CN200955923Y - 一种应用交叉螺旋管的双管程换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，涉及一种换热管与热交换介质的通道横交的热交换器。为改进发动机废气再循环热交换器，提高热交换效率。热交换器包括壳体、换热管、分程隔板、管板和管箱；换热管为一种交叉螺旋凹槽换热管，包括表面具有向内凸起的交叉螺旋凹槽的不锈钢管体，交叉处呈“X”状，不锈钢管体的截面形状为特殊的扁状，且扁状换热管的截面形状的高度与宽度不相等。换热器通过分程隔板将管子分成两程，且两程的管数有所差异。双管程换热器尤其适于作为汽车发动机的废气再循环冷却器，提高换热器的效率，提高汽车发动机的排放性能指标，满足环保排放要求。本实用新型作为涡轮增压系统中冷器，也可以提高发动机的性能。

Description

一种应用交叉螺旋管的双管程换热器

技术领域

本实用新型一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，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

换热器在工业生产中的应用极为普遍，例如在化工、动力、冶金、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各工业部门都占有很重要的地位。因此对换热器的优化设计以提高换热效率对应用换热器的行业来说很有必要。对于汽车行业来说，优化设计汽车发动机废气再循环冷却器，提高换热效率以减少氮氧化合物的排放量，使废气排放量满足日益提高的废气排放标准的要求也是急需解决的问题。

废气再循环冷却技术是在废气再循环技术的基础上，在保证内燃机动力性不降低的前提下，将汽车发动机所排放的部分废气通过冷却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CO₂)到燃烧室，既可以降低燃烧室内的氮气含量，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(O₂)的反应条件缺乏，从而达到抑制氮氧化合物(NOx)的生成和排放的技术。因此废气再循环冷却技术的应用，使得汽车发动机的废气排放可以达到较高的标准，而废气再循环冷却器的合理优化设计，不仅能够提高换热器的效率，同时也可以使汽车发动机的尾气排放符合越来越严格的排放标准。

目前，汽车发动机废气再循环冷却系统用的换热器主要有两大类。

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，又能起到固定板间距并增强刚度的作用，此类换热器结构紧凑、轻巧，传热系数高、传热效果好，但制造成本高，对经济性要求较高，随着有色金属和不锈钢防腐处理技术和钎焊工艺技术的提高，板翅式换热器被认为是很有前途的热交换设备之一。本实用新型的设计中也考虑到了板翅式换热器高效率的设计优点。

第二类是管壳式换热器，管壳式换热器的应用相对比较广泛。

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，一方面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。另一方面为提高管内空间流体的流动，可以在管箱内装以分程隔板，使进入的流体每次只流过一部分管子，而后流过另一部分管子，这样把管内空间分成了多程。此类换热器结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求，但是这种换热器的换热效率较低，在排放要求较低地区应用较广；

现在普遍使用的管壳式换热器是在壳体中顺序排列着一种表面带有向内凸起的螺旋凹槽的横截面为圆形的不锈钢管的换热管，换热效率相对提高了许多。这种截面形状为圆形的螺旋凹槽换热管的应用在目前相对来说很广泛；但随着环保法规对汽车尾气排放的要求日益提高，现有的这些作为废气再循环冷却器的换热器已不能满足未来发展的需要和激烈竞争的市场。为了满足环保法规对日益提高的汽车尾气排放的要求并增强市场竞争力，这种常用的作为废气再循环冷却装置的换热器需要不断的改进，本实用新型的设计中考虑到了管壳式换热器结构简单的优点。

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

本实用新型就是针对上述目前常用的作为废气再循环冷却系统中冷却装置的换热器已不能满足未来环保要求的现状，提出一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，在不改变发动机其他结构的前提下，提高废气再循环冷却器的换热效率，进而提高现有发动机的性能，减少废气排放。

本实用新型的目的是这样达到的：一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，该换热器包括：壳体、换热管、分程隔板、管板和管箱；其特征在于：所述换热管管体的外表面具有向内凹进的交叉螺旋凹槽，而换热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，换热管体的两端为光滑段；所述换热管的截面形状为特殊的扁状，且扁状换热管的高度与宽度不相等；截面由两个相对的长边和两个相对的短边组成，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，且长边和短边圆滑的相连；所述分程隔板将换热管分成两个管程，且两程的管数有所差异。

所述换热管的两端焊接壳体中的管板上，且管体放置时，其中心轴与壳体的侧壁平行。所述分程隔板将换热管分成两个管程，且第一程的管数稍多于第二程的管数。所述换热管由两条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平滑连接。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4。所述螺旋凹槽的螺旋升角为20～75度。所述螺旋凹槽深度大于0.4mm。壳体的形状为矩形、圆形、方形等形式。每个管程中的换热管在壳体中的布置方式都可以设置成顺排、错排或者顺排和错排结合使用的方式。

本实用新型的有益效果是：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果的提高，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。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的立体结构示意图；

图2为本实用新型第一实施例管板处的截面形状示意图；

图3为本实用新型所采用的扁状螺旋凹槽换热管的立体结构示意图；

图4为本实用新型第一实施例的换热管截面示意图；

图5为本实用新型第二实施例的换热管截面示意图；

图6为本实用新型第三实施例的换热管截面示意图；

图7为本实用新型第四实施例的换热管截面示意图；

图8为本实用新型第五实施例的立体截面示意图。

具体实施方式

实施例一：

图1、2所示分别为本实用新型中第一实施例的立体结构示意图及管板处的截面示意图。图中的序号表示的是：1.壳体，2.换热管，3.管板，4.隔板，5.废气进出口，6.折流板。换热管2以顺排的方式布置在壳体1中，流体通过分程隔板4被分为两程，废气进出口5布置在隔板4两边，第一程的管数比第二程稍多，换热管紧凑的布置在壳体中以及分程隔板这种布置方式使得各管程的流体流速接近相同，对减小第一程的阻力和提高第二程的换热效果都有很好的作用，且管内不易结垢。壳体中根据需要设置了折流板6，折流板6起到加强壳程流体的扰动和支撑的作用，使得管内外流体的换热充分，从而达到更高的换热效果。

图3为本实用新型所采用的扁状交叉螺旋凹槽换热管的一种立体结构示意图；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；换热管是表面具有两条相互交叉且向内凸起的螺旋凹槽的不锈钢管体，螺旋凹槽交叉处呈“X”状。该螺旋凸起可以是两条以上；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。

在热交换器的进出管程处的管箱内布置了分程隔板，在管箱内安装分程隔板是为了将热交换器的管程分为若干流程，一般情况下流程的组织应注意每一程的管数大致相等，本实用新型中考虑到换热器换热的实际情况，在布置分程隔板使，使两管程中换热管管数不完全相同。且第一程比第二程的管数稍多，流体先流过第一程换热管，而后流过第二程换热管，流体在管程的流动呈“U”形的回路。第一程的管数比第二程稍多原因是：当热空气通过第一程管的时候，已经有一定的降温，气体降温就要收缩，所以第二程的管数略少。只要精确的计算气体收缩量和气体流量，就可以获得两个管程的精确管数。

一般情况下在考虑管箱内分程隔板的布置时，假定密度ρ为定值，流体的体积流量Q_V为常量，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，根据流体力学公式Q_V＝Av＝contant可知，不同管程的流通面积A相同，也就是不同管程换热管的数目大致相同。

汽车发动机的废气再循环冷却装置中，一般废气经过冷却器后，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，如公式Q_M＝ρ₁A₁v₁＝ρ₂A₂v₂＝contant所示。废气在通过第一个管程时的温度比通过第二个管程时的温度要高，那么废气在第一个管程时的密度ρ₁比在第二个管程时的密度ρ₂低，即ρ₁≤ρ₂，根据公式Q_M＝ρ₁A₁v₁＝ρ₂A₂v₂＝contant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。所以本实用新型中对分程隔板的布局与一般情况下对管程数要求大致相同的规定有些差异，考虑到密度变化及阻力损失和换热效果这些因素，使第一管程的换热管数稍多于第二管程的换热管数。这样即保证了在相同的质量流量下，第一管程的管数有所增加，阻力有所下降，第二管程的管数有所减少，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。

本实用新型的换热器中应用交叉螺旋凹槽换热管，可以在传热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，本实用新型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。

采用本实用新型这种应用交叉螺旋凹槽换热管的双管程换热器，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，有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，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。同时该换热器可以作为汽车装置中增压系统的中冷器，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。

图4为本实施例的扁状交叉螺旋凹槽换热管的截面形状示意图。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。

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除去螺旋凹槽情况下，其截面中相对的长边和相对的短边均设置成弧形，且长边与短边圆滑的相连。如图4所示，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：

图5为本实施例中的换热管剖面图。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所示为本实用新型实施例五的立体图；图中所示扁状交叉螺旋管在矩形壳体中的一种布置方式示意图。换热管紧凑的布置在壳体中，管子的排列方式与以往的排列方式有所差异，以顺排和错排交叉排列的方式分布在气体中，这种布置方式可以加强管外冷却器的扰动，使流体流动加剧，增强了管内外流体的换热，从而增加了换热量，提高了换热效率。换热管被分成两程，第一程的管数比第二程稍多，这种布置与图1的相同，不仅结构紧凑而且可以提高换热效率。

以上只是显示了几种典型的换热管，在多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，以上仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1、一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，该换热器包括：壳体、换热管、分程隔板、管板和管箱，其特征在于：所述换热管管体的外表面具有向内凹进的交叉螺旋凹槽，而换热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，换热管体的两端为光滑段；所述换热管的截面形状为特殊的扁状，且扁状换热管的高度与宽度不相等；截面由两个相对的长边和两个相对的短边组成，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，且长边和短边圆滑的相连；所述分程隔板将换热管分成两个管程，且两程的管数有所差异。

2、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，其特征在于：所述换热管的两端焊接壳体中的管板上，且管体放置时，其中心轴与壳体的侧壁平行。

3、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，其特征在于：所述分程隔板将换热管分成两个管程，且第一程的管数稍多于第二程的管数。

4、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，其特征在于：所述换热管由两条旋转方向相反的螺旋凹槽组成，相交处呈“X”状。

5、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，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。

6、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，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平滑连接。

7、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，其特征在于：所述换热管的长边为直线，短边为半圆弧。

8、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，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。

9、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，其特征在于：所述螺旋凹槽的螺旋升角为20～75度。

10、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，其特征在于：所述凹槽深度大于0.4mm。

11、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，其特征在于：壳体的形状为矩形、圆形、方形。

12、根据权利要求1所述的一种应用交叉螺旋管的双管程换热器，其特征在于：每个管程中的换热管在壳体中的布置方式都可以设置成顺排、错排或者顺排和错排结合使用的方式。

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