CN114165318B - 一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯 - Google Patents

一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，包括具有闭合腔体结构的内芯壳体、金属隔板，所述金属隔板均匀设置在内芯壳体内腔，且使内芯壳体内腔形成间隔分布的烟气流道和工质流道，所述烟气流道用于过滤沿其布置方向流动的尾气，所述工质流道内设有与尾气流动方向相反的换热工质，所述换热工质与尾气在金属隔板两侧逆流换热。本发明中，通过内芯壳体、金属隔板的结构设计将烟气同时经过过滤和换热步骤，通过较小的总体体积和重量实现了对柴油机烟气进行颗粒捕集和换热功能，有助于提高内燃机余热回收技术的可行性，进而提高内燃机的能源利用效率，对于内燃机应用行业的节能减排具有重要意义。

Description

一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，更具体涉及一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯。
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车辆、船舶等移动装置、固定式发电机组以及工程和农用机械等领域。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，因此针对内燃机开展节能减排技术对缓解我国能源需求和减少污染物排放具有重要的意义。
内燃机借助汽油、柴油等燃料的剧烈燃烧带来缸内压缩气体快速膨胀做功输出能量，但是其热效率往往仅有40％左右，其余的能量以排气余热(30％左右)和缸套水余热(25％左右)等方式散失。在这种情况下，有必要利用余热回收技术来实现内燃机燃料热能的回收利用，最终提高内燃机的能源利用率。随着国内外对内燃机排放限制的日益严苛，单纯依靠优化内燃机燃烧和其他过程已经无法直接满足排放标准。因此，主流厂家都采用DOC、SCR.DPF等后处理器，以确保柴油机尾气达到各地严苛的排放标准。其中柴油机颗粒捕集器DPF用于过滤尾气中绝大部分的颗粒物，是保证尾气颗粒物达标的不二之选，也是后处理系统中体积重量最大的装置之一。
现有专利公告号为CN205297692U的专利文献公开了一种柴油机用可再生壁流式颗粒捕集器系统，包括柴油发动机，在柴油发动机的排气系统后依次安装选择性催化还原催化器SCR、氧化催化器DOC和壁流式颗粒捕集器DPF。该DPF再生采用主动再生和被动再生相结合的方式，能降低柴油机颗粒物排放总量的90％以上，颗粒数明显降低，并能够满足北京第五阶段排放对城市用车的颗粒要求，以及满足对颗粒数有特殊要求车辆的排放要求。但其并未设置余热回收系统，造成能源极大的浪费。
现有专利公告号为CN202119301U的专利文件公开了一种用于高温尾气余热回收的新型换热器，其特征在于包括单元换热构件，单元换热构件包括金属换热片、纵向条状密封垫、横向条状密封垫、连接杆、紧固螺丝，两片金属换热片及夹在两片金属换热片两端的两纵向条状密封垫构成换热单体，上下叠加的相邻两换热单体间的两侧夹持有两横向条状密封垫，四根连接杆分别穿过金属换热片的四个角上及位于角上的纵向条状密封垫端部和横向条状密封垫端部，紧固螺丝旋接在连接杆的端头将上下叠加的换热单体及位于换热单体间的横向条状密封垫紧密连接起来，形成相互垂直的纵向换热通道和横向换热通道。与已有技术相比，具有使用效果好、使用寿命长、保养维护容易、无论是热量回收效率或本身的利用率的都高的优点。但其并未设置颗粒捕集装置，其尾气排放标准无法达标。
余热回收系统需要在排气管路中设置至少一个烟气换热器，其体积重量也很突出。因此，二者在有限的空间中很难合理安置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，如何在尾气处理装置内实现对内燃机尾气的后处理并进行余热回收。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，包括具有闭合腔体结构的内芯壳体、金属隔板，所述金属隔板均匀设置在内芯壳体内腔，且使内芯壳体内腔形成间隔分布的烟气流道和工质流道，所述烟气流道用于过滤沿其布置方向流动的尾气，所述工质流道内设有与尾气流动方向相反的换热工质，所述换热工质与尾气在金属隔板两侧逆流换热。
通过内芯壳体、金属隔板的结构设计将烟气同时经过过滤和换热步骤，通过较小的总体体积和重量实现了对柴油机烟气进行颗粒捕集和换热功能，有助于提高内燃机余热回收技术的可行性，进而提高内燃机的能源利用效率，对于内燃机应用行业的节能减排具有重要意义。
作为优选的技术方案，所述烟气流道内设有多个截面为类菱形的介质过滤体，所述介质过滤体中心处开设有可供尾气流入的孔状结构并形成烟气流入通道，所述介质过滤体与烟气流道四周内壁围合形成多个烟气流出通道，通过介质过滤体的设置，在集成了壁流式颗粒捕集器压降小的优点的同时，通过菱形的结构设计，加大通道内部的温度径向梯度，提高了换热性能，定向改善通道内部温度梯度分布，有利于正在介质过滤体部署催化反应，同时使用菱形截面多孔载体也能在一定的加工精度约束下，获得更高的换热面积。
作为优选的技术方案，所述介质过滤体沿内芯宽度方向依次并排设置，所述介质过滤体与金属隔板、内芯壳体围合形成第一烟气流出通道，相邻所述介质过滤体与金属隔板围合形成第二烟气流出通道。
作为优选的技术方案，所述介质过滤体内设有进口通道端塞，所述第二烟气流出通道与烟气流入通道进口并列的一端固定有出口通道端塞，尾气由所述烟气流入通道的进口进入其内腔并由进口通道端塞阻挡以壁流形式进入烟气流出通道，通过端塞的设置可防止尾气未经过滤直接进入烟气流出通道，通过进口通道端塞的设置，使整个过滤体成为壁流式过滤，使其在压降小的前提下，可实现同时实现颗粒物捕集和换热功能。
作为优选的技术方案，所述内芯壳体上开设有工质入口和工质出口，所述工质入口和工质出口均与工质流道相连通，所述烟气流出通道内的尾气与工质流道内的工质通过金属隔板逆流换热。
作为优选的技术方案，所述介质过滤体可拆卸的固定在烟气流道内壁并与其紧密贴合，通过可拆卸的固定方式不同于现有技术的焊接，使其不同于现有的金属翅片，可以进行拆洗和更换。
作为优选的技术方案，所述第一烟气流出通道和第二烟气流出通道截面均为三角形，由于烟气流出通道的三角形特殊性质，能在维持介质过滤体处于较高温度，可以满足一定的催化反应的前提下，较好地取得换热性能和压降性能的平衡。
作为优选的技术方案，所述介质过滤体上涂覆有催化剂，通过催化剂的设置，可在压降小的前提下，借助内部紧凑的结构，以较小的总体体积和重量实现柴油机尾气的颗粒物捕集、催化转化和换热功能。
作为优选的技术方案，所述催化剂为还原催化剂或氧化催化剂，可根据后期的需要涂覆不同类型的催化剂，以灵活实现不同的污染物催化转化需求，使得经过处理的烟气能满足不同标准的排放法规。
作为优选的技术方案，所述烟气流入通道为单层类菱形通道。
本发明的优点在于：
(1)本发明中，通过内芯壳体、金属隔板的结构设计将烟气同时经过过滤和换热步骤，通过较小的总体体积和重量实现了对柴油机烟气进行颗粒捕集和换热功能，有助于提高内燃机余热回收技术的可行性，进而提高内燃机的能源利用效率，对于内燃机应用行业的节能减排具有重要意义。
(2)本发明中，通过介质过滤体的设置，在集成了壁流式颗粒捕集器压降小的优点的同时，通过菱形的结构设计，加大通道内部的温度径向梯度，提高了换热性能，定向改善通道内部温度梯度分布，有利于正在介质过滤体部署催化反应，同时使用菱形截面多孔载体也能在一定的加工精度约束下，获得更高的换热面积。
(3)本发明中，通过可拆卸的固定方式不同于现有技术的焊接，使其不同于现有的金属翅片，可以对介质过滤体进行拆洗和更换。
(4)本发明中，通过将烟气流出通道截面设计成三角形，能在维持介质过滤体处于较高温度，可以满足一定的催化反应的前提下，较好地取得换热性能和压降性能的平衡。
(5)本发明中，通过催化剂的设置，可在压降小的前提下，借助内部紧凑的结构，以较小的总体体积和重量实现柴油机尾气的颗粒物捕集、催化转化和换热功能。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯的整体结构示意图；
图2为本发明提供的一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯的截面结构示意图；
图3为本发明提供的一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯的介质过滤体结构示意图；
附图标号：1、工质流道；2、烟气流入通道；3、介质过滤体；4、烟气流出通道；41、第一烟气流出通道；42、第二烟气流出通道；5、金属隔板；6、进口通道端塞；7、出口通道端塞；8、工质入口；9、工质出口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1、图3，一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，包括：内芯壳体、介质过滤体3、金属隔板5、进口通道端塞6、出口通道端塞7；内芯壳体内成型有闭合的腔体结构，金属隔板5均匀的设置在内芯壳体内腔，优选采用沿内芯高度方向分布，根据实际处理需要可合理布置金属隔板5之间的间距，内芯壳体与金属隔板5为相同的金属板材质，多个金属隔板5将内芯壳体的内腔分为间隔分布的烟气流道和工质流道1，烟气流道用于过滤沿其布置方向流动的尾气，工质流道1内设有与尾气流动方向相反的换热工质，内芯壳体上开设有工质入口8和工质出口9，工质入口8和工质出口9均与工质流道1相连通，工质由工质入口8进入工质流道1并由工质出口9流出与烟气流道内的尾气在金属隔板5两侧进行逆流换热，需要说明的是，本申请中工质可为制冷剂、导热油、水，但不限于此，通过内芯壳体、金属隔板5的结构设计将烟气同时经过过滤和换热步骤，通过较小的总体体积和重量实现了对柴油机烟气进行颗粒捕集和换热功能，有助于提高内燃机余热回收技术的可行性，进而提高内燃机的能源利用效率，对于内燃机应用行业的节能减排具有重要意义。
参阅图2，烟气流道内设有多个截面为类菱形的介质过滤体3，介质过滤体3沿内芯宽度方向依次并排设置，介质过滤体3可拆卸的固定在烟气流道内壁并与其紧密贴合，使其可进行拆换和清洗，介质过滤体3中心处开设有可供尾气流入的菱形孔状结构并形成烟气流入通道2，介质过滤体3与烟气流道四周内壁围合形成多个烟气流出通道4，烟气流出通道4截面为三角形，能在维持介质过滤体3处于较高温度，可以满足一定的催化反应的前提下，较好地取得换热性能和压降性能的平衡，具体的，介质过滤体3与金属隔板5、内芯壳体围合形成第一烟气流出通道(41)，相邻介质过滤体3与金属隔板5围合形成第二烟气流出通道(42)，需要说明的是，介质过滤体3上涂覆有催化剂，催化剂为还原催化剂或氧化催化剂，尾气由烟气流入通道2的进口进入烟气流入通道2并通过介质过滤体3进入到多个烟气流出通道4内，实现了对烟气的过滤同时通过金属隔板5与工质进行换热，由于两者皆处于流动状态，提高了换热效果。
参阅图3，介质过滤体3内设有进口通道端塞6，第二烟气流出通道42与烟气流入通道2进口并列的一端固定有出口通道端塞7，出口通道端塞7形状与第一烟气流出通道41和第二烟气流出通道42形状相适配，尾气由烟气流入通道2的进口进入其内腔并由进口通道端塞6阻挡以壁流形式进入烟气流出通道4，通过进口通道端塞6将介质过滤体3设计成壁流式过滤体，集成了压降小特点的同时，通过菱形的结构设计，加大通道内部的温度径向梯度，提高了换热性能，定向改善通道内部温度梯度分布，有利于正在介质过滤体3部署催化反应，同时使用菱形截面多孔载体也能在一定的加工精度约束下，获得更高的换热面积。
使用方法：将余热回收系统管道接入一体化装置的工质入口，进入工质流道1，尾气由烟气流入通道2的进口进入其内腔并由进口通道端塞6阻挡以壁流形式进入烟气流出通道4，尾气与工质在金属隔板5的两侧进行逆流换热，工质通过直至出口8与接头和管道相连进入动力机械做功，通过在介质过滤体3上涂覆催化剂，可在压降小的前提下，借助内部紧凑的结构，以较小的总体体积和重量实现柴油机尾气的颗粒物捕集、催化转化和换热功能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，所述内芯内设置有烟气流道和工质流道(1)，可同时实现烟气颗粒的捕集与烟气的换热，其特征在于，包括具有闭合腔体结构的内芯壳体、金属隔板(5)，所述金属隔板(5)均匀设置在内芯壳体内腔，且使所述内芯壳体内腔的烟气流道和工质流道(1)形成间隔分布，所述烟气流道用于过滤沿其布置方向流动的尾气，所述工质流道(1)内设有与尾气流动方向相反的换热工质，所述换热工质与尾气在金属隔板(5)两侧逆流换热，换热后的工质进入动力机械做功；
所述烟气流道内设有多个截面为类菱形的介质过滤体(3)，所述介质过滤体(3)中心处开设有可供尾气流入的孔状结构并形成烟气流入通道(2)，所述介质过滤体(3)与烟气流道四周内壁围合形成多个烟气流出通道(4)；
所述介质过滤体(3)沿内芯宽度方向依次并排设置，所述介质过滤体(3)与金属隔板(5)、内芯壳体围合形成第一烟气流出通道(41)，相邻所述介质过滤体(3)与金属隔板(5)围合形成第二烟气流出通道(42)，所述第一烟气流出通道(41)和第二烟气流出通道(42)截面均为三角形。
2.根据权利要求1所述的一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，其特征在于，所述介质过滤体(3)内设有进口通道端塞(6)，所述第二烟气流出通道(42)与烟气流入通道(2)进口并列的一端固定有出口通道端塞(7)，尾气由所述烟气流入通道(2)的进口进入其内腔并由进口通道端塞(6)阻挡以壁流形式进入烟气流出通道(4)。
3.根据权利要求1所述的一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，其特征在于，所述内芯壳体上开设有工质入口(8)和工质出口(9)，所述工质入口(8)和工质出口(9)均与工质流道(1)相连通，所述烟气流出通道(4)内的尾气与工质流道(1)内的工质通过金属隔板(5)逆流换热。
4.根据权利要求1所述的一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，其特征在于，所述介质过滤体(3)可拆卸的固定在烟气流道内壁并与其紧密贴合。
5.根据权利要求1所述的一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，其特征在于，所述介质过滤体(3)上涂覆有催化剂。
6.根据权利要求5所述的一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，其特征在于，所述催化剂为还原催化剂或氧化催化剂。
7.根据权利要求5所述的一种用于内燃机尾气余热回收和后处理的一体化装置内芯，其特征在于，所述烟气流入通道(2)为单层类菱形通道。
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