CN200962008Y - 一种应用u形交叉螺旋管的管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，涉及一种发动机的废气再循环热交换器。为改进发动机废气再循环系统，加速废气冷却，提高热交换效率。包括换热管、壳体和管板，换热管为“U”字形弯管，两端固定在同一个管板上，换热管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，且不锈钢管体的截面形状呈特殊的扁状，截面形状的高度与宽度不相等。本实用新型中交叉螺旋换热管的应用，使管内外流体产生紊流，管内外均不易结垢，提高了换热效果。换热器结构紧凑，适于作为汽车发动机的废气再循环冷却器，减少氮氧化合物的排放量，提高废气的排放性能指标，同时，本实用新型也可作为涡轮增压系统中冷器，提高发动机的性能。

Description

一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器

技术领域

本实用新型一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，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、食品、炼油、建筑、机械制造、医药及航空航天等各部门都得到了广泛应用，而且在一些工业企业中具有很重要的地位。因此对换热器进行优化设计以提高其换热效率，对各行业来说非常重要。随着世界各国对排放标准要求越来越严格，汽车废气再循环冷却系统中换热器的优化设计对汽车行业尤为重要。

废气再循环冷却器是废气再循环冷却技术的核心设备，冷却器的应用可以有效的降低氮氧化合物的排放量。废气再循环冷却技术的原理是：保证内燃机动力性不降低的前提下，根据内燃机的温度及负荷大小将发动机排出的部分废气通过废气再循环冷却器冷却后，再送回进气管，和新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧，这样即降低了气缸的温度，又引入了不活性气体(主要是CO₂)，降低了氮气含量，使氮气和氧气的反应条件缺乏，燃烧反应的速度减慢，从而降低氮氧化合物(NOx)的排放量，达到抑制或降低NOx生成和排放的技术。因此在废气再循环系统中，备有高效的废气再循环冷却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，此类热交换器结构复杂、制造成本高。但随着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，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，选材范围广，但换热效率较低，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汽车尾气排放标准要求的现状所提出的；其目的是设计一种高效的应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，尤其适于应用到汽车发动机系统中，在不影响发动机性能的前提下，作为废气再循环冷却装置以提高汽车排放的性能指标，或者是作为涡轮增压系统的中冷器以改善发动机性能。

本实用新型的目的是这样实现的：一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，包括：壳体、换热管、管板；壳体一端开口，一端封闭；壳体开口的一端由管板封闭，所述换热管为“U”字形弯管，两端固定在同管板上，其特征在于：换热管体的外表面具有向内凹进断续或连续、一条或多条螺旋凹槽交叉设置，而换热管体的内表面具有与外表面凹槽相对应的交叉螺旋凸起，管体的两端为光滑段。所述换热管的截面形状呈特殊的扁状，且其高度与宽度不相等；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。

所述换热管的两端焊接固定在壳体中的同一个管板上，且换热管的弯曲程度与壳体相匹配，管体顺序排列在壳体中。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于4。所述螺旋凹槽的螺旋升角为20～75度。所述凹槽深度大于0.4mm。壳体的形状为矩形、圆形、方形等形式。所述壳体中布置有折流板。

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。由于采用U形管的布置方式，充分考虑到壳体中空间的合理利用，且换热管紧凑的布置其中，保证在同等的体积尺寸下，可以有效的进行热交换。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为壳体截面形状为矩形时，以一种扁状螺旋凹槽换热管为例在壳体内一种布置方式示意图；

图2为图1所示换热器管板处的截面示意图；

图3为截面形状为扁状的U字形螺旋凹槽换热管的示意图；

图4为图3所示换热管的第一种截面形状示意图；

图5为图3所示换热管的第二种截面形状示意图；

图6为图3所示换热管的第三种截面形状示意图；

图7为图3所示换热管的第四种截面形状示意图。

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.废气进出口，5.折流板。如图1所示为扁状交叉螺旋管在U形管式换热器中的一种布置方式示意图。壳体1的一端设有开口，开口处设有管板3，U形换热管2的两端(即废气进口端和废气出口端4)装配在管板的同侧；管板3上与废气进出口4连接处端面开有固定U形换热管的通孔；换热管2是由两个直管段和一个弯管段组成，形状呈U字形。U形换热管的两端，分别焊接在与之对应的管板的通孔上，并相互平行固定在壳体中；在壳体1上靠近管板的进气口处设有冷却介质进口，与之对应的壳体另一侧设有冷却介质出口。壳体封闭端为与弯管形状一致的曲面设置。

换热管体的外表面具有向内凹进断续或连续、一条或多条螺旋凹槽交叉设置，而换热管体的内表面具有与外表面凹槽相对应的交叉螺旋凸起，管体的两端为光滑段。扁状交叉螺旋管为“U”字形弯管，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，为了确保经济实用，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。在有交叉螺旋凹槽换热管段中，当废气通过换热管在管内流动时，受螺旋槽纹的引导，靠近壁面沿轴向运动同时，螺旋形的凸起也使流体产生周期性的扰动。前种作用有利于减少流体边界层厚度；后一种作用会引起边界层中流体质点的扰动，因而可以加快由壁面到流体主体的热量传递。具体的说当废气遇到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；同时由于交叉螺旋凹槽的旋转方向相反，沿螺旋运动的流体在交叉处发生强烈的碰撞，使得流体的扰动加强，不仅如此，由于螺旋的阻碍作用，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，管内流体产生强烈地旋转运动，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。

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。

图4为图3所示扁状交叉螺旋凹槽换热管的第一种截面形状下的示意图。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。

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。

应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器中换热管的布置方式充分考虑到壳体中空间的合理利用，且换热管紧凑的布置其中，可以有效的进行热交换，首先废气流经U形管一端时，与管外冷却剂进行换热，废气绕流到另一端时，继续与冷却剂交换热量，这个过程使得换热充分，有效降低了废气的温度，提高换热器的换热效率。

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。

本实用新型中应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器以其紧凑的设计和合理的布局能够保证在同等的体积尺寸下，该换热器作为废气再循环系统的冷却装置，可以获得更大的冷却效果，大大提高汽车发动机的排放性能指标，满足更高的环保排放要求。同样，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。

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，即为了方便加工，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。

以上只是显示了几种典型的换热管在本实用新型的U形交叉螺旋换热管热交换器中的布置方式，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；换热管的合理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(比如换热管在壳体中的排列方式)进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1、一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，包括：壳体、换热管、管板；壳体一端开口，一端封闭；壳体开口的一端由管板封闭，所述换热管为“U”字形弯管，两端固定在管板上，其特征在于：换热管体的外表面具有向内凹进断续或连续、一条或多条螺旋凹槽交叉设置，而换热管体的内表面具有与外表面凹槽相对应的交叉螺旋凸起，管体的两端为光滑段；所述换热管的截面形状呈特殊的扁状，且其高度与宽度不相等；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。

2、根据权利要求1所述的应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，其特征在于：所述换热管的两端焊接固定在壳体中的同一个管板上，且换热管的弯曲程度与壳体相匹配，管体顺序排列在壳体中。

3、根据权利要求1所述的一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，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。

4、根据权利要求1所述的一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，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。

5、根据权利要求1所述的一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，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。

6、根据权利要求1所述的一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，其特征在于：所述换热管的长边为直线，短边为半圆弧。

7、根据权利要求1所述的一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，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。

8、根据权利要求1所述的一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，其特征在于：所述螺旋凹槽的螺旋升角为20～75度。

9、根据权利要求1所述的一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，其特征在于：所述凹槽深度大于0.4mm。

10、根据权利要求1所述的一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，其特征在于：壳体的形状为矩形、圆形、方形。

11、根据权利要求1所述的一种应用U形交叉螺旋管的管壳式换热器，其特征在于：所述壳体中布置有折流板。

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