CN101078597A - 一种u形管式热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种U形管式热交换器，适用于汽车发动机系统中的废气再循环冷却装置。本发明包括有壳体、换热管；所述壳体一端开口，开口处设有管板，所述管板上连接有热交换介质进口管和出口管，在所述管板上的进口管和出口管连接口处开有固定U形换热管的通孔，所述换热管由弯管和直管组成，形状呈U字形；所述换热管的两个管口分别焊接在管板上与之对应的固定通孔上，并相互平行固定在壳体中。本发明可以提高25～40％的换热效率，降低汽车发动机氮氧化合物(NOx)的排放量，缩短了热交换器长度和体积，本发明结构简单、紧凑，不易结垢，利于清洗，降低了制造和维护成本。

Description

一种U形管式热交换器

技术领域

本发明涉及一种热交换器，特别涉及一种U形管式热交换器，该热交换器适用于汽车发动机的废气再循环系统中，用以减少氮氧化合物(NOx)排放量的冷却器，同样适用于作为涡轮增压系统的中冷装置，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热交换器至关重要。

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热交换器有两大类。

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，此类热交换器结构复杂、制造成本高。

第二类是管壳式热交换器，而管壳式热交换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；此类热交换器结构简单，但换热效率较低。由于汽车发动机周围空间有限，在不降低换热效率的前体下，为有效地缩减不必要的设置，需要找到一种换热效率高和结构紧凑的热交换器。

发明内容

本发明的目的是为提高热交换器的换热效率和结构紧凑而提出的一种U形管式热交换器技术方案，该热交换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装置。

本发明的技术方案是这样实现的，该热交换器包括有壳体、换热管；所述壳体一端开口，一端封闭，开口处设有管板，所述管板上连接有热交换介质进口管和出口管，在所述管板上的进口管和出口管连接口处开有固定U形换热管的通孔，其特征在于，所述换热管由弯曲段和直管段组成，形状呈U字形；所述换热管的两个管口分别焊接在管板上与之对应的固定通孔上，并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，所述换热管沿外表面设有凹槽，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。

所述换热管截面为椭圆形，椭圆的长轴和短轴的比值小于4∶1。

所述换热管截面呈扁平状，两个相对的长边设置为呈由内向外凸起的弧形，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。

所述换热管截面形状由两个相对的短边和两个相对的长边构成，其中，所述短边呈由内向外凸出的弧线，所述长边为直线。

所述换热管截面形状为矩形，且相邻的两边之间为弧形过渡连接。

所述U形换热管截面为圆形。所述换热管为不锈钢管体。

所述凹槽沿所述U字形换热管外表面呈连续或断续螺旋式设置。

所述U字形换热管的弯曲段设置凹槽或不设凹槽。

所述凹槽为一条或多条设置其截面形状为“U”形或“V”形。

所述凹槽深度不小于0.4mm。所述封闭端为弧形。

所述封闭端为方形。所述热交换器壳体中设置有折流板。

U字形弯管则根据壳体不同的外观形状以合理的排列方式布置在换热器的壳体内。

本发明与现有技术对比具有的优点是：

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。

5.由于使用了U字形换热管，在同等条件下缩短了热交换器长度，使发动机结构更加紧凑。

6、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制冷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。

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为本发明结构示意图；

图2为U字形换热管的弯管处有螺旋凹槽的示意图；

图3为U字形换热管的弯管处无螺旋凹槽的示意图；

图4为U字形换热管的第一种截面形状示意图；

图5为U字形换热管的第二种截面形状示意图；

图6为U字形换热管的第三种截面形状示意图；

图7为U字形换热管的第四种截面形状示意图；

图8为U字形换热管的第五种截面形状示意图；

图9为本发明未带进口管和出口管在管壳中设有折流板的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1和图2，其中，在壳体1的一端设有开口，开口处设有管板3，管板3面向壳体侧为内侧，在管板3的外侧两端分别连接有废气进口管7和废气出口管8，进口管7和出口管8与管板3的连接口呈喇叭状；在管板3的进口管7和出口管8连接口处端面开有固定U形换热管2的通孔；换热管2是由两节等长直管段22和弯曲段23平滑连接组成，形状呈U字形；U字形换热管2上的两个管口，分别焊接在与之相对应的管板3上的通孔上，并相互平行固定在壳体1中；在壳体1上靠近管板3的进气口7处设有冷却介质进口5，在壳体1上进口5的相对面靠近换热管2的直管段22和弯曲段23的衔接处设有冷却介质出口6。壳体封闭端4为与弯管形状一致的曲面设置，壳体封闭端4可以设置为多种形状，为了便于安装封闭端可以设置为方形。图中箭头方向表示为热交换介质流动的方向。

U字形换热管2为不锈钢管体，表面有一条向内凸起的螺旋旋转凹槽21；该螺旋凹槽21为一条，也可以是多条；该螺旋凹槽21沿换热管5的表面连续设置，也可以为断续设置；螺旋凹槽21的截面形状为“U”形，也可以设置为“V”形，利于小尺寸形面换热管的生成；凹槽21的螺旋升角为25度，可以设置在20～75度之间；凹槽21的深度为1mm，设置应不小于0.4mm、且换热管外径与换热管所设凹槽槽底内经之比小于1.4。

在热交换器中设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2

参见图1和图3，为了减少加工难度在壳体1中固定的U字形换热管2的弯曲段23处不设置螺旋凹槽。

参见图4至图8，在壳体1中固定的U字形换热管2的垂直截面可以有多种形状。

壳体1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。

实施例3

参见图1和图4，壳体1中固定的U字形换热管2为图4所示的第一种截面形状的U字形换热管2，U字形换热管2截面呈扁平状，两个相对长边25为直线，两个相对的短边24为由内向外呈弧形凸起的、且与长边25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。

实施例4

参见图1和图5，壳体1中固定的U字形换热管2为图5所示的第二种截面形状的U字形换热管，U字形换热管2截面形状近似矩形，且相邻的两边之间设置圆弧形过渡连接；这样的设置，便于生产加工，也能提高换热管的换热效率。

实施例5

参见图1和图6，壳体1中固定的U字形换热管2为图6所示的第三种截面形状U字形换热管，这种U字形换热管2截面形状是在如图4所示第一种截面形状的基础上，将不锈钢管两个相对的长边25设置为呈由内向外凸起的弧形，即将不锈钢管的四个表面均设置成由内向外呈弧形凸起的圆弧面；且长边25的圆弧半径远远大于短边24的半径，这样在长边25不会出现表面“塌陷”的现象，利于加工制作。

实施例6

参见图1和图7，壳体1中固定的U字形换热管2为图7所示的第四种截面形状的U字形换热管2，U字形换热管2截面形状为一椭圆形，椭圆的长轴和短轴比值为3∶1，且不大于4∶1为佳；截面形状为椭圆形的换热管容易加工，具有很好的换热效果。

实施例7

参见图1和图8，壳体1中固定的U字形换热管2为图8所示第五种截面形状的U字形换热管2，U字形换热管2截面形状为圆形，凹槽的加工与截面为扁状的加工相同。

实施例8

参见图9，在壳体1中设有折流板9；当壳体1较长时适当的设置折流板9即可以起到支撑U字形换热管2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。

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)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 (15)

1.一种U形管式热交换器，包括有壳体、换热管；所述壳体一端开口，一端封闭，开口处设有管板，所述管板上连接有热交换介质进口管和出口管，在所述管板上的进口管和出口管连接口处开有固定U形换热管的通孔，其特征在于，所述换热管由弯曲段和直管段组成，形状呈U字形；所述换热管的两个管口分别焊接在管板上与之对应的固定通孔上，并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，所述换热管沿外表面设有凹槽，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U形管式热交换器，其特征在于，所述换热管截面为椭圆形，椭圆的长轴和短轴的比值小于4∶1。

3.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述换热管截面呈扁平状，两个相对的长边设置为呈由内向外凸起的弧形，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。

4.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述换热管截面形状由两个相对的短边和两个相对的长边构成，其中，所述短边呈由内向外凸出的弧线，所述长边为直线。

5.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述换热管截面形状为矩形，且相邻的两边之间为弧形过渡连接。

6.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述U形换热管截面为圆形。

7.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述换热管为不锈钢管体。

8.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述凹槽沿所述U字形换热管外表面呈连续或断续螺旋式设置。

9.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述U字形换热管的弯曲段设置凹槽。

10.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述U字形换热管的弯曲段不设凹槽。

11.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述凹槽为一条或多条设置其截面形状为“U”形或“V”形。

12.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述凹槽深度大于0.4mm。

13.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述封闭端为弧形。

14.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述封闭端为方形。

15.根据权利要求1所述的一种U形管式热交换器，其特征在于，所述热交换器壳体中设置有折流板。

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