CN114151170A - 一种低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低流动阻力的颗粒捕集‑换热集成芯体结构。包括有阵列式烟气通道，其外围为封闭结构，其结构特征在于：所述的烟气流动孔道截面为正三角形和倒三角形，交互排列叠置构成阵列，烟气流动孔道由多孔介质壁面围成。烟气经分流装置进入颗粒捕集器后，由于受到出口通道端塞的作用，只能通过三角形的烟气流入通道进入。流过多孔介质壁面后进入出口通道。最后经过出口通道排向大气。由于三角形通道可以更大限度地降低烟气通过多孔介质的流速，因此，应用这种多孔介质壁面结构的颗粒捕集器，可以有效地降低烟气流过的压降损失。

Description

一种低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构

技术领域

本发明涉及能源利用技术领域，具体涉及一种柴油颗粒捕集器。

背景技术

内燃机因其具有效率高、能量密度大和燃料适应性好等优点被广泛应用于多个领域。我国是世界最大的内燃机制造国和消费国，2019年内燃机销量4712.3万台、总功率达24.37亿千瓦。内燃机排放的尾气中通常含有CO₂、CO、HC和NOx等环境污染物质，2020年，全国机动车四项污染物排放总量达1593.0万吨，汽车是污染物排放总量的主要贡献者，其排放的CO、HC、NOx和PM超过总量的90%。其中柴油机尾气中的颗粒物排放物是大气PM2.5的主要贡献者之一。

随着国内外对机动车排放限制的日益严苛，在排气管路中安装柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter）成为尾气后处理的一个必要措施。DPF可以过滤尾气中超过90%的颗粒物，但是其体积较大，并且具有一定的流动阻力，导致柴油机排气背压提高。而内燃机排气背压高会影响正常运行，导致内燃机热效率下降，甚至出现不稳定。

常见的柴油机颗粒捕集器多采用壁流式蜂窝陶瓷过滤体（CN102574039A），这种结构最显著优点是可以大幅度降低烟气流过多孔介质过滤体的速度，从而在较低的压降下捕集大部分颗粒物。其孔道横截面形状一般为进出口对称或不对称的四边形、六边形、八边形。然而相较本发明提出的三角形孔道，这些孔道形状降低渗流速度的能力较低。相应地，烟气滤过造成的压降也较大。

内燃机余热回收，是一项利用动力循环技术，吸收内燃机缸套水，烟气中蕴含的大量热量，通过做功装置转化为机械功或电能的先进技术，可以有效地提高内燃机的综合能量利用效率。其中，内燃气排气由于所含热量大，温度较高，是余热回收技术主要利用的对象之一。而吸收烟气热量常用的设备是烟气换热器，其主要由金属隔板、冷却剂流道、烟气流道三部分组成。

发明内容

为了降低柴油颗粒捕集器流动损失，进而降低颗粒捕集器对发动机的影响，本发明提出一种低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构。

一种低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，包括有阵列式烟气通道，其外围为封闭结构，其结构特征在于：所述的烟气流动孔道截面为正三角形和倒三角形，交互排列叠置构成阵列，烟气流动孔道由多孔介质壁面围成。

所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于所述的阵列式烟气体通道结构中，设有若干冷却工质流道，所述的冷却工质流周壁烟气流动孔道之间相互阻隔。

所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于烟气从烟气流动孔道的一端流入，另一端流出；正三角形截面的烟气流动孔道为烟气流入通道，其流入的相对端设置堵塞；倒三角形截面的烟气流动孔道为烟气流出通道，其流出的相对端设置堵塞。

所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于烟气从烟气流动孔道的一端流入，另一端流出；部分烟气流动孔道为烟气流入通道，其流入的相对端设置堵塞；另一部分烟气流动孔道为烟气流出通道，其流出的相对端设置堵塞；烟气流入通道与烟气流出通道相互间隔选择。

所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于所述的堵塞材质与多孔介质壁面相同，或者是任意一种气体无法通过的固体材料。

所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于所述的烟气流动孔道其两端截面可以相同，或不同。

所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于所述多孔介质壁面，其材料是但不限于堇青石，碳化硅，金属泡沫、钛酸铝、莫来石等材料；所述的多孔介质壁面其围成的孔道为任意边长的封闭三角形。

所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于烟气流入通道、烟气流出通道、冷却工质流道三者数量比约为3:4:1。

所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于冷却工质流道，其材质为熔点较高，导热能力较好的金属，并不限于铝，铜，钢等；冷却工质流道，与所述的多孔介质壁面的连接方式为焊接，或使用导热硅脂固接。

所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于冷却工质流道，其内部流动的冷却工质与烟气的流动方向的关系为顺流或逆流。

本发明的显著特征是应用三角形孔道以降低烟气渗过多孔壁面的速度，从而降低压降，并且在孔道中焊入一定数量的冷却流体通道，将烟气热量导出，用于余热回收系统。

壁流式结构过滤颗粒物的原理是，在烟气的流入和流出通道端部分别设置堵塞，从而强迫从较小入口流入的烟气，从展开面积较大的孔道侧壁流过，从而大幅度降低烟气渗过多孔壁面的速度。使烟气中的碳烟颗粒物非常容易沉积在多孔介质壁面中。等运行一段时间后，随着多孔介质壁面捕集到的颗粒物增加，会在多孔壁面处形成一定厚度的碳烟滤饼层，其同样是一种多孔介质，可以进一步提高DPF对碳烟颗粒物的捕集能力。但是，影响DPF捕集能力的最重要的因素仍然是多孔介质的孔隙率，孔密度等参数，以及烟气滤过的速度。因此，进一步降低烟气滤过速度对于提高DPF性能十分重要。在众多孔道截面形状中，三角形具有突出的优势。下面进行说明，以面积为1正多边形为例，正三角形的周长为7.89。正方形的周长为4，正六边形的周长为3.72，圆形的周长为3.54。简言之，边数越多，周长越小。而在封闭图形中，三角形边数最小。因此其在相同面积的图形中，一般有最长的周长。而根据壁流式过滤方法的原理，烟气渗过多孔介质壁面的速度与流入烟气通道的速度之比，本质上等于孔道在流动方向的截面积与孔道的侧面积之比，而侧面积是截面图形与孔道长度的乘积。因此在烟气流入烟气通道面积相同时，烟气渗过多孔壁面的流速与孔道在流动方向的截面积成反比。因此，在正多边形中，正三角形孔道的渗过流速比正方形低49.3%，比正六边形孔道低52.9%，比圆形孔道低55.1%。渗过流速更低的三角形孔道结构，可以让多孔壁面更薄的情况下，就达到相同的捕集效果，而更薄的多孔壁面可以显著降低烟气流过颗粒捕集器的压降。

需要说明的是，本发明中的三角形孔道并不限于正三角形，而可以是任何封闭的三角形。上文中提及正三角形，仅仅用于举例计算，以说明其优势的合理根据。另外需要说明的是，三角形是一种可以单独密铺的图形，相比圆形等不能单独密铺的图形，应用在颗粒捕集器孔道截面时，可以进一步节约体积，以在一定的总尺寸下，有更大的烟气入口通道总面积。

由于柴油机颗粒捕集器在运行一段时间后，会造成捕集器内载碳量（柴油机排放的颗粒物主要是碳烟颗粒）过大，进而大幅度增大压降，影响内燃机运行效率与安全。因此颗粒捕集器需要进行活化再生以除去捕集器内部的积碳。而颗粒捕集器的再生过程本质上是内部积碳的快速氧化甚至燃烧，因此会产生大量的热。而再生过程在捕集器内部往往是不均匀的。因此大量空间不均匀的热量，会对多孔壁面造成巨大的热应力，导致多孔介质过滤体面临损坏的风险。而围城三角形的多孔壁面具有更好地结构稳定性。相比围成四边形孔道的“井”字形多孔壁面，本发明中的多孔壁面在受到热应力和其他外力造成的应力的影响时，具有更好的强度和稳定性，这一点是无需证明的。

本发明中应用的多孔介质壁面应可以根据产品需求，设计不同的孔密度和孔隙率。针对不同的颗粒粒径，仍然应该合理设计多孔介质壁面参数。

另外，在多孔介质壁面上，可以涂覆不同类型的催化剂，促进NOx等污染物的选择性催化转化反应。需要说明的是，应用三角形孔道，相比四边形孔道，可以使烟气与多孔介质接触面积提高，从而使污染物转化率得到提高。

在本发明中设置冷却工质流道有下面几大特点。首先，内燃机排气中所含有大量品味较高的热量，颗粒捕集器活化再生时也会产生大量温度更高的热量。使用冷却剂将这部分热量导出，运用于余热回收系统，可以提高内燃机综合热效率2-5%。上文中提到积碳活化再生时，瞬时产生的大量热量会带来损坏多孔介质载体的风险，在多孔介质中设置金属流道，不仅可以加强芯体的结构强度，更重要的是可以快速地将热量导出，避免装置烧坏的风险。需要说明的是，冷却剂的种类可以是制冷剂、水、导热油等一切可以传递热量且对金属无腐蚀作用的稳定液体。

本发明中，烟气流入通道，烟气流出通道，冷却工质流道三者数量比约为3:4:1。也就是隔行隔列地，将1/4的烟气流入通道数设置为冷却工质流道。使得烟气流入通道与流出通道的数量比值变为3:4，这是一种进出口流道非对称的孔道设计，可以有效地进一步降低烟气流过颗粒捕集器的压降。

在本发明中，多孔介质壁面与冷却工质流道的连接方式为焊接，目的是大幅的减少接触热阻，使热量经过金属壁面，随着冷却剂顺畅导出。若多孔介质壁面的材料不可焊，需使用导热硅脂降低二者之间的热阻。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明烟气流动孔道横截面示意图。

图3是本发明冷却工质流道示意图。

具体实施方式

以下结合附图,利用一个具体的实施例对本发明的实际内容做进一步阐述，但不以该具体实施例来限制本发明。

一种低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，包括有阵列式烟气流动孔道3，其外围为封闭结构4，所述的烟气流动孔道3截面为正三角形和倒三角形，交互排列叠置构成阵列，烟气流动孔道3由多孔介质壁面5围成，烟气从烟气流动孔道3的一端流入，另一端流出；阵列式烟气流动孔道结构中，设有若干冷却工质流道6，冷却工质流道6周壁烟气流动孔道之间相互阻隔。

正三角形截面的烟气流动孔道为烟气流入通道1，其流入的相对端设置堵塞11；倒三角形截面的烟气流动孔道为烟气流出通道2，其流出的相对端设置堵塞21。

根据本发明中的设计，烟气流入通道1在烟气出口端堵塞11。烟气流出通道2在烟气入口端堵塞21。因此，烟气在进入烟气流入通道1后，只能通过多孔介质壁面5进入烟气流出通道2。从而通过烟气流出通道2以及后续的其他管路或后处理器进入大气。冷却工质流道6中的冷却剂从多孔介质壁面5处吸收热量，流出集成化装置之后，根据余热回收系统的设计，可以直接进入做功装置做功，也可以作为导热流体，与做功使用的换热。

多孔介质壁面5其材料是但不限于堇青石，碳化硅，金属泡沫、钛酸铝、莫来石等材料；

烟气流入通道1、烟气流出通道2、冷却工质流道6三者数量比约为3:4:1。

冷却工质流道，其材质为熔点较高，导热能力较好的金属，并不限于铝，铜，钢等；冷却工质流道，与多孔介质壁面5的连接方式为焊接，或使用导热硅脂固接。

冷却工质流道其内部流动的冷却工质与烟气的流动方向的关系为顺流或逆流。

本发明提出的是一种应用于颗粒捕集器与换热集成化装置的多孔介质壁面和金属流道结构。因此，以此制造的集成化装置的外形并不是固定的。而是可以根据产品需要制作成圆柱体或三棱柱，长方体等多边形棱柱。过滤体在烟气流动方向上的横截面中，单位面积的孔道数目也是较为灵活的，这取决于多孔介质壁面的厚度与单个三角形孔道的横截面积。而这些参数同样可以根据来流烟气的流量、温度，内含颗粒物浓度、粒径分布等具体情况专门设计，而并不是固定的。同样的，根据多孔介质壁面5的不同设计，金属质的冷却工质通道6也应做出相应适配。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，包括有阵列式烟气通道，其外围为封闭结构，其结构特征在于：所述的烟气流动孔道截面为正三角形和倒三角形，交互排列叠置构成阵列，烟气流动孔道由多孔介质壁面围成。

2.根据权利要求1所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于所述的阵列式烟气体通道结构中，设有若干冷却工质流道，所述的冷却工质流周壁烟气流动孔道之间相互阻隔。

3.根据权利要求1所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于烟气从烟气流动孔道的一端流入，另一端流出；正三角形截面的烟气流动孔道为烟气流入通道，其流入的相对端设置堵塞；倒三角形截面的烟气流动孔道为烟气流出通道，其流出的相对端设置堵塞。

4.根据权利要求1所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于烟气从烟气流动孔道的一端流入，另一端流出；部分烟气流动孔道为烟气流入通道，其流入的相对端设置堵塞；另一部分烟气流动孔道为烟气流出通道，其流出的相对端设置堵塞；烟气流入通道与烟气流出通道相互间隔选择。

5.根据权利要求3或4所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于所述的堵塞材质与多孔介质壁面相同，或者是任意一种气体无法通过的固体材料。

6.根据权利要求1所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于所述的烟气流动孔道其两端截面可以相同，或不同。

7.根据权利要求1所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于所述多孔介质壁面，其材料是但不限于堇青石，碳化硅，金属泡沫、钛酸铝、莫来石等材料；所述的多孔介质壁面其围成的孔道为任意边长的封闭三角形。

8.根据权利要求2所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于烟气流入通道、烟气流出通道、冷却工质流道三者数量比约为3:4:1。

9.根据权利要求2所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于冷却工质流道，其材质为熔点较高，导热能力较好的金属，并不限于铝，铜，钢等；冷却工质流道，与所述的多孔介质壁面的连接方式为焊接，或使用导热硅脂固接。

10.根据权利要求2所述的低流动阻力的颗粒捕集-换热集成芯体结构，其特征在于冷却工质流道，其内部流动的冷却工质与烟气的流动方向的关系为顺流或逆流。

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