抗污換熱器的制作方法

本公開通常涉及一種換熱器，并且更具體地涉及一種具有抗污特征的換熱器。

背景技術：

換熱器具有很多不同的結構(如波紋板結構、殼管式結構、管翅式結構等)并且用于在兩種流體之間傳遞熱能，而不會使流體之間發生直接接觸。具體地，初級流體(如空氣或者排氣)通常是通過換熱器的流體通道進行引導，而次級流體(如空氣、水、乙二醇等)與該通道的壁發生外部接觸。以此方式，熱量可以通過壁在兩種流體之間傳遞。

在一些應用中，循環通過換熱器的一種或兩種流體可以具有夾雜在流體中的顆粒(例如，未燃燒的碳氫化合物，如燃料或油)。當通道壁接觸到顆粒時，這些壁可變成涂覆有該顆粒(即受到污染)。這在這些壁具有容易產生顆粒沉積的粗糙表面紋理時可能尤其如此。當顆粒粘附于通道壁時，壁的導熱性降低。

在Birgler等人于2014年6月19日公布的公開號為2014/0165558的美國專利(“’558專利公開”)中描述了一種示例性換熱器。具體地，’558專利公布公開了一種廢氣換熱器，其具有不銹鋼外殼、設置在其內的不銹鋼管以及連接到該管的不銹鋼線圈和翅片。暴露于廢氣的換熱器表面設置有由陶瓷制成的防護涂層。陶瓷涂層旨在保護不銹鋼免于受到腐蝕。

雖然’558專利公布中的換熱器可能有助于減少在一些應用中發生腐蝕的可能性，但是其對于其他應用而言可能是多余的，同時還較昂貴，并且對于抗污不起什么作用。特別地，在某些情況下，要將整個換熱器完全罩住可能成本太高和/或難度太大。進一步地，由于陶瓷材料和不銹鋼的熱膨脹系數可能不同，因此，用陶瓷材料涂覆整個換熱器可能會將陶瓷材料暴露在較大的溫度范圍內，這在膨脹不均時可以造成材料的開裂和剝落。當陶瓷材料發生開裂和/或剝落時，其可能會失去其有效性。另外，盡管’558專利公布中使用的陶瓷材料可能有助于保護換熱器免于受到腐蝕，但是它在保護換熱器免于受到污染這一方面作用不大。也就是說，’558專利公布中使用的抗腐蝕陶瓷材料可以具有便于或者甚至促進顆粒沉積的表面粗糙度。

所公開的換熱器目的是克服上面提到的一個或多個問題和/或現有技術的其它問題。

技術實現要素：

在一個方面，本公開涉及一種換熱器。該換熱器可包括入口、出口以及流體地連接入口和出口的至少一條通道。該至少一條通道可包括配置為在至少一條通道內的第一流體與至少一條通道外的第二流體之間傳遞熱量的壁。換熱器還可具有沿至少一條通道的長度設置的多個導熱特征件和僅應用于多個導熱特征件的子集的抗污涂層。

在另一個方面，本公開涉及另一種換熱器。此換熱器可包括入口、出口以及流體連接入口和出口的至少一條通道。至少一條通道可具有壁，其配置為在位于壁的一側的再循環廢氣與位于壁的相反側的冷卻劑之間傳遞熱量。換熱器還可包括沿至少一條通道的長度可操作地設置的多個不銹鋼翅片和僅應用于不銹鋼翅片的下游部分的抗污陶瓷涂層。抗污陶瓷涂層可由氮化硼超增強石墨或碳化硅中的一種制成。抗污涂層可具有比多個不銹鋼翅片更為光滑的表面光潔度。

在又一個方面，本公開涉及一種流體處理系統。流體處理系統可包括空氣供應源、再循環廢氣供應源以及配置為與發動機連通的入口歧管。流體處理系統還可包括換熱器，其配置為對再循環廢氣進行冷卻并將經過冷卻的再循環廢氣引導來與進入入口歧管的空氣混合。換熱器可具有與再循環廢氣供應源連通的入口、與入口歧管連通的出口以及流體地連接入口和出口的至少一條通道。至少一條通道可具有壁，其配置為在位于壁的一側的再循環廢氣與位于壁的相反側的冷卻劑之間傳遞熱量。換熱器還可具有沿至少一條通道的長度可操作地設置的不銹鋼翅片和僅應用于不銹鋼翅片的一部分的抗污陶瓷涂層。抗污陶瓷涂層可由氮化硼超增強石墨或碳化硅中的一種制成，并且具有比多個不銹鋼翅片的表面光潔度更為光滑的表面光潔度。

附圖說明

圖1是具有示例性公開的流體處理系統的發動機的示意圖；并且

圖2是可以結合圖1的流體處理系統使用的示例性公開的換熱器的等距剖視圖。

具體實施方式

圖1示出了裝有示例性流體處理系統12的發動機10。發動機10可以具體體現為例如柴油發動機、汽油發動機或者氣體燃料動力發動機(如天然氣發動機)。如本領域已知的，發動機10可配置為在一個或多個燃燒室14內燃燒燃料、空氣和再循環廢氣的混合物，以產生機械功率輸出。流體處理系統12可包括多個回路，其配合來將流體(如空氣、燃料、排氣、冷卻劑等)引入發動機10中、引導通過發動機10以及引出發動機10，以便于功率輸出。這些回路可尤其包括進氣回路16、排氣回路18和再循環回路20.

進氣回路16可尤其包括一臺或多臺壓縮機22和至少一個冷卻器24，該至少一個冷卻器24定位成在空氣進入發動機10的燃燒室14之前冷卻由壓縮機22壓縮的空氣。每臺壓縮機22可具體體現為固定幾何形狀壓縮機、可變幾何形狀壓縮機或配置為接收空氣并將該空氣壓縮到期望的壓力水平的另一類型壓縮機。在所公開的示例性實施例中，進氣系統16具有兩臺壓縮機22，其彼此串聯設置并通過通道26和進氣歧管28連接到燃燒室14。可以設想的是，如果需要，壓縮機22可以可選地彼此平行設置。冷卻器24可設置于壓縮機22的下游和/或之間以及進氣歧管28上游的位置處的通道26內。還可以設想的是，如果需要，壓縮機22和/或冷卻器24在自然吸氣實施例中可以被省略。

排氣回路18可尤其包括至少一個渦輪機30，其由發動機10的排氣驅動來旋轉進氣系統16的壓縮機22。每個渦輪機30可具體體現為固定幾何形狀渦輪機、可變幾何形狀渦輪機或本領域已知的另一類型渦輪機。在所公開的示例性實施例中，排氣回路18具有兩個渦輪機30，其彼此串聯設置并通過通道32和排氣歧管34連接到燃燒室14。可以設想的是，如果需要，渦輪機30可以可選地彼此平行設置。渦輪機30可配置為接收排氣并將排氣中的勢能轉化成所連接的壓縮機22的機械轉動。在離開渦輪機30之后，廢氣可以通過通道36排放到大氣和/或再循環回路20中。一個或多個排氣處理裝置(未示出)(例如碳氫化合物定量給料器、柴油氧化催化器(DOC)、柴油微粒過濾器(DPF)、選擇性還原催化器(SCR)、氨吸收器(AMOx)、衰減裝置和/或本領域已知的任何其他處理裝置)可根據需要設置于通道36內。

再循環回路20可配置為將排氣從排氣回路18(例如從渦輪機30下游的位置)選擇性地導流到進氣回路16(例如壓縮機22上游的位置)中。具體地，再循環回路20可包括通道38，其在排氣回路18的通道36與進氣回路16的通道26之間延伸。冷卻器40可位于通道38內并配置為冷卻從其中流過的排氣。排氣的再循環可有助于降低相關燃燒過程中的整體溫度，從而減少NOx和/或其它經過調整的排氣成分的產生。

冷卻器24和40都可配置為冷卻從其中流過的初級流體。流經冷卻器24的初級流體可以是空氣或空氣/排氣混合物，而流經冷卻器40的初級流體可以僅是排氣。在一個示例中，冷卻器24和40是氣體到氣體式交換器，其中來自初級流體的熱量被傳遞到氣態的次級流體(例如傳遞到空氣)。在另一個示例中，一個或兩個冷卻器24和40是氣體到液體式交換器，其中來自初級流體的熱量被傳遞到液態的次級流體(例如傳遞到水、乙二醇、水/乙二醇混合物等)。

冷卻器24和40都可以是本領域中已知的任意類型的換熱器。例如，一個或兩個冷卻器24和40可具體體現為波紋板式換熱器、管翅式換熱器或者另一普通類型的換熱器。如圖2所示，每個冷卻器24和40可具有入口42、出口44以及從入口42延伸到出口44的配置為接收初級流體的至少一條通道46。多個導熱特征件(“特征件”)48可以沿通道46的長度設置并且配置為延伸到初級流體流中。在一些實施例中，多個第二特征件48(或另一類型或形狀的導熱特征件)可在相反方向從通道46的壁延伸至次級流體流中。在一個示例中，特征件48是翅片。在另一個示例中，特征件48是波紋板、面板或脊。在又一個示例中，特征件48是銷或橫管。也可以采用其它類型的特征件48。

特征件48可以是中空的，并且根據需要填充有初級流體或次級流體或者固體。特征件48可以與通道46一體成形或者成形后接合至通道46(如通過變形、壓接、焊接、緊固、壓配、托架固定等)。特征件48以及通道46的壁可由諸如不銹鋼的非腐蝕性導熱材料制成。

流經一個或兩個冷卻器24和40的初級流體可具有夾雜在其中的顆粒。這些顆粒可尤其含有未燃燒的碳氫化合物，例如燃料或油。由于不銹鋼的相對粗糙的表面紋理和/或性質，顆粒可以粘附到通道46和/或特征件48的表面。當這種情況發生時，可能會降低冷卻器24和40的導熱性。為了抑制顆粒粘附在冷卻器24和40的暴露表面上，這些表面(如特征件48的子集48a)的一部分可以涂覆有具有比不銹鋼更為光滑且粘性更低的表面紋理的材料。這種材料可以是噴涂沉積到壁46和/或特征件48上的陶瓷。在所公開的實施例中，具有占特征件48的厚度T的大約1/50至1/100的厚度t的層50被沉積。層50可以由氮化硼超增強石墨或碳化硅材料中的一種制成。出于本公開的目的，術語“大約”可以定義為“在工程公差內”。

當初級流體流經冷卻器24和40(尤其是冷卻器40)時，初級流體可以冷卻。例如，初級流體可在大約500-600℃時進入冷卻器40并且在大約80-120℃時離開冷卻器40。陶瓷涂層應具有與不銹鋼的熱膨脹系數大約相同的熱膨脹系數，這樣才能保證應用于冷卻器40的陶瓷涂層維持其整體性并由此實現冷卻器40的長使用壽命。以這種方式，當暴露在相同的溫度下時，這兩種材料將會以大約相同的速率發生膨脹。這些基本上相同的膨脹可有助于減少陶瓷材料發生開裂或剝落。

在所公開的示例性實施例中，當這些材料暴露在大約100-180℃的溫度范圍內時，通道46和特征件48的陶瓷材料和不銹鋼可具有基本上相等的熱膨脹系數。因此，陶瓷材料可僅應用于冷卻器40(并且在某些情況下還有冷卻器24)的經常處于該溫度范圍內的部分。在所公開的實施例中，其僅包括冷卻器40內的通道46和特征件48的下游或最后的20-50％。也就是說，冷卻器40的上游半部(即最接近入口42的半部)可以不包括層50。因為流經冷卻器24的初級流體可具有比流經冷卻器40的初級流體更低的溫度，所以可以涂覆有層50的冷卻器24的數量可以更大。

工業實用性

所公開的流體處理系統可以在流經該系統的一種或多種流體可能污染該系統的冷卻器的任何冷卻或加熱應用中實施。具體地，所公開的流體處理系統可通過向相關換熱器提供抗污特征來以簡單且低成本的包裝來實現換熱器部件的壽命延長。現在參照圖1和圖2來解釋流體處理系統12的運行。

大氣空氣可被吸入至進氣回路16中到達壓縮機22，在那里大氣空氣可在進入發動機10的燃燒室14之前加壓至預定水平。在進入燃燒室14之前或之后，燃料可與加壓空氣混合。然后，這種燃料-空氣混和物可以通過發動機10進行燃燒，以產生機械功和含有氣態化合物和固體顆粒物質的排氣流。排氣流可從發動機10引導至渦輪機30，在那里熱氣體的膨脹可使渦輪機30旋轉并驅動壓縮機22對入口空氣進行壓縮。在離開渦輪機30后，排氣流可以分成兩股流，包括引導到大氣中的主流和導流至進氣回路16的旁流。

當流經再循環回路20時，排氣的旁流可遇到冷卻器40并且在由壓縮機22抽回至進氣回路16中之前被冷卻。具體地，排氣可通過通道46的壁并且通過特征件48將熱量傳遞到冷卻器次級流體，從而實現排氣中的溫度下降。之后，再循環排氣流可與進入燃燒室14的空氣發生混合。引入燃燒室14中的廢氣可減少其中氧氣的濃度，這又可以降低發動機10內的最大燃燒溫度。最大燃燒溫度的降低可減緩燃燒過程的化學反應，從而減少一氧化氮的形成。以這種方式，可以減少發動機10產生的氣態污染。

由于再循環排氣流首先通過冷卻器40并且隨后通過冷卻器24，因此氣體中的顆粒可以收集到通道46和特征件48的暴露表面上。也就是說，由于排氣沿通道46的長度從入口42移動到出口44，因此，顆粒可以被吸引到并粘附到通道46和特征件48的不銹鋼表面。如不加以應對，這種污染可產生隔熱層，其減弱或抑制初級流體與次級流體之間的熱傳遞。然而，冷卻器24和/或40的涂覆有所公開的陶瓷材料的部分可具有更加光滑的暴露表面，其不會吸引或促進顆粒的粘附。相應地，冷卻器24和40的這些部分可以獲取較少的顆粒，以允許更高的熱傳遞速率。應該注意的是，在一些實施例中，層50本身可降低特征件48的熱傳遞能力。然而，層50所引起的這種降低可能遠遠小于顆粒在特征件48上的沉積所引起的降低。例如，層50可使導熱性的損失量小于大約0-10％。

如上所述，為了實現層50的長使用壽命，陶瓷材料可以僅沉積在冷卻器24和40內的暴露于所期望的操作溫度范圍內的表面上。這些表面可以僅在包含在冷卻器24和40內的特征件48的子集上(如僅在特征件48的最后20-50％上)找到。這種操作溫度范圍可以是允許所沉積的陶瓷材料按照與冷卻器24和40下面的不銹鋼所經歷的膨脹率相似的速率發生膨脹的范圍。

因為所公開的冷卻器只有部分可以涂覆有陶瓷材料，所以冷卻器的成本可以是較低的。另外，因為陶瓷材料可僅應用于具有所期望的操作溫度范圍的區域中，所以該材料不太可能失效。這樣便可提高冷卻器的有效性和壽命。并且冷卻器24和40的有效性的增加可允許冷卻器24和/或40變得更小，乃至更便宜。

對于所公開的換熱器可以進行多種修改和變化，這對于本領域的技術人員而言將會是顯而易見的。在考慮所公開的換熱器的說明書和實踐后，其它實施例對于本領域的技術人員而言將會是顯而易見的。例如，雖然圖1和圖2示出了流經通道26的初級流體和經過通道26周圍的次級流體，但相反的配置也是可能的。說明書和示例僅僅是示例性的，真實范圍由如下權利要求書及其等效物指出。