CN103061867A - 一种气液式中冷器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液式中冷器，该气液式中冷器包括壳体以及设在壳体内的换热管，其中，换热管内设有扰流元件，所述的扰流元件为螺旋扰流片，该螺旋扰流片的外螺旋边缘与换热管的内壁相连接，该螺旋扰流片上设有沿换热管轴向贯穿的流动通道。本发明的气液式中冷器中，在螺旋扰流片的引导下，部分高温压缩空气在换热管内沿着螺旋扰流片螺旋流动，同时，部分高温压缩空气沿着螺旋扰流片上的轴向的流动通道流动，所述螺旋气流和轴向气流相互扰动，产生不断的旋涡，从而充分地混合，使得传热效果大大提高；此外，螺旋形的流动路径不存在流动死角或截面突变部位，因此也减小了流动阻力。

Description

一种气液式中冷器

技术领域

本发明涉及一种有涡轮增压的柴油机中的中冷器，具体涉及气液式中冷器。

背景技术

带涡轮增压的发动机由于拥有比普通发动机更大的功率和更少的有害气体排放，已成为目前工程机械、发电机组、大型车辆及船舶的动力核心，在中小型车上也正在得到推广运用。使用了涡轮增压器的发动机能在排量不变，重量增加不大的情况增加输出更大的功率，提高能源利用效率，减小污染排放。经涡轮增压器压缩后的空气温度会达到200摄氏度左右，如果不经冷却直接进入燃烧室，不仅响发动机的充气效率，还容易导致发动机燃烧温度过高，造成爆震等故障，并增加发动机废气中氮氧化合物(NOx)的含量，污染空气。因此，带涡轮增压的发动机一般都要配置相应的中冷器，以降低发动机的进气温度。研究数据表明，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10℃，柴油机功率可提高3％-5％，还能降低排放中的氮氧化合物(NOx)，改善发动机的性能。

根据冷却介质的不同，中冷器可分为风冷式中冷器和水冷式中冷器两大类。风冷式中冷器采用自然空气作为冷流体，由于空气比热较小，从而导致冷却效果不理想，特别是在船舱等空气流通缓慢的地方，散热效果将更差。水冷式中冷器采用水作为冷流体，特别是对于具有独立中冷循环系统的中冷器，由于冷却水的温度相对较低且稳定，因此换热效果将更佳且稳定，压缩空气被冷却的效果更好，燃料燃烧更充分，发动机工作更稳定。

中冷器主要由壳体以及设在壳体内的换热管组成。其工作原理是：经过涡轮增压后的高温压缩空气在换热管内流动，冷却介质从换热管外流过，换热管内的高温压缩空气的热量通过换热管传递给冷却介质，从而快速降低压缩空气的温度。为了增强换热效果，现有技术中采用了各种结构的用于产生紊流的扰流元件，例如扭带、螺旋线圈、绕花丝、螺旋弹簧等，这些结构的扰流元件能够使在换热管内流动的高温压缩空气产生紊流，从而增强换热效果，但是它们的传热效果仍有待提高，而且流动阻力也相对较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种流动阻力小并且换热效果更好的气液式中冷器。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种气液式中冷器，包括壳体以及设在壳体内的换热管，其中，换热管内设有扰流元件，其特征在于，所述的扰流元件为螺旋扰流片，该螺旋扰流片的外螺旋边缘与换热管的内壁相连接，该螺旋扰流片上设有沿换热管轴向贯穿的流动通道。

本发明的一个优选方案，其中，所述的螺旋扰流片为三个，该三个螺旋扰流片等距同轴设置形成三螺旋扰流片。采用多个螺旋扰流片的好处在于进一步增大换热面积和延长流动路径，减小流通断面，在流量一定的情况下，流速增加，进一步强化了传热效果。

本发明的一个优选方案，其中，所述的流动通道为环绕螺旋扰流片的轴线分布的多组通槽，每一组通槽由螺旋扰流片的一端贯穿至另一端。

本发明的一个优选方案，其中，所述的流动通道为环绕螺旋扰流片的轴线分布的多组通孔，每一组通孔由螺旋扰流片的一端贯穿至另一端。

本发明的一个优选方案，其中，所述螺旋扰流片的外螺旋边缘与换热管的内壁之间通过焊接连接在一起。螺旋扰流片与换热管之间采用焊接连接，有利于提高传热的效率。

本发明的一个优选方案，其中，所述壳体内设有螺旋折流板，所述换热管为多根，这些换热管穿设在所述螺旋折流板上；所述换热管与螺旋折流板之间通过以下方式连接：所述螺旋折流板设有多组轴向的连接孔，每一根换热管插入并胀接在一组连接孔内。

本发明的一个优选方案，其中，所述壳体的两端为封头，该壳体内腔的两端分别设有一管板，该两管板与相应的封头围成两个气室，其中一个为进气室，另一个为排气室；所述两封头上分别设有与进气室连通的进气口和与排气室连通的排气口；所述换热管的两端分别连接在两管板上。特别地，所述的换热管为多根，这些换热管的端部在管板上按正三角形的形式排列，换热管管口焊接在管板上与之对应的固定孔中；所述换热管的轴线与壳体的侧表面平行。

本发明的一个优选方案，其中，在所述螺旋扰流片的横截面上，一个螺旋周期内的流动通道在该横截面上的投影面积占整个螺旋扰流片在该横截面上的投影面积的1/5～1/2；所述螺旋扰流片的螺旋升角为30°～75°。

本发明的一个优选方案，其中，所述换热管和螺旋扰流片均由铜制成；所述管板、壳体、螺旋折流板和封头均由不锈钢制成。

本发明的气液式中冷器的工作原理为：

经涡轮增压器增压后的高温压缩空气进入中冷器的换热管内，在螺旋扰流片的引导下，部分高温压缩空气在换热管内沿着螺旋扰流片螺旋流动，同时，部分高温压缩空气沿着螺旋扰流片上的轴向的流动通道流动，所述螺旋气流和轴向气流相互扰动，产生不断的旋涡，从而充分地混合，使得传热效果得到强化。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、换热管内高温压缩空气同时受螺旋扰流片和片上流动通道的引导，沿着螺旋扰流片螺旋流动的高温压缩空气与沿流动通道流动的高温压缩空气相互扰动，产生不断的旋涡，使沿螺旋扰流片表面边界层空气与沿流动通道的空气充分混合，加快了热空气与螺旋扰流片及换热管之间的热交换，从而大幅度提高了换热效率，降低发动机进气温度，提高发动机进气效率，减少发动机氮氧化合物(NOx)的排放量，在一定程度上降低了空气污染。

2、高温压缩空气在换热管内螺旋流动，一方面使得流动路径增长，流通断面减小，在流量一定的情况下，流速增加，强化了传热效果；另一方面，螺旋流动的高温压缩空气形成的离心力使热边界层厚度减薄，温度梯度提高，从而对流系数增大，传热效果得到强化。

3、由于换热管与螺旋扰流片焊接为一体，增大了传热面积，强化了传热效果；螺旋形的流动路径不存在流动死角或截面突变部位，流动阻力小。与现有技术中在管内设置扭带、螺旋线圈、绕花丝、螺旋弹簧等相比，本发明不但传热效果大大提高，而且流动阻力也减小。

4、螺旋扰流片和螺旋折流板的螺旋结构在强化换热的同时，强烈的湍流对污垢有很好的冲蚀作用，不易结垢，便于清洗，降低了维护成本。

5、采用液体(如水与乙二醇的混合物)作为冷却介质，由于冷却介质温度相对较低且稳定，换热效果将更佳且稳定，压缩空气被冷却的效果更好，燃料燃烧更充分，发动机工作更稳定。

附图说明

图1为本发明的气液式中冷器的实施例1的结构示意图。

图2为图1中进液口处的剖视图。

图3为图1中三螺旋扰流片的轴向视图。

图4为图1中三螺旋扰流片的正视图。

图5为图1中换热管的正视图。

图6为图1中螺旋折流板的正视图。

图7为图1所示气液式中冷器的立体透视图。

图8和图9为本发明的气液式中冷器的实施例2中三螺旋扰流片的结构示意图。其中，图8为轴向图，图9为正视图。

具体实施方式

实施例1

参见图1～7，本发明的气液式中冷器主要由进气口1、进气室2、管板3、壳体4、换热管5、螺旋折流板6、进液口7、排气室8、排气口9以及排液口10构成。

参见图1和图7，所述壳体4横截面呈圆形，其两端为封头14，其内腔的两端分别设有一管板3，两块管板3分别与相应的封头14围成两个气室，其中一个为进气室2，另一个为排气室8，两个封头14上分别设有与进气室2连通的进气口1和与排气室8连通的排气口9。所述壳体4内的两管板3之间的空间形成换热室，该换热室的两头的壳体4上分别设置所述的进液口7和排液口10。

参见图1～图5，所述换热管5为圆管，每一换热管5内设有扰流元件，该扰流元件由三个螺旋扰流片11构成，这三个螺旋扰流片11等距同轴设置形成三螺旋扰流片13；该三螺旋扰流片13上设有沿换热管5轴向贯穿的流动通道，该流动通道为环绕螺旋扰流片11的轴线均匀分布的9组通槽12，每一组通槽12由螺旋扰流片11的一端贯穿至另一端；该三螺旋扰流片13的外径为18mm，该三螺旋扰流片13的外螺旋边缘与换热管5的内壁通过钎焊焊接为一体。在所述螺旋扰流片11的横截面上，一个螺旋周期内的通槽12在该横截面上的投影面积占整个螺旋扰流片11在该横截面上的投影面积的1/4，该螺旋扰流片11的螺旋升角为50°。

所述换热管5为两端光滑的外螺纹圆管(参见图5)，所述外螺纹的作用在于增大换热管5与冷流体之间的传热面积，提高传热效率。所述换热管5的外径为25mm，壁厚为2.5mm，长为1500mm。

参见图1、图2、图6和图7，所述换热管5为多根，这些换热管5通过螺旋折流板6与壳体4内壁连接。所述螺旋折流板6的外螺旋边缘焊接在换热室中的壳体4内壁上，该螺旋折流板6上设有多组沿轴向贯穿的连接孔16，每一根换热管5插入并胀接在一组连接孔16内。所述换热管5的两端分别固定在两块管板3上，具体地，所述多根换热管5的端部在管板3上按正三角形的形式排列，换热管5管口焊接在管板3上与之对应的固定孔中，使得换热管5的两头分别与进气室2和排气室8连通，并在进气室2内设有导流板，用于确保气体均匀流入各换热管5；所述换热管5的轴线与壳体4的侧表面平行设置。所述换热管5和螺旋折流板6组合在一起形成中冷器芯体。上述螺旋折流板6的作用在于：作为多根换热管5的管间插入物，对换热管5起着密排隔离支撑的作用，相互间无干扰，冷流体沿壳程轴向前进，不存在折转流动，减缓了壳程冷流体流动对管束产生的诱导振动；此外，螺旋折流板6对换热管5的管间冷流体产生旋流导向作用，旋流与靠近管壁波动前进的边界层形成非线性二次涡流，促进了冷流体混合和湍流度，破坏了管壁冷流体边界层，使管壁两侧温差增大，从而提高换热效果。

所述换热管5和螺旋扰流片11均由铜制成；所述管板3、壳体4、螺旋折流板6和封头14均由不锈钢制成。

下面结合附图对本实施例的气液式中冷器的工作过程作进一步详细的描述：

参见图1，经涡轮增压器增压后的高温压缩空气经进气口1进入进气室2，而后分流到各换热管5，在管内高温压缩空气通过强化传热将热量传递给等间距排列的三螺旋扰流片13以及换热管5，换热管5再将热量传递给冷流体，与此同时，外界冷流体经进液口7进入中冷器壳体4内，经螺旋折流板6折流，吸收来自换热管5表面的热量，达到给高温压缩空气降温的目的。经过换热管5降温后的气体，流入排气室8，经排气口9，分流进入发动机进气口。

实施例2

参见图8和图9，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中，所述流动通道为环绕螺旋扰流片11的轴线分布的21组圆形通孔15，每一组通孔15由螺旋扰流片11的一端贯穿至另一端；所述通孔15的直径为2mm，所述21组通孔15分成三部分，数量分别是3个、6个和12个，分别均匀分布在直径为4mm、10mm和16mm的圆周上。

所述螺旋扰流片11的螺旋升角为60°。

本实施例上述以外的其他实施方式与实施例1相同。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，例如，比如螺旋扰流片11数目、间距，螺旋扰流片11上流动通道的形状，换热管5在壳体4中的排列方式等，总之，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气液式中冷器，包括壳体以及设在壳体内的换热管，其中，换热管内设有扰流元件，其特征在于，所述的扰流元件为螺旋扰流片，该螺旋扰流片的外螺旋边缘与换热管的内壁相连接，该螺旋扰流片上设有沿换热管轴向贯穿的流动通道。

2.根据权利要求1所述的气液式中冷器，其特征在于，所述的螺旋扰流片为三个，该三个螺旋扰流片等距同轴设置形成三螺旋扰流片。

3.根据权利要求1所述的气液式中冷器，其特征在于，所述的流动通道为环绕螺旋扰流片的轴线分布的多组通槽，每一组通槽由螺旋扰流片的一端贯穿至另一端。

4.根据权利要求1所述的气液式中冷器，其特征在于，所述的流动通道为环绕螺旋扰流片的轴线分布的多组通孔，每一组通孔由螺旋扰流片的一端贯穿至另一端。

5.根据权利要求1～4任一项所述的气液式中冷器，其特征在于，所述螺旋扰流片的外螺旋边缘与换热管的内壁之间通过焊接连接在一起。

6.根据权利要求5所述的气液式中冷器，其特征在于，所述壳体内设有螺旋折流板，所述换热管为多根，这些换热管穿设在所述螺旋折流板上；所述换热管与螺旋折流板之间通过以下方式连接：所述螺旋折流板设有多组轴向的连接孔，每一根换热管插入并胀接在一组连接孔内。

7.根据权利要求6所述的气液式中冷器，其特征在于，所述壳体的两端为封头，该壳体内腔的两端分别设有一管板，该两管板与相应的封头围成两个气室，其中一个为进气室，另一个为排气室；所述两封头上分别设有与进气室连通的进气口和与排气室连通的排气口；所述换热管的两端分别连接在两管板上。

8.根据权利要求7所述的气液式中冷器，其特征在于，所述的换热管为多根，这些换热管的端部在管板上按正三角形的形式排列，换热管管口焊接在管板上与之对应的固定孔中；所述换热管的轴线与壳体的侧表面平行。

9.根据权利要求1～4、6～8中任一项所述的气液式中冷器，其特征在于，在所述螺旋扰流片的横截面上，一个螺旋周期内的流动通道在该横截面上的投影面积占整个螺旋扰流片在该横截面上的投影面积的1/5～1/2；所述螺旋扰流片的螺旋升角为30°～75°。

10.根据权利要求1～4、6～8中任一项所述的气液式中冷器，其特征在于，所述换热管和螺旋扰流片均由铜制成；所述管板、壳体、螺旋折流板和封头均由不锈钢制成。

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