一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，包括两端薄壁大主板、两侧侧板和多个芯子模块，其特征在于所述的芯子模块为不锈钢管带式结构，管子内侧为氟利昂冷媒，外侧为高温的发动机尾气；多个芯子模块呈矩阵排列，且在氟利昂冷媒侧串联；尾气和氟利昂冷媒在流动方向上呈逆错流布置。由于过热区处在中间层芯子模块，可以有效避免冷媒高温裂解的问题。
【专利说明】
一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子
技术领域
[0001]本发明涉及废热回收和热交换器领域，特别涉及一种用于满足C02排放法规的重型卡车的发动机尾气废热回收的蒸发过热器芯子，其主要是采用有机朗肯循环废热回收技术的发动机尾气沸腾蒸发过热器。
【背景技术】
[0002]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C02排放为主的碳排放法规的实施阶段，会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，以朗肯循环为代表的各种废热回收技术，成为未来车辆降低C02排放最有效的手段和技术之一。
[0003]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，以发动机尾气废热比重最大。而基于废热回收的有机朗肯循环通过把发动机的尾气、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C02的排放。
[0004]在发动机排放热量中，尾气的热量占整个发动机废热回收系统热量的60%以上，因此尾气沸腾蒸发过热器是整个车用ORC系统最为关键的部件之一，完成朗肯循环中有机工质-氟利昂吸收高温尾气的热量，进而实现废热能量的转化和利用。由于尾气沸腾蒸发过热器是安装在发动机尾气后处理之后的，如SCR系统之后，发动机对排气系统的压力降非常敏感，如果排气系统阻力大，将会导致排气系统的背压升高、燃烧恶化，排放物等得不到有效控制，进而会对涡轮增压器等性能产生影响。因此，在ORC系统中，对尾气沸腾器尾气侧的压力降要求非常严格，一般小于4kPa。而同时，尾气沸腾蒸发器的尾气的流量相对EGR冷却器而言非常大，其尾气绝对压力也比常规EGR尾气压力低很多，这些导致如果采用传统EGR结构形式，将远远不能满足尾气压力降的要求。
[0005]而同时高温尾气与氟利昂冷媒进行热交换，氟利昂从过冷液体，吸收热量后，变成高温高压的过热蒸汽。由于氟利昂属于有机物，在遇到高温金属壁面时候，会发生裂解而导致失效，如R245fa遇到250°C的金属壁面，会发生热裂解。
[0006]而且由于氟利昂在相变区域和过热区域的金属表面的传热系数差异非常大，导致金属管壁的温度差变大，进而导致热膨胀和热应力变化非常大，容易使产品热疲劳失效。同时，由于发动机尾气中含有酸性S0x、N0x等气体与H20等共同作用形式酸性物质，导致尾气流经金属表面时候发生腐蚀。
[0007]因此，解决高温烟气大流量、低阻力、腐蚀性气体以及壁面氟利昂高温裂解等问题，是设计高效紧凑、低重量的尾气沸腾蒸发过热器的关键问题。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提出一种用于发动机尾气废热回收的蒸发过热器芯子。该蒸发过热器芯子不仅要解决烟气侧低阻力、冷媒高温裂解等问题，而且还要结构紧凑，满足应用于道路移动式ORC系统对质量轻的要求。
[0009]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蒸发过热器的芯子，包括两端薄壁大主板、两侧侧板和多个芯子模块，其特征在于所述的芯子模块为不锈钢管带式结构，管子内侧为氟利昂冷媒，外侧为高温的发动机尾气;多个芯子模块呈矩阵排列，且在氟利昂冷媒侧串联;尾气和氟利昂冷媒在流动方向上呈逆错流布置，所述的多个芯子模块在尾气流动方向上依次分成沸腾蒸发区、过热区和预热区。
[0010]本发明的一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，热交换部分由多个独立的标准芯子模块组合而成，在氟利昂冷媒侧串联构成多流程布置形式，使氟利昂从过冷液体变成高温高压的过热蒸汽，从而实现能量的回收。多个独立的芯子模块以矩阵方式排列，且尾气和氟利昂冷媒在流动方向上呈逆错流布置，这样在尾气流动方向上依次分成沸腾蒸发区、过热区和预热区，由于过热区处在中间层芯子模块，可以有效避免冷媒高温裂解的问题，解决了氟利昂冷媒在相变过程中，因冷媒传热系数巨大差异和芯子内部尾气的温度梯度变化大，导致各个小芯子之间金属壁面温度梯度大而产生热应力的问题。同时，本发明还解决了发动机尾气流量大，对蒸发器沸腾器尾气侧低压降、高效传热的问题。
[0011]根据本发明，所述的侧板上位于相邻两层芯子模块处具有弧形折边。该弧形折边用于释放芯子模块因各自不同的热膨胀胀而产生热应力。
[0012]根据本发明，所述的薄壁大主板上设有冷媒入口和冷媒出口，且冷媒入口的管径小于冷媒出口的管径。冷媒进入芯子模块组件前是液态的，从芯子模块组件出来后吸热蒸发，变成气态，因此，通过冷媒入口和出口的管径设置，可有效地控制尾气沸腾器尾气侧的压力降，减小排气系统的阻力。
[0013]根据本发明，所述的芯子模块包括两端的冷媒腔室、模块主板、模块副主板、两侧的隔板和扁管，所述的扁管内设有错齿型翅片，所述的扁管间的尾气侧设有波纹型翅片。隔板与大主板一起构成一个封闭的空间，以免尾气泄漏到外部环境。烟气侧采用波纹型翅片，可高效强化传热，且不利于积碳。由于烟气侧温度较高、且存在可能产生腐蚀作用的SOx、NOx等气体，因此需要选用耐高温腐蚀的材料，比如316L。
[0014]根据本发明，所述的冷媒腔室内还设有均流板，所述的均流板上开设有多个小孔，其一方面可以使进入冷媒腔室的冷媒均匀的分配到各个扁管内，另一方面可以增加冷媒腔室的强度。
[0015]根据本发明，所述的隔板上纵向设有多条折边，用于提高芯子的横向耐压强度和扁管冷媒流动方向的热膨胀。
[0016]根据本发明，所述的芯子模块按4X 2的矩阵排布。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子的整体结构示意图。
[0018]图2是本发明多个芯子模块组件布置示意图。
[0019]图3是本发明多个芯子模块组件冷媒侧管路连接方式，其中A为一个端面的视图，B为另一个端面的视图。
[0020]图4是本发明大主板结构示意图。
[0021 ]图5是本发明芯子模块的结构示意图。
[0022]图6是本发明芯子模块中隔板的结构示意图。
[0023]图7是本发明芯子模块的冷媒腔室中均流板的结构示意图。
[0024]图8是本发明所使用波纹型翅片的结构示意图。
[0025]图9是本发明所使用错齿型翅片的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]参照图1，本发明的一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，包括两端薄壁大主板
4、两侧侧板5和多个芯子模块3。
[0027]参照图2和图3，所述的芯子模块3为不锈钢管带式结构，管子内侧为氟利昂冷媒I，外侧为高温的发动机尾气2;多个芯子模块3呈矩阵排列，且在氟利昂冷媒侧串联;尾气2和氟利昂冷媒I在流动方向上呈逆错流布置，所述的多个芯子模块3在尾气流动方向上依次分成沸腾蒸发区、过热区和预热区。
[0028]在本实施例中，多个芯子模块3按4X2的矩阵排布。芯子模块301?308是通过两端的薄壁大主板4实现整个芯子的连接，在氟利昂冷媒侧，8个芯子模块的连接是通过不锈钢管19来实现串联的。氟利昂冷媒在芯子内部的流程依次为:301 — 30243044303—3074308—306—305。高温尾气从上往下穿过芯子的尾气侧，依次经过沸腾蒸发区芯子模块308、307、306、305，过热区芯子模块304、303和预热区芯子模块302、301。过热区芯子模块304、303处在中间层，可以有效避免冷媒高温裂解的问题。
[0029]氟利昂冷媒进入8个芯子组件前是液态的，从芯子组件出来后吸热蒸发，变成气态，因此冷媒入口 6管径较小，出口 7管径较大。
[0030]参照图4，所述的侧板5上位于相邻两层芯子模块3处具有弧形折边16。该弧形折边用于释放芯子模块因各自不同的热膨胀胀而产生热应力。
[0031]参照图5，所述的芯子模块3包括两端的冷媒腔室8、模块主板10、模块副主板11、两侧的隔板15和扁管14，所述的扁管14内设有错齿型翅片13，所述的扁管间的尾气侧设有波纹型翅片12。
[0032]参照图6，所述的隔板15上纵向设有多条折边17，用于提高芯子的横向耐压强度和扁管冷媒流动方向的热膨胀。隔板15与大主板4一起构成一个封闭的空间，以免尾气泄漏到外部环境。
[0033]参照图7，所述的冷媒腔室8内还设有均流板9，所述的均流板9上开设有多个小孔18。
[0034]参照图8，烟气侧采用波纹型翅片，可高效强化传热，且不利于积碳。由于烟气侧温度较高、且存在可能产生腐蚀作用的S0x、N0x等气体，因此需要选用耐高温腐蚀的材料，比如316L。
[0035]参照图9，芯子模块的尾气侧设有波纹型翅片12。
[0036]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。
【主权项】
1.一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，包括两端薄壁大主板(4)、两侧侧板(5)和多个芯子模块(3)，其特征在于所述的芯子模块(3)为不锈钢管带式结构，管子内侧为氟利昂冷媒(I)，外侧为高温的发动机尾气(2);多个芯子模块(3)呈矩阵排列，且在氟利昂冷媒侧串联;尾气(2)和氟利昂冷媒(I)在流动方向上呈逆错流布置，所述的多个芯子模块(3)在尾气流动方向上依次分成沸腾蒸发区、过热区和预热区。2.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，其特征在于所述的侧板(5)上位于相邻两层芯子模块(3)处具有弧形折边(16)。3.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，其特征在于所述的薄壁大主板(4)上设有冷媒入口( 6)和冷媒出口( 7)，且冷媒入口( 6)的管径小于冷媒出口( 7)的管径。4.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，其特征在于所述的芯子模块(3)包括两端的冷媒腔室(8)、模块主板(10)、模块副主板(11)、两侧的隔板(15)和扁管(14)，所述的扁管(14)内设有错齿型翅片(13)，所述的扁管间的尾气侧设有波纹型翅片(⑵。5.如权利要求4所述的一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，其特征在于所述的冷媒腔室(8)内还设有均流板(9)，所述的均流板(9)上开设有多个小孔(18)。6.如权利要求4所述的一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，其特征在于所述的隔板(15)上纵向设有多条折边(17)。7.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气蒸发过热器的芯子，其特征在于所述的芯子模块(3)按4 X 2的矩阵排布。
【文档编号】F02G5/02GK105953617SQ201610287102
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】董军启, 王建长, 张文锋, 陈伟建, 詹凌云, 杨联民
【申请人】浙江银轮机械股份有限公司