CN101059316A - 一种废气再循环换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废气再循环换热器，包括：壳体、换热管；换热管相互平行固定在壳体中；所述换热管截面高度与宽度不相等，形状呈扁状；沿所述换热管外表面设有凹槽，所述凹槽在换热管内表面呈凸起，其形状与凹槽形状相对应，在汽车发动机废气再循环系统中使用本发明，在同等条件下可以降低汽车发动机氮氧化合物的排放量，提高汽车发动机的排放性能指标。本发明同样适用于作为涡轮增压系统的中冷器以提高发动机的性能。与板翅式换热器相比，本发明结构简单，降低了制造成本。由于本发明在换热管内壁设有的螺旋凸起状结构在增强了换热的同时，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。

Description

一种废气再循环换热器

技术领域

本发明涉及换热器，特别涉及一种废气再循环冷却系统用换热器，以减少汽车氮氧化合物的排放量；同样适用于作为涡轮增压系统的中冷器，以提高发动机的性能。

背景技术

热交换器的应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各工业部门。因此热交换器的优化设计对各个行业而言尤为重要。随着世界各国对排放标准越来越严格的要求，汽车废气再循环冷却系统中的换热器至关重要。

废气再循环冷却技术是在众所周知的汽车发动机废气再循环系统中，将汽车发动机所排放的部分废气通过换热器进行冷却循环再利用，经冷却的废气重新回传到发动机的燃烧室中，这样引入了不活性气体(主要是二氧化碳(CO₂))到燃烧室，既可以降低燃烧室内的氮气(N₂)含量，又可以降低燃烧室的温度，燃烧室内较低的温度和较少的氮气(N₂)，既能使燃料充分燃烧又可使氮气(N₂)与氧气(O₂)的反应条件缺乏，从而达到抑制氮氧化合物(NOx)的生成和排放。因此在废气再循环系统中，备有高效的废气再循环换热器可以使汽车的排放量达到较高的标准。

目前，汽车发动机废气再循环系统用的换热器有两大类。

第一类是板翅式换热器，是由很多块薄板和板间的二次表面组成，二次表面既作为肋化面，又能起到管板间距并增强刚度的作用，此类换热器结构复杂、制造成本高。

第二类是管壳式换热器，而管壳式换热器是在一个圆筒形壳体内设置许多平行的管子(称这些平行的管子为管束)，冷热两种流体分别从管内空间(管侧)和管外空间(壳侧)流过进行热量的交换；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，但换热效率较低；目前，基于前一种换热器，在其中设置了一种表面带有向内凸起的螺旋凹槽的横截面为圆形的换热管，换热效率相对提高了许多，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经逐渐不能满足要求了。

发明内容

本发明的目的是为提高换热器的换热效率而提出的一种废气再循环换热器技术方案，该换热器尤其适用于汽车发动机系统中的废气再循环冷却装置或发动机涡轮增压系统的中冷器。

本发明的技术方案是这样实现的，该换热器包括：壳体、换热管；换热管相互平行固定在壳体中；所述换热管截面高度与宽度不相等，形状呈扁状；沿所述换热管外表面设有凹槽，所述凹槽在换热管内表面呈凸起，其形状与凹槽形状相对应。

所述壳体两端设有管板，所述换热管管口焊接在管板上与之对应的固定孔中，且与壳体侧表面平行。

所述凹槽沿换热管外表面呈螺旋式旋转设置。

所述凹槽为一条或多条的连续设置或断续设置。

所述螺旋升角为20～75度。

所述凹槽深度大于0.4mm。

所述换热管根据壳体形状呈环形或方形相互平行顺序排列固定在壳体中。

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、相互平行排列固定在壳体中。

所述换热管在壳体中为顺序排列或交错排列或者是顺序排列和交错排列同时使用。

所述换热器壳体中设置有折流板。

本发明对现有技术的贡献是：1.在同等条件下，即冷却器的体积和热交换介质流量不变的前提下，使用本发明可以提高25～40％的换热效率。2.在汽车发动机废气再循环系统中使用本发明，在同等条件下可以降低汽车发动机氮氧化合物(NOx)的排放量，提高汽车发动机的排放性能指标。3.与板翅式换热器相比，本发明结构简单，降低了制造成本。4.由于本发明在换热管内壁设有的螺旋凸起状结构在增强了换热的同时，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。

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为本发明所使用的截面形状为扁状的螺旋凹槽换热管与传统所使用的截面形状为圆形的螺旋凹槽换热管的换热系数和截面面积关系的实验结果比较曲线图；

图2为本发明所使用的截面形状为扁状的螺旋凹槽换热管与传统所使用的截面形状为圆形的螺旋凹槽换热管的换热系数和热交换介质流速关系的实验结果比较曲线图；

图3截面形状短边为圆弧的扁平状换热管立体视图；

图4截面形状短边为圆弧的扁平状换热管侧视图；

图5截面形状为矩形状的换热管立体视图；

图6截面形状为矩形状的换热管侧视图；

图7截面形状四边均为圆弧形的换热管立体视图；

图8截面形状四边均为圆弧形的换热管侧视图；

图9截面形状为椭圆形的换热管立体视图；

图10截面形状为椭圆形的换热管侧视图；

图11截面形状短边为圆弧的扁平状换热管在圆形壳体中的布置示意图；

图12截面形状为矩形状的换热管在矩形壳体中的布置示意图；

图13截面形状四边均为圆弧形的换热管在矩形壳体中的布置示意图；

图14截面形状为椭圆形的换热管在矩形壳体中的布置示意图。

图15壳体中设置有折流板的换热器示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，图中1为本发明中使用的截面形状为扁状的螺旋凹槽换热管的换热系数与换热管截面面积的关系曲线；3为本发明中使用的截面形状为扁状的螺旋凹槽换热管的换热系数与热交换介质流速的关系曲线；2为圆形截面形状的螺旋凹槽换热管的换热系数与换热管截面面积关系曲线；4为圆形截面形状的螺旋凹槽换热管的换热系数与热交换介质流速的关系曲线。

废气再循环换热器的壳体中布置截面形状为扁状带螺旋凹槽换热管与布置截面形状为圆形带螺旋凹槽换热管相比：首先，在换热管截面面积不变和热交换介质流量不变的前提下，扁状管的截面周长大于圆管的截面周长，所以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，在保证换热器体积不变的前提下，使换热器达到了较高的换热效果；另外，废气再循环换热器中所布置的扁状带螺旋凹槽的换热管不仅比圆管的换热面积有所增加，且扁状管对比圆管，因为扁状管相对于圆管来说不是中心对称的形状，扁状带螺旋凹槽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。

由图1可见：相同流通截面积下，扁状截面形状带螺旋凹槽换热管的换热系数相对圆形截面形状带螺旋凹槽换热管换热系数提高很多。

由图2可见：随热交换介质流速的增大，扁状截面形状带螺旋凹槽换热管换热系数增长较快，而圆形截面形状带螺旋凹槽换热管的换热系数到某一时期较快趋于平稳。

参见图3图4，其中，换热管5为不锈钢管体，表面有一条向内凸起的螺旋旋转凹槽51；换热管5截面形状为扁平状，两个相对的短边52为由内向外呈弧形凸起，且与长边53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；该螺旋凹槽51为一条，也可以是多条；该螺旋凹槽51沿换热管5的表面连续设置，也可以为断续设置；螺旋凹槽51的截面形状为“U”形，也可以设置为“V”形，利于小尺寸形面的生成；凹槽51的螺旋升角54为25度，可以设置在20～75度之间；凹槽51的深度为1mm，设置应不小于0.4mm。

参见图5、图6，换热管5截面形状为矩形，且相邻的两边之间为圆弧过渡连接。其余部分与扁平状换热管相同。这样的结构设置，便于生产加工。

参见图7、图8，该换热管5截面形状在扁平状换热管的基础上，将两个相对的长边53设置为呈由内向外凸起的弧形，即将不锈钢换热管5的四个表面均设置成由内向外呈弧形凸起的圆弧面；长边53的圆弧半径远远大于短边52的半径，这样可以避免长边53出现表面“塌陷”的现象；其余部分与扁平状换热管相同。

参见图9、图10，该换热管的截面形状为椭圆形；其余部分与扁平状换热管相同。

参见图11至图14，

在壳体6的外表面设有冷却剂进出口63，在壳体6的两端设有废气进出接口61，和换热管5的固定管板62，换热管5管口焊接在壳体6两端的管板62上与之对应的固定孔中，且与壳体6侧表面平行；多根扁状带螺旋凹槽的换热管5以不同的排列方式布置在换热器的壳体6内。换热器的壳体6可以依据发动机内部空间有多种形式的外观结构；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5在壳体中的布置的方式上可以有多种，换热管顺序排列、交错排列或者是顺序排列和交错排列同时使用，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，从而加强管内外流体的换热，增强换热器的换热效率；本发明所设计的换热器应用到汽车发动机废气再循环系统中，可以大大提高汽车发动机的排放性能指标，满足日益严格的环保排放要求。作为汽车发动机增压系统的中冷器，可以最大限度提高发动机的功率和扭矩，改善发动机的性能。

在高可靠性、高效率换热器中布置带螺旋凹槽的换热管，当流体通过这种换热管时，遇到管内螺旋凸起部位的阻碍作用，流动方向发生变化，产生复杂的二次流涡旋流动，同时在螺旋凸起的后面也形成了涡旋，增大了废气的湍流度，尤其增大了对近壁区边界层的扰动，破坏或减薄了流体的边界层，从而增强了换热；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，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。

实施例1

参见图11，是当换热器的壳体6为圆形截面时，截面形状为扁平状的换热管5在壳体6中的布置；换热管5紧凑的布置在壳体中，换热器的排列方式即有顺序排列又有交错排列，沿壳体换热管呈环状以一定的角度布置在其中，换热管管口两端焊接固定在壳体6两端的管板62上。这种布置方式即紧凑又能提高换热器的换热效率。

实施例2

参见图12，是换热器的壳体6为矩形截面时，截面形状为矩形状的换热管5在壳体6中的布置；换热管5以一定的角度交错排列，相邻两列管束呈对称分布的方式排列，换热管5的管口两端焊接固定在壳体6两端的管板62上，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3

参见图13，是换热器的壳体6为矩形截面时，截面形状均为圆弧形的换热管在壳体6中的布置。换热管5按照竖直和平行两种方式交错排列在壳体中，换热管5的管口两端焊接固定在壳体6两端的管板62上。这样的布置方式增加了管外冷却剂的扰动，使得管内外的换热效果增强。

实施例4

参见图14，是换热器的壳体1为矩形截面时，截面形状为椭圆形的换热管5在壳体6中的布置。换热管5以顺序排列的方式、管口两端焊接固定在壳体6两端的管板62上。由于这种典型换热管的应用，使得顺排这种常见的管排方式能产生较好的换热效果。

实施例5

参见图15，在壳体中设有折流板7；当壳体较长时适当的设置折流板7即可以起到支撑换热管5的作用，又可以增加管外冷却剂的扰动，使得管内外流体的换热效果得到增强。

以上只是显示了几种典型的换热管在本发明的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和折流板的形状及布局都可以修改；换热管的不同布局可以加强管外冷却剂的扰动，提高换热器的换热效果，从而提高汽车发动机的排放性能指标，满足日益提高的更严格的环保排放要求。

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(比如换热管在壳体中的排列方式、或换热管的截面形状、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 (10)

1.一种废气再循环换热器，其特征在于，该换热器包括：壳体、换热管；换热管相互平行固定在壳体中；所述换热管截面高度与宽度不相等，形状呈扁状；沿所述换热管外表面设有凹槽，所述凹槽在换热管内表面呈凸起，其形状与凹槽形状相对应。

2.根据权利要求1所述的一种废气再循环换热器，其特征在于，所述壳体两端设有管板，所述换热管管口两端焊接在管板上与之对应的固定孔中，且与壳体侧表面平行。

3.根据权利要求1所述的一种废气再循环换热器，其特征在于，所述凹槽沿换热管外表面呈螺旋式设置。

4.根据权利要求1所述的一种废气再循环换热器，其特征在于，所述凹槽为一条或多条的连续设置或断续设置。

5.根据权利要求3所述的一种废气再循环换热器，其特征在于，所述螺旋升角为20～75度。

6.根据权利要求1所述的一种废气再循环换热器，其特征在于，所述凹槽深度大于0.4mm。

7.根据权利要求1所述的一种废气再循环换热器，其特征在于，所述换热管根据壳体形状呈环形或方形相互平行顺序排列固定在壳体中。

8.根据权利要求1所述的一种废气再循环换热器，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、相互平行排列固定在壳体中。

9.根据权利要求1所述的一种废气再循环用换热器，其特征在于，所述换热管在壳体中为顺序排列或交错排列或者是顺序排列和交错排列同时使用。

10.根据权利要求1所述的一种废气再循环换热器，其特征在于所述换热器壳体中设置有折流板。

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