CN100489436C - 一种应用交叉螺旋管的换热器 - Google Patents

Abstract

本发明一种应用交叉螺旋管的换热器，涉及一种发动机的废气再循环热交换器。为改进发动机废气再循环热交换器，提高热交换效率。交换器包括换热管、壳体和管板。其中所述换热管为表面具有向内凸起的交叉螺旋凹槽的不锈钢管体，且所述管体的截面形状为扁状。扁状换热管截面形状的高度与宽度不相等，且旋转方向相反的螺旋线在管体相对的长边处交叉，呈“X”状。由于本发明中交叉螺旋换热管的应用，使管内外均不易结垢，并且提高了换热效果。所述换热器尤其适用于汽车发动机的废气再循环冷却装置，降低废气排放温度，提高尾气的排放性能指标，满足日益严格的环保要求。同时，本发明也可应用到涡轮增压系统中，提高发动机的性能。

Description

一种应用交叉螺旋管的换热器

技术领域

本发明一种应用交叉螺旋管的换热器，涉及一种发动机的废气再循环热交换器，是一种发动机的进、排气附加装置，是一种换热管与热交换介质的通道横交的热交换器。

背景技术

换热器在石油化工、机械制造、炼油、冶金、轻工、制药、食品等行业应用极为普遍，占全部工艺设备投资的40％～60％，因此换热器的发展对这些行业有很大的影响。由于能源与材料费用的不断增长，大大地推动了高效节能换热器的发展。在汽车制造行业，随着世界各国对汽车尾气排放标准的要求越来越严格，汽车废气再循环冷却装置中的换热器的优化设计将起到重要作用。

废气再循环冷却技术是把换热器应用到废气再循环系统中，将汽车发动机所排放的部分废气通过废气再循环冷却器进行冷却后，重新回传到发动机的燃烧室中循环再利用，这样既引入了不活性气体到燃烧室，降低燃烧室内氮气的含量，又可以降低燃烧室的温度，由于氮氧化合物的生成是与燃烧峰值及氧气含量密切相关的，采用废气再循环冷却技术从而抑制氮氧化合物生成和排放。其中，换热器是废气再循环冷却系统中的关键元件，其换热效率的高低决定了再循环废气的温度高低，因此，在保证发动机性能不降低的前提下，提高废气再循环冷却器的换热效率对汽车行业尤为重要，同时提高换热器的换热效率是设计换热器时首要目的。

目前，汽车发动机废气再循环系统中常用的换热器有两大类。

第一类是管壳式换热器，就是在一个圆形壳体内布置许多平行的管子(称这些平行的管子为管束)，温度高的废气走管程，而冷却剂则走壳程，通过管壁两种流体进行热量的交换；通常会在壳侧装置与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，以提高壳程流体的流速并增强扰动，提高换热效率。此类换热器结构简单，但换热效率不太高。

目前，主要在这种换热器中设置一种表面带有向内凸起的螺旋凹槽的圆形换热管，换热效率相对提高了很多，但是随着汽车排放标准的要求日益严格，这种换热器的换热效果已逐渐不能满足要求，本发明的设计中应用了管壳式换热器结构简单的优点。

第二类是板翅式换热器，隔板、翅片及封条三部分是板翅式换热器的基本单元，冷、热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换，翅片能起到管板间距并增强刚度的作用。此类换热器结构紧凑、换热效率高，但结构复杂，制造成本高。本发明设计中应用了板翅式换热器结构紧凑的优点。

总之，为提高发动机的排放性能指标，使废气再循环冷系统具有较高的换热效率，是热交换器的改造关键。

发明的内容

本发明的目的就是设计一种应用交叉螺旋管的换热器，为改进发动机废气再循环热交换器，提高交换效率，以较少氮氧化合物的排放量，满足日益提高的环保要求；同时本发明也适于作为涡轮增压系统的中冷器，以提高发动机的性能。

本发明的目的是这样实现的：一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器包括：壳体、换热管、管板；换热管以一定的方式排列并固定在壳体的管板上，且轴线相互平行，所述换热管的截面形状为特殊的扁状，其高度与宽度不相等，截面由两个相对的长边和两个相对的短边组成，所述长边为由内向外凸起的弧线或直线，所述短边也为由内向外凸起的弧线或直线，长边和短边圆滑的相连；所述换热管管体的外表面具有两条连续的向内凹进的螺旋方向相反的螺旋凹槽，两凹槽相交处呈“X”状，而管体的内表面具有与外表面凹槽相对应的凸起的交叉螺旋凸起，管体的两端为光滑段。

所述换热管的两端焊接固定在壳体中的管板上，且管体放置均与壳体侧壁平行。所述换热管由旋转方向相反的螺旋凹槽组成，相交处呈“X”状。所述换热管的长边和短边都由圆弧组成，且长边圆弧半径比短边圆弧半径大很多，四条圆弧圆滑的相连。所述换热管的长边和短边都由直线组成，长边和短边通过圆弧倒角连接。所述换热管的长边为直线，短边为半圆弧所述换热管的截面形状呈椭圆形，且长轴和短轴的比值不大于4。所述螺旋升角为20～75度。所述凹槽深度大于0.4mm。壳体的形状为矩形、圆形、方形等形式。所述换热管的端面在换热器的管板上以一定的角度或相互垂直设置，即采用顺排、错排或顺排和错排同时使用的方式布置换热管。所述换热器壳体中根据需要设置折流板。

本发明的有益效果是：由于使用了交叉螺旋凹槽换热管，当废气通过换热管在管内流动时，受交叉螺旋槽纹的引导，靠近壁面沿轴向交叉运动，同时交叉螺旋形的凸起也使交叉运动的流体产生周期性的相互扰动，管内流体基本以紊流为主，产生效果是热交换效率的提高，管中的废气更快冷却，换句话说在换热器出口的气体温度更低，可以产生更好的废气利用效果。本发明既具有传统的管壳式换热器的结构简单方便，适应性强，处理能力大，工作可靠等优点，又具有板翅式换热器的结构紧凑，体积小、传热效率高等特点，这种换热器尤其适用于废气再循环冷却器，提高发动机的排放标准。同样也可以作为涡轮增压中冷器，提高增压效率，从而使汽车发动机的性能提高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

附图说明

图1为本发明第一实施例的立体结构示意图；

图2为本发明第一实施例管板处的截面形状示意图；

图3为本发明所采用的截面形状为扁状的交叉螺旋凹槽换热管的立体结构示意图；

图4为图3所示换热管的第一种截面形状下的示意图；

图5为图3所示换热管的第二种截面形状下的示意图；

图6为图3所示换热管的第三种截面形状下的示意图；

图7为图3所示换热管的第四种截面形状下的示意图；

图8为本发明第二实施例的立体截面示意图。

具体实施方式

实施例一：

图1、2所示分别为本发明第一实施例的立体结构示意图及管板处的截面形状示意图。图中的序号表示的是：1.壳体，2.换热管，3.管板。如图1所示，当换热器的壳体1为矩形截面，扁状交叉螺旋凹槽换热管2在壳体1中的一种布置方式；换热管2紧凑的布置在壳体1中，且换热管2的按照平行和竖直的两种方式交错排列在壳体中，换热管2的管口两端焊接固定在壳体两端的管板3上。扁状交叉螺旋管的应用以及如图1所示的布置方式，不仅增强管内流体的流动强度，管外冷却剂的流体的扰动也得到了加强，使管内外均不易结垢，从而也提高了管内外流体的换热情况。

换热管设置旋转方向相反螺旋线，相交处呈“X”状，螺旋槽在外表面向内凹，内表面凸起，其形状与凹槽形状相对应。当管体的截面形状为扁状时，两条螺旋线交叉的地方在相对的长边处。螺旋升角为20～75度。所述凹槽深度大于0.4mm。

换热器的壳体，其外形可以是矩形、圆形、方形等形状。换热管根据壳体的形状，轴线相互平行，以顺排、错排或者顺排和错排共同使用的方式布置在管壳中。换热管的两端固定在壳体中的管板上，且换热管的端面在换热器的管板上以一定的角度或相互垂直设置，换热管轴线相互平行排列固定在壳体中。

本发明应用交叉螺旋凹槽换热管，可以在传热过程中明显提高管内外的传热系数，起到双边强化的作用，与传统换热器所采用的管子相比有很大的优势。其强化传热的机理为：当废气进入换热管时，由于交叉螺旋的引导作用，使得进入管内流体沿对称的方向发生旋转运动，形成了旋流层，同时产生复杂的二次流，沿槽纹做旋转运动且方向不同的流体和沿轴向运动的流体均在螺旋相互交叉的地方汇合，发生碰撞，流体的扰动明显增强，不仅减薄和破坏了流体的边界层，使管内外流体的换热能力提高，同时也使得中心流体与靠近管壁的流体之间产生置换作用，使管内流体与管外流体的换热效果增强，且有效的降低了整个流场的温度值，提高换热管的能力，进而增加废气再循环冷却器的换热效率。同时，流体扰动的增强使得临界雷诺数降低，即从层流向湍流的转变提早发生，管内流体产生强烈旋转运动，对换热管壁有较强地冲刷作用，以及螺旋槽管本身具有热补偿能力，热胀冷缩，管壁不易结垢，而且，即使结垢，清垢也比较方便。此外，这种交叉的凸肋增强了换热管的机械强度。

同时，本发明以节省成本提高性能作为出发点，为发动机废气再循环冷却系统与动力系统有机的整合为一体提供了技术平台，大大节省了发动机空间及体积，有效地缩减了不必要的设置，在提高发动机性能的同时，极大地为制造者节省制造成本。

图3所示为本发明所采用的截面形状为扁状的交叉螺旋凹槽换热管的立体结构示意图；如图所示，管体的截面形状为扁状，截面由两个相对的长边和两个相对的短边组成，其中，所述长边为由内向外凸起的弧线或直线，所述短边也为由内向外凸起的弧线或直线，长边和短边圆滑的相连；换热管的管体的外表面具有向内凹进的相互交叉的螺旋凹槽，而管体的内表面具有与外表面凹槽相对应的交叉螺旋凸起，螺旋凹槽交叉处呈“X”状，管体的两端为光滑段；螺旋凹槽的截面形状可以设置为“U”形、“V”形或圆弧形，利于小尺寸形面的生成；凹槽螺旋升角设计为20～75度之间；凹槽深度不小于0.4mm。交叉螺旋凹槽管的这种设置能使流体在管内产生充分的紊流；同时，为了确保经济使用，简化加工难度，故将截面所有锐角均设计为圆弧过渡，使所有表面均能进行充分良好地换热，彻底消除了热交换死角。

图4为图3所示扁状交叉螺旋凹槽换热管的截面示意图。图中序号所表示的是：21.螺旋凹槽，22.凹槽交叉处，23.截面长边，24.截面短边。为了充分利用换热管的表面来实现最大效率的热交换，且易于生产加工，本实施例将换热管管体有螺旋凹槽21情况下，其截面长边23和截面短边24均设置成弧形，且截面长边与截面短边圆滑的相连。如图4所示，截面长边的圆弧半径远远大于短边的半径，这样不会出现表面“塌陷”的现象。

废气再循环冷却器中布置截面形状为扁状螺旋换热管与目前所采用的圆形螺旋换热管相比。首先，在保证冷却器的体积和废气流量不变的前提下，也就是换热管截面面积不变的情况下，扁状管的截面周长肯定大于圆管的截面周长，从而扁状管的换热面积大于圆管的换热面积，进而提高了整个换热器的换热面积，使换热器达到了较高的换热效果。

实施例二：

本实施例中的换热管的截面形状是另一种扁圆形，如图5所示。本实施例与上述图4所述实施例一的区别在于不锈钢管体的截面形状呈扁平状，两个相对的长边为直线，相对的短边由内向外呈弧形凸起的半圆弧面，这样的设置，可以提高换热效率。

废气再循环冷却器中所布置的扁状螺旋换热管不仅比圆管的换热面积有所增加，且对管内流体的扰动起到加强的作用。因为扁状管相对于圆管来说不是中心对称的形状，扁状螺旋管的几何中心与管壁的距离比圆形螺旋管与管壁的距离要小，管内的大部分流体可以参与换热，且扁状管的形状使得流体的扰动增强，换热效果增强，从而管内流体的温度下降的要快，进出口的温差增大，换热效率提高。

实施例三：

图6为本实施例中的换热管剖面图。本实施例是在上述图4所述实施例的基础上的一个变形，将换热管的整个的截面圆滑的连接起来，即为了方面加工，在除去螺旋凹槽的截面形状的情况下，将管体的截面形状设置成椭圆形。

实施例四：

图7为本实施例中的换热管剖面图。本实施例将换热管相邻的两面之间设置半圆弧形过渡连接，该换热管截面除去螺旋凹槽的截面形状，不锈钢管体的截面形状即为矩形，且相邻的两面之间通过圆弧倒角相连；这种设置使得换热效率可以得到有效的增加。

扁状螺旋管的非中心对称性相对于圆形的螺旋管来说，不同的排列方式可以产生不同的效果，因此根据不同的需求，换热管的布置的方式上可以有多种，换热管顺排、错排或者是顺排和错排同时使用，不同的排列方式使得管外冷却剂的流动发生扰动的效果不同，从而也可以加强管内外流体的换热，增强换热器的换热效率。

实施例五：

图8所示为本发明第五实施例的立体图；该实施例是壳体为矩形截面时，扁状交叉螺旋凹槽换热管以一定的角度交错排列的一种布置方式示意图。每列换热管以相同的角度平行排列，且相邻两列管束呈对称分布，换热管的管口两端焊接固定在壳体两端的管板上。这种布置方式充分利用了扁状换热管的优点，由于扁状换热管的非中心对称性，管子的交错排列使得管外冷却剂的扰动加剧，换热效果增强，换热量增加，冷却器的换热效率增加，从而提高汽车发动机的排放性能指标，满足日益提高的更严格的环保排放要求。

以上只是显示了几种典型的扁状交叉螺旋凹槽换热管在双管程换热器中的布置方式，其中关于换热管的长度、数目以及换热管在壳体中的排列方式都可以修改，但不同程换热管的管数则要根据实际情况确定，相差不能太悬殊，也要有一定的差距。

最后所应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如换热管在壳体中的排列方式)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1、一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，包括：壳体、换热管、管板；换热管以一定的方式排列并固定在壳体的管板上，且轴线相互平行，其特征在于：所述换热管的截面形状为特殊的扁状，其高度与宽度不相等，截面由两个相对的长边和两个相对的短边组成，所述长边为由内向外凸起的弧线或直线，所述短边也为由内向外凸起的弧线或直线，长边和短边圆滑的相连，其特征在于：所述换热管管体的外表面具有两条连续的向内凹进的螺旋方向相反的螺旋凹槽，凹槽相交处呈“X”状，而管体的内表面具有与外表面凹槽相对应的凸起的交叉螺旋凸起，管体的两端为光滑段。

2、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：所述换热管的两端焊接固定在壳体中的管板上，且管体放置均与壳体侧壁平行。

3、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：所述换热管的长边和短边都由圆弧组成，且长边圆弧半径比短边圆弧半径大很多，四条圆弧圆滑的相连。

4、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：所述换热管的长边和短边都由直线组成，长边和短边通过圆弧倒角连接。

5、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：所述换热管的长边为直线，短边为半圆弧。

6、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：所述换热管的截面形状呈椭圆形，且长轴和短轴的比值不大于4。

7、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：所述螺旋凹槽的螺旋升角为20～75度。

8、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：所述凹槽深度大于0.4mm。

9、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：壳体的形状为矩形、圆形、方形形式。

10、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：所述换热管的端面在换热器的管板上以一定的角度或相互垂直设置，即采用顺排、错排或顺排和错排同时使用的方式布置换热管。

11、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋凹槽换热管的换热器，其特征在于：所述换热器壳体中设置折流板。

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