管连通的出口以及流体地连接入口和出口的至少一条通道。至少一条通道可具有壁，其配置为在位于壁的一侧的再循环废气与位于壁的相反侧的冷却剂之间传递热量。换热器还可具有沿至少一条通道的长度可操作地设置的不锈钢翅片和仅应用于不锈钢翅片的一部分的抗污陶瓷涂层。抗污陶瓷涂层可由氮化硼超增强石墨或碳化硅中的一种制成，并且具有比多个不锈钢翅片的表面光洁度更为光滑的表面光洁度。
附图说明
图1是具有示例性公开的流体处理系统的发动机的示意图；并且
图2是可以结合图1的流体处理系统使用的示例性公开的换热器的等距剖视图。
具体实施方式
图1示出了装有示例性流体处理系统12的发动机10。发动机10可以具体体现为例如柴油发动机、汽油发动机或者气体燃料动力发动机(如天然气发动机)。如本领域已知的，发动机10可配置为在一个或多个燃烧室14内燃烧燃料、空气和再循环废气的混合物，以产生机械功率输出。流体处理系统12可包括多个回路，其配合来将流体(如空气、燃料、排气、冷却剂等)引入发动机10中、引导通过发动机10以及引出发动机10，以便于功率输出。这些回路可尤其包括进气回路16、排气回路18和再循环回路20.
进气回路16可尤其包括一台或多台压缩机22和至少一个冷却器24，该至少一个冷却器24定位成在空气进入发动机10的燃烧室14之前冷却由压缩机22压缩的空气。每台压缩机22可具体体现为固定几何形状压缩机、可变几何形状压缩机或配置为接收空气并将该空气压缩到期望的压力水平的另一类型压缩机。在所公开的示例性实施例中，进气系统16具有两台压缩机22，其彼此串联设置并通过通道26和进气歧管28连接到燃烧室14。可以设想的是，如果需要，压缩机22可以可选地彼此平行设置。冷却器24可设置于压缩机22的下游和/或之间以及进气歧管28上游的位置处的通道26内。还可以设想的是，如果需要，压缩机22和/或冷却器24在自然吸气实施例中可以被省略。
排气回路18可尤其包括至少一个涡轮机30，其由发动机10的排气驱动来旋转进气系统16的压缩机22。每个涡轮机30可具体体现为固定几何形状涡轮机、可变几何形状涡轮机或本领域已知的另一类型涡轮机。在所公开的示例性实施例中，排气回路18具有两个涡轮机30，其彼此串联设置并通过通道32和排气歧管34连接到燃烧室14。可以设想的是，如果需要，涡轮机30可以可选地彼此平行设置。涡轮机30可配置为接收排气并将排气中的势能转化成所连接的压缩机22的机械转动。在离开涡轮机30之后，废气可以通过通道36排放到大气和/或再循环回路20中。一个或多个排气处理装置(未示出)(例如碳氢化合物定量给料器、柴油氧化催化器(DOC)、柴油微粒过滤器(DPF)、选择性还原催化器(SCR)、氨吸收器(AMOx)、衰减装置和/或本领域已知的任何其他处理装置)可根据需要设置于通道36内。
再循环回路20可配置为将排气从排气回路18(例如从涡轮机30下游的位置)选择性地导流到进气回路16(例如压缩机22上游的位置)中。具体地，再循环回路20可包括通道38，其在排气回路18的通道36与进气回路16的通道26之间延伸。冷却器40可位于通道38内并配置为冷却从其中流过的排气。排气的再循环可有助于降低相关燃烧过程中的整体温度，从而减少NOx和/或其它经过调整的排气成分的产生。
冷却器24和40都可配置为冷却从其中流过的初级流体。流经冷却器24的初级流体可以是空气或空气/排气混合物，而流经冷却器40的初级流体可以仅是排气。在一个示例中，冷却器24和40是气体到气体式交换器，其中来自初级流体的热量被传递到气态的次级流体(例如传递到空气)。在另一个示例中，一个或两个冷却器24和40是气体到液体式交换器，其中来自初级流体的热量被传递到液态的次级流体(例如传递到水、乙二醇、水/乙二醇混合物等)。
冷却器24和40都可以是本领域中已知的任意类型的换热器。例如，一个或两个冷却器24和40可具体体现为波纹板式换热器、管翅式换热器或者另一普通类型的换热器。如图2所示，每个冷却器24和40可具有入口42、出口44以及从入口42延伸到出口44的配置为接收初级流体的至少一条通道46。多个导热特征件(“特征件”)48可以沿通道46的长度设置并且配置为延伸到初级流体流中。在一些实施例中，多个第二特征件48(或另一类型或形状的导热特征件)可在相反方向从通道46的壁延伸至次级流体流中。在一个示例中，特征件48是翅片。在另一个示例中，特征件48是波纹板、面板或脊。在又一个示例中，特征件48是销或横管。也可以采用其它类型的特征件48。
特征件48可以是中空的，并且根据需要填充有初级流体或次级流体或者固体。特征件48可以与通道46一体成形或者成形后接合至通道46(如通过变形、压接、焊接、紧固、压配、托架固定等)。特征件48以及通道46的壁可由诸如不锈钢的非腐蚀性导热材料制成。
流经一个或两个冷却器24和40的初级流体可具有夹杂在其中的颗粒。这些颗粒可尤其含有未燃烧的碳氢化合物，例如燃料或油。由于不锈钢的相对粗糙的表面纹理和/或性质，颗粒可以粘附到通道46和/或特征件48的表面。当这种情况发生时，可能会降低冷却器24和40的导热性。为了抑制颗粒粘附在冷却器24和40的暴露表面上，这些表面(如特征件48的子集48a)的一部分可以涂覆有具有比不锈钢更为光滑且粘性更低的表面纹理的材料。这种材料可以是喷涂沉积到壁46和/或特征件48上的陶瓷。在所公开的实施例中，具有占特征件48的厚度T的大约1/50至1/100的厚度t的层50被沉积。层50可以由氮化硼超增强石墨或碳化硅材料中的一种制成。出于本公开的目的，术语“大约”可以定义为“在工程公差内”。
当初级流体流经冷却器24和40(尤其是冷却器40)时，初级流体可以冷却。例如，初级流体可在大约500-600℃时进入冷却器40并且在大约80-120℃时离开冷却器40。陶瓷涂层应具有与不锈钢的热膨胀系数大约相同的热膨胀系数，这样才能保证应用于冷却器40的陶瓷涂层维持其整体性并由此实现冷却器40的长使用寿命。以这种方式，当暴露在相同的温度下时，这两种材料将会以大约相同的速率发生膨胀。这些基本上相同的膨胀可有助于减少陶瓷材料发生开裂或剥落。
在所公开的示例性实施例中，当这些材料暴露在大约100-180℃的温度范围内时，通道46和特征件48的陶瓷材料和不锈钢可具有基本上相等的热膨胀系数。因此，陶瓷材料可仅应用于冷却器40(并且在某些情况下还有冷却器24)的经常处于该温度范围内的部分。在所公开的实施例中，其仅包括冷却器40内的通道46和特征件48的下游或最后的20-50％。也就是说，冷却器40的上游半部(即最接近入口42的半部)可以不包括层50。因为流经冷却器24的初级流体可具有比流经冷却器40的初级流体更低的温度，所以可以涂覆有层50的冷却器24的数量可以更大。
工业实用性
所公开的流体处理系统可以在流经该系统的一种或多种流体可能污染该系统的冷却器的任何冷却或加热应用中实施。具体地，所公开的流体处理系统可通过向相关换热器提供抗污特征来以简单且低成本的包装来实现换热器部件的寿命延长。现在参照图1和图2来解释流体处理系统12的运行。
大气空气可被吸入至进气回路16中到达压缩机22，在那里大气空气可在进入发动机10的燃烧室14之前加压至预定水平。在进入燃烧室14之前或之后，燃料可与加压空气混合。然后，这种燃料-空气混和物可以通过发动机10进行燃烧，以产生机械功和含有气态化合物和固体颗粒物质的排气流。排气流可从发动机10引导至涡轮机30，在那里热气体的膨胀可使涡轮机30旋转并驱动压缩机22对入口空气进行压缩。在离开涡轮机30后，排气流可以分成两股流，包括引导到大气中的主流和导流至进气回路16的旁流。
当流经再循环回路20时，排气的旁流可遇到冷却器40并且在由压缩机22抽回至进气回路16中之前被冷却。具体地，排气可通过通道46的壁并且通过特征件48将热量传递到冷却器次级流体，从而实现排气中的温度下降。之后，再循环排气流可与进入燃烧室14的空气发生混合。引入燃烧室14中的废气可减少其中氧气的浓度，这又可以降低发动机10内的最大燃烧温度。最大燃烧温度的降低可减缓燃烧过程的化学反应，从而减少一氧化氮的形成。以这种方式，可以减少发动机10产生的气态污染。
由于再循环排气流首先通过冷却器40并且随后通过冷却器24，因此气体中的颗粒可以收集到通道46和特征件48的暴露表面上。也就是说，由于排气沿通道46的长度从入口42移动到出口44，因此，颗粒可以被吸引到并粘附到通道46和特征件48的不锈钢表面。如不加以应对，这种污染可产生隔热层，其减弱或抑制初级流体与次级流体之间的热传递。然而，冷却器24和/或40的涂覆有所公开的陶瓷材料的部分可具有更加光滑的暴露表面，其不会吸引或促进颗粒的粘附。相应地，冷却器24和40的这些部分可以获取较少的颗粒，以允许更高的热传递速率。应该注意的是，在一些实施例中，层50本身可降低特征件48的热传递能力。然而，层50所引起的这种降低可能远远小于颗粒在特征件48上的沉积所引起的降低。例如，层50可使导热性的损失量小于大约0-10％。
如上所述，为了实现层50的长使用寿命，陶瓷材料可以仅沉积在冷却器24和40内的暴露于所期望的操作温度范围内的表面上。这些表面可以仅在包含在冷却器24和40内的特征件48的子集上(如仅在特征件48的最后20-50％上)找到。这种操作温度范围可以是允许所沉积的陶瓷材料按照与冷却器24和40下面的不锈钢所经历的膨胀率相似的速率发生膨胀的范围。
因为所公开的冷却器只有部分可以涂覆有陶瓷材料，所以冷却器的成本可以是较低的。另外，因为陶瓷材料可仅应用于具有所期望的操作温度范围的区域中，所以该材料不太可能失效。这样便可提高冷却器的有效性和寿命。并且冷却器24和40的有效性的增加可允许冷却器24和/或40变得更小，乃至更便宜。
对于所公开的换热器可以进行多种修改和变化，这对于本领域的技术人员而言将会是显而易见的。在考虑所公开的换热器的说明书和实践后，其它实施例对于本领域的技术人员而言将会是显而易见的。例如，虽然图1和图2示出了流经通道26的初级流体和经过通道26周围的次级流体，但相反的配置也是可能的。说明书和示例仅仅是示例性的，真实范围由如下权利要求书及其等效物指出。

Claims (8)

1.一种换热器，其包括：
入口；
出口；
至少一条通道，其流体地连接所述入口和所述出口并具有配置为在所述至少一条通道内的第一流体与所述至少一条通道外的第二流体之间传递热量的壁；
多个导热特征件，其沿所述至少一条通道的长度设置；和
抗污涂层，其仅应用于所述多个导热特征件的子集，
所述抗污涂层由陶瓷材料制成；并且
所述陶瓷材料为氮化硼超增强石墨或碳化硅中的一种，
所述抗污涂层使得通过所述多个导热特征件的所述子集的导热性的损失量小于0-10％。
2.根据权利要求1所述的换热器，其中所述多个导热特征件由不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的换热器，其中所述抗污涂层具有比所述多个导热特征件的表面光洁度更为光滑的表面光洁度。
4.根据权利要求1所述的换热器，其中：
所述子集仅包括所述多个导热特征件的下游半部或更少；并且
所述子集仅包括离所述出口最近的所述多个导热特征件的20-50％。
5.根据权利要求1所述的换热器，其中所述抗污涂层的厚度为所述多个导热特征件中的每一个的厚度的1/50-1/100。
6.根据权利要求1所述的换热器，其中当暴露于所述多个导热特征件的流体具有100-180℃的温度时，所述抗污涂层的热膨胀系数与所述多个导热特征件的热膨胀系数大约相同。
7.根据权利要求1所述的换热器，其中所述多个导热特征件包括翅片。
8.根据权利要求1所述的换热器，其中：
所述第一流体和所述第二流体中的一种为再循环废气；
所述第一流体和所述第二流体中的另一种为冷却剂；
所述多个导热特征件延伸到所述再循环废气中；
所述多个导热特征件包括多个第一导热特征件；
所述换热器还包括延伸到所述冷却剂中的多个第二导热特征件；并且
所述多个第二导热特征件未被涂覆。
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