CN100565077C - 波浪形螺旋凹槽换热管及其换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波浪形螺旋凹槽换热管及其换热器，在换热管表面设置有向管内凸起的螺旋凹槽，换热管管体沿长度方向两端为直管段，中间段为波浪形弯曲管段；所述的波浪形是换热管截面中心沿水平轴线上下弯曲、且上下最大弯曲幅度相同；本发明与现有技术相比：1.换热管的弯曲设置使得流体在弯曲的流道中受迫不断改变流动方向，促进了流体的湍流流动；2.对管外冷却剂的流动也具有加强流动和促使混合充分均匀的效果；3.在不增加换热器长度的前提下增加了换热管的长度；4.本发明比现有技术的换热器换热效率提高5-10%。本发明尤其适于汽车发动机废气再循环冷却器，以减少汽车尾气污染物的排放，或作为发动机涡轮增压中冷器以提高发动机的性能。

Description

波浪形螺旋凹槽换热管及其换热器

技术领域

本发明涉及热交换器，特别涉及波浪形螺旋凹槽换热管及其换热器，该换热器尤其适于应用到汽车发动机废气再循环冷却系统中，以减少汽车尾气污染物的排放，或作为发动机涡轮增压中冷器以提高发动机的性能。

背景技术

换热器的应用历史悠久，但仍处于不断的改进和发展中。换热器在石油化工、机械制造、炼油、冶金、轻工、制药、食品等行业的应用占全部工艺设备投资的40％～60％，因此新型换热器随着科技的进步而不断涌现。在汽车领域，发动机废气再循环冷却系统用冷却器也在不断的改进，以适应日益严格的汽车尾气排放的标准。

废气再循环冷却器的应用是汽车制造行业降低汽车尾气排放的有效措施之一。废气再循环冷却技术是将汽车发动机所排放的部分废气通过冷却器冷却后再次回传到发动机燃烧室，与新鲜空气进行充分混合后燃烧、循环再利用废气的一种技术。针对氮氧化合物(NOx)的生成条件是高温富氧这一特性，该技术的应用有效降低NOx的生成；废气中含有大量比热较高的氮气、二氧化氮和水蒸气，温度较低的废气的引入一方面使混合气热容量增大，使得相同量的混合气升高同样温度所需的热量增加，从而有效偏离了NOx的高温生成区；另一方面废气对新鲜空气的稀释也相应降低了氧气的浓度，从而有效地抑制NOx的生成。因此在废气再循环系统中，设置高效的废气再循环冷却器可以使汽车的尾气排放量满足严格法规的要求。

目前，如何在有限的汽车发动机空间内不增大换热器尺寸的情况下，提高换热器的工作效率，人们在换热管结构以及换热管在换热器中的布局采取了许多技术改进，包括中国专利号93228596.1公开的“缩放式换热管”所述的是管的直径大小不一，中国专利号96235149.0公开的“球面形凹凸换热管”所述的是在光滑的换热管表面顺序排列凹坑，上述专利的目的都是增加流体在换热管中的换热面积以及增加流体在换热管内的扰动以提高换热管的换热效率；但是上述换热管结构还不能充分的对流体进行散热，随着世界各国汽车排放法规的日益严格，对换热管和换热器的结构还需不断的改进。

发明内容

本发明的目的是为了提高换热器的换热效率而提出的一种波浪形螺旋凹槽换热管及其换热器的技术方案，该换热器尤其适于作为汽车发动机系统中的废气再循环冷却器或涡轮增压中冷器。

本发明技术方案是：

一.波浪形螺旋凹槽换热管，在换热管表面设置有向管内凸起的螺旋凹槽，其特征在于，所述的换热管管体沿长度方向两端为直管段，中间为波浪形弯曲管段；所述的波浪形是换热管截面中心沿与直管段轴线重合的水平轴线上下弯曲、且上下最大弯曲幅度相同；所述波浪形弯曲管段的弯曲弧线与所述两端直管段轴线夹角在45至60度之间。

所述两端直管段的轴线与所述水平轴线重合。

所述换热管波浪形弯曲管段是正弦波浪形弯曲管段。

所述波浪形弯曲管段的弯曲弧线与直管段轴线夹角是45度。

所述波浪形弯曲管段弯曲轴线波峰与所述两端直管段轴线的偏心距小于换热管管径的二分之一。

所述换热管的截面形状为圆形。

所述换热管的截面形状为高度与宽度不等的扁状。

二.波浪形螺旋凹槽换热管换热器，包括：壳体、换热管和管板；所述管板设置在壳体一端或两端，所述换热管管口焊接在管板上与之对应的固定孔中，换热管与壳体侧表面平行；其特征在于，在换热管表面设置有向管内凸起的螺旋凹槽，所述的换热管管体沿长度方向两端为直管段，中间为波浪形弯曲管段；所述的波浪形是换热管截面中心沿与直管段轴线重合的水平轴线上下弯曲、且上下最大弯曲幅度相同；所述波浪形弯曲管段的弯曲弧线与所述两端直管段轴线夹角在45至60度之间。

所述换热管的截面形状为高度与宽度不等的扁状，且换热管双管为一组，双管排列角度一致，相邻的组与组之间相互垂直排列。

所述管板设置在壳体的一端，所述换热管形状为U形。

所述换热管分为第一管程和第二管程设置，第一管程的出口端与第二管程的进口端，通过固定在壳体一端管板上的封头相互贯通连接，所述换热管在各管程中平行排列，所述第一管程的换热管的数量多于第二管程的换热管的数量。

本发明与现有技术相比：

1.本发明波浪形换热管的弯曲设置使得流体在弯曲的流道中受迫不断改变流动方向，促进了流体的湍流流动、分离或破坏边界层，从而强化了传热；与换热管上螺旋凹槽的设计相结合，进一步促使流体在管内产生强烈的湍流运动，使得污垢在管内遭到了激烈的冲蚀，不易结垢，利于清洗，降低了换热器维护成本。

2.本发明不仅促进了管内流体的扰动，同时对管外冷却剂的流动也具有加强流动和促使混合充分均匀的效果。

3.本发明在不增加换热器长度的前提下增加了换热管的长度，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；在废气再循环冷却系统中应用该换热器，有效的降低汽车废气中氮氧化合物的排放，为发动机废气再循环制冷系统与动力系统有机的整合为一体提供了技术平台。

4.本发明比现有技术的换热器换热效率提高5-10％。

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是波浪形换热管的结构示意图；

图2是截面形状为圆形的波浪形螺旋凹槽换热管的立体图；

图3是截面形状为扁状的波浪形螺旋凹槽换热管的立体图；

图4是截面形状为扁状的波浪形螺旋凹槽U形换热管的立体图；

图5是截面形状为扁状的波浪形螺旋凹槽U形换热管的U形处无螺旋凹槽和波浪形的立体图；

图6是椭圆形扁状换热管的端面形状示意图；

图7是矩形扁状换热管的端面形状示意图；

图8是两个相对的短边为由内向外呈弧形凸起的扁状换热管的端面形状示意图；

图9是两个相对的短边和长边为由内向外呈弧形凸起的扁状换热管的端面形状示意图；

图10是应用截面形状为圆形带螺旋凹槽的波浪形换热管的换热器示意图；

图11是应用截面形状为扁状带螺旋凹槽的波浪形换热管平行排列的换热器示意图；

图12是应用截面形状为扁状带螺旋凹槽的波浪形换热管呈一定的角度倾斜设置的换热器示意图；

图13是应用截面形状为扁状带螺旋凹槽的波浪形换热管双管组合排列的换热器示意图；

图14是应用截面形状为扁状的波浪形螺旋凹槽U形换热管的换热器示意图；

图15是应用截面形状为扁状带螺旋凹槽的波浪形换热管的双管程换热器示意图。

具体实施方式

实施例1：

参见图1一种波浪形螺旋凹槽换热管，在换热管管体沿长度方向两端为直管段1，中间为波浪形弯曲管段2，在换热管表面设置有向管内凸起的凹槽3，所述的波浪形是换热管截面中心7沿与直管段轴线5重合的水平轴线6上下弯曲、且上下最大弯曲幅度相同；波浪形弯曲管段2的弯曲弧线与换热管两端直管段轴线5的夹角4小于60度；试验证明当弧形弯曲管段2的弯曲弧线与直管段轴线5的夹角4大于60度时，虽然换热管的换热效率有所增加，但是相应的阻力特性增加的更快，对换热管的整体性能的影响是降低的故不予考虑。

波浪形螺旋凹槽换热管两端直管段轴线5与波浪形弯曲管段2的水平轴线6重合，利于换热管在换热器中的排列。

为了使流体在管中的流动顺畅，波浪形弯曲管段2的波浪是平滑的弧形曲线，本实施例波浪形弯曲管段2的波浪形是正弦波浪形曲线。

为了实现波浪形螺旋凹槽换热管的最佳换热效果，除了限制弧形弯曲管段2的弯曲弧线与换热管两端直管段轴线5的夹角4小于60度，而且弧形弯曲管段2的弯曲轴线波峰8与两端直管段轴线5的偏心距即偏离距离小于换热管管径的二分之一，其目的是保证波浪形螺旋凹槽换热管与无波浪形螺旋凹槽换热管在换热器中设置的数量相同，进而实现在不改变换热器尺寸的前提下使用波浪形螺旋凹槽换热管，提高换热器的换热效率；本实施例换热管直径为10mm，波浪形弯曲管段2的弯曲轴线波峰8与两端直管段轴线5的偏心距是4.5mm。

波浪形螺旋凹槽换热管的特殊设计，使得管内流体受到了螺旋凹槽和波浪形弯曲通道的双重作用，流体在弯曲的流道中不断改变流动方向，促进了流体的湍流流动，分离、减薄和破坏了边界层，从而强化了传热。换热管的两端为直管段1，这样的设计使得换热管焊接在管板上与之对应的孔上时，易于加工，结构更合理、紧固。

实施例2：

参照实施例1的一种波浪形螺旋凹槽换热管，本实施例为一种波浪形弯曲管段2的弯曲弧线与直管段轴线5的夹角4是30度的波浪形螺旋凹槽换热管。

实施例3：

参照实施例1的一种波浪形螺旋凹槽换热管，本实施例为一种波浪形弯曲管段2的弯曲弧线与直管段轴线5的夹角4是45度的波浪形螺旋凹槽换热管。

实施例4：

参见图2，参照实施例1的一种波浪形螺旋凹槽换热管，其换热管的截面形状可以有多种，本实施例换热管的截面形状为圆形。

实施例5：

参见图3，图6至图9和参照实施例1的一种波浪形螺旋凹槽换热管，其换热管的截面形状为高度与宽度不等的扁状管，例如：图6所示，截面形状为椭圆，且椭圆形的长轴和短轴的比值小于四；或，例如：图7所示，截面形状为矩形，且相邻的两边之间为圆弧过渡的换热管；或图8所示，两个相对的短边为由内向外呈弧形凸起，且与长边为圆弧形过渡连接，这样的设置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；或图9所示，两个相对的短边和长边也同时设置为呈由内向外凸起的弧形，即将换热管的四个表面均设置成由内向外呈弧形凸起的圆弧面；长边的圆弧半径远远大于短边的半径，这样可以避免长边出现表面“塌陷”的现象；且波浪形弯曲管段2的弧形弯曲在扁状管的长边形成。

扁状带螺旋凹槽换热管的几何中心与管壁的距离比圆形螺旋凹槽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，流体在管内的扰动更为强烈，也就增强了换热效果，从而管内流体的温度下降的快，进出口的温差增大，提高了换热效率。

实施例6：

参见图4，图6至图9和参照实施例1的一种波浪形螺旋凹槽换热管，其换热管的截面形状为高度与宽度不等的扁状，形状为U形；U形管的设计迫使得流体沿着弯曲流道改变情况，进一步加强了流体的流动状况，而且增大了管内外流体之间的换热面积，使得换热效率相应的得到提高。

实施例7：

参见图5，图6至图9和参照实施例1的一种波浪形螺旋凹槽换热管，其换热管的截面形状为高度与宽度不等的扁状，形状为U形，在U形换热管的U形处无螺旋凹槽和弯曲波浪。

实施例8：

参见图10，一种波浪形螺旋凹槽换热管换热器，包括：壳体9、换热管10和管板11；管板11设置在壳体9的两端，换热管10的两端管口焊接在管板11上与之对应的固定孔中，且与壳体9侧表面平行；其中，换热管10为实施例1所述的结构形式和实施例4所述的截面形状为圆形的换热管。

这种波浪形换热管10顺序平行的排列在换热器的壳体9中，并且，在不改变换热器尺寸的前提下使用波浪形螺旋凹槽换热管，延长了换热管的长度，结构紧凑，对管内外流体的流动都起到了加强的作用，从而强化了整个换热器的换热效率，提高了换热效率。

实施例9：

参见图11，一种波浪形螺旋凹槽换热管换热器，包括：壳体9、换热管10和管板11；管板11设置在壳体9的两端，换热管10两端管口焊接在管板11上与之对应的固定孔中，且与壳体9侧表面平行；其中，换热管10为实施例1所述的结构形式和实施例5所述的截面形状为高度与宽度不等的扁状换热管，且在换热器中平行排列。

扁状波浪形螺旋凹槽换热管的特殊设计，使得管内流体在弯曲的流道中不断改变流动方向，流体在波浪形管内，除了受到螺旋凹槽的引导作用，在管内沿凹槽做旋转运动，另外在波浪形管的弯曲部位，流体的整体流动趋势还要沿着弯曲通道发生变化，流体流动方向的改变，相互之间发生强烈的碰撞，促进了流体的湍流流动、分离、减薄和破坏了边界层，从而强化了传热，促进了管内外流体之间的传热作用；换热管外流体的流动同样受到了波浪形管特殊结构的影响，管外的螺旋凹槽和弯曲的形状对冷却剂的流动起到了引导作用，使得冷却剂的混合更加充分，扰动的增强同样使流体的湍流程度加大；在管内外流体都增强的情况下，流体之间的换热效果明显的增强，换热效率得到很大提高。

实施例10：

参见图12，一种波浪形螺旋凹槽换热管换热器，包括：壳体9、换热管10和管板11；管板11设置在壳体9的两端，换热管10两端管口焊接在管板11上与之对应的固定孔中，且与壳体9侧表面平行；换热管10为实施例1所述的结构形式和实施例5所述的截面形状为高度与宽度不等的扁状换热管，且扁状换热管在换热器中其端面与壳体9侧面呈一定的角度倾斜设置、本实施例倾斜角度为30度，平行排列。

扁状换热管在壳体中的排列方式呈一定的角度倾斜设置，相邻两列管束呈对称分布的方式排列，这种布置方式使得管外冷却剂流动加剧，从而使换热量增加。

实施例11：

参见图13，一种波浪形螺旋凹槽换热管换热器，包括：壳体9、换热管10和管板11；管板11设置在壳体9的两端，换热管10两端管口焊接在管板11上与之对应的固定孔中，且与壳体9侧表面平行；换热管10为实施例1所述的结构形式和实施例5所述的截面形状为高度与宽度不等的扁状换热管，且换热管双管为一组排列角度一致，组与组相互垂直、平行排列；这种布置方式使得管外冷却剂流动加剧，从而使换热量增加。

实施例12：

参见图14，一种波浪形螺旋凹槽换热管换热器，包括：壳体9、换热管10和管板11；管板11设置在壳体9的一端，换热管10两端管口焊接在管板11上与之对应的固定孔中，且与壳体9侧表面平行，壳体9中设置折流板13以加强管外流体的扰动；换热管10为实施例1所述的结构形式和实施例6所述的截面形状为高度与宽度不等的扁状、形状为U形的换热管，且在换热器中平行排列。

形状为U形的换热管在换热器中的设置使得换热器流体的进、出口在一个端板上，U形换热管延长了流体的换热长度，从而使出口的废气温度得到进一步的下降；弯曲处设置螺旋凹槽不仅使废气流经弯管处改变方向，而且受到螺旋凹槽的引导作用，使得湍流强度增加，有效地避免了污垢的聚集。如果使用实施例7在U形处无螺旋凹槽和弯曲波浪的U形换热管，则在U形处废气可以沿着U形处的通道迅速改变方向，而且这种形式便于加工制造。

实施例13：

参见图15，一种波浪形螺旋凹槽换热管换热器，包括：壳体9、换热管10和管板11；管板11设置在壳体9的两端，换热管10两端管口焊接在管板11上与之对应的固定孔中，且与壳体9侧表面平行，壳体9中设置折流板13以加强管外流体的扰动；换热管10为实施例1所述的结构形式和实施例5所述的截面形状为高度与宽度不等的扁状换热管，且在换热器中的换热管分为第一管程14和第二管程15设置，第一管程14的出口端与第二管程15的进口端，通过固定在壳体9一端管板11上的封头12相互贯通连接；截面形状为扁状换热管在各管程中平行排列；第一管程14的换热管的数量多于第二管程15的换热管的数量。

发动机的废气出口端与第一管程14的废气进口端相连，第一管程14的废气出口端与第二管程15的废气进口端，通过固定在壳体9上的封头12相互贯通连接，第二管程15的废气出口端与发动机进气口相连；且第一管程14换热管的数量大于第二管程15换热管的数量；封头12呈弧形曲面以利于废气的流动。

在本实施例中，从发动机出来的废气先流过第一管程14的换热管，而后流过第二管程15的换热管，流体在两个管程的流动呈“U”形的回路。废气经过换热管后，冷却前后的温度可以相差几百度，气体的密度ρ在高温和低温时有一定的差距，因此将气体的密度变化考虑到换热器的设计中，则流体在不同管程的质量流量Q_M保持不变前提下，废气在通过第一管程14时的温度比通过第二管程15时的温度要高，那么废气在第一管程14时的密度ρ₁比在第二管程时的密度ρ₂低，即ρ₁≤ρ₂，根据流体力学公式Q_M＝ρ₁A₁v₁＝ρ₂A₂v₂＝con tant可知，为了保证流体在不同管程中的平均流动速度v和阻力损失情况大致相同，则第一管程的流通面积要大于第二管程的流通面积，即A₁≥A₂。所以第一管程14的换热管的数量多于第二管程15的换热管的数量。这样即保证了在相同的质量流量下，第一管程14的换热管数量有所增加，阻力有所下降，第二管程15的换热管数有所减少，速度有所提高，则换热效果有所增强，最终使换热器达到较高的换热效率，同时也减少了换热管使用的数量，节省了材料。

以上只是显示了本发明的几种典型的波浪形螺旋凹槽换热管和应用波浪形螺旋凹槽换热管的换热器中的几种布置方式，采用波浪形换热管与不采用波浪形螺旋凹槽换热管换热器相比换热效率提高5％到10％；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及壳体的形状和冷却剂进出口的位置都可以修改；波浪形换热管的应用对管内外流体的扰动都有所加强，提高了换热器的换热效果，从而提高汽车发动机的排放性能指标，满足日益严格的环保法规的排放要求。

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，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如壳体的外形、换热管的截面形状、所述连续或断续凹槽的数目等)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.波浪形螺旋凹槽换热管，在换热管表面设置有向管内凸起的螺旋凹槽，其特征在于，所述的换热管管体沿长度方向两端为直管段，中间为波浪形弯曲管段；所述的波浪形是换热管截面中心沿与直管段轴线重合的水平轴线上下弯曲、且上下最大弯曲幅度相同；所述波浪形弯曲管段的弯曲弧线与所述两端直管段轴线夹角在45至60度之间。

2.根据权利要求1所述的波浪形螺旋凹槽换热管，其特征在于，所述两端直管段的轴线与所述水平轴线重合。

3.根据权利要求1所述的波浪形螺旋凹槽换热管，其特征在于，所述换热管波浪形弯曲管段是正弦波浪形弯曲管段。

4.根据权利要求1所述的波浪形螺旋凹槽换热管，其特征在于，所述波浪形弯曲管段的弯曲弧线与直管段轴线夹角是45度。

5.根据权利要求1所述的波浪形螺旋凹槽换热管，其特征在于，所述波浪形弯曲管段弯曲轴线波峰与所述两端直管段轴线的偏心距小于换热管管径的二分之一。

6.根据权利要求1所述的波浪形螺旋凹槽换热管，其特征在于，所述换热管的截面形状为圆形。

7.根据权利要求1所述的波浪形螺旋凹槽换热管，其特征在于，所述换热管的截面形状为高度与宽度不等的扁状。

8.波浪形螺旋凹槽换热管换热器，包括：壳体、换热管和管板；所述管板设置在壳体一端或两端，所述换热管管口焊接在管板上与之对应的固定孔中，换热管与壳体侧表面平行；其特征在于，所述换热管为权利要求1所述的波浪形螺旋凹槽换热管。

9.根据权利要求8所述的波浪形螺旋凹槽换热管换热器，其特征在于，所述换热管的截面形状为高度与宽度不等的扁状，且换热管双管为一组，双管排列角度一致，相邻的组与组之间相互垂直排列。

10.根据权利要求8所述的波浪形螺旋凹槽换热管换热器，其特征在于，所述管板设置在壳体的一端，所述换热管形状为U形。

11.根据权利要求8所述的波浪形螺旋凹槽换热管换热器，其特征在于，所述换热管分为第一管程和第二管程设置，第一管程的出口端与第二管程的进口端，通过固定在壳体一端管板上的封头相互贯通连接，所述换热管在各管程中平行排列，所述第一管程的换热管的数量多于第二管程的换热管的数量。

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