一種應用交叉螺旋管的換熱器的製作方法

2023-10-31 21:56:07

專利名稱：一種應用交叉螺旋管的換熱器的製作方法
技術領域：
5 本發明一種應用交叉螺旋管的換熱器，涉及一種發動機的廢氣再循環
熱交換器，是一種發動機的進、排氣附加裝置，是一種換熱管與熱交換介 質的通道橫交的熱交換器。
背景技術：
10 換熱器在石油化工、機械製造、煉油、冶金、輕工、製藥、食品等行
業應用極為普遍，佔全部工藝設備投資的40% ~60%,因此換熱器的發展 對這些行業有;f艮大的影響。由於能源與材料費用的不斷增長，大大地推動
了高效節能換熱器的發展。在汽車製造行業，隨著世界各國對汽車尾氣排 放標準的要求越來越嚴格，汽車廢氣再循環冷卻裝置中的換熱器的優化設
15 計將起到重要作用。
廢氣再循環冷卻技術是把換熱器應用到廢氣再循環系統中，將汽車發 動機所排放的部分廢氣通過廢氣再循環冷卻器進行冷卻後，重新回傳到發 動機的燃燒室中循環再利用，這樣既引入了不活性氣體到燃燒室，降低燃 燒室內氮氣的含量，又可以降低燃燒室的溫度，由於氮氧化合物的生成是
20 與燃燒峰值及氧氣含量密切相關的，採用廢氣再循環冷卻技術從而抑制氮 氧化合物生成和排放。其中，換熱器是廢氣再循環冷卻系統中的關鍵元件， 其換熱效率的高低決定了再循環廢氣的溫度高低，因此，在保證發動機性 能不降低的前提下，提高廢氣再循環冷卻器的換熱效率對汽車行業尤為重
要，同時提高換熱器的換熱效率是設計換熱器時首要目的。
目前，汽車發動機廢氣再循環系統中常用的換熱器有兩大類。 第 一類是管殼式換熱器，就是在一個圓形殼體內布置許多平行的管子 (稱這些平行的管子為管束)，溫度高的廢氣走管程，而冷卻劑則走殼程，
5 通過管壁兩種流體進行熱量的交換；通常會在殼側裝置與管束平行的縱向 隔板或與管束垂直的折流板，以提高殼程流體的流速並增強擾動，提高換 熱效率。此類換熱器結構簡單，但換熱效率不太高。
目前，主要在這種換熱器中設置一種表面帶有向內凸起的螺旋凹槽的 圓形換熱管，換熱效率相對提高了很多，但是隨著汽車排放標準的要求曰 io 益嚴格，這種換熱器的換熱效果已逐漸不能滿足要求，本發明的設計中應 用了管殼式換熱器結構簡單的優點。
第二類是板翅式換熱器，隔板、翅片及封條三部分是板翅式換熱器的 基本單元，冷、熱流體在相鄰的基本單元體的流道中流動，通過翅片及與 翅片連成一體的隔板進行熱交換，翅片能起到管板間距並增強剛度的作用。
15 此類換熱器結構緊湊、換熱效率高，但結構複雜，製造成本高。本發明設
計中應用了板翅式換熱器結構緊湊的優點。
總之，為提高發動機的排放性能指標，使廢氣再循環冷系統具有較高 的換熱效率，是熱交換器的改造關鍵。
20 發明的內容
本發明的目的就是設計一種應用交叉螺旋管的換熱器，為改進發動機 廢氣再循環熱交換器，提高交換效率，以較少氮氧化合物的排放量，滿足
日益提高的環保要求；同時本發明也適於作為渦輪增壓系統的中冷器，以
提高發動機的性能。
本發明的目的是這樣實現的 一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器 包括殼體、換熱管、管板；換熱管以一定的方式排列並固定在殼體的管 板上，且軸線相互平行，其特徵在於所述換熱管的截面形狀為特殊的扁 5 狀，其高度與寬度不相等，截面由兩個相對的長邊和兩個相對的短邊組成， 其中，所述長邊為由內向外凸起的弧線或直線，所述短邊也為由內向外凸 起的弧線或直線，長邊和短邊圓滑的相連；所述換熱管管體的外表面具有 向內凹進的斷續或連續、 一條或多條螺旋凹槽交叉設置，而管體的內表面 具有與外表面凹槽相對應的凸起的交叉螺旋凸起，管體的兩端為光滑段。
10 所述換熱管的兩端焊接固定在殼體中的管板上，且管體放置均與殼體
側壁平行。所述換熱管由旋轉方向相反的螺旋凹槽組成，相交處呈"X"狀。 所述換熱管的長邊和短邊都由圓弧組成，且長邊圓弧半徑比短邊圃弧半徑 大很多，四條圓孤圓滑的相連。所述換熱管的長邊和短邊都由直線組成，長 邊和短邊通過圓弧倒角連接。所述換熱管的長邊為直線，短邊為半圓弧所述
15 換熱管的截面形狀呈橢圓形，且長軸和短軸的比值不大於4。所述螺旋升角 為20 - 75度。所述凹槽深度大於0.4/wn。殼體的形狀為矩形、圓形、方 形等形式。所述換熱管的端面在換熱器的管板上以一定的角度或相互垂直 設置，即採用順排、錯排或順排和錯排同時使用的方式布置換熱管。所述 換熱器殼體中根據需要設置折流板。
20 本發明的有益效果是由於使用了交叉螺旋凹槽換熱管，當廢氣通過
換熱管在管內流動時，受交叉螺旋槽紋的引導，靠近壁面沿軸向交叉運動， 同時交叉螺旋形的凸起也使交叉運動的流體產生周期性的相互擾動，管內 流體基本以紊流為主，產生效果是熱交換效率的提高，管中的廢氣更快冷
卻，換句話說在換熱器出口的氣體溫度更低，可以產生更好的廢氣利用效 果。本發明既具有傳統的管殼式換熱器的結構簡單方便，適應性強，處理 能力大，工作可靠等優點，又具有板翅式換熱器的結構緊湊，體積小、傳 熱效率高等特點，這種換熱器尤其適用於廢氣再循環冷卻器，提高發動機 5 的排放標準。同樣也可以作為渦輪增壓中冷器，提高增壓效率，從而使汽 車發動機的性能提高。
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案進行詳細說明。
附困說明
io

圖1為本發明第一實施例的立體結構示意圖2為本發明第一實施例管板處的截面形狀示意圖； 圖3為本發明所採用的截面形狀為扁狀的交叉螺旋凹槽換熱管的立體 結構示意圖4為圖3所示換熱管的第一種截面形狀下的示意圖； 15 圖5為圖3所示換熱管的第二種截面形狀下的示意圖6為圖3所示換熱管的第三種截面形狀下的示意圖； 圖7為圖3所示換熱管的第四種截面形狀下的示意圖； 圖8為本發明第二實施例的立體截面示意圖。
20
具體實施例方式
實施例一
圖1、 2所示分別為本發明第一實施例的立體結構示意圖及管板處的截 面形狀示意圖。圖中的序號表示的是1.殼體，2.換熱管，3.管板。如圖 l所示，當換熱器的殼體1為矩形截面，扁狀交叉螺旋凹槽換熱管2在殼
體1中的一種布置方式；換熱管2緊湊的布置在殼體1中，且換熱管2的 按照平行和豎直的兩種方式交錯排列在殼體中，換熱管2的管口兩端焊接 固定在殼體兩端的管板3上。扁狀交叉螺旋管的應用以及如圖1所示的布 置方式，不僅增強管內流體的流動強度，管外冷卻劑的流體的擾動也得到
5了加強，使管內外均不易結垢，從而也提高了管內外流體的換熱情況。
換熱管設置旋轉方向相反螺旋線，相交處呈"X"狀，螺旋槽在外表面 向內凹，內表面凸起，其形狀與凹槽形狀相對應。當管體的截面形狀為扁 狀時，兩條螺旋線交叉的地方在相對的長邊處。螺旋升角為20 75度。所 述凹槽深度大於0. 4附附。
10 換熱器的殼體，其外形可以是矩形、圓形、方形等形狀。換熱管根據
殼體的形狀，軸線相互平行，以順排、錯排或者順排和錯排共同使用的方 式布置在管殼中。換熱管的兩端固定在殼體中的管板上，且換熱管的端面 在換熱器的管板上以一定的角度或相互垂直設置，換熱管軸線相互平行排 列固定在殼體中。
15 本發明應用交叉螺旋凹槽換熱管，可以在傳熱過程中明顯提高管內外
的傳熱係數，起到雙邊強化的作用，與傳統換熱器所採用的管子相比有很 大的優勢。其強化傳熱的機理為當廢氣進入換熱管時，由於交叉螺旋的 引導作用，使得進入管內流體沿對稱的方向發生旋轉運動，形成了旋流層， 同時產生複雜的二次流，沿槽玟^L旋轉運動且方向不同的流體和沿軸向運
20 動的流體均在螺旋相互交叉的地方匯合，發生碰撞，流體的擾動明顯增強， 不僅減薄和破壞了流體的邊界層，使管內外流體的換熱能力提高，同時也 使得中心流體與靠近管壁的流體之間產生置換作用，使管內流體與管外流 體的換熱效果增強，且有效的降低了整個流場的溫度值，提高換熱管的能
力，進而增加廢氣再循環冷卻器的換熱效率。同時，流體擾動的增強使得 臨界雷諾數降低，即從層流向湍流的轉變提早發生，管內流體產生強烈旋 轉運動，對換熱管壁有i^支強地衝刷作用，以及螺旋槽管本身具有熱補償能 力，熱脹冷縮，管壁不易結垢，而且，即使結祐，清垢也比較方便。此外， 5 這種交叉的凸肋增強了換熱管的機械強度。
同時，本發明以節省成本提高性能作為出發點，為發動機廢氣再循環 冷卻系統與動力系統有機的整合為 一體提供了技術平臺，大大節省了發動 機空間及體積，有效地縮減了不必要的設置，在提高發動機性能的同時， 極大地為製造者節省製造成本。
io 圖3所示為本發明所採用的截面形狀為扁狀的交叉螺旋凹槽換熱管的
立體結構示意圖；如圖所示，管體的截面形狀為扁狀，截面由兩個相對的 長邊和兩個相對的短邊組成，其中，所述長邊為由內向外凸起的弧線或直 線，所述短邊也為由內向外凸起的弧線或直線，長邊和短邊圓滑的相連； 換熱管的管體的外表面具有向內凹進的相互交叉的螺旋凹槽，而管體的內
15 表面具有與外表面凹槽相對應的交叉螺旋凸起，螺旋凹槽交叉處呈"X"狀， 管體的兩端為光滑段；螺旋凹槽的截面形狀可以設置為"U"形、"V"形或 圓弧形，利於小尺寸形面的生成；凹槽螺旋升角設計為20~75度之間；凹 槽深度不小於0. 4wm。交叉螺旋凹槽管的這種設置能使流體在管內產生充 分的紊流；同時，為了確保經濟使用，簡化加工難度，故將截面所有銳角
20 均設計為圓弧過渡，使所有表面均能進行充分良好地換熱，徹底消除了熱 交換死角。
圖4為圖3所示扁狀交叉螺旋凹槽換熱管的截面示意圖。圖中序號所 表示的是21.螺旋凹槽，22.凹槽交叉處，23.截面長邊，24.截面短邊。
為了充分利用換熱管的表面來實現最大效率的熱交換，且易於生產加工，
本實施例將換熱管管體有螺旋凹槽21情況下，其截面長邊23和截面短邊 24均設置成弧形，且截面長邊與截面短邊圓滑的相連。如圖4所示，截面 長邊的圓弧半徑遠遠大於短邊的半徑，這樣不會出現表面"塌陷，，的現象。
5 廢氣再循環冷卻器中布置截面形狀為扁狀螺旋換熱管與目前所採用的 圓形螺旋換熱管相比。首先，在保證冷卻器的體積和廢氣流量不變的前提 下，也就是換熱管截面面積不變的情況下，扁狀管的截面周長肯定大於圓 管的截面周長，從而扁狀管的換熱面積大於圓管的換熱面積，進而提高了 整個換熱器的換熱面積，使換熱器達到了較高的換熱效果。
io 實施例二
本實施例中的換熱管的截面形狀是另一種扁圓形，如圖5所示。本實 施例與上述圖4所述實施例一的區別在於不鏽鋼管體的截面形狀呈扁平 狀，兩個相對的長邊為直線，相對的短邊由內向外呈孤形凸起的半圓弧面， 這樣的設置，可以提高換熱效率。
15 廢氣再循環冷卻器中所布置的扁狀螺旋換熱管不僅比圓管的換熱面積 有所增加，且對管內流體的擾動起封加強的作用。因為扁狀管相對於圓管 來說不是中心對稱的形狀，扁狀螺旋管的幾何中心與管壁的距離比圓形螺 旋管與管壁的距離要小，管內的大部分流體可以參與換熱，且扁狀管的形 狀使得流體的擾動增強，換熱效果增強，從而管內流體的溫度下降的要快，
20 進出口的溫差增大，換熱效率提高。 實施例三
圖6為本實施例中的換熱管剖面圖。本實施例是在上述圖4所述實施 例的基礎上的一個變形，將換熱管的整個的截面圓滑的連接起來，即為了
方面加工，在除去螺旋凹槽的截面形狀的情況下，將管體的截面形狀設置 成橢圓形。
實施例四
圖7為本實施例中的換熱管剖面圖。本實施例將換熱管相鄰的兩面之 5間設置半圓弧形過渡連接，該換熱管截面除去螺旋凹槽的截面形狀，不鏽 鋼管體的截面形狀即為矩形，且相鄰的兩面之間通過圓弧倒角相連；這種
設置使得換熱效率可以得到有效的增加。
扁狀螺旋管的非中心對稱性相對於圓形的螺旋管來說，不同的排列方 式可以產生不同的效果，因此根據不同的需求，換熱管的布置的方式上可
10 以有多種，換熱管順排、錯排或者是順排和錯排同時使用，不同的排列方
式使得管外冷卻劑的流動發生擾動的效果不同，從而也可以加強管內外流 體的換熱，增強換熱器的換熱效率。
實施例五
圖8所示為本發明第五實施例的立體圖；該實施例是殼體為矩形截面 15 時，扁狀交叉螺旋凹槽換熱管以一定的角度交錯排列的一種布置方式示意 圖。每列換熱管以相同的角度平行排列，且相鄰兩列管束呈對稱分布，換 熱管的管口兩端焊接固定在殼體兩端的管板上。這種布置方式充分利用了 扁狀換熱管的優點，由於扁狀換熱管的非中心對稱性，管子的交錯排列使 得管外冷卻劑的擾動加劇，換熱效果增強，換熱量增加，冷卻器的換熱效 20 率增加，從而提高汽車發動機的排放性能指標，滿足日益提高的更嚴格的 環保排放要求。
以上只是顯示了幾種典型的扁狀交叉螺旋凹槽換熱管在雙管程換熱器 中的布置方式，其中關於換熱管的長度、數目以及換熱管在殼體中的排列
方式都可以修改，但不同程換熱管的管數則要根據實際情況確定，相差不 能太懸殊，也要有一定的差距。
最後所應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡 管參照較佳布置方案對本發明進行了詳細說明，本領域普通技術人員應當 5 理解，可以對本發明的技術方案(比如換熱管在殼體中的排列方式)進行 修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
權利要求
1、一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器包括殼體、換熱管、管板；換熱管以一定的方式排列並固定在殼體的管板上，且軸線相互平行，其特徵在於所述換熱管的截面形狀為特殊的扁狀，其高度與寬度不相等，截面由兩個相對的長邊和兩個相對的短邊組成，其中，所述長邊為由內向外凸起的弧線或直線，所述短邊也為由內向外凸起的弧線或直線，長邊和短邊圓滑的相連；所述換熱管管體的外表面具有向內凹進的斷續或連續、一條或多條螺旋凹槽交叉設置，而管體的內表面具有與外表面凹槽相對應的凸起的交叉螺旋凸起，管體的兩端為光滑段。
2、根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其特徵在於所述換熱管的兩端焊接固定在殼體中的管板上，且管體放置均 與殼體側壁平行。
3、根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其 15 特徵在於所述換熱管由旋轉方向相反的螺旋凹槽組成，相交處呈"X"狀。
4、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其 特徵在於所述換熱管的長邊和短邊都由圓弧組成，且長邊圓孤半徑比短邊 圓弧半徑大很多，四條圓弧圓滑的相連。
5、 根據權利要求l所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其 特徵在於所述換熱管的長邊和短邊都由直線組成，長邊和短邊通過圓弧倒 角連接。
6、 根據權利要求l所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其 特徵在於所述換熱管的長邊為直線，短邊為半圓弧。
7、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其 5 特徵在於所述換熱管的截面形狀呈橢圓形，且長軸和短軸的比值不大於4。
8、 根據權利要求l所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其 特徵在於所述螺旋凹槽的螺旋升角為20~75度。o
9、根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其特徵在於所述凹槽深度大於0. 4mw。
10、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器， 其特徵在於殼體的形狀為矩形、圓形、方形等形式。15
11、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其特徵在於所述換熱管的端面在換熱器的管板上以一定的角度或相互垂 直設置，即採用順排、錯排或順排和錯排同時使用的方式布置換熱管。!o
12、根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋凹槽換熱管的換熱器，其特徵在於所述換熱器殼體中根據需要設置折流板。
全文摘要
本發明一種應用交叉螺旋管的換熱器，涉及一種發動機的廢氣再循環熱交換器。為改進發動機廢氣再循環熱交換器，提高熱交換效率。交換器包括換熱管、殼體和管板。其中所述換熱管為表面具有向內凸起的交叉螺旋凹槽的不鏽鋼管體，且所述管體的截面形狀為扁狀。扁狀換熱管截面形狀的高度與寬度不相等，且旋轉方向相反的螺旋線在管體相對的長邊處交叉，呈「X」狀。由於本發明中交叉螺旋換熱管的應用，使管內外均不易結垢，並且提高了換熱效果。所述換熱器尤其適用於汽車發動機的廢氣再循環冷卻裝置，降低廢氣排放溫度，提高尾氣的排放性能指標，滿足日益嚴格的環保要求。同時，本發明也可應用到渦輪增壓系統中，提高發動機的性能。
文檔編號F28F1/42GK101101185SQ200610089639
公開日2008年1月9日 申請日期2006年7月7日 優先權日2006年7月7日
發明者景建周, 景建坤, 楊曉璦, 湯俊潔, 沈董浩 申請人:北京美聯橋科技發展有限公司;錦州美聯橋汽車部件有限公司