CN116499281A - 热交换器单元和用于使流体被动地绕过热交换器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器单元和用于使流体被动地绕过热交换器的方法。该热交换器单元包括用于供流体流进入热交换器单元的入口和用于供流体流离开热交换器单元的出口。热交换器单元包括热交换器，该热交换器具有穿过热交换器的热交换器管道和热交换器的至少一个旁路管道，其中，该至少一个旁路管道包括旁路芯，该旁路芯具有沿旁路管道纵向布置的多个通道。

Description

热交换器单元和用于使流体被动地绕过热交换器的方法
技术领域
本发明涉及用于废气系统的热交换器单元和用于使流体流被动地绕过热交换器的方法。
背景技术
在热交换器中，由于各种原因，经常使气流的一部分绕过热交换器。通过旁路的流量可以例如经由阀或流控制器来主动地控制。由于在旁路管道中没有可用的移动部件，因此被动旁路可能是优选的。然而，被动旁路通常不太合适，因为被动旁路通常被设计成以特定温度和流量旁路流的优选部分。
发明内容
因此，需要一种具有被动旁路的热交换器单元，该被动旁路可用于高温度和/或大流量范围。
根据本发明，提供了一种用于废气系统的热交换器单元。热交换器单元包括用于供流体流进入热交换器单元的入口和用于供流体流离开热交换器单元的出口。热交换器单元还包括热交换器，该热交换器具有穿过热交换器的热交换器管道和绕过热交换器的至少一个旁路管道。其中，所述至少一个旁路管道包括旁路芯，所述旁路芯具有沿所述旁路管道纵向布置的多个通道。
优选地，多个通道在旁路芯中彼此平行布置。“平行”可以是完全平行或基本平行，例如偏离精确平行取向约20％。
通过在旁路管道中提供多个通道，旁路管道中的压降可以与热交换器中的压降相适应。旁路芯的设计允许旁路的物理特性与待旁路的热交换器的物理特性简单地适应。另选地或另外地，这允许使旁路适应将要绕过热交换器的流的量，从而适应出口流(例如具有特定温度)的期望混合物。通过改变例如通道的数量、通道的尺寸或例如旁路芯的直径，热交换器单元可以被设计并适应特定流体流和操作温度范围。
已经发现，旁路管道可以被构造为被动管道，因此不包括用于控制穿过旁路管道的流体流的任何主动或可移动部件，诸如阀或流控制器，然而在宽的流量和温度范围内具有恒定或接近恒定的特性。被动旁路具有鲁棒性和成本效率以及维护成本低的额外优点。
在热交换器应用中，一部分流将绕过热交换器。例如，可以这样做以减少总压降，减少在热交换器中处理的流的量，或者由于成本或空间约束而使用较小的热交换器。
因此，热交换器可以适于在不同的流体流穿过热交换器的情况下良好地工作，或者可以适于仅在特定流量范围内工作。然而，在热交换器中，流阻力通常与流速的平方成比例地增加，但旁路中的流阻力通常会与速度成比例地增大。因此，如果流量高于旁路的特定设计值，那么旁路中的流阻力将不会像热交换器中的流阻力那样快速上升。因此，当流量高于旁路和热交换器组件的特定设计值时，更多的流将自动倾向于穿过旁路管道。这将提高通过旁路管道的流量，并提高速度。如果通过热交换器和通过旁路的流之间的流率应具有规定值或保持恒定，则这是不期望的。例如，如果热交换器单元的出口流的温度应被设置为某一值或至少在某一范围内，则特别期望这样的限定速率。如果离开热交换器单元之后的出口流被用作进入要求特定、优选恒定温度的另一个设备(例如，燃料电池)的入口流，则可能是这种情况。燃料电池具有优化的工作范围，这在很大程度上取决于入口流体的温度。
可以看出，旁路管道的具体结构也可以被设计成减少热交换器中的总压降。
在根据本发明的热交换器单元的优选实施方式中，旁路芯包括100个通道至800个通道，优选地包括200个通道至600个通道，例如包括250个通道至450个通道。已经发现，这些范围的通道数量非常适合于将热交换器单元设计成在宽的流量和温度范围下操作，并且具有基本恒定的旁路特性。
优选地，热交换器单元包括旁路管道阵列，其中旁路管道阵列中的每个旁路管道包括具有多个通道的旁路芯。通过多个旁路管道将旁路流分离成多个旁路流特别有利于旁路流与经过热交换器的第一流的下游混合。可以实现出口流体流的更多和更快的均匀温度。
旁路管道阵列中的旁路管道可以根据用户的需要布置。优选地，至少一些旁路管道沿着热交换器的高度布置。由此，旁路流体流可以分布在热交换器的高度上，从而支持第一流和第二流的混合。在一些实施方式中，所有旁路管道沿着热交换器的高度布置。
旁路管道阵列可以包括例如2至14个旁路管道，优选地3至10个旁路管道(例如3、4或6个旁路管道)。管道阵列的旁路管道优选地彼此间隔且相邻地布置，例如彼此平行且在彼此之上。优选地，旁路管道彼此等距布置。优选地，旁路管道在热交换器单元中规则地布置。
旁路芯中的多个通道可以通过各种方式实现。可以例如通过多个管、材料块中的多个通孔或者通过折叠或铺设在其本身上的波纹片材来实现所述通道。
优选地，旁路芯由波纹片材形成，更优选地由波纹钢、最优选地波纹不锈钢形成。
优选地，多个通道由卷起的波纹片材形成。
优选地，多个通道由在旁路芯中彼此相邻布置的波纹板形成。板可以彼此焊接以形成稳定的旁路芯。
优选地，旁路芯具有圆柱体的形状或矩形盒的形状。
旁路芯可以由适于热交换器应用的任何材料制成。优选地，旁路芯包括钢、优选地不锈钢，或由钢、优选地不锈钢制成。
旁路芯可以例如由一个片材或多个片材或板制成。旁路芯中使用的片材的长度或板的数量可以根据旁路芯中期望的通道的大小和数量而变化。旁路芯可以包括例如10至100个板，更优选20至70个板，最优选地30至50个板。
旁路芯可以包括具有圆形、椭圆形或矩形横截面的壳体，其中，壳体具有开放入口端和开放出口端。形成通道的材料设置在壳体中，其中，通道沿着开放入口端到开放出口端的方向布置。优选地，旁路芯壳体优选地以气密方式被焊接到热交换器单元壳体中。由此，可以保证任何旁路流流过旁路管道中的旁路芯。
热交换器单元可以包括多于一个热交换器芯。热交换器芯例如可以是本领域已知的热交换板的堆叠。热交换器单元例如可以包括两个、三个或四个热交换器芯。优选地，至少一旁路管道布置在相邻的热交换器芯之间。
通过提供多个热交换器芯和旁路管道，可以提高热交换器单元的操作和性能。
在根据本发明的热交换器单元中，旁路流率的变化优选地保持低于总流率的20％，更优选地保持低于总流率的10％或甚至低于5％，而总流率变化超过200％，优选地超过300％或甚至高达400％。例如，在总流率在0.008kg/s和0.8kg/s之间，特别是总流率在0.008kg/s和0.04kg/s之间的情况下，旁路流率变化可以保持在这些低值。
为了实现不同的旁路流率变化，可以分别改变和调整旁路芯中的通道总数或所有旁路芯的通道总数。多个通道的通道数量可以变化，例如，在每个旁路芯中的200个通道至600个通道，每个旁路芯具有40cm2的横截面和10cm的长度。
如果出口流的温度必须具有预定温度或必须在特定温度范围内，则特别需要低旁路流变化。例如，期望400摄氏度的出口气体温度例如作为燃料电池的入口气体。如果绕过热交换器的热气体(例如，由排气系统提供)具有约900摄氏度的温度，并且经过热交换器的热气体已经冷却到约200摄氏度，两个流的比率限定了出口流的温度，从而限定了两个流的混合物的温度。因此，如果出口流的温度应保持在规定温度，则旁路流率必须保持稳定。
根据本发明，还提供了一种用于使流体流被动地绕过热交换器的方法。该方法包括：将入口流体流分离成第一流部分和第二流部分；使第一流部分穿过热交换器，并且使第二流部分经由旁路管道绕过热交换器；以及在第一流部分经过热交换器之后并且在第二流部分绕过热交换器之后，将第一流部分与第二流部分组合成出口流体流。在该方法中，第二流部分经过布置在旁路管道中的多个通道，使得旁路管道中的第二流部分的压降与热交换器中的第一流部分的压降相适应。
该方法可以包括：将第二流部分分成多个单独的第二子流；使多个第二子流绕过热交换器；以及在第一流部分经过热交换器之后将第二子流与第一流部分组合。
优选地，当绕过热交换器时，每个第二子流经过多个通道，优选地经过在旁路管道中平行布置的多个通道。
已经与热交换器单元相关地描述了该方法的优点和进一步特征，并且将不再重复。
入口流体流(特别是入口气体流)可以例如具有400摄氏度至1000摄氏度之间的温度。优选地，入口气体流的温度高于400摄氏度，更优选地高于600摄氏度。
优选地，在根据本发明的方法中，在入口流体流的温度高于400摄氏度并且第二流部分为入口流体流的40％至85％的情况下，出口流体流的温度保持在预定温度加或减10％。这优选在0.008千克每秒和0.8千克每秒之间的流率范围内实现。
绕过热交换器的第二流部分可以例如在第一流部分的30％和95％之间，优选地在50％和90％之间，或者在60％和85％之间，例如为第一流部分的65％。然而，在根据本发明的方法和热交换器单元中，绕过热交换器的第二流部分优选地保持恒定，其中，在温度和流速的宽操作范围内具有低于10％的变化，优选地低于5％的变化。特别地，旁路管道的这种恒定操作条件在400摄氏度和1000摄氏度之间的流体温度下实现，更优选在500摄氏度和800摄氏度之间的流体温度下实现。
流体流的温度(特别是热交换器的入口处的气体温度)优选地在400摄氏度和1000摄氏度之间，更优选地在500摄氏度和800摄氏度之间。
典型的流率在0.008kg/s和0.8kg/s之间，更优选在0.03kg/s和0.6kg/s之间，例如在0.04kg/s和0.5kg/s之间。
根据本发明的热交换器特别用于废气系统和根据本发明的用于作为废气的流体流的方法中。废气可以例如是柴油发动机、发电厂或燃料电池系统的废气。穿过和绕过热交换器的流体流也可以是例如甲烷、氢气或其它气体种类。
附图说明
关于实施方式进一步描述本发明，这些实施方式通过以下附图示出，其中：
图1示出了热交换器单元；
图2和图3以部分分解视图示出了热交换器单元；
图4是图1至图3中的热交换器单元的前视图；
图5示意性地示出了旁路单元；
图6和图7是旁路单元中的旁路管道的透视侧视图和前视图；
图8和图9示出了旁路单元中的旁路管道的另一个实施方式的透视侧视图和前视图；
图10示出了旁路芯；
图11示出了旁路芯的另一个实施方式；
图12是示出了现有技术的旁路(虚线)与根据本发明的旁路(实线)之间的差异的图表。
在附图中，相同的附图标记用于相同或类似的元件。
具体实施方式
图1和图2示出了位于主壳体10中的热交换器单元1。热交换器单元包括供热流体(例如，内燃机的废气)进入热交换器单元的入口12。热交换器单元还包括用于在热交换器单元1中处理的流体(例如，冷却气体和热气体)的出口13。通过出口13，出口流体可以离开热交换器单元1，以例如被引导到另一个设备(例如，燃料电池)。
在图2中，主壳体10的前壁11被移除。这允许看到三个平行布置的热交换器芯2(例如，热交换器堆叠)以及布置在下游的混合室14。在混合室14中，经过三个热交换器芯2的流体流和在旁路管道中绕过三个热交换器芯2的流体流在如此混合的流体流经由出口13离开热交换器单元1之前进行混合。
在图3中，移除了主壳体10的一些其它元件，从而可以看到壳体10的两个侧壁15和布置在侧壁15之间的三个热交换器芯2。两个旁路管道3布置在热交换器芯2之间。
使来自经由入口12进入热交换器单元1的总入口流体流的部分流体流(即，第一流体流)经过三个热交换器芯2中的任一个热交换器芯2。由此，热可以从热气体传递到待加热的冷流体。使进入热交换器单元1的另一部分流体流绕过热交换器芯2。该第二流体流通过热交换器芯2之间的旁路管道3来引导。
如可以在图3以及图4和图5中看到的，旁路管道3主要是在穿过旁路管道阵列30之前和之后在热交换器芯2的高度上延伸的开放空间，旁路管道阵列30包括具有多个通道的旁路芯33，这将在下面进一步描述。使旁路流体流穿过旁路芯33。
旁路管道3的阵列30被固定地安装在旁路壳体35中。旁路壳体35可以被预先制造并在热交换器芯之间安装在热交换器单元中。由此，热交换器单元1可以适于特定用途和特定热交换器条件。因此，可以实现适于不同应用或操作条件的热交换器单元1的构造。因此，也可以例如通过交换这样的旁路单元来针对不同操作条件实现现有热交换器单元的修改。
在图4和图5的示例中，旁路管道3的阵列30包括六个圆形管，这些圆形管布置在三个水平行中，每个水平行中有两个旁路管道。阵列30的多行旁路管道在热交换器堆叠2的高度上规则地布置。
在图6和图7的透视图和前视图中，示出了包括具有旁路芯33的三个旁路管道3的旁路壳体35。
圆柱体形式的三个旁路芯33具有相同的尺寸，并且在热交换器芯2的高度上等距布置。圆柱体的纵向轴线彼此平行并且沿着旁路流体流的总体流动方向布置。
旁路芯33包括沿旁路管道的长度纵向布置的多个通道333。旁路芯被具体实现为由卷起的波纹片材形成的圆柱体。当片材被卷起时，片材(例如，波纹不锈钢片材)的波纹自动形成所述通道，其中，片材的外卷绕部(winding)接触片材的内卷绕部。
在图8和图9的透视图和前视图中，示出了包括三个旁路管道3的旁路壳体35的另一示例，每个旁路管道具有旁路芯33。三个旁路芯33呈长方体的形式，具有相同的尺寸并且在热交换器芯2的高度上等距布置。长方体的长度大于其高度和宽度。
长方体的纵向轴线彼此平行并沿着旁路流体流的总体流动方向布置。
旁路芯33包括沿旁路管道的长度纵向布置的多个通道333。旁路芯33由多个波纹板(例如，波纹不锈钢板)形成。波纹板可以彼此焊接以防止这些波纹板的位移。相邻波纹板的波纹可以相互倾斜，以防止相邻波纹板完全纠缠在一起。由此，多个通道沿旁路芯33的纵向方向延伸，但是从与旁路管道2中的总体流动方向精确平行偏离几度。
矩形旁路芯中的波纹板的数量优选地在30和50个波纹板之间。
图10示出了由密集卷起的波纹钢片材制成的圆柱体形式的旁路芯33。如图中所示，纵向通道333由卷的各个卷绕部之间的波纹形成。
在图11中，示出了长方体形式的旁路芯33。旁路芯33包括芯壳体34。由波纹钢(优选不锈钢)制成的平行布置的多个板331布置在芯壳体34中。通道333由板331的波纹和板331之间的波纹形成。板优选地彼此焊接，并且也可以焊接到芯壳体34。芯壳体34也可以由钢制成，并且优选地以流体密封方式焊接到旁路壳体35。在图11所示的实施方式中，流体流将从旁路芯33的顶部穿过板331中的通道333，并从旁路芯部33的底部流出。
在图12中，示出了现有技术的旁路流率(虚线)和根据本发明的热交换器单元中的旁路流率(实线)。
对于图12的测量，旁路芯构建有每平方英寸200个通道。
可以看出，两种旁路解决方案具有相同的百分比，即约68％的流以0.008kg/s的流率绕过热交换器。
然而，在更大的流量下，对于现有技术的解决方案，只有约43％的流以0.040kg/s的流率绕过热交换器。
根据本发明，仍有72％的流以0.040kg/s的更高流率绕过热交换器。因此，通过根据本发明的旁路的流量在所示的0.008kg/s和0.04kg/s之间的质量流范围内仅变化约4％。
热交换器单元特性的示例如下：
-尺寸为40mm x 100mm x 100mm(宽x长x高)的旁路芯包括300个通道；
-矩形旁路芯包括平行布置的30至50个板；
-在0.01kg/s和0.04kg/s之间的流体流范围内，
在旁路芯具有200个通道的情况下，旁路流介于69％和72％之间；
在旁路芯具有300个通道的情况下，旁路流介于59％和64％之间；
在旁路芯具有400个通道的情况下，旁路流介于52％和58％之间；
在旁路芯具有600个通道的情况下，旁路流介于44％和51％之间。
-在0.01kg/s和0.04kg/s的流体流范围内，在4mbar和7.2mbar之间的压降范围内，旁路通道中的压降变化保持低于1mbar以下，优选低于0.5mbar。

Claims (15)

1.一种用于废气系统的热交换器单元，所述热交换器单元包括：
用于供流体流进入所述热交换器单元的入口；
用于供流体流离开所述热交换器单元的出口；
所述热交换器单元包括热交换器，所述热交换器具有穿过所述热交换器的热交换器管道和绕过所述热交换器的至少一个旁路管道；
其中，所述至少一个旁路管道包括旁路芯，所述旁路芯具有沿所述旁路管道纵向布置的多个通道。
2.根据权利要求1所述的热交换器单元，其中，所述多个通道在所述旁路芯中彼此平行地布置。
3.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器单元，其中，所述旁路芯包括100个通道至800个通道，优选地包括200个通道至600个通道，例如包括250个通道至450个通道。
4.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器单元，所述热交换器单元包括旁路管道阵列，所述旁路管道阵列中的各个所述旁路管道包括具有多个通道的旁路芯。
5.根据权利要求4所述的热交换器单元，其中，所述旁路管道中的至少一些旁路管道沿着所述热交换器的高度布置。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的热交换器单元，其中，所述旁路管道阵列包括两个至14个旁路管道，优选地包括三个至十个旁路管道，例如包括三个、四个或六个旁路管道。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器单元，其中，所述旁路芯中的所述多个通道由波纹片材形成。
8.根据权利要求7所述的热交换器单元，其中，所述多个通道由卷起的波纹片材或彼此相邻布置的波纹板形成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器单元，其中，所述旁路芯包括钢、优选地不锈钢，或由钢、优选地不锈钢制成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器单元，其中，所述旁路芯包括具有圆形或矩形横截面的壳体。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器单元，所述热交换器单元包括：多于一个热交换器芯，例如包括两个、三个或四个热交换器芯；以及至少布置在相邻热交换器芯之间的旁路管道。
12.一种用于使流体流被动地绕过热交换器的方法，所述方法包括：
将入口流体流分离成第一流部分和第二流部分；
使所述第一流部分穿过热交换器；以及
使所述第二流部分经由旁路管道绕过所述热交换器；以及
将经过所述热交换器之后的所述第一流部分和绕过所述热交换器之后的所述第二流部分组合成出口流体流；
其中，所述第二流部分经过布置在所述旁路管道中的多个通道，使得所述旁路管道中的所述第二流部分的压降与所述热交换器中的所述第一流部分的压降相适应。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述第二流部分划分成多个第二子流；使所述多个第二子流绕过所述热交换器，并且在所述第一流部分经过所述热交换器之后组合所述第二子流和所述第一流部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，当绕过所述热交换器时，所述第二子流中的各个第二子流都经过多个通道。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，在所述入口流体流的温度高于400摄氏度并且所述第二流部分为所述入口流体流的40％至85％的情况下，所述出口流体流的温度保持在预定温度±10％。
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