换热模块

技术领域

本公开涉及一种换热模块，其包括波纹状的顶部换热基板和波纹状的底部换热基板，所述基板在横向方向上间隔开，每个基板具有在长度方向上延伸的脊和通道，所述顶部基板的通道和脊平行于所述底部基板的通道和脊延伸。

本公开还涉及一种这样的换热模块的组件，涉及一种具有内燃发动机(ICE)的车辆中的催化剂/蒸气重整组件(catalyst/steam reforming assembly)，以及涉及一种具有包括这样的催化剂/蒸气重整组件的内燃发动机的车辆。

背景技术

利用废气中的可用热量将乙醇燃料升级为更高能量水平的氢燃料的燃料重整技术被应用于内燃发动机中，使得内燃发动机具有更高的热效率。

制造两侧具有不同压力和紧密性要求的换热器是一项挑战。

另一个挑战是将部件堆叠和组装在正确的位置，以实现管的焊接(welding)或钎焊(soldering)的快速且可靠的自动化过程。

第三个挑战是在不引入可能导致裂纹的张力的情况下管理换热器两侧上的热膨胀。

一个目的是解决这些问题，并提供一种能够更便宜地自动制造的更大体积的换热模块。另一个目的是提供一种换热器，该换热器能够适应在高于400℃且经受迅速变化的温度的过程中发生的热膨胀和收缩以便它能够用于蒸气重整的高温过程中，并且对H

此外，换热器应容易适于提供所需的容量。再一个目的是提供一种具有内燃发动机(ICE)的车辆，所述内燃发动机具有乙醇燃料重整器，所述乙醇燃料重整器包括一个或多个根据本发明的换热器模块。

发明内容

根据本公开的换热模块包括在顶部基板与底部基板之间在宽度方向上延伸的管，所述管与脊换热接触，所述宽度方向横向于所述通道和所述脊的长度方向从流入侧到流出侧取向，

顶部壳体构件和底部壳体构件，其包括与所述顶部基板和所述底部基板相邻的壳体表面，并且在所述流入侧和所述流出侧处具有横向侧壁，所述横向侧壁具有在所述横向方向上取向并且容纳所述管的狭缝，

所述顶部壳体构件的侧壁和底部壳体构件的侧壁交叠并且通过钎焊或铜焊相互连接。

所述管能够适应热膨胀和收缩，同时保持流体密封性。

所述管被保持夹在波纹状的顶部基板与波纹状的底部基板之间，并能够相对于所述基板自由移动，从而允许不同部件的热膨胀和收缩，同时保持良好的传热接触。

所述管在很高和变化的温度与压力下保持可靠的流体密封性。这使得该模块适用于乙醇蒸气重整器，在400℃与1000℃之间的温度下运行。

可以由金属板形成的壳体侧壁中的狭缝在高速自动组装过程中接收所述管，并将所述管对准精确限定的位置。狭缝能够通过焊接或钎焊有效地密封，以密封每个管穿过侧壁的通道。

壳体构件的交叠的侧壁通过焊接或钎焊实现气密连接。

根据本公开的模块能够堆叠和组合以形成适合特定应用的传热单元，例如在包括内燃发动机的车辆中使用的用于乙醇的组合三元催化剂和蒸气重整单元。

基板可以沿着壳体侧边缘连接到壳体构件，该壳体侧边缘沿着相应壳体侧壁的下部定位。

通过将基板沿着它们的边缘焊接或铜焊到壳体的侧壁，获得坚固且可靠的相互连接，从而允许壳体与基板之间的足够的相对运动，以适应热膨胀，同时保持限定的位置。

所述管在所述横向侧壁的位置处可以具有在所述宽度方向上横向于所述侧壁延伸的直段部。

所述管的直的端部允许管外部与侧壁中的狭缝坚固且流体密封的连接，这在换热模块被用于模块中存在氢的应用的情况下尤其适用。

侧壁中的狭缝能够在它们的自由端包括V形接收部，用于在将所述管放置在狭缝中时引导所述管。

V形接收部在将所述管放置在狭缝中时使所述管居中，并有助于高速自动定位和焊接/铜焊。

所述管可以沿着在宽度方向上具有起伏(undulation)的起伏轨迹延伸。

所述管的起伏路径引起在所述管的上方和下方交叉流动的气体产生湍流，导致改善的传热。

起伏轨迹包括在与平行于所述宽度方向的线相距一定距离处的弯曲部，两个相邻起伏的距离在通道宽度的1.5倍与5倍之间。

所述管线中的起伏的尺寸允许对所述管线与波纹状的基板之间热传递的接触区域进行特别定制。朝向流过通道的气体的更大面积可以平衡与所述管的内容物接触的内表面面积。能够使用测试或CFD来确定该比率，以在换热器的两侧的峰值效率下工作。

上基板的脊在宽度方向上的位置可以对应于下基板的通道的位置。

所述管被牢固地夹在上、下基板的脊之间，以获得良好的定位和传热，同时允许足够的相对运动以适应热引起的运动。

所述基板可以涂覆有铂族金属。

除了可用作三元催化剂(three-way catalyst，简称TWC)的基板外，所述管还可以涂覆有铂族金属(platinum-group metal，简称PGM)以激活(activate)重整过程。所述管的涂层可以具有与TWC基板不同的PGM的技术规格。

本公开的模块能够形成至少两个相互叠置的模块的组件，上壳体构件的底表面被钎焊或铜焊到下壳体构件的顶表面。

可以形成一种组合的催化剂/蒸气重整组件，其包括根据本公开的换热模块，废气被引导通过所述通道，乙醇和蒸气被引导通过所述管。

可提供一种车辆，所述车辆包括：内燃发动机，所述内燃发动机具有连接到燃料入口和连接到排气出口的气缸，排气出口与催化剂/蒸气重整组件流体接触，使得废气流过所述通道；与废气进行换热接触的蒸发器；使水和乙醇流过蒸发器以形成水和乙醇蒸气的水和乙醇供应单元，水和乙醇蒸气通入所述管中；以及连接到所述管的流出侧并连接到气缸的燃料入口的重整燃料管道。

根据本公开的换热模块提供了一种紧凑且稳定的组合催化剂/蒸气重整单元，用于在汽车应用中处理废气和从乙醇(例如从生物燃料)形成H

附图说明

作为非限制性示例，将参考附图详细描述根据本公开的换热模块。在附图中：

图1显示了换热模块的堆叠的透视图，

图2显示了换热模块的侧部的透视图，

图3显示了被接收在侧壁中的狭缝中的管的细节，

图4显示了管和底部换热基板和壳体构件的透视图，

图5显示了管和换热基板的平面图，

图6显示了换热模块的管周围的气体流动，以及

图7显示了包括乙醇重整单元的车辆的实施例，该乙醇重整单元包括根据本公开的换热模块。

具体实施方式

图1显示了相互连接的换热模块2、3、4的堆叠1，每个模块包括两个间隔开的波纹状的换热基板6、7，管8在基板之间以换热接触关系延伸。基板6、7和管8被封装在顶部壳体构件10与底部壳体构件11之间，壳体构件具有通过铜焊(brazing)或钎焊相互连接的交叠侧壁12、13。

在图2中可以看出，顶部和底部换热基板16、17具有在长度方向L上延伸的脊19、20和通道18、21。管23、24、25在宽度方向W上从流入侧26到流出侧27横向于脊19、20和通道18、21延伸，并且被夹在顶部与底部换热基板16、17的相对的脊与通道19、18之间。管23、24、25穿过壳体构件35、36的交叠的侧壁32、33中的狭缝28、29、30。每个狭缝28、29、30具有V形端部37、38，管23-26在自动定位期间被接收在V形端部37、38中并取向。管23、24、25被钎焊到狭缝28-30中，以在壳体构件35、36内形成气密封装。侧壁32、33通过在交叠位置沿着它们的周边钎焊而以气密方式接合。

将换热基板16、17抵靠侧壁33的下边缘铜焊，使得波纹部分能够相对于壳体构件35、36滑动，同时牢固地保持就位。

图3显示了管40、41、42经由狭缝44、45、46穿过侧壁33的细节，狭缝44、45、46具有带有倾斜边缘47、48的V形端部。管40、41、42在宽度方向W上沿着起伏路径延伸，与换热基板17热传导接触。在侧壁33的位置处，管8沿着直线延伸，以允许在插入狭缝44、45、46中时容易处理，并允许容易且准确的自动定位。

图4显示了下壳体构件36和换热基板17的透视图，其中管8由侧壁33、34支撑并从流入侧26延伸到流出侧27。在所示的布置中可以容纳数量30-500根管。管的起伏路径引起在长度方向L上、在管的上方和下方流过换热基板的通道的气体的湍流，以改善热传递。

图5显示了通道20、21的宽度C以及带起伏的管8的幅度D和周期T。仔细调整C、D和T的值，以实现在F方向流过通道20、21的气体的最佳传热，以及以交叉流动方式流过管8的流体物质的最佳传热。C:D:T可以是大约1:1:5。

图6显示了流过上和下换热基板16、17的通道同时通过管8的上方和下方的气体的流动。湍流流型导致良好的换热性能。

图7显示了内燃发动机组件41，其具有带有四个气缸43的内燃发动机42。燃料入口44向气缸43供应燃料，该燃料可以包含生物乙醇，例如是E10形式。

涡轮增压器48压缩从进气口49供应的空气，并将进气输送通过冷却器45到达进气歧管51，用于供应到气缸43。已经在气缸43中燃烧的燃料的废气经由排气歧管52离开发动机42，并流过排气管道56以驱动涡轮增压器48。在通过涡轮增压器48之后，废气经由管道53流入集成的催化转化器/燃料重整器单元54，催化转化器/燃料重整器单元54由如图1至图4所示的堆叠的换热模块形成。经由排气管道56，废气传到乙醇蒸发器57，并从那里经由排气管道58传到排气尾管，以排出到环境中。

泵63连接到水/乙醇箱64，并将水和乙醇从箱64供应到蒸发器57。在蒸发器57处，处于环境温度的水/乙醇与废气进行换热接触。在蒸发器57中产生的乙醇蒸气和水蒸气经由管道61供应到预热器/冷却器单元75。

预热的水蒸气和乙醇蒸气混合物从单元75通过管道76供应到集成的催化转化器/燃料重整器单元54。在管道76，水和蒸气流过重整器单元54的如图1-4所示的管8以被重整为合成气。废气流过换热基板的通道。管8可以涂覆有PGM以激活重整过程。管的涂层可具有与换热基板的涂层不同的PGM的技术规格，其形成用于从废气中去除NOx和碳氢化合物的TWC。

废气在重整器单元54中从管道53流过如图1和图2所示的顶部和底部换热基板6、7；16、17的通道20、21。

在集成的催化转化器/燃料重整器单元54中形成的合成气经由合成气出口管道77输送通过预热器/冷却器单元75，并通过与在单元75的入口处供应的水/乙醇蒸气进行换热接触来预热水和乙醇。

经由出口管道80和减压阀81，合成气被供应到连接于气缸43的进气歧管85。