CN105422328B - 一种用于发动机尾气再循环egr的蒸发器 - Google Patents
一种用于发动机尾气再循环egr的蒸发器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于发动机尾气再循环EGR的蒸发器，包括依次连接的弹性波纹金属管、进气端腔室、薄壁金属壳、出气端腔室和尾气连接法兰，所述的薄壁金属壳内设有芯子，所述的薄壁金属壳与芯子扁管之间的热交换区域被分隔成两个却液热交换区域、氟利昂预热区域和氟利昂蒸发过热区域。本发明在降低尾气再循环气体的温度同时，对有机氟利昂进行加热沸腾实现能量的回收。各热交换区域相互独立，可避免产品在极端情况下失效或寿命期内失效而导致氟利昂进入发动机循环尾气中，同时还能够强化传热和提高产品紧凑性。
Description
技术领域
本发明涉及发动机废热回收的尾气再循环EGR沸腾蒸发器，属于废热回收和热交换器领域，特别是涉及一种用于重型卡车有机朗肯循环的发动机尾气再循环的沸腾蒸发器。
背景技术
随着道路车辆排放法规的日益严格和实施，欧六排放法规实施后，2020年将进入以限制CO2排放为主的碳排放法规的实施阶段。为此，对发动机的每百公里燃油消耗提出了严格的要求和标准。为此，以朗肯循环的为技术代表各种废热回收技术，成为未来车辆降低CO2排放的最有效的手段和技术之一。
同时，发动机的能源利用效率比较低，一般为40％左右，其余60％的热量以各种形式散失而排入大气。在发动机各种形式废热中，以发动机排气废热比重最大。而基于废热回收的有机朗肯循环通过把发动机的尾气和废气再循环EGR以及发动机缸套水的废热吸收，通过膨胀机转化为有效功输出，从而间接提升发动机燃油经济性和降低CO2的排放。
在发动机废气再循环的沸腾蒸发器中，是朗肯循环有机工质-氟利昂吸收高温尾气的热量，再降低循环尾气的同时(如传统的EGR冷却器)，吸收尾气的热量，实现能量转化。而在尾气与冷媒热交换过程中，如果出现产品失效，导致高压冷媒泄漏进入尾气，尾气和冷媒氟利昂再同时进入发动机燃烧室内燃烧。在这个燃烧过程中，氟利昂会因高温裂解并与空气中N2发生反应，生产剧毒氰化物气体排出大气，严重破坏和污染环境。
为此，在发动机尾气沸腾蒸发器中，氟利昂与尾气热交换同时，避免氟利昂进入尾气和发动机燃烧室内，成为发动机尾气沸腾蒸发器的设计关键点之一。经文献专利号US2012-0285167和专利号US2013-0205766均采用钎焊工艺，用板片隔离尾气和氟利昂，由于焊点过大，潜在失效风险巨大，一旦泄露，氟利昂很容易进入再循环尾气中，导致发动机剧毒物的排出。
发明内容
本发明要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提供一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，包括依次连接的弹性波纹金属管、进气端腔室、薄壁金属壳、出气端腔室和尾气连接法兰，所述的薄壁金属壳内设有芯子，所述的芯子包括至少一排扁管、进气端主板、进气端副主板、中间副主板、出气端副主板和出气端主板，所述扁管的两端分别与所述的进气端腔室和出气端腔室联通，其特征在于所述的薄壁金属壳与扁管之间的热交换区域被分隔成出气端主板和出气端副主板之间的第一冷却液热交换区域、出气端副主板和中间副主板之间的氟利昂预热区域、中间副主板和进气端副主板之间的氟利昂蒸发过热区域以及进气端副主板和进气端主板之间的第二冷却液热交换区域；在所述的薄壁金属壳上对应第一冷却液热交换区域处设有第一冷却液进口和第一冷却液出口，在所述的薄壁金属壳上对应氟利昂预热区域处设有第一氟利昂进口和第一氟利昂出口，在所述的薄壁金属壳上对应氟利昂蒸发过热区域处设有第二氟利昂进口和第二氟利昂出口，在所述的薄壁金属壳上对应第二冷却液热交换区域处设有第二冷却液进口和第二冷却液出口；所述的第一氟利昂出口与第二氟利昂进口联通。
本发明的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，具有以下特点：
1、本发明采用有机郎肯循环ORC废热回收***上所集成的EGR沸腾器。该EGR沸腾器主要利用有机物氟利昂介质吸收发动机尾气再循环的尾气热量，转为为高温高压的做功工质气体。该装置在降低尾气再循环气体的温度同时，对有机氟利昂进行加热沸腾实现能量的回收(也即是把有机冷媒氟利昂从高压液体加热成高温高压的氟利昂蒸汽，作为推动膨胀机做功的工质实现能量回收)。
2、在整根不锈钢扁管上放置3个副主板，以把整个换热器芯子分成彼此独立4个换热器区域，按照尾气进口到出口流向，4个区域分别为第二冷却液热交换区域、氟利昂蒸发过热区域、氟利昂预热区域以及尾部的第一冷却液热交换区域，可避免产品在极端情况下失效或寿命期内失效而导致氟利昂进入发动机循环尾气中，同时还能够强化传热和提高产品紧凑性。
3、在尾气的进出端设置发动机冷却液通道。该冷却液通道有利于降低扁管与主板的壁面温度，保护扁管与主板钎焊接头，提高耐久性；同时在极端情况下，若氟利昂冷媒发生泄漏，冷媒泄漏到发动机冷却液循环***中，从而避免冷媒泄漏尾气后进入发动机燃烧，产生剧毒尾气。
作为本发明的改进，为确保氟利昂从沸腾蒸发器出口具有足够过热度，在所述的氟利昂预热区域，发动机尾气与液态氟利昂成逆流布置；在所述的氟利昂蒸发过热区域，高温的发动机尾气与氟利昂呈顺流布置，以提高换热效果。在尾气高温部分，高温再循环尾气首先与气液两相氟利昂进行热交换，由于氟利昂气液气液两相区换热系数巨大，导致薄壁金属壳的管壁温度接近氟利昂的流体温度，避免氟利昂与高温金属壁面接触而导致氟利昂的热裂解。
作为本发明的进一步改进，在所述的氟利昂蒸发过热区域内还设有折流挡板。所述的折流挡板为两块，分别置于该区域的顶部和底部，形成迷宫式通道。所述的折流挡板靠近所述第二冷却液热交换区域设置。在该区域由于尾气的温度非常高，通过在扁管之间放置折流挡板，可以提高氟利昂的流速和热交换系数，从而降低扁管和第二副主板等金属壁面的表面温度，减少热膨胀变性以及避免氟利昂与高温金属壁面的热裂解。
作为本发明的再进一步改进，所述的进气端主板和进气端副主板之间的距离为20～30mm；所述的出气端主板和出气端副主板之间的距离为20～30mm。
作为本发明的再进一步改进，在所述的扁管内部放置波纹型强化传热翅片，可提高流体在管内部的扰流，破坏流体边界层，实现强化传热目的，并可缩小产品体积和重量。该翅片属于非间断型翅片，可有效提高传热，同时不利于积碳的在金属表面的堆积。
作为本发明的进一步改进，在氟利昂预热区域和氟利昂蒸发过热区域，扁管与扁管之间放置锯齿形翅片，以实现在强化传热同时，提高氟利昂侧耐压强度。
作为本发明的进一步改进，在所述的氟利昂预热区域，扁管之间的锯齿形翅片上与第一氟利昂进口和第一氟利昂出口连接的对角处裁剪出两个倒角，可提高冷媒氟利昂的流动均匀性。
作为本发明的更进一步改进，整机采用不锈钢材料，芯子通过镍基钎焊工艺组装，以避免其他焊接材料的酸性气体成分腐蚀问题的产生；芯子与外部薄壁金属壳通过氩弧焊连接，实现各个换热区域的独立换热和流动。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器的介质流程图。
图2是本发明一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器的结构示意图。
图3是本发明一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器的外观图。
图4是本发明除去薄壁金属壳后的结构示意图。
图5是本发明芯子的结构示意图。
图6是本发明主板的结构示意图。
图7是本发明副主板的结构示意图。
图8是本发明折流挡板的结构示意图。
图9是本发明扁管的结构示意图。
图10是本发明波纹型强化传热翅片的结构示意图。
图11是本发明锯齿形翅片的结构示意图。
具体实施方式
参照附图，本发明的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，包括依次连接的弹性波纹金属管1、进气端腔室2、薄壁金属壳5、出气端腔室22和尾气连接法兰6，所述的薄壁金属壳5内设有芯子3，所述的芯子3包括至少一排扁管15、进气端主板16、进气端副主板17、中间副主板18、出气端副主板23和出气端主板24，所述扁管15的两端分别与所述的进气端腔室2和出气端腔室22联通，所述的薄壁金属壳5与扁管15之间的热交换区域被分隔成出气端主板24和出气端副主板23之间的第一冷却液热交换区域34、出气端副主板23和中间副主板18之间的氟利昂预热区域33、中间副主板18和进气端副主板17之间的氟利昂蒸发过热区域32以及进气端副主板17和进气端主板16之间的第二冷却液热交换区域31；在所述的薄壁金属壳5上对应上述各区域处分别设有第一冷却液进口10、第一冷却液出口9、第一氟利昂进口14、第一氟利昂出口13、第二氟利昂进口11、第二氟利昂出口7、第二冷却液进口8和第二冷却液出口7；所述的第一氟利昂出口13与第二氟利昂进口11联通。
一组金属扁管15是多根激光焊接的扁管或整体压铸成型的金属扁管，根据需要在扁管相应位置套入进气端副主板17、中间副主板18和出气端副主板23，在管子两端根部与进气端主板16和出气端主板24连接。在一个芯子上，根据热力学参数和传热能力，可以设计成一排扁管也可以是两排管。本实施方式中，采用2排管，组成尾气通道。
在所述的氟利昂预热区域33，发动机尾气与液态氟利昂成逆流布置；在所述的氟利昂蒸发过热区域32，高温的发动机尾气与氟利昂呈顺流布置。
在所述的氟利昂蒸发过热区域32内还设有折流挡板19。所述的折流挡板19为两块，分别置于该区域的顶部和底部，形成迷宫式通道。所述的折流挡板19靠近所述第一冷却液腔室31设置。在该区域由于尾气的温度非常高，通过折流挡板，可以提高氟利昂的流速和热交换系数，从而降低扁管和第二副主板等金属壁面的表面温度，减少热膨胀变性以及避免氟利昂与高温金属壁面的热裂解。
所述的进气端主板16和进气端副主板17之间的距离为20～30mm；所述的出气端主板24和出气端副主板23之间的距离为20～30mm。
在所述的扁管15内部放置波纹型强化传热翅片20，可提高流体在管内部的扰流，破坏流体边界层，实现强化传热目的，并可缩小产品体积和重量。该翅片属于非间断型翅片，可有效提高传热，同时不利于积碳的在金属表面的堆积。
在氟利昂的热交换区域，相邻扁管15之间放置锯齿形翅片21，以实现在强化传热同时，提高氟利昂侧耐压强度。在所述的氟利昂预热区域33，扁管15之间的锯齿形翅片21上与氟利昂进出口连接的对角处裁剪出两个倒角25，，可提高冷媒氟利昂的流动均匀性。
本发明在结构形式上采用管带式结构，利用主板、副主板、扁管和管子之间翅片，通过钎焊焊接工艺实现沸腾蒸发器芯子的装配。由于本发明适用发动机恶劣环境的要求，整机选择采用不锈钢材料，芯子3焊接工艺采用镍基钎焊工艺，以避免其他焊接材料的酸性气体成分腐蚀问题。芯子3与外部薄壁金属壳5通过氩弧焊连接，实现各个换热区域的独立换热和流动。
本发明具有三路介质回路，即尾气回路、冷却液回路和氟利昂回路。
在尾气回路中，从发动机排出的高温尾气从弹性波纹金属管1进入，经进气端腔室2、扁管15和出气端腔室22，从尾气连接法兰6排出。
冷却液回路具有位于芯子两端的两个回路。在第一回路中，冷却液从第一冷却液进口10进入第一冷却液热交换区域34，而后从第一冷却液出口9排出。在第二回路中，冷却液从第二冷却液进口8进入第二冷却液热交换区域31，而后从第二冷却液出口7排出。
在氟利昂回路中，液态氟利昂从第一氟利昂进口14进入氟利昂预热区域33，在该区域中与扁管内的尾气进行热交换，形成汽液两相氟利昂后从第一氟利昂出口13排出再从第二氟利昂进口11进入氟利昂蒸发过热区域32。在此区域中，汽液两相氟利昂与扁管内的高温尾气进行进一步的热交换产生气化，气态的氟利昂从第二氟利昂出口7。
应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，包括依次连接的弹性波纹金属管(1)、进气端腔室(2)、薄壁金属壳(5)、出气端腔室(22)和尾气连接法兰(6)，所述的薄壁金属壳(5)内设有芯子(3)，所述的芯子(3)包括至少一排扁管(15)、进气端主板(16)、进气端副主板(17)、中间副主板(18)、出气端副主板(23)和出气端主板(24)，所述扁管(15)的两端分别与所述的进气端腔室(2)和出气端腔室(22)联通，其特征在于所述的薄壁金属壳(5)与扁管(15)之间的热交换区域被分隔成出气端主板(24)和出气端副主板(23)之间的第一冷却液热交换区域(34)、出气端副主板(23)和中间副主板(18)之间的氟利昂预热区域(33)、中间副主板(18)和进气端副主板(17)之间的氟利昂蒸发过热区域(32)以及进气端副主板(17)和进气端主板(16)之间的第二冷却液热交换区域(31)；在所述的薄壁金属壳(5)上对应第一冷却液热交换区域(34)处设有第一冷却液进口(10)和第一冷却液出口(9)，在所述的薄壁金属壳(5)上对应氟利昂预热区域(33)处设有第一氟利昂进口(14)和第一氟利昂出口(13)，在所述的薄壁金属壳(5)上对应氟利昂蒸发过热区域(32)处设有第二氟利昂进口(11)和第二氟利昂出口(12)，在所述的薄壁金属壳(5)上对应第二冷却液热交换区域(31)处设有第二冷却液进口(8)和第二冷却液出口(7)；所述的第一氟利昂出口(13)与第二氟利昂进口(11)联通。
2.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，其特征在于在所述的氟利昂预热区域(33)，发动机尾气与液态氟利昂成逆流布置；在所述的氟利昂蒸发过热区域(32)，高温的发动机尾气与氟利昂呈顺流布置。
3.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，其特征在于在所述的氟利昂蒸发过热区域(32)内还设有折流挡板(19)。
4.如权利要求3所述的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，其特征在于所述的折流挡板(19)为两块，分别置于该区域的顶部和底部，形成迷宫式通道。
5.如权利要求4所述的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，其特征在于所述的折流挡板(19)靠近所述第二冷却液热交换区域(31)设置。
6.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，其特征在于所述的进气端主板(16)和进气端副主板(17)之间的距离为20～30mm；所述的出气端主板(24)和出气端副主板(23)之间的距离为20～30mm。
7.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，其特征在于在氟利昂预热区域(33)和氟利昂蒸发过热区域(32)，扁管(15)与扁管(15)之间放置锯齿形翅片(21)。
8.如权利要求7所述的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，其特征在于在所述的氟利昂预热区域(33)，扁管(15)之间的锯齿形翅片(21)上与第一氟利昂进口(14)和第一氟利昂出口(13)连接的对角处裁剪出两个倒角(25)。
9.如权利要求1-8任何一项所述的一种用于发动机尾气再循环EGR的沸腾器，其特征在于整机采用不锈钢材料，芯子(3)通过镍基钎焊工艺组装；芯子(3)与外部薄壁金属壳(5)通过氩弧焊连接。
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