[发明专利]蒸发器

说明书

技术领域

本发明涉及一种适于由来自内燃发动机的排出气体的热量产生蒸汽的横流式蒸发器。除了其它元件之外，蒸发器由包含腔室的、彼此间隔开的两个板构成。换热管交替地连通两个板的腔室，为用于相变的流体建立特定路径。在两个板的腔室之间延伸的管横向于热气体流布置。

该蒸发器适用于使用兰金循环(Rankine cycle)的热回收系统，其利用来自排出气体的热量。

本发明的特征在于壁的特殊构型，壁的该特殊构型防止由于换热管与所述壁之间的差异膨胀而导致的裂纹失效或损坏。

背景技术

换热器是用于将热量从第一热流体传递至最初处于较低温度下的第二流体的装置。

换热器的具体实例是旨在通过液体冷却剂冷却用于EGR(排出气体再循环)系统的热的排出气体的那些换热器。这种类型的换热器必须克服由于换热器的不同部件中的温度变化所导致的特定技术问题。

温度变化范围从其闲置状态到其操作模式，在闲置状态时，所有部件处于室内温度，在操作模式时，入口气体可达到超过600摄氏度，这在装置的不同部件的温度上产生显著差异。

这种类型的换热器的结构构造为热气体循环通过的换热管束，并且该管束被容纳在壳体中，液体冷却剂通过该壳体循环。

如果液体冷却剂大致在位于管束的端部附近的壳体的点处进入和离开，则气体流和液体流都大致沿平行方向循环，而无论是顺流还是逆流。

由热膨胀引起的问题通过使用接收或递送热气体的中间歧管来解决，该中间歧管又具有波纹管型结构，所述波纹管型结构补偿同热气接触的管束与同液体冷却剂接触的壳体之间的差异膨胀。

不同类型的换热器由蒸发器组成。蒸发器是设计成将热气体的热量传递至不仅被加热而且还改变相的液体的换热器。

在蒸发器中存在的技术挑战大于比如在该部分开始处描述的换热器的那些技术挑战。相变允许区分与改变相的液体的温度和状态相关的三个步骤：

i.加热待蒸发的液体的步骤；

ii.改变相的步骤；

iii.过热的步骤。

第一步骤和第二步骤出现在不是非常高的温度下，因为相变温度建立了防止将温度升高到高于蒸发温度的界线。相反，过热步骤不受相变的限制，并且可以将温度升高到接近热气体的最大温度值的值。

两种流体——传递其热量的热气体和旨在改变相的液体——的入口温度条件和入口流动速率条件并不总是相同的。这些变量的变化意味着第一步骤与第二步骤之间的中间相以及第二步骤与第三步骤之间的中间相不会出现在蒸发器内的、与用于在装置内部改变相的液体的路径有关的相同位置中，而是可以出现在所述路径的特定间隔内的不同位置中。

另外，从液体到蒸汽以及从液体和蒸汽的混合物到过热蒸汽的过程不是瞬时的，因此在各步骤之间建立分割的精确位置可能得不到标识，而是这种分割在特定段中。

步骤中的每个步骤具有不同的换热条件。换热管的表面与液体(步骤i)之间的传热系数与两相流、即由液体和蒸汽(步骤ii)形成的流的传热系数非常不同，并且非常不同于过热蒸汽(步骤iii)的传热系数。

不仅传热系数不同，而且液体的比容相对于液体和蒸汽的混合物的比容非常低，并且，液体和蒸汽的混合物的比容相对于蒸汽在其温度升高时的比容也是低的。

在三个步骤之间的所有这些非常不同的因素使得设计变量不同，并且蒸发器具有这样的技术困难，即，不存在没有相变的换热器，尤其是当蒸发器必须紧凑并占据尽可能小的空间时更是如此。

已知紧凑型换热器被设计成在用于车辆原动力的内燃发动机的热回收系统中用作蒸发器。这些蒸发器通过布置成对的同轴管的束来增大换热表面。意在改变相的液体穿过该对同轴管之间的空间，并且热气体穿过内管内部和外管外部这两者。

改变相的流体在两个热表面——在两个热表面之间具有很小的距离——之间穿过，使得温度升高并且在一对同轴管的长度内发生随后的相变，所述一对同轴管比仅使用一个管来使在其中改变相的流体以及其外侧的热气体循环的情况下的管更短。

这种构型存在的问题中的一个问题是三个换热步骤在相同的管中发生，因此换热器的设计不能同时对于三个步骤而言都是优化的。

作为这种困难的示例，液相的入口流速非常低，因为液相的比容值低，而在出口处，相同的液体流速对应于大得多的蒸汽体积，这赋予比液体入口的速度值高得多的速度值。

入口处的低速可能导致污垢的沉积并且出口处蒸汽的高速可能产生过大的压降。

本发明通过使用热气体与改变相的流体之间的横流式构型避免了这些问题。