一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器的製作方法

2023-07-07 14:42:41 1

專利名稱：一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器的製作方法
技術領域：
5 本發明一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，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 換熱器在工業生產中的應用極為普遍，例如在化工、動力、冶金、建
築、機械製造、食品、醫藥及航空航天等各工業部門都佔有很重要的地位。 因此對換熱器的優化設計以提高換熱效率對應用換熱器的行業來說很有必 要。對於汽車行業來說，優化設計汽車發動機廢氣再循環冷卻器，提高換 熱效率以減少氮氧化合物的排放量，使廢氣排放量滿足日益提高的廢氣排
15放標準的要求也是急需解決的問題。
廢氣再循環冷卻技術是在廢氣再循環技術的基礎上，在保證內燃機動 力性不降低的前提下，將汽車發動機所排放的部分廢氣通過冷卻器進行冷 卻循環再利用，經冷卻的廢氣重新回傳到發動機的燃燒室中，這樣引入了
不活性氣體(主要是COJ到燃燒室，既可以降低燃燒室內的氮氣含量，又 20 可以降低燃燒室的溫度，燃燒室內較低的溫度和較少的氮氣(N2)，既能使 燃料充分燃燒又可使氮氣(N2)與(02)的反應條件缺乏，從而達到抑制
氮氧化合物(N0x)的生成和排放的技術。因此廢氣再循環冷卻技術的應用，
使得汽車發動機的廢氣排放可以達到較高的標準，而廢氣再循環冷卻器的 合理優化設計，不僅能夠提高換熱器的效率，同時也可以使汽車發動機的
尾氣排放符合越來越嚴格的排放標準。
目前，汽車發動機廢氣再循環冷卻系統用的換熱器主要有兩大類。 第一類是板翅式換熱器，是由很多塊薄板和板間的二次表面組成，二 次表面既作為肋化面，又能起到固定板間距並增強剛度的作用，此類換熱 5 器結構緊湊、輕巧，傳熱係數高、傳熱效果好，但製造成本高，對經濟性 要求較高，隨著有色金屬和不鏽鋼防腐處理技術和釺焊工藝技術的提高， 板翅式換熱器被認為是很有前途的熱交換設備之一。本發明的設計中也考 慮到了板翅式換熱器高效率的設計優點。
第二類是管殼式換熱器，管殼式換熱器的應用相對比較廣泛。 10 管殼式換熱器是在一個圓筒形殼體內設置許多平行的管子(稱這些平
行的管子為管束)，冷熱兩種流體分別從管內空間(管側)和管外空間(殼 側)流過進行熱量的交換。通常， 一方面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，以提高流體的流速並增強擾動，提高換熱效 率。另一方面為提高管內空間流體的流動，可以在管箱內裝以分程隔板， 15 使進入的流體每次只流過一部分管子，而後流過另一部分管子，這樣把管 內空間分成了多程。此類換熱器結構簡單，造價較低，選材範圍廣，處理 能力大，還能適應高溫高壓的要求，但是這種換熱器的換熱效率較低，在
排放要求較低地區應用較廣；
現在普遍使用的管殼式換熱器是在殼體中順序排列著一種表面帶有向
20內凸起的螺旋凹槽的橫截面為圃形的不鏽鋼管的換熱管，換熱效率相對提
高了許多。這種截面形狀為圓形的螺旋凹槽換熱管的應用在目前相對來說
很廣泛；但隨著環保法規對汽車尾氣排放的要求日益提高，現有的這些作 為廢氣再循環冷卻器的換熱器已不能滿足未來發展的需要和激烈竟爭的市
場。為了滿足環保法規對日益提高的汽車尾氣排放的要求並增強市場竟爭 力，這種常用的作為廢氣再循環冷卻裝置的換熱器需要不斷的改進，本發 明的設計中考慮到了管殼式換熱器結構簡單的優點。
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 5 的換熱效率，是熱交換器的改造關鍵。
發明的內容
本發明就是4十對上述目前常用的作為廢氣再循環冷卻系統中冷卻裝置 的換熱器已不能滿足未來環保要求的現狀，提出一種應用交叉螺旋管的雙 10 管程換熱器，在不改變發動機其他結構的前提下，提高廢氣再循環冷卻器 的換熱效率，進而提高現有發動機的性能，減少廢氣排放。
本發明的目的是這樣達到的 一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器， 該換熱器包括殼體、換熱管、分程隔板、管板和管箱；其特徵在於所 述換熱管管體的外表面具有向內凹進的交叉螺旋凹槽，而換熱管體的內表
15 面具有與外表面凹槽相對應的凸起的交叉螺旋凸起，換熱管體的兩端為光 滑段；所述換熱管的截面形狀為特殊的扁狀，且扁狀換熱管的高度與寬度 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， 且長邊和短邊圓滑的相連；所述分程隔板將換熱管分成兩個管程，且兩程
20 的管數有所差異。
所述換熱管的兩端焊接殼體中的管板上，且管體放置時，其中心軸與 殼體的側壁平行。所述分程隔板將換熱管分成兩個管程，且第一程的管數 稍多於第二程的管數。所述換熱管由兩條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
徑比短邊圓弧半徑大很多，四條圃弧圓滑的相連。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平滑連接。所述換熱管的長邊為直線， 短邊為半圓弧。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
5 4。所述螺旋凹槽的螺旋升角為20~75度。所述螺旋凹槽深度大於0.4w/n。 殼體的形狀為矩形、圓形、方形等形式。每個管程中的換熱管在殼體中的 布置方式都可以設置成順排、錯排或者順排和錯排結合使用的方式。
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，
io 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果的提高，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。
15 附困說明


圖1為本發明第一實施例的立體結構示意圖； 圖2為本發明第一實施例管板處的截面形狀示意圖； 圖3為本發明所採用的扁狀螺旋凹槽換熱管的立體結構示意圖; 圖4為本發明第一實施例的換熱管截面示意圖； 20 圖5為本發明第二實施例的換熱管截面示意圖6為本發明第三實施例的換熱管截面示意圖； 圖7為本發明第四實施例的換熱管截面示意圖； 圖8為本發明第五實施例的立體截面示意圖。
具體實施例方式
實施例一
圖1、 2所示分別為本發明中第一實施例的立體結構示意圖及管板處的
5 截面示意圖。圖中的序號表示的是1.殼體，2.換熱管，3.管板，4.隔板， 5.廢氣進出口， 6.折流板。換熱管2以順排的方式布置在殼體1中，流體 通過分程隔板4被分為兩程，廢氣進出口 5布置在隔板4兩邊，第一程的 管數比第二程稍多，換熱管緊湊的布置在殼體中以及分程隔板這種布置方 式使得各管程的流體流速接近相同，對減小第一程的阻力和提高第二程的
10 換熱效果都有很好的作用，且管內不易結垢。殼體中根據需要設置了折流 板6,折流板6起到加強殼程流體的擾動和支撐的作用，使得管內外流體 的換熱充分，從而達到更高的換熱效果。
圖3為本發明所採用的扁狀交叉螺旋凹槽換熱管的一種立體結構示意 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
15 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；換熱管是表面 具有兩條相互交叉且向內凸起的螺旋凹槽的不鏽鋼管體，螺旋凹槽交叉處 呈"X"狀。該螺旋凸起可以是兩條以上；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 20 ~ 75度之間；凹槽深度不小於0. 4附m;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。
在熱交換器的進出管程處的管箱內布置了分程隔板，在管箱內安裝分 程隔板是為了將熱交換器的管程分為若干流程， 一般情況下流程的組織應 注意每一程的管數大致相等，本發明中考慮到換熱器換熱的實際情況，在 布置分程隔板使，使兩管程中換熱管管數不完全相同。且第一程比第二程 5 的管數稍多，流體先流過第一程換熱管，而後流過第二程換熱管，流體在
管程的流動呈"U，，形的迴路。第一程的管數比第二程稍多原因是當熱空 氣通過第一程管的時候，已經有一定的降溫，氣體降溫就要收縮，所以第 二程的管數略少。只要精確的計算氣體收縮量和氣體流量，就可以獲得兩 個管程的精確管數。
io —般情況下在考慮管箱內分程隔板的布置時，假定密度p為定值，流
體的體積流量^為常量，為了保證流體在不同管程中的平均流動速度v和 阻力損失情況大致相同，根據流體力學公式^-^v-co"taiU可知，不同管 程的流通面積j相同，也就是不同管程換熱管的數目大致相同。
汽車發動^U的廢氣再循環冷卻裝置中， 一般廢氣經過冷卻器後，冷卻
15 前後的溫度可以相差幾百度，氣體的密度/ 在高溫和低溫時有一定的差距， 因此將氣體的密度變化考慮到換熱器的設計中，則流體在不同管程的質量 流量2w保持不變，如公式2m =/ Avi-AV^v;!-co"tanf所示。廢氣在通過第 一個管程時的溫度比通過第二個管程時的溫度要高，那麼廢氣在第一個管
程時的密度A比在第二個管程時的密度A低，即P^A，根據公式 20gw -pAv, =p2J2v2 =0>"1旭/可知，為了保證流體在不同管程中的平均流動速
度v和阻力損失情況大致相同，則第一管程的流通面積要大於第二管程的流 通面積，即4》4。所以本發明中對分程隔板的布局與一般情況下對管程 數要求大致相同的規定有些差異，考慮到密度變化及阻力損失和換熱效果
這些因素，使第一管程的換熱管數稍多於第二管程的換熱管數。這樣即保 證了在相同的質量流量下，第一管程的管數有所增加，阻力有所下降，第 二管程的管數有所減少，速度有所提高，則換熱效果有所增強，最終使換 熱器達到較高的換熱效率。 5 本發明的換熱器中應用交叉螺旋凹槽換熱管，可以在傳熱中明顯提高
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；沿槽故做旋轉運動且方向不同的流體和
io 沿軸向運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
15 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，對換熱管壁有較強地衝刷作用，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，即使結垢，清垢也比較 方便。此外，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
20 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。
採用本發明這種應用交叉螺旋凹槽換熱管的雙管程換熱器，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，有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，可以大大提高汽車發動機的排放 性能指標，滿足日益嚴格的環保排放要求。同時該換熱器可以作為汽車裝 5 置中增壓系統的中冷器，可以最大限度提高發動機的功率和扭矩，改善發 動機的性能。
圖4為本實施例的扁狀交叉螺旋凹槽換熱管的截面形狀示意圖。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 io 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^: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。
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 15 工，本實施例將換熱管管體除去螺旋凹槽情況下，其截面中相對的長邊和 相對的短邊均設置成弧形，且長邊與短邊圓滑的相連。如圖4所示，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。
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 20 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。 實施例二
圖5為本實施例中的換熱管剖面圖。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。
5 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到加強的作用。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，
10 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 15 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 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圃弧倒角相連；這種 20 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 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所示為本發明實施例五的立體圖；圖中所示扁狀交叉螺旋管在矩 5 形殼體中的一種布置方式示意圖。換熱管緊湊的布置在殼體中，管子的排 列方式與以往的排列方式有所差異，以順排和錯排交叉排列的方式分布在 氣體中，這種布置方式可以加強管外冷卻器的擾動，使流體流動加劇，增 強了管內外流體的換熱，從而增加了換熱量，提高了換熱效率。換熱管被 分成兩程，第一程的管數比第二程稍多，這種布置與圖l的相同，不僅結 io 構緊湊而且可以提高換熱效率。
以上只是顯示了幾種典型的換熱管，在多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。
15 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，本領域的普通技術人員應 當理解，可以對本發明的技術方案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、一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，該換熱器包括殼體、換熱管、分程隔板、管板和管箱，其特徵在於所述換熱管管體的外表面具有向內凹進的交叉螺旋凹槽，而換熱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，換熱管體的兩端為光滑段；所述換熱管的截面形狀為特殊的扁狀，且扁狀換熱管的高度與寬度不相等；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，且長邊和短邊圓滑的相連；所述分程隔板將換熱管分成兩個管程，且兩程的管數有所差異。
2、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其特 io 徵在於所述換熱管的兩端焊接殼體中的管板上，且管體放置時，其中心軸與殼體的側壁平行。
3、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其特 徵在於所述分程隔板將換熱管分成兩個管程，且第一程的管數稍多於第 二程的管數。
4、根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其特 徵在於所述換熱管由兩條旋轉方向相反的螺旋凹槽組成，相交處呈"X" 狀。
5、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其特 徵在於所述換熱管的長邊和短邊都由圓孤組成，且長邊圓弧半徑比短邊圓20 弧半徑大很多，四條圓弧圓滑的相連。
6、 根據權利要求l所述的一種應用交叉螺旋凹管的雙管程換熱器，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平 滑連接。
7、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其特 徵在於所述換熱管的長邊為直線，短邊為半圓弧。
8、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其特 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。
9、根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其特徵在於所述螺旋凹槽的螺旋升角為20 ~ 75度。
10、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其 特徵在於所述凹槽深度大於0. 4附附。
11、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其 io 特徵在於殼體的形狀為矩形、圓形、方形等形式。
12、 根據權利要求1所述的一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，其 特徵在於每個管程中的換熱管在殼體中的布置方式都可以設置成順排、 錯排或者順排和錯排結合使用的方式。
全文摘要
本發明一種應用交叉螺旋管的雙管程換熱器，涉及一種換熱管與熱交換介質的通道橫交的熱交換器。為改進發動機廢氣再循環熱交換器，提高熱交換效率。熱交換器包括殼體、換熱管、分程隔板、管板和管箱；換熱管為一種交叉螺旋凹槽換熱管，包括表面具有向內凸起的交叉螺旋凹槽的不鏽鋼管體，交叉處呈「X」狀，不鏽鋼管體的截面形狀為特殊的扁狀，且扁狀換熱管的截面形狀的高度與寬度不相等。換熱器通過分程隔板將管子分成兩程，且兩程的管數有所差異。雙管程換熱器尤其適於作為汽車發動機的廢氣再循環冷卻器，提高換熱器的效率，提高汽車發動機的排放性能指標，滿足環保排放要求。本發明作為渦輪增壓系統中冷器，也可以提高發動機的性能。
文檔編號F28D1/04GK101101184SQ200610089638
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