TW202348940A - 熱交換器單元和用於使流體被動地繞過熱交換器的方法 - Google Patents

熱交換器單元和用於使流體被動地繞過熱交換器的方法 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種熱交換器單元和用於使流體被動地繞過熱交換器的方法。該熱交換器單元包括用於供流體流進入熱交換器單元的入口和用於供流體流離開熱交換器單元的出口。熱交換器單元包括熱交換器，該熱交換器具有穿過熱交換器的熱交換器管道和熱交換器的至少一個旁路管道，其中，該至少一個旁路管道包括旁路芯，該旁路芯具有沿旁路管道縱向佈置的多個通道。

Description

熱交換器單元和用於使流體被動地繞過熱交換器的方法
本發明涉及用於廢氣系統的熱交換器單元和用於使流體流被動地繞過熱交換器的方法。
在熱交換器中，由於各種原因，經常使氣流的一部分繞過熱交換器。通過旁路的流量可以例如經由閥或流控制器來主動地控制。由於在旁路管道中沒有可用的移動部件，因此被動旁路可能是較佳的。然而，被動旁路通常不太合適，因為被動旁路通常被設計成以特定溫度和流量旁路流的較佳部分。
因此，需要一種具有被動旁路的熱交換器單元，該被動旁路可用於高溫度和/或大流量範圍。
根據本發明，提供了一種用於廢氣系統的熱交換器單元。熱交換器單元包括用於供流體流進入熱交換器單元的入口和用於供流體流離開熱交換器單元的出口。熱交換器單元還包括熱交換器，該熱交換器具有穿過熱交換器的熱交換器管道和繞過熱交換器的至少一個旁路管道。其中，前述至少一個旁路管道包括旁路芯，前述旁路芯具有沿前述旁路管道縱向佈置的多個通道。
較佳地，多個通道在旁路芯中彼此平行佈置。「平行」可以是完全平行或基本平行，例如偏離精確平行取向約20%。
通過在旁路管道中提供多個通道，旁路管道中的壓降可以與熱交換器中的壓降相適應。旁路芯的設計允許旁路的物理特性與待旁路的熱交換器的物理特性簡單地適應。另選地或另外地，這允許使旁路適應將要繞過熱交換器的流的量，從而適應出口流(例如具有特定溫度)的期望混合物。通過改變例如通道的數量、通道的尺寸或例如旁路芯的直徑，熱交換器單元可以被設計並適應特定流體流和操作溫度範圍。
已經發現，旁路管道可以被構造為被動管道，因此不包括用於控制穿過旁路管道的流體流的任何主動或可移動部件，諸如閥或流控制器，然而在寬的流量和溫度範圍內具有恆定或接近恆定的特性。被動旁路具有強健性和成本效率以及維護成本低的額外優點。
在熱交換器應用中，一部分流將繞過熱交換器。例如，可以這樣做以減少總壓降，減少在熱交換器中處理的流的量，或者由於成本或空間約束而使用較小的熱交換器。
因此，熱交換器可以適於在不同的流體流穿過熱交換器的情況下良好地工作，或者可以適於僅在特定流量範圍內工作。然而，在熱交換器中，流阻力通常與流速的平方成比例地增加，但旁路中的流阻力通常會與速度成比例地增大。因此，如果流量高於旁路的特定設計值，那麼旁路中的流阻力將不會像熱交換器中的流阻力那樣快速上升。因此，當流量高於旁路和熱交換器組件的特定設計值時，更多的流將自動傾向於穿過旁路管道。這將提高通過旁路管道的流量，並提高速度。如果通過熱交換器和通過旁路的流之間的流率應具有規定值或保持恆定，則這是不期望的。例如，如果熱交換器單元的出口流的溫度應被設置為某一值或至少在某一範圍內，則特別期望這樣的限定速率。如果離開熱交換器單元之後的出口流被用作進入要求特定、較佳恆定溫度的另一個設備(例如，燃料電池)的入口流，則可能是這種情況。燃料電池具有最佳化的工作範圍，這在很大程度上取決於入口流體的溫度。
可以看出，旁路管道的具體結構也可以被設計成減少熱交換器中的總壓降。
在根據本發明的熱交換器單元的較佳實施方式中，旁路芯包括100個通道至800個通道，較佳地包括200個通道至600個通道，例如包括250個通道至450個通道。已經發現，這些範圍的通道數量非常適合於將熱交換器單元設計成在寬的流量和溫度範圍下操作，並且具有基本恆定的旁路特性。
較佳地，熱交換器單元包括旁路管道陣列，其中旁路管道陣列中的每個旁路管道包括具有多個通道的旁路芯。通過多個旁路管道將旁路流分離成多個旁路流特別有利於旁路流與經過熱交換器的第一流的下游混合。可以實現出口流體流的更多和更快的均勻溫度。
旁路管道陣列中的旁路管道可以根據用戶的需要佈置。較佳地，至少一些旁路管道沿著熱交換器的高度佈置。由此，旁路流體流可以分佈在熱交換器的高度上，從而支持第一流和第二流的混合。在一些實施方式中，所有旁路管道沿著熱交換器的高度佈置。
旁路管道陣列可以包括例如2至14個旁路管道，較佳地3至10個旁路管道(例如3、4或6個旁路管道)。管道陣列的旁路管道較佳地彼此間隔且相鄰地佈置，例如彼此平行且在彼此之上。較佳地，旁路管道彼此等距佈置。較佳地，旁路管道在熱交換器單元中規則地佈置。
旁路芯中的多個通道可以通過各種方式實現。可以例如通過多個管、材料塊中的多個通孔或者通過折疊或鋪設在其本身上的波紋片材來實現前述通道。
較佳地，旁路芯由波紋片材形成，更較佳地由波紋鋼、最較佳地波紋不鏽鋼形成。
較佳地，多個通道由捲起的波紋片材形成。
較佳地，多個通道由在旁路芯中彼此相鄰佈置的波紋板形成。板可以彼此焊接以形成穩定的旁路芯。
較佳地，旁路芯具有圓柱體的形狀或矩形盒的形狀。
旁路芯可以由適於熱交換器應用的任何材料製成。較佳地，旁路芯包括鋼、較佳地不鏽鋼，或由鋼、較佳地不鏽鋼製成。
旁路芯可以例如由一個片材或多個片材或板製成。旁路芯中使用的片材的長度或板的數量可以根據旁路芯中期望的通道的大小和數量而變化。旁路芯可以包括例如10至100個板，更較佳20至70個板，最較佳地30至50個板。
旁路芯可以包括具有圓形、橢圓形或矩形橫截面的殼體，其中，殼體具有開放入口端和開放出口端。形成通道的材料設置在殼體中，其中，通道沿著開放入口端到開放出口端的方向佈置。較佳地，旁路芯殼體較佳地以氣密方式被焊接到熱交換器單元殼體中。由此，可以保證任何旁路流流過旁路管道中的旁路芯。
熱交換器單元可以包括多於一個熱交換器芯。熱交換器芯例如可以是本領域已知的熱交換板的堆疊。熱交換器單元例如可以包括兩個、三個或四個熱交換器芯。較佳地，至少一旁路管道佈置在相鄰的熱交換器芯之間。
通過提供多個熱交換器芯和旁路管道，可以提高熱交換器單元的操作和性能。
在根據本發明的熱交換器單元中，旁路流率的變化較佳地保持低於總流率的20%，更較佳地保持低於總流率的10%或甚至低於5%，而總流率變化超過200%，較佳地超過300%或甚至高達400%。例如，在總流率在0.008kg/s和0.8kg/s之間，特別是總流率在0.008kg/s和0.04kg/s之間的情況下，旁路流率變化可以保持在這些低值。
為了實現不同的旁路流率變化，可以分別改變和調整旁路芯中的通道總數或所有旁路芯的通道總數。多個通道的通道數量可以變化，例如，在每個旁路芯中的200個通道至600個通道，每個旁路芯具有40cm 2的橫截面和10cm的長度。
如果出口流的溫度必須具有預定溫度或必須在特定溫度範圍內，則特別需要低旁路流變化。例如，期望攝氏400度的出口氣體溫度例如作為燃料電池的入口氣體。如果繞過熱交換器的熱氣體(例如，由排氣系統提供)具有約攝氏900度的溫度，並且經過熱交換器的熱氣體已經冷卻到約攝氏200度，兩個流的比率限定了出口流的溫度，從而限定了兩個流的混合物的溫度。因此，如果出口流的溫度應保持在規定溫度，則旁路流率必須保持穩定。
根據本發明，還提供了一種用於使流體流被動地繞過熱交換器的方法。該方法包括：將入口流體流分離成第一流部分和第二流部分；使第一流部分穿過熱交換器，並且使第二流部分經由旁路管道繞過熱交換器；以及在第一流部分經過熱交換器之後並且在第二流部分繞過熱交換器之後，將第一流部分與第二流部分組合成出口流體流。在該方法中，第二流部分經過佈置在旁路管道中的多個通道，使得旁路管道中的第二流部分的壓降與熱交換器中的第一流部分的壓降相適應。
該方法可以包括：將第二流部分分成多個單獨的第二子流；使多個第二子流繞過熱交換器；以及在第一流部分經過熱交換器之後將第二子流與第一流部分組合。
較佳地，當繞過熱交換器時，每個第二子流經過多個通道，較佳地經過在旁路管道中平行佈置的多個通道。
已經與熱交換器單元相關地描述了該方法的優點和進一步特徵，並且將不再重複。
入口流體流(特別是入口氣體流)可以例如具有攝氏400度至攝氏1000度之間的溫度。較佳地，入口氣體流的溫度高於攝氏400度，更較佳地高於攝氏600度。
較佳地，在根據本發明的方法中，在入口流體流的溫度高於攝氏400度並且第二流部分為入口流體流的40%至85%的情況下，出口流體流的溫度保持在預定溫度加或減10%。這較佳在0.008千克每秒和0.8千克每秒之間的流率範圍內實現。
繞過熱交換器的第二流部分可以例如在第一流部分的30%和95%之間，較佳地在50%和90%之間，或者在60%和85%之間，例如為第一流部分的65%。然而，在根據本發明的方法和熱交換器單元中，繞過熱交換器的第二流部分較佳地保持恆定，其中，在溫度和流速的寬操作範圍內具有低於10%的變化，較佳地低於5%的變化。特別地，旁路管道的這種恆定操作條件在攝氏400度和攝氏1000度之間的流體溫度下實現，更較佳在攝氏500度和攝氏800度之間的流體溫度下實現。
流體流的溫度(特別是熱交換器的入口處的氣體溫度)較佳地在攝氏400度和攝氏1000度之間，更較佳地在攝氏500度和攝氏800度之間。
典型的流率在0.008kg/s和0.8kg/s之間，更較佳在0.03kg/s和0.6kg/s之間，例如在0.04kg/s和0.5kg/s之間。
根據本發明的熱交換器特別用於廢氣系統和根據本發明的用於作為廢氣的流體流的方法中。廢氣可以例如是柴油發動機、發電廠或燃料電池系統的廢氣。穿過和繞過熱交換器的流體流也可以是例如甲烷、氫氣或其它氣體種類。
在附圖中，相同的附圖標記用於相同或類似的元件。
圖1和圖2示出了位於主殼體10中的熱交換器單元1。熱交換器單元包括供熱流體(例如，內燃機的廢氣)進入熱交換器單元的入口12。熱交換器單元還包括用於在熱交換器單元1中處理的流體(例如，冷卻氣體和熱氣體)的出口13。通過出口13，出口流體可以離開熱交換器單元1，以例如被引導到另一個設備(例如，燃料電池)。
在圖2中，主殼體10的前壁11被移除。這允許看到三個平行佈置的熱交換器芯2(例如，熱交換器堆疊)以及佈置在下游的混合室14。在混合室14中，經過三個熱交換器芯2的流體流和在旁路管道中繞過三個熱交換器芯2的流體流在如此混合的流體流經由出口13離開熱交換器單元1之前進行混合。
在圖3中，移除了主殼體10的一些其它元件，從而可以看到殼體10的兩個側壁15和佈置在側壁15之間的三個熱交換器芯2。兩個旁路管道3佈置在熱交換器芯2之間。
使來自經由入口12進入熱交換器單元1的總入口流體流的部分流體流(即，第一流體流)經過三個熱交換器芯2中的任一個熱交換器芯2。由此，熱可以從熱氣體傳遞到待加熱的冷流體。使進入熱交換器單元1的另一部分流體流繞過熱交換器芯2。該第二流體流通過熱交換器芯2之間的旁路管道3來引導。
如可以在圖3以及圖4和圖5中看到的，旁路管道3主要是在穿過旁路管道陣列30之前和之後在熱交換器芯2的高度上延伸的開放空間，旁路管道陣列30包括具有多個通道的旁路芯33，這將在下面進一步描述。使旁路流體流穿過旁路芯33。
旁路管道3的陣列30被固定地安裝在旁路殼體35中。旁路殼體35可以被預先製造並在熱交換器芯之間安裝在熱交換器單元中。由此，熱交換器單元1可以適於特定用途和特定熱交換器條件。因此，可以實現適於不同應用或操作條件的熱交換器單元1的構造。因此，也可以例如通過交換這樣的旁路單元來針對不同操作條件實現現有熱交換器單元的修改。
在圖4和圖5的示例中，旁路管道3的陣列30包括六個圓形管，這些圓形管佈置在三個水平行中，每個水平行中有兩個旁路管道。陣列30的多行旁路管道在熱交換器堆疊2的高度上規則地佈置。
在圖6和圖7的透視圖和前視圖中，示出了包括具有旁路芯33的三個旁路管道3的旁路殼體35。
圓柱體形式的三個旁路芯33具有相同的尺寸，並且在熱交換器芯2的高度上等距佈置。圓柱體的縱向軸線彼此平行並且沿著旁路流體流的總體流動方向佈置。
旁路芯33包括沿旁路管道的長度縱向佈置的多個通道333。旁路芯被具體實現為由捲起的波紋片材形成的圓柱體。當片材被捲起時，片材(例如，波紋不鏽鋼片材)的波紋自動形成前述通道，其中，片材的外捲繞部(winding)接觸片材的內捲繞部。
在圖8和圖9的透視圖和前視圖中，示出了包括三個旁路管道3的旁路殼體35的另一示例，每個旁路管道具有旁路芯33。三個旁路芯33呈長方體的形式，具有相同的尺寸並且在熱交換器芯2的高度上等距佈置。長方體的長度大於其高度和寬度。
長方體的縱向軸線彼此平行並沿著旁路流體流的總體流動方向佈置。
旁路芯33包括沿旁路管道的長度縱向佈置的多個通道333。旁路芯33由多個波紋板(例如，波紋不鏽鋼板)形成。波紋板可以彼此焊接以防止這些波紋板的位移。相鄰波紋板的波紋可以相互傾斜，以防止相鄰波紋板完全糾纏在一起。由此，多個通道沿旁路芯33的縱向方向延伸，但是從與旁路管道2中的總體流動方向精確平行偏離幾度。
矩形旁路芯中的波紋板的數量較佳地在30和50個波紋板之間。
圖10示出了由密集捲起的波紋鋼片材製成的圓柱體形式的旁路芯33。如圖中所示，縱向通道333由捲的各個捲繞部之間的波紋形成。
在圖11中，示出了長方體形式的旁路芯33。旁路芯33包括芯殼體34。由波紋鋼(較佳不鏽鋼)製成的平行佈置的多個板331佈置在芯殼體34中。通道333由板331的波紋和板331之間的波紋形成。板較佳地彼此焊接，並且也可以焊接到芯殼體34。芯殼體34也可以由鋼製成，並且較佳地以流體密封方式焊接到旁路殼體35。在圖11所示的實施方式中，流體流將從旁路芯33的頂部穿過板331中的通道333，並從旁路芯部33的底部流出。
在圖12中，示出了現有技術的旁路流率(虛線)和根據本發明的熱交換器單元中的旁路流率(實線)。
對於圖12的測量，旁路芯構建有每平方英寸200個通道。
可以看出，兩種旁路解決方案具有相同的百分比，即約68%的流以0.008kg/s的流率繞過熱交換器。
然而，在更大的流量下，對於現有技術的解決方案，只有約43%的流以0.040kg/s的流率繞過熱交換器。
根據本發明，仍有72%的流以0.040kg/s的更高流率繞過熱交換器。因此，通過根據本發明的旁路的流量在所示的0.008kg/s和0.04kg/s之間的質量流範圍內僅變化約4%。
熱交換器單元特性的示例如下： -     尺寸為40mm x 100mm x 100mm(寬x長x高)的旁路芯包括300個通道； -     矩形旁路芯包括平行佈置的30至50個板； -     在0.01kg/s和0.04kg/s之間的流體流範圍內， 在旁路芯具有200個通道的情況下，旁路流介於69%和72%之間； 在旁路芯具有300個通道的情況下，旁路流介於59%和64%之間； 在旁路芯具有400個通道的情況下，旁路流介於52%和58%之間； 在旁路芯具有600個通道的情況下，旁路流介於44%和51%之間。 -     在0.01kg/s和0.04kg/s的流體流範圍內，在4 mbar和7.2 mbar之間的壓降範圍內，旁路通道中的壓降變化保持低於1 mbar以下，較佳低於0.5 mbar。
1:熱交換器單元 2:熱交換器芯 3:旁路管道 10:主殼體 11:前壁 12:入口 13:出口 14:混合室 15:側壁 30:陣列 33:旁路芯 34:芯殼體 35:旁路殼體 331:板 333:通道
關於實施方式進一步描述本發明，這些實施方式通過以下附圖示出，其中： 圖1示出了熱交換器單元； 圖2和圖3以部分分解視圖示出了熱交換器單元； 圖4是圖1至圖3中的熱交換器單元的前視圖； 圖5示意性地示出了旁路單元； 圖6和圖7是旁路單元中的旁路管道的透視側視圖和前視圖； 圖8和圖9示出了旁路單元中的旁路管道的另一個實施方式的透視側視圖和前視圖； 圖10示出了旁路芯； 圖11示出了旁路芯的另一個實施方式； 圖12示出了現有技術的旁路(虛線)與根據本發明的旁路(實線)之間的差異的圖表。
2:熱交換器芯
3:旁路管道
15:側壁

Claims (15)

  1. 一種用於廢氣系統的熱交換器單元，前述熱交換器單元包括： 用於供流體流進入前述熱交換器單元的入口； 用於供流體流離開前述熱交換器單元的出口； 前述熱交換器單元包括熱交換器，前述熱交換器具有穿過前述熱交換器的熱交換器管道和繞過前述熱交換器的至少一個旁路管道； 其中，前述至少一個旁路管道包括旁路芯，前述旁路芯具有沿前述旁路管道縱向佈置的多個通道。
  2. 如請求項1之熱交換器單元，其中，前述多個通道在前述旁路芯中彼此平行地佈置。
  3. 如請求項1至2中任一項之熱交換器單元，其中，前述旁路芯包括100個通道至800個通道，較佳地包括200個通道至600個通道，例如包括250個通道至450個通道。
  4. 如請求項1至3中任一項之熱交換器單元，其中，前述熱交換器單元包括旁路管道陣列，前述旁路管道陣列中的各個前述旁路管道包括具有多個通道的旁路芯。
  5. 如請求項4之熱交換器單元，其中，前述旁路管道中的至少一些旁路管道沿著前述熱交換器的高度佈置。
  6. 如請求項4至5中任一項之熱交換器單元，其中，前述旁路管道陣列包括兩個至14個旁路管道，較佳地包括三個至十個旁路管道，例如包括三個、四個或六個旁路管道。
  7. 如請求項1至6中任一項之熱交換器單元，其中，前述旁路芯中的前述多個通道由波紋片材形成。
  8. 如請求項7之熱交換器單元，其中，前述多個通道由捲起的波紋片材或彼此相鄰佈置的波紋板形成。
  9. 如請求項1至8中任一項之熱交換器單元，其中，前述旁路芯包括鋼、較佳地不鏽鋼，或由鋼、較佳地不鏽鋼製成。
  10. 如請求項1至9中任一項之熱交換器單元，其中，前述旁路芯包括具有圓形或矩形橫截面的殼體。
  11. 如請求項1至10中任一項之熱交換器單元，其中前述熱交換器單元包括：多於一個熱交換器芯，例如包括兩個、三個或四個熱交換器芯；以及至少佈置在相鄰熱交換器芯之間的旁路管道。
  12. 一種用於使流體流被動地繞過熱交換器的方法，前述方法包括： 將入口流體流分離成第一流部分和第二流部分； 使前述第一流部分穿過熱交換器；以及 使前述第二流部分經由旁路管道繞過前述熱交換器；以及 將經過前述熱交換器之後的前述第一流部分和繞過前述熱交換器之後的前述第二流部分組合成出口流體流； 其中，前述第二流部分經過佈置在前述旁路管道中的多個通道，使得前述旁路管道中的前述第二流部分的壓降與前述熱交換器中的前述第一流部分的壓降相適應。
  13. 如請求項12之方法，其中，將前述第二流部分劃分成多個第二子流；使前述多個第二子流繞過前述熱交換器，並且在前述第一流部分經過前述熱交換器之後組合前述第二子流和前述第一流部分。
  14. 如請求項13之方法，其中，當繞過前述熱交換器時，前述第二子流中的各個第二子流都經過多個通道。
  15. 如請求項12至14中任一項之方法，其中，在前述入口流體流的溫度高於攝氏400度並且前述第二流部分為前述入口流體流的40%至85%的情況下，前述出口流體流的溫度保持在預定溫度±10%。
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