CN202468066U - 一种换热管变截面的废气再循环冷却器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种换热管变截面的废气再循环冷却器，包括：扩散器，扩散器依次与多个带有换热管束的换热单元、收集器串联焊接连接，各个换热单元的换热管束的截面积按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递减，换热管束中的换热管的当量直径按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递增。通过一串不同换热束截面积和换热管当量直径的换热单元，使通过冷却器的废气在逐渐冷却的过程中流速尽量保持一致，与整个冷却器的换热管没有变化的现有技术相比，有效的减少由于废气流经冷却器过程中流速不断降低而造成的换热管内积垢，从而将冷却器的冷却性能由于积垢而下降控制在较小幅度内。

Description

一种换热管变截面的废气再循环冷却器

技术领域

本实用新型涉及一种换热管变截面的废气再循环冷却器，是一种应用汽车发动机废气再循环冷却系统的热交换器。

背景技术

随着汽车排放法规的日益严格，发动机废气再循环冷却系统用冷却器的应用越来越广泛，同时由于受到发动机空间的限制，对冷却器换热性能的要求也越来越高，因此，废气再循环冷却器需要不断的改进和创新以满足越来越高的使用要求。

废气再循环冷却技术是汽车行业降低尾气排放的有效措施之一。其中，废气再循环冷却器是废气再循环冷却系统的一个重要组件。废气再循环冷却技术是将汽车发动机所排放的部分废气先通过冷却器进行冷却后，重新回传到发动机燃烧室与新鲜空气混合后共同参与燃烧，从而有效降低NO_X排放的一种技术。该技术利用废气中含有的大量化学惰性气体(CO₂、N₂、H₂O)具有较高比热这一特性来降低NO_X的生成。因为NO_X的生成条件是高温富氧，而温度较低废气的引入一方面使混合气热容量增大，使得相同量的混合气升高同样温度所需的热量增加，从而有效降低最高燃烧温度，偏离了NO_X的高温生成区；另一方面废气对新鲜空气的稀释也相应降低了氧的浓度，从而有效地抑制NO_X的生成。因此在汽车发动机废气再循环系统中，设置高效可靠的废气再循环冷却器可以使汽车的尾气排放满足严格的法规要求。

由于汽车发动机的运行环境比较恶劣，因此废气再循环冷却器的可靠性非常重要，如果冷却器在运行过程中出现泄漏，无论是气侧还是水侧泄漏都将直接对发动机造成破坏性的伤害。由于排放法规的提高，对冷却器换热性能要求逐步提高，因此现在应用于中重型车的废气再循环冷却器一般都较长，因此不能忽略由于管壳和管束的受热不等而引起的热应力，如未考虑热膨胀问题，冷却器的可靠性和耐久性会变差，长时间运行后，可能导致冷却器泄漏，从而对发动机产生破坏，因此，为了避免这种情况发生，必须采取措施保证冷却器整体的强度和可靠性。

目前应用于废气再循环冷却器的结构可谓多种多样，其中换热单元的形式以管壳式、管翅式和板翅式为主流产品。但是对于单一型式冷却器的设计存在一个问题，就是当废气在冷却器中流动时，随着废气温度的提高和流动时间的增长，冷却器的换热管内壁被熏黑，产生积垢，而积垢会导致冷却器性能下降、压力损失提高。因此，在保证废气再循环冷却器换热性能和可靠性的基础上，还必须考虑通过设计优化来减少冷却器内积垢的生成。由于积垢的产生是不可避免的，如何减少废气再循环系统产品积垢的产生，或者使产品生命周期内由于积垢产生的对性能的影响降低到最小，一直是发动机废气再循环系统产品供应商考虑和希望解决的问题。

发明内容

为解决现有技术的问题，本实用新型提出了一种换热管变截面的废气再循环冷却器。所述的冷却器在保证废气再循环冷却器可靠性的基础上，采用换热管变截面的方式，减小废气在换热管中的流速变化，减少积垢的产生，以减少由于积垢所导致的冷却器换热性能的下降及压力损失的增加，从而有效避免车辆的氮氧化合物排放超标。

本实用新型的目的是这样实现的：一种换热管变截面的废气再循环冷却器，包括：设有与发动机排气歧管直接或间接相连接的法兰盘的扩散器，所述扩散器依次与多个带有换热管束的换热单元、收集器串联焊接连接，所述的收集器设有与发动机进气管直接或间接相连接的法兰盘，与所述扩散器连接的换热单元上设有进水管，与所述收集器连接的换热单元上设有出水管，所述各个换热单元的换热管束的截面积按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递减，所述换热管束中的换热管的当量直径按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递增。

本实用新型产生的有效益：本实用新型通过设计一串不同换热管当量直径和不同换热管束截面积的换热单元，使废气依次进入不同的换热单元，使通过冷却器的废气在逐渐冷却的过程中流速尽量保持一致，与整个冷却器的换热管没有变化的现有技术相比，有效的减少由于废气流经冷却器过程中流速不断降低而造成的换热管内壁积垢，从而将冷却器的冷却性能由于积垢而下降控制在较小幅度内。

本实用新型所采用的分割换热单元方式，一方面可以实现换热单元变截面，另一方面缩短单个管壳和管束的长度，有效解决了管壳和管束由于受热不均而产生的热应力问题，提高了冷却器整体的可靠性。这种换热单元的设计使加工和装配工艺简单，可以有效降低加工难度，提高加工精度，保证冷却器的可靠性。另外，换热单元的设计使换热管和管壳的设计标准化、模块化，从而缩短了冷却器的开发周期，同时由于降低了加工难度，满足冷却器批量生产的需求。

冷却器即满足可靠性要求又满足性能要求，从而有效降低再循环废气的温度，降低了废气中氮氧化合物的排放，对环保做出应有的贡献。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

图1是本实用新型实施例二所述的冷却器的立体图；

图2 是本实用新型实施例二所述的冷却器的前视图；

图3 是本实用新型实施例二所述的冷却器的仰视图；

图4 是本实用新型实施例二所述的冷却器的一种剖面图；

图5 是本实用新型实施例二所述的冷却器的另一种剖面图；

图6 是本实用新型实施例三所述的冷却器的一种剖面图；

图7 是本实用新型实施例三所述的冷却器的第二种剖面图；

图8 是本实用新型实施例三所述的冷却器的第三种剖面图；

图9 是本实用新型实施例三所述的冷却器的第四种剖面图；

图10 是本实用新型实施例四所述的冷却器的一种剖面图；

图11 是本实用新型实施例四所述的冷却器的第二种剖面图；

图12 是本实用新型实施例四所述的冷却器的第三种剖面图；

图13是本实用新型实施例四所述的冷却器的第四种剖面图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种换热管变截面的废气再循环冷却器。本实施例包括：设有与发动机排气歧管直接或间接相连接的法兰盘的扩散器，所述扩散器依次与多个带有换热管束的换热单元、收集器串联焊接连接，所述的收集器设有与发动机进气管直接或间接相连接的法兰盘，与所述扩散器连接的换热单元上设有进水管，与所述收集器连接的换热单元上设有出水管，所述各个换热单元的换热管束的截面积按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递减，所述换热管束中的换热管的当量直径按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递增。

本实施例所述的冷却器采用多个换热单元的设计，即冷却器由多个换热单元串联组成。换热单元由管束和壳体，以及管束和壳体的连接件：管板组成，管束是多根换热管的集合。管束中的换热管可以是一根根独立的换热管，也可以是换热管内布置翅片，例如管翅形式的换热单元。管束的形式决定了换热单元的结构形式，各个换热单元的结构形式可以是管壳式、管翅式或其他结构形式。本实施例所述的管壳式换热单元的含义是：换热单元中的换热管是独立的零件，换热管截面形状是圆形或矩形；管翅式换热单元的含义是：换热单元的中的换热管截面为扁平型且换热管内布置有翅片。

本实施例由于有多个换热单元，各个换热单元的结构可以相似，但不完全相同。例如第一个换热单元是管壳式结构，第二个换热单元是管翅式结构，第三个换热单元是管翅式结构，或者交替等等。本实施例的关键在于各个换热单元的换热管当量直径和管束的截面积的变化。按照废气流动的方向，排在前方的换热单元的管束截面积（即管束的所有换热管截面积之和）大于排在后方的换热单元的管束截面积，而排在前方的换热管单元的换热管的当量直径小于排在后面的换热单元的换热管当量直径。这样设计换热单元的目的就是为了有效解决冷却器积垢的问题。这样的设计是为了解决冷却器换热管中容易积垢的问题。

冷却器换热管中的积垢主要是废气中的颗粒物质沉降，积累在换热管内壁造成的，积垢产生一般包括热泳、涡流扩散、湍流冲击、静电和重力等原因。冷却器积垢不可能完全消除，但可以通过有效的措施，改变冷却器的设计，减少积垢。研究表明换热管中积垢比较严重的是换热管的后半段（按废气流经换热管的方向），即随着废气在换热管中逐渐冷却，废气中的颗粒物质沉降逐渐增加。

经分析的原因是：

当高温废气进入冷却器后，与低温冷却剂之间发生热交换，废气的温度逐渐降低，在相同压力和容积下，废气的密度有所增加，根据能量守恒方程：

（1）

公式中：ρ₁废气在扩散器中（冷却前）的密度、ρ₂废气在换热过程中在管热管束中的某个点或在收集器中（冷却后）的密度、v₁废气在扩散器中（冷却前）的流速、v₂废气在换热过程中在管热管束中的某个点或在收集器中（冷却后）的流速、A₁换热管束进口的截面积，A₂换热管束中间某个点或换热管束出口的截面积。

根据能量守恒方程（公式1）分析：在当换热管截面积不变的情况下，即：A₁=A₂，由于随着高温气体流过换热管束，气体温度逐渐降低，在压力和体积不变的情况下，气体密度逐渐增加，则流速逐渐降低。由于换热管束中的废气流速降低，使废气中的颗粒物较易沉积在换热管内壁上，形成积垢，而积垢的是热量的不良导体。换热管内壁积垢的产生阻碍了热交换，降低了换热器的换热性能。

为阻止积垢的产生，使v₁=v₂,即使废气在流过整个换热管束全程时，流速保持不变。由公式1有：当ρ₁＜ρ₂，如果v₁=v₂，则应当A₁＞A₂。也就是说，缩小管束的截面积，可以提高废气的流速，这也符合流体力学所给出的结论。

但还有一个问题需要解决，根据压力损失方程：

 （2）

公式中：

为压力损失，

为阻力损失系数，

为管长，

为当量直径，

为介质密度，

为介质流速。

由压力损失方程（公式2）中可以看到：在其他因素不变的情况下，

增加，

则减小，可以起到平衡作用，使

保持较小的变化。但如果

保持不变，则会使有所增加。从流体力学分析，当量直径增加，阻力损失系数会相应的减小，从公式2中可以看到，在管长不变的情况下，增加当量直径，减小阻力损失系数，可以平衡

的增加。

所以应当这样设计换热管束：前端（按照废气流动的方向，进入端为前端，流出端为后端）的截面积应当大于后端的截面积，前端的当量直径应当小于后端的当量直径。这样的换热管束在不设换热单元的传统冷却器中是无法实现的。

因此，本实施例采取了多个换热单元的设计方式。各个换热单元的管束截面积按前后顺序依次减小、管束的换热管当量直径依次递增。

这样，本实施例中，排在后面的换热单元的换热管束截面积缩小，使废气的总流通面积减小，流速

增加，使压力损失有所提高，但由于换热管当量直径

增大，使得压力损失的增大幅度减小。在具体设计时，通过考虑多个因素的变化，可以使压力损失控制在可接受的范围内。因此，本实施例采用换热单元的整体方案，实现了换热管束前端的截面积大于后端的截面积、前端的当量直径应当小于后端的当量直径的要求，减小了由于流速降低而产生的积垢，使冷却器的性能得到优化。

本实施例所述的当量直径的含义是：

当量直径流体力学中常用的词汇，其定义主要是针对截面为非圆形的管路，其中流通截面积为流体在管路内流动，所通过截面的面积；润湿周边，为流体在管路内流动，所通过截面处于流体相接触周边的长度之和。

采用换热单元的设计方案，可以使较长的冷却器壳体和管束设计成多个较短换热单元壳体和换热单元管束的连接方式，从而降低了产品的加工难度。还有一个好处是，换热单元的设计有效解决了过长的壳体和管束由于受热不均而产生的热应力问题。由于在换热管内部流过高温废气，壳体与换热管围成的空间流过低温的冷却剂，因此，在管束和壳体之间将产生不同的热膨胀量，从而引起热应力的产生，在换热管上产生压应力、壳体上产生拉应力、管板上产生弯曲应力，管束、管板和壳体之间形成一个封闭的受力流。这种热应力在换热管和壳体的长度较短时会较小，对产品的可靠性影响不大。采用串联式冷却器的设计方案，将较长壳体和管束分成较短的壳体和管束，然后通过焊接的方式将分体壳体连接在一起，可以有效降低了热应力，使热应力对产品的破坏作用降到最低，从而提高了冷却器整体的可靠性。另外，这种串联式的设计易于形成壳体和换热管设计的标准化和模块化，减少了新产品开发的时间。换热单元的设计可以有效降低加工难度，提高加工精度，保证冷却器的可靠性，由于装配工艺简单，适于批量生产应用。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于换热单元的细化。本实施例所述的扩散器与收集器之间设有两个换热单元，所述的换热单元中的换热管截面形状为圆形，与扩散器连接的换热单元的换热管直径小于与收集器连接的换热单元的换热管直径，与扩散器连接的换热单元的换热管束的截面积大于与收集器连接的换热单元的换热管束的截面积，如图1-图5所示。包括接收来自发动机排气歧管废气的扩散器1、与发动机进气系统相连的收集器2，扩散器与收集器之间分别通过焊接的方式将两个换热单元连接在一起，与扩散器相连的换热单元20（称为第一换热单元）的换热单元壳体5上设有进水管3，与收集器相连的换热单元30（称为第二换热单元）的换热单元壳体6上设有出水管4，两个换热单元为串联式结构，因此两个壳体的处布置有连接水路的水槽7、8，还有将冷却器固定到发动机上的支架11、12、13、14；根据冷却器固定于发动机的方式不同，支架的设计可以不同。

如图1所示为实施例的立体图，图2所示为实施例的前视图，图3所示为实施例的仰视图，从三张图可以看到冷却器外形的全貌。图5和图6为实施例在不同方向的截面图。换热单元包括管束、截面为矩形的换热单元壳体，端部管板，每个换热单元两端各设一个管板且管板插接到换热单元壳体的端部，所述换热管束的端部插接到管板的开孔内。由于管板的设计为翻边设计，在冷却器的两端，扩散器和收集器首先插接到管板内，管板插接到管壳内，最终三者通过焊接方式连接在一起。本实施例所述的第一换热单元和第二换热单元的结构形式均为管壳式，第一换热单元和第二换热单元中的换热管的截面形状均为圆形，也可以为矩形设计，不同的是第二换热单元的换热管直径大于第一换热单元的换热管直径。换热管的管壁可以是光面的，也可以带有各种螺旋形的凹槽，或沿换热管轴线延伸的直短槽。

高温废气从扩散器进入冷却器，首先通过第一换热单元（与扩散器连接）中的换热管管束，然后从第一个换热单元的换热管束出来进入第二个换热单元（与收集器连接）换热管束，再由第二个换热单元的换热管束进入收集器，最后从收集器进入与冷却器相连的发动机进气管路中。由于废气依次通过第一换热单元的换热管束和第二换热单元的换热管束，两个换热管管束为串联的形式，因此本实施例所述的冷却器可以称为串联式冷却器。冷却剂即发动机的冷却水自进水管进入第一个换热单元的管壳和第一换热管束之间围成的空间，与第一换热管束内的高温废气发生热交换。然后冷却剂通过水路连接件的水槽进入第二个换热单元的管壳和第二管束之间围成的空间，与进入第二管束中的高温废气继续进行热交换。最后冷却剂通过出水管排出，进入发动机的冷却系统管路。

为了使冷却器内气体的流速趋于平稳，本实施例在第二换热单元内换热管束内采用的换热管管径相较于第一换热单元内换热管的管径增大，同时减少换热管的数量，使换热管管束的截面积（流通面积）减小，因此，在密度增加，流通面积减小的情况下，保证气体（废气）的流速在两个换热单元中保持相近水平，同时，由于第二换热单元中换热管的管径较大，平衡了由于总流通面积减小带来的压力损失的增加。因此，采用前后换热单元不同管芯结构的设计，是根据废气密度随温度变化的特点，通过前后管径的不同来控制气流整体速度的均匀。这种结构有利于减少冷却器内积垢的产生，防止长期使用后冷却器换热性能的下降和压力损失的增加。

实施例三：

本实施例是实施例一个的改进，是实施例一关于换热单元细化。本实施例所述的扩散器与收集器之间设有两个换热单元，与扩散器连接的换热单元为管壳式结构,与收集器连接的换热单元为管翅式结构，如图6、7、8、9所示。本实施例中所述的换热单元包括金属板围成的截面为矩形的壳体，两串联换热单元的壳体通过焊接方式连接在一起。由于串联式设计，将气体的流动分成两程，第一管程换热单元（与扩散器连接）为管壳式，第二管程换热单元（与收集器连接）为管翅式，即换热单元的管束由多个截面为矩形的换热管组成，在矩形管的内部布置有波浪形排布的翅片，这种结构成为管翅式结构。从图6、7、8、9中可以看出管壳式换热单元中采用的是螺旋凹槽换热管，管翅式换热单元中管翅式换热管上下表面有断续排布的鼓包，上表面两鼓包轴线与下表面鼓包轴线互相垂直，鼓包上下对称分布，这些鼓包在换热管之间起到重要的支撑作用，并能起到强化换热的作用。换热管内采用波浪形翅片的紧凑式设计，翅片为二次传热面，可以有效增加换热单元的换热面积，且波浪形设计延长了气体的流动长度，使冷热交换可以更加充分；第二个换热单元为管壳式，换热管采用螺旋凹槽换热管。当高温气体通过圆形螺旋凹槽换热管时，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；两种换热单元通过参数的设计都可以有效提高冷却器的换热效率。

第一换热单元管壳式设计，采用较小管径的换热管，第二换热单元管翅式设计，且第二换热单元管束的截面积较第一换热单元管束的截面积小，从而可以使两换热单元内气体的流动速度保持相近的水平，从而对减少积垢的产生有积极的影响，使冷却器的换热性能在使用过程中下降幅度控制在较小的范围内，满足换热器产品在全生命周期内对排放法规的要求。

实施例四：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于换热单元细化。本实施例所述的扩散器与收集器之间设有两个换热单元，与扩散器连接的换热单元为管翅式结构,与收集器连接的换热单元为管壳式结构，如图10、11、12、13所示。

本实施例中所述的换热单元包括金属板围城的截面为矩形的换热单元壳体201，扩散器通过管板15与第一换热单元的壳体焊接在一起，收集器通过管板17与第二换热单元的壳体焊接在一起。两个串联的换热单元管壳通过连接组件16以焊接方式连接在一起。由于串联式设计，将气体的流动分成两程，第一换热单元（与扩散器连接）为管翅式结构，其中的换热管202为中间带有翅片的矩形截面的换热管。第二换热单元（与收集器连接）为管壳式结构，其中的换热管301是截面为圆形的换热管，换热管的表面设有螺旋凹槽。第一换热单元的管束由多个矩形换热管组成，管内布置有翅片，第二换热单元的管束由带有螺旋凹槽的换热管组成。带有螺旋凹槽的换热管的直径较大，但第二换热单元管束截面积较第一换热单元的管束截面积要小。从而保证两换热单元内气体的流动速度保持基本相同，冷却器整体流速均匀，可以减小积垢的产生。管翅式换热管可以通过管体表面的小鼓包相互支撑，也可以通过添加折流板进行支撑。

实施例五：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于换热单元的细化。本实施例所述的扩散器与收集器之间设有两个管翅式结构的换热单元。

本实施例所述的换热单元为两个，两个换热单元的的结构形式都是管翅式结构。与上述实施例相同的是：与扩散器连接的换热单元的管束的截面积大于与收集器连接的换热单元的管束的截面积；与扩散器连接的换热单元的换热管当量直径小于与收集器连接的换热单元的换热管当量直径。

以上只是显示了本实用新型的几种典型设计形式，其中关于串联换热单元中管芯的结构形式的选择，换热管的长度、数目以及壳体的形状和冷却剂进出口顺序，支架的位置和形状，扁管支撑方式等都可以修改；采用串联式设计使结构标准化和模块化，采用不同换热单元设计，是为了保证整个冷却器内气体流速趋于一致，减少积垢的产生，保证冷却器的换热性能，从而使汽车发动机满足排放标准，为环保贡献力量。

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（比如壳体的外形、换热单元结构的选择、支架的位置和形状）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 (5)

1.一种换热管变截面的废气再循环冷却器，包括：设有与发动机排气歧管直接或间接相连接的法兰盘的扩散器，所述扩散器依次与多个带有换热管束的换热单元、收集器串联焊接连接，所述的收集器设有与发动机进气管直接或间接相连接的法兰盘，与所述扩散器连接的换热单元上设有进水管，与所述收集器连接的换热单元上设有出水管，其特征在于，所述各个换热单元的换热管束的截面积按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递减，所述换热管束的换热管的当量直径按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递增。

2.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述的扩散器与收集器之间设有两个换热单元，所述的换热单元中的换热管截面形状为圆形，与扩散器连接的换热单元的换热管直径小于与收集器连接的换热单元的换热管直径，与扩散器连接的换热单元的换热管束的截面积大于与收集器连接的换热单元的换热管束的截面积。

3.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述的扩散器与收集器之间设有两个换热单元，与扩散器连接的换热单元为管翅式结构,与收集器连接的换热单元为管壳式结构。

4.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述的扩散器与收集器之间设有两个换热单元，与扩散器连接的换热单元为管壳式结构,与收集器连接的换热单元为管翅式结构。

5.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述的扩散器与收集器之间设有两个管翅式结构的换热单元。

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