CN108885073A - 堆叠板式换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种堆叠板式换热器(1)，‑包括：沿堆叠方向(S)彼此上下堆叠的多个堆叠板(2)，‑其中通道结构(3)形成在至少一个堆叠板(2)中，流体(F)流过所述通道结构(3)，‑其中，当从上方观察堆叠板(2)时，通道结构(3)包括沿着堆叠方向(S)的至少一个流体通道(4a、4b、4c)，所述流体通道包括具有锯齿形几何形状的至少一个通道部分(5)。

Description

堆叠板式换热器
技术领域
本发明涉及一种堆叠板式换热器。
背景技术
堆叠板式换热器在内燃机的排气后处理中用作所谓的排气蒸发器。这种排气蒸发器能够从内燃机排出的排气中回收热能。在排气蒸发器中，从排气中提取热量并将其供给至冷却剂或制冷剂，即所谓的工作介质，其通常在此蒸发。
这种堆叠板式换热器例如从DE 10 2009 012 493A1已知。
为了在热回收中实现尽可能高的效率，工作介质被引导通过蒸发器或相应的堆叠板式换热器的通道结构的优化几何形状是至关重要的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于堆叠板式换热器的改进实施例，其特别具有改进的效率。
该问题由独立权利要求的主题解决。优选实施例是从属权利要求的主题。
因此，本发明的基本思想是提供在堆叠板式换热器中形成的通道结构，该通道结构由流体(换热器的工作介质)流过，部分地具有锯齿形通道几何形状。当流过锯齿形通道几何形状时，因此必要的工作介质的流动方向的变化伴随着工作介质和排气之间的增加的热交换，排气被引导通过堆叠板式换热器。因此，这种锯齿形通道几何形状适合于通道结构的其中工作介质以液相存在的区域。这是因为在该区域中，在工作介质的低流速下，到工作介质的热传递本身减少。对于本发明必不可少的锯齿形通道几何形状至少可以用以液相存在的工作介质来补偿这种减少的热传递，并且因此导致换热器的效率提高。
在通道结构的其中工作介质为两相、因此也以气态形式存在的区域中，在没有锯齿形几何形状的情况下，热传递也足够高，因此可以免除所述锯齿形通道几何形状。因此，在通道结构的这些区域中，避免了工作介质中的总是伴随锯齿形几何形状的不必要的压力损失。
根据本发明的堆叠板式换热器包括多个堆叠板，这些堆叠板沿堆叠方向彼此上下堆叠。由流体流过的通道结构形成在至少一个堆叠板中。当从上方观察堆叠板时，通道结构包括沿堆叠方向的至少一个流体通道，所述流体通道包括具有锯齿形几何形状的至少一个通道部段。
在优选实施例中，具有锯齿形几何形状的至少一个通道部段具有第一局部部段，该第一局部部段延续到第二局部部段中。两个局部部段一起形成90°和165°之间的角度。实验研究表明，在所述角度范围内，可以在工作介质和排气之间实现特别高的热交换。
在有利的进一步发展中，第一和第二局部部段被构造成当从上方观察时沿堆叠方向基本上是直线型的，并且借助于弯曲形成的过渡部段彼此延续。借助于这种几何形状，当流过流体通道时工作介质中的不希望的压力损失可以保持较低。
特别优选地，通道结构的至少一个流体通道以曲折形式形成，并且包括具有锯齿形几何形状的多个通道部段。这种几何形状允许在具有相对小的表面尺寸的堆叠板上布置流体通道。因此，可以以特别紧凑的外部尺寸实现堆叠板式换热器。
在另一优选实施例中，至少一个流体通道具有多个U形通道部段。在该变型中，沿着至少一个流体通道的延伸方向在至少两个相邻的U形通道部段之间提供具有锯齿形几何形状的至少一个通道部段。该变型还允许高热交换，同时需要小的安装空间。
因为同样能够以特别紧凑的结构实现，所以可以认为特别优选的变型是，在沿着至少一个流体通道的延伸方向彼此跟随的至少两个U形通道部段之间，，沿着延伸方向彼此跟随地设置具有锯齿形几何形状的两个通道部段。
在有利的进一步发展中，通道结构包括至少两个流体通道，所述至少两个流体通道基本上彼此平行并且彼此间隔一定距离地延伸。以这种方式，可以在各个流体通道中确保高抗压强度。对于各种工作介质，诸如例如环戊烷、乙醇、丙酮，如果提供精确的三个流体通道，所述流体通道基本上彼此平行并且彼此间隔一定距离地延伸，则证明是有利的，。
在另一个有利的进一步发展中，在所述至少两个流体通道之间形成至少一个连接通道，所述连接通道在所述通道部段的区域中设置有锯齿形几何形状，并且将所述至少两个流体通道彼此流体连接。这使得存在于各个流体通道中的工作介质中的流体压力的压力均衡成为可能。这又促进了工作介质或相应的流体与排气之间的横向特别均匀的热交换。
特别优选地，设置多个连接通道，所述多个连接通道沿着所述至少两个流体通道的延伸方向彼此间隔一定距离地布置。以这种方式，可以在流体通道的整个范围内保证期望的压力均衡。
在另一个有利的进一步发展中，至少一个连接通道，优选地分别是所有连接通道，将所有存在的流体通道彼此流体连接。该措施还促进了工作介质或流体中的压力均衡，这有利于均匀的热交换。
在另一个优选实施例中，通道结构形成为由水流过。为此，存在的所有流体通道在垂直于流体通道的延伸方向的堆叠板的横截面中总共具有2mm2和8mm2之间的横截面积。作为另外一种选择，通道结构形成为被乙醇流过。为此，存在的所有流体通道在垂直于流体通道的延伸方向的堆叠板的横截面中总共具有3mm2和15mm2之间的横截面积。还可以想到使用乙醇和水的混合物。作为另外一种选择，通道结构可以形成为由环戊烷流过。在这种情况下，存在的所有流体通道在垂直于流体通道的延伸方向的堆叠板的横截面中总共具有6mm2和20mm2之间的横截面积。作为另外一种选择，也可以考虑使用丙酮。作为另外一种选择，通道结构形成为由氢氟烃(HFC)流过。在该变型中，存在的所有流体通道在垂直于流体通道的延伸方向的堆叠板的横截面中总共具有15mm2和40mm2之间的横截面积。因此，取决于工作介质的选择，发生各个流体通道的横截面积的单独设计。以这种方式，确保了有效的热交换，同时在工作介质中几乎没有压力损失。所有指定的物质也可以与油混合使用。
另一个优选实施例在技术上证明特别容易实现，因此以有利的成本生产，其中通道结构由堆叠板中存在的波纹状凸起或凹陷形成。这允许特别是通过深拉使具有本发明所必需的通道结构的堆叠板实现为成形的金属板部件。
在另一优选实施例中，通道结构存在于至少两个堆叠板中。设置有对于本发明必不可少的具有锯齿形流动几何形状的通道结构的堆叠板越多，使用堆叠板式换热器能够实现的效率就越高，特别是如果堆叠板式换热器用作与内燃机相互作用的排气蒸发器的话。
有利地，堆叠板式换热器可以具有共用的流体入口，用于将流体分配到至少两个，优选地三个流体通道，以及共用的流体出口，用于引导流体在流过相应的流体通道之后流出。该措施简化了堆叠板式换热器的结构，特别是当提供数个单独的流体通道时。
本发明的其它重要特征和优点将从从属权利要求、附图和相关的附图说明中借助附图得出。
应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上面提到并且下面将进一步解释的特征不仅能够以相应指示的组合使用，而且能够以其他组合或单独使用。
附图说明
在附图中示出了本发明的优选示例实施例，并且在以下描述中进一步解释了本发明的优选示例实施例，其中相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的部件。
分别以图解方式示出：
图1是根据本发明的具有通道结构的堆叠板式换热器的单独堆叠板的透视图，
图2是图1的通道结构在堆叠板的俯视图中的详细图示，
图3是图1和图2的堆叠板的变体，其具有在横截面中的包括三个流体通道的通道结构，
图4是具有彼此上下堆叠的多个堆叠板的堆叠板式换热器的透视图。
具体实施方式
图1以透视图通过示例的方式示出了根据本发明的堆叠板式换热器1的单独堆叠板2。
在图1所示的堆叠板2中，形成通道结构3，其将被流体F流过。通道结构3包括两个流体通道4a、4b，当从上方观察堆叠板2时，两个流体通道4a、4b基本上彼此平行并且彼此相距一定距离沿着堆叠方向S延伸。具有流体通道4a、4b的通道结构3由形成在堆叠板2中的波纹状凸起或凹陷10形成。每个堆叠板2在两侧利用彼此相对横放的两个盖板11a、11b沿堆叠方向S覆盖，如从图3中可以看出的，图3以截面图示出了堆叠板2。因此，两个盖板11a、11b限定在堆叠方向S中和与堆叠方向S相反地形成在堆叠板2中的通道结构3(参见图2)。两个盖板11a、11b可以焊接到相应的堆叠板2上。
为了形成堆叠板式换热器1，可以将具有相应盖板11a、11b的多个堆叠板2堆叠在彼此之上。这在图4中示出，图4以透视局部视图示出了堆叠板式换热器1。具有盖板11a、1b的各个堆叠板2在堆叠方向S上彼此隔开一定距离布置，其中相邻的盖板11a、11b在堆叠方向S上通过在图4中未更详细示出的相应的肋结构12彼此抵靠。在相邻的盖板11a、11b之间的肋结构12的区域中形成的中间空间13可以通过排气14流过，排气14与流过堆叠板2的通道结构3的流体F进行热交换。
现在再次观察图1，可以看出，通道结构3的两个流体通道4a、4b分别以曲折形式形成。两个流体通道4a、4b中的每一个都具有通道部段5，通道部段5分别具有锯齿形几何形状。此外，堆叠板式换热器1可以具有用于将流体F分配到两个流体通道4a、4b的共用流体入口，以及用于引导流体F在流过两个流体通道4a之后流出的共用流体出口。
图2是图1的在分别具有锯齿形几何形状的通道部段5的区域中的细节图。从图2可以看出，存在于通道结构3中的具有锯齿形几何形状的通道部段5具有第一局部部段6a，该局部部段6a通过过渡部段7延续到第二局部部段6b中。第一和第二局部部段6a、6b分别被构造成大致直线形，另一方面，过渡部段7形成为弯曲的。两个局部部段6a、6b优选地彼此以90°和165°之间的角度布置。
如图1所示，两个流体通道4a、4b不仅分别包括具有锯齿形几何形状的通道部段5，而且还分别具有多个U形通道部段8。在沿着流体通道4a、4b的延伸方向E相邻的两个U形通道部段8之间，通道部段5形成为具有锯齿形几何形状。
具有锯齿形几何形状的通道部段5布置在堆叠板式换热器1中，使得在通道部段5中，流体F完全以液相存在。此外，两个流体通道4a、4b可分别具有两个通道部段20a、20b，这两个通道部段20a、20b与具有锯齿形几何形状的通道部段5不同，在该两个通道部段20a、20b中，流体通道4a、4b不具有锯齿形几何形状，而是可以形成为直线型或不同的。
如图2所示，连接通道9在具有锯齿形几何形状的通道部段5的区域中形成在彼此相距一定距离延伸的两个流体通道4a、4b之间。连接通道9将流体通道4a、4b彼此流体连接，并且为此布置成沿流体通道4a、4b的延伸方向E彼此隔开一定距离。
图3示出了图1的示例的变型。在图3的示例中，如上所述，堆叠板式换热器1的堆叠板2以垂直于延伸方向E的横截面示出。在根据图3的变型中，通道结构3包括第一、第二和第三流体通道4a、4b、4c，因此三个流体通道4a、4b、4c。
如图3所示，图3的横截面中的第一流体通道4a具有横截面积A1，第二流体通道4b具有横截面积A2，并且第三流体通道4c具有横截面积A3。在存在的三个流体通道4a、4b、4c的情况下，各个横截面积的总和A结果为A＝A1+A2+A3。
优选地，横截面积A适合于流过通道结构3的工作介质，因此适合于使用的流体。以这种方式，可以确保有效的热交换，同时在工作介质/流体中具有小的压力损失。
如果通道结构3要通过流体/工作介质流过，则对于上面定义的横截面积A，建议在2mm2和8mm2之间的值范围。
如果通道结构3要通过乙醇作为流体/工作介质流过，那么3mm2和15mm2之间的范围的值证明对于上面定义的横截面积A是有利的。也可以考虑使用乙醇和水的混合物。
如果通道结构3由环戊烷作为流体/工作介质流过，则对于上面定义的横截面积A，推荐6mm2和20mm2之间的范围的值。丙酮可用作环戊烷的替代物质。
如果通道结构3将由氢氟烃(HFC)作为流体/工作介质流过，则对于上面定义的横截面积A，建议在15mm2和40mm2之间的范围的值。
在进一步的变型中，前述物质之一与油的混合物也是可能的。

Claims (16)

1.一种堆叠板式换热器(1)，
-包括沿堆叠方向(S)彼此上下堆叠的多个堆叠板(2)，
-其中通道结构(3)形成在至少一个堆叠板(2)中，流体(F)流过所述通道结构(3)，
-其中，当从上方观察所述堆叠板(2)时，所述通道结构(3)包括沿所述堆叠方向(S)的至少一个流体通道(4a、4b、4c)，所述流体通道包括具有锯齿形几何形状的至少一个通道部段(5)。
2.根据权利要求1所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
具有锯齿形几何形状的至少一个通道部段(5)具有第一局部部段(6a)，所述第一局部部段(6a)延续到第二局部部段(6b)中，所述第二局部部段(6b)与所述第一局部部段(6a)形成90°和165°之间的角度(α)。
3.根据权利要求1或2所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
所述第一和第二局部部段(6a、6b)分别形成为基本上直线型的并且通过弯曲形成的过渡部段(7)彼此延续。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
所述通道结构(3)的至少一个流体通道(4a、4b、4c)以曲折形式形成，并且包括具有锯齿形几何形状的数个通道部段(5)。
5.根据前述权利要求之一所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
至少一个流体通道(4a、4b、4c)具有多个U形通道部段(8)，
其中，在沿着所述流体通道(4a、4b、4c)的延伸方向(E)相邻的至少两个U形通道部段(8)之间，设置具有锯齿形几何形状的一个通道部段(5)，优选地两个通道部段(5)。
6.根据权利要求5所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
在沿着所述至少一个流体通道(4a、4b、4c)的延伸方向(E)相邻的至少两个U形通道部段(8)之间存在沿所述延伸方向(E)彼此跟随的具有锯齿形几何形状的两个通道部段(5)。
7.根据前述权利要求之一所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
所述通道结构(3)包括至少两个，优选三个流体通道(4a、4b、4c)，所述流体通道(4a、4b、4c)基本上彼此平行并且彼此间隔一定距离地延伸。
8.根据权利要求7所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
在至少两个流体通道(4a、4b、4c)之间，优选在所述三个流体通道(4a、4b、4c)之间，形成至少一个连接通道(9)，所述至少一个连接通道(9)设置在具有锯齿形几何形状的所述通道部段(5)的区域中，并且将至少所述两个流体通道(4a、4b)，优选所述三个流体通道(4a、4b、4c)彼此流体连接。
9.根据前述权利要求之一所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
存在多个连接通道(9)，所述多个连接通道(9)沿着至少两个流体通道(4a、4b、4c)的延伸方向(E)彼此间隔一定距离地布置。
10.根据权利要求8或9所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
至少一个连接通道(9)，优选地相应地所有连接通道(9)，将存在的所有所述流体通道(4a、4b、4c)彼此流体连接。
11.根据前述权利要求之一所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
-所述通道结构(3)形成为由水流过，并且在所述堆叠板(2)的垂直于所述流体通道(4a、4b、4c)的延伸方向(E)的横截面中，存在的所有流体通道(4a、4b、4c)总共具有在2mm2和8mm2之间的横截面积(A)，
或者，
-所述通道结构(3)形成为由乙醇流过，并且在所述堆叠板(2)的垂直于所述流体通道(4a、4b、4c)的延伸方向(E)的横截面中，存在的所有流体通道(4a、4b、4c)总共具有3mm2和15mm2之间的横截面积(A)，
或者，
-所述通道结构(3)形成为由环戊烷流过，并且在所述堆叠板(2)的垂直于所述流体通道(4a、4b、4c)的延伸方向(E)的横截面中，存在的所有流体通道(4a、4b、4c)总共具有6mm2和20mm2之间的横截面积(A)，或者
-所述通道结构(3)形成为由氢氟烃(HFC)流过，并且在所述堆叠板(2)的垂直于所述流体通道(4a、4b、4c)的延伸方向(E)的横截面中，存在的所有流体通道(4a、4b、4c)总共具有在15mm2和40mm2之间的横截面积(A)。
12.根据前述权利要求之一所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
所述通道结构(3)由存在于所述堆叠板(2)中的波纹状凸起和/或凹陷(10)形成。
13.根据前述权利要求之一所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
通道结构(3)存在于至少两个堆叠板(2)中。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
所述堆叠板式换热器(1)具有：共用的流体入口，所述共用的流体入口用于将所述流体(F)分配到所述至少两个，优选三个流体通道(4a、4b、4c)；以及共用的流体出口，所述共用的流体出口用于引导所述流体(F)在所述流体流过所述流体通道(4a、4b、4c)之后引出。
15.根据前述权利要求之一所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
所述至少一个流体通道(4a、4b、4c)由所述流体(F)流过，并且所述至少一个通道部段(5)在所述堆叠板式换热器(1)中形成为具有锯齿形几何形状，使得在所述通道部段中，所述流体(F)基本上完全以液相存在。
16.根据前述权利要求之一所述的堆叠板式换热器，
其特征在于，
在所述至少一个流体通道(4a、4b、4c)的与具有锯齿形几何形状的通道部段(5)不同的至少一个通道部段(20a、20b)中，所述至少一个通道部段(20a、20b)不具有锯齿形几何形状，优选地具有直线几何形状。
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