專利名稱：饋能式熱管換熱裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于熱能技術(shù)，具體涉及一種利用發(fā)動機排氣進行熱交換的裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，發(fā)動機燃燒后的高溫廢氣將排向周圍環(huán)境，對環(huán)境造成污染并且浪費大量余熱能源。有關(guān)研究表明目前車用內(nèi)燃機實際運行效率為30%左右，排氣余熱占燃料燃燒釋放熱量的40-45%，因此理論上可利用的潛力巨大。目前，國際公認通過有機朗肯動力循環(huán)進行排氣余熱的利用將是未來主流技術(shù)。 具體是內(nèi)燃機的高溫排氣通過熱交換裝置，將循環(huán)工質(zhì)加熱到合適的溫度及壓力，工質(zhì)經(jīng)膨脹機等熵膨脹而對外輸出機械功。乏汽通過冷凝器冷卻，工質(zhì)泵將液態(tài)工質(zhì)送入熱交換裝置再與排氣進行換熱，周而復始，循環(huán)工作。在此循環(huán)過程中對工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)有較嚴格的要求，但整車在實際運行過程中，排氣溫度以及流量將呈現(xiàn)瞬變脈動，非常不穩(wěn)定。這種用于余熱利用的熱交換器其冷、熱兩流體分別為低溫工質(zhì)和高溫排氣，排氣溫度和流量狀態(tài)的變化將影響工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。當發(fā)動機運行工況變化較大或波動頻繁時，排氣溫度及流量的變化直接導致工質(zhì)參數(shù)波動，從而使膨脹機將處于不穩(wěn)定的(低效)狀態(tài)，甚至不能正常工作。由此將直接影響發(fā)動機余熱在實際中的應用。針對上述情況，本發(fā)明所提出的饋能式熱管換熱裝置能夠使上述問題得到滿意的解決。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的是，提供一種對車用內(nèi)燃機變工況運行狀態(tài)而能夠自動反饋控制的換熱裝置，使瞬變脈動的排氣余熱能夠適用于有機朗肯動力循環(huán)，從而實現(xiàn)高效穩(wěn)定運行。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。換熱外殼內(nèi)設有縱向交錯排列的熱管，在熱管排的中部設有絕熱層，絕熱層的上部空間設有工質(zhì)側(cè)流體的入口與出口。在絕熱層的下部空間的下方設有饋能單元層，饋能單元層與熱管鑲嵌固定為一體。饋能單元層的上部空間設有氣側(cè)流體的出口 ；饋能單元層的下部空間設有氣側(cè)流體的入口。饋能單元層設有導流板和通氣孔，通氣孔與氣側(cè)流體的出口形成通道。發(fā)動機排氣管與換熱裝置下部的氣側(cè)流體入口相接，氣側(cè)流體的出口接于整車排氣口。工質(zhì)側(cè)流體的入口與出口分別接于有機郎肯循環(huán)熱利用系統(tǒng)。發(fā)動機高溫排氣由氣側(cè)流體入口進入，饋能單元層的通氣孔位于兩兩熱管之間，高溫氣體通過通氣孔與氣側(cè)流體出口形成的通道分別與熱管及饋能單元換熱后經(jīng)氣側(cè)流體出口排出，實現(xiàn)將瞬變脈動排氣余熱傳遞給工質(zhì)。本發(fā)明利用饋能單元吸收發(fā)動機尾氣余熱釋放給熱管加熱段，對饋能單元層內(nèi)的相變材料蓄熱，利用相變材料(相變點)吸、放熱溫度不變的特性，使換熱器加熱側(cè)穩(wěn)定工作在最佳溫度，不易隨內(nèi)燃機工況變化。當發(fā)動機工況變化，排氣熱能使得熱管加熱段溫度高于最佳溫度時，饋能單元吸收熱量，延緩由最佳溫度向上限溫度轉(zhuǎn)變；當發(fā)動機工況變化，排氣熱能使得熱管加熱段溫度低于最佳溫度時，饋能單元釋放熱量，延緩由CN 102536510 A最佳溫度向下限溫度轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)根據(jù)發(fā)動機工況變化饋能單元及時將能量進行調(diào)整， 使有機朗肯循環(huán)熱循環(huán)工質(zhì)溫度保持最佳，或?qū)⑴艢鉁囟忍S式的變化調(diào)整為線性變化過程。本發(fā)明的特點以及有益效果是，該裝置由熱管換熱單元和饋能單元有機耦合，可以自動吸收、釋放熱量，能夠?qū)Q熱系統(tǒng)進行實時動態(tài)能量反饋，從而實現(xiàn)對瞬變脈動排氣余熱的穩(wěn)定利用。本發(fā)明與(加裝在排氣管路上的)傳統(tǒng)換熱器比較，具有反饋能量進行調(diào)整的功能，而且整個反饋過程的響應時間非常短，使車用發(fā)動機在路況瞬變條件運行下， 換熱裝置工作穩(wěn)定，從而保證有機朗肯動力循環(huán)技術(shù)在車用發(fā)動機余熱利用領域進行廣泛推廣。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)以及原理示意圖。圖2是圖IA-A向剖面示意簡圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步的說明。需要說明的是本實施例是敘述性的，而非是限定性的，不以此限定本發(fā)明的保護范圍。饋能式熱管換熱裝置，其結(jié)構(gòu)是換熱外殼內(nèi)設有縱向交錯排列的熱管1，在熱管排的中部設有絕熱層2，絕熱層的上部空間設有工質(zhì)側(cè)流體的入口與出口。在絕熱層的下部空間的下方設有饋能單元層3，饋能單元層與熱管鑲嵌固定為一體。饋能單元層的上部空間設有氣側(cè)流體的出口；饋能單元層的下部空間設有氣側(cè)流體的入口(如圖1)。饋能單元層3 設有導流板4和通氣孔5，通氣孔位于兩兩熱管之間，與氣側(cè)流體的出口形成通道。導流板 4將饋能單元層下部空間的熱管分成單排氣側(cè)流體通道(如圖幻。饋能單元層為封閉框架體，在封閉框架體內(nèi)裝有相變材料。饋能式熱管換熱裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為熱管換熱單元與饋能單元。熱管上部為冷凝段，下部為蒸發(fā)加熱段。饋能單元層安裝在熱管加熱段底部附近，饋能單元層內(nèi)部填有的相變儲能材料為固液式。高于相變點溫度時該材料吸熱溶化蓄能，低于相變點溫度時放熱逐漸凝固。瞬變脈動排氣余熱通過饋能單元，使熱管傳遞到熱管上方的溫度能夠相對穩(wěn)定，從而確保工質(zhì)處于穩(wěn)定熱力循環(huán)狀態(tài)。依據(jù)有機朗肯動力循環(huán)工作特性及換熱面積、傳熱系數(shù)等，確定熱管加熱段工作的三個特征點溫度，這三個溫度由低到高依次為相變點下限溫度、相變點溫度和相變點上限溫度。相變點溫度為相變儲能材料最佳溫度。上限溫度、下限溫度由熱管工作特性決定。對于本實施例，換熱外殼內(nèi)設有三排，第一、三排為6根，第二排位5根縱向交錯排列的熱管。熱管內(nèi)部注入導熱姆，其工作的上、下限溫度分別為660K、420K。每根熱管獨立工作，其冷凝段溫度介于420-660Κ之間；饋能單元層的蓄熱材料選擇固液相變點溫度為 550Κ。當柴油發(fā)動機在某一穩(wěn)定工況運轉(zhuǎn)時，排氣出口溫度穩(wěn)定在800Κ左右，流入熱管裝置的第一排，高溫排氣直接與第一排的熱管蒸發(fā)(加熱)段交換部分熱量；高溫氣流再通過饋能單元層上的通氣孔與饋能單元進行熱量反饋，同時饋能單元層也與熱管蒸發(fā)段反饋熱量；隨后熱氣流通過導流板的作用依次流經(jīng)第二排、第三排，重復上述工作過程。最后，排出該熱管換熱裝置的溫度約為500K。本實施例選用R123作為有機朗肯循環(huán)的工質(zhì)，在上述過程同一時刻，溫度為310K的循環(huán)工質(zhì)以逆流方式從進口分別流經(jīng)該熱管換熱裝置與16根熱管的冷凝段進行換熱量，工質(zhì)出口的溫度為450K。 如果柴油發(fā)動機的排氣溫度提高了約為100K，該熱管換熱裝置因饋能單元層釋放 (或吸收)突變熱量，保持熱管蒸發(fā)段溫度相對穩(wěn)定。因此工質(zhì)出口溫度維持120秒左右時間基本不變，確保柴油機在ESC和ELR工況的試驗循環(huán)測試過程中，有機朗肯循環(huán)能穩(wěn)定工作。然后后逐步緩慢變化，不會對熱力循環(huán)造成沖擊(具體時間與工況變化程度、饋能單元等相關(guān))，最后形成一個新的平衡溫度，約為400K或500K。對比該熱管換熱裝置，無饋能單元，其他參數(shù)完全一致，建立新平衡溫度時間約為十幾秒，在柴油機在ESC和ELR工況的試驗循環(huán)測試過程中，因工質(zhì)溫度頻繁較大幅值變動，有機朗肯循環(huán)將無法穩(wěn)定工作，并且大大縮短熱力循環(huán)關(guān)鍵部件使用壽命。
權(quán)利要求
1.饋能式熱管換熱裝置，其特征是換熱外殼內(nèi)設有縱向交錯排列的熱管(1)，在熱管排的中部設有絕熱層(2)，絕熱層的上部空間設有工質(zhì)側(cè)流體的入口與出口，在絕熱層的下部空間的下方設有饋能單元層(3)，饋能單元層與熱管鑲嵌固定為一體，饋能單元層的上部空間設有氣側(cè)流體的出口 ；饋能單元層的下部空間設有氣側(cè)流體的入口。
2.按照要求權(quán)利1所述的饋能式熱管換熱裝置，其特征是所述饋能單元層C3)設有導流板(4)和通氣孔(5)，通氣孔位于所述兩兩熱管(1)之間，與所述氣側(cè)流體的出口形成通道。
3.按照要求權(quán)利2所述的饋能式熱管換熱裝置，其特征是所述導流板(4)將所述饋能單元層( 下部空間的熱管(1)分成單排氣側(cè)流體通道。
4.按照要求權(quán)利1至3之一所述的饋能式熱管換熱裝置，其特征是所述饋能單元層為封閉框架體，在封閉框架體內(nèi)裝有相變材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種車用發(fā)動機排氣余熱利用的饋能式熱管換熱裝置，其結(jié)構(gòu)是換熱外殼內(nèi)設有縱向交錯排列的熱管，在熱管排的中部設有絕熱層，絕熱層的上部空間設有工質(zhì)側(cè)流體的出入口。絕熱層下部空間的下方設有饋能單元層，饋能單元層內(nèi)裝有相變材料，該單元層與熱管鑲嵌固定為一體。饋能單元層上下部分別設有氣側(cè)流體的出入口。饋能單元層設有導流板和通氣孔，通氣孔與氣側(cè)流體的出口形成通道。導流板將饋能單元層下部空間的熱管分成單排氣側(cè)流體通道。本發(fā)明設有的饋能單元可以自動吸收、釋放熱量，能夠?qū)Q熱系統(tǒng)進行實時動態(tài)能量反饋，從而實現(xiàn)對瞬變脈動排氣余熱的穩(wěn)定利用。使車用發(fā)動機在瞬變工況下，換熱裝置工作穩(wěn)定，保證熱力循環(huán)的運行。
文檔編號F02G5/02GK102536510SQ20121000655
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者衛(wèi)海橋, 田華, 舒歌群, 趙健, 黃志勇 申請人:天津大學