專利名稱：一種應用u形交叉螺旋管的管殼式換熱器的制作方法
技術領域：
本發明一種應用u形交叉螺旋管的管殼式換熱器，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纟黃交的熱交換器。
背景技術：
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、食 品、煉油、建筑、機械制造、醫藥及航空航天等各部門都得到了廣泛應用， 而且在一些工業企業中具有很重要的地位。因此對換熱器進行優化設計以 提高其換熱效率，對各行業來說非常重要。隨著世界各國對排放標準要求 越來越嚴格，汽車廢氣再循環冷卻系統中換熱器的優化設計對汽車行業尤 為重要。
廢氣再循環冷卻器是廢氣再循環冷卻技術的核心設備，冷卻器的應用
可以有效的降低氮氧化合物的排放量。廢氣再循環冷卻技術的原理是保 證內燃機動力性不降低的前提下，根據內燃機的溫度及負荷大小將發動機 排出的部分廢氣通過廢氣再循環冷卻器冷卻后，再送回進氣管，和新鮮混 合氣混合后再次進入氣缸參加燃燒，這樣即降低了氣缸的溫度，又引入了 不活性氣體(主要是C02)，降低了氮氣含量，使氮氣和氧氣的反應條件缺 乏，燃燒反應的速度減慢，從而降低氮氧化合物(N0x)的排放量，達到抑 制或降低N0x生成和排放的技術。因此在廢氣再循環系統中，備有高效的
廢氣再循環冷卻器可以使汽車的排放量達到較高的標準。
目前，汽車發動才幾廢氣再循環系統用的換熱器有兩大類。 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，又能起到管板間距并增強剛度的作用，此類熱交換
5 器結構復雜、制造成本高。但隨著不銹鋼防腐處理技術和釬焊工藝技術的
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，而管殼式熱交換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
io 空間(管側)和管外空間(殼側)流過進行熱量的交換；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；以提高流體的流速并增 強擾動，提高換熱效率；此類熱交換器結構簡單，選材范圍廣，但換熱效 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
15內凸起的螺旋凹槽的橫截面為圓形的不銹鋼管的換熱管，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并增強市場竟爭
20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 的換熱效率，是熱交換器的改造關鍵。 發明的內容
本發明就是針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汽車尾氣排放標準要求的現狀所提出的；其目的 是設計一種高效的應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器，尤其適于應用到 5 汽車發動機系統中，在不影響發動機性能的前提下，作為廢氣再循環冷卻 裝置以提高汽車排放的性能指標，或者是作為渦輪增壓系統的中冷器以改 善發動機性能。
本發明的目的是這樣實現的 一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱 器，包括殼體、換熱管、管板；殼體一端開口， 一端封閉；殼體開口的
io —端由管板封閉，所述換熱管為"U，，字形彎管，兩端固定在同管板上，其 特征在于換熱管體的外表面具有向內凹進斷續或連續、 一條或多條螺旋 凹槽交叉設置，而換熱管體的內表面具有與外表面凹槽相對應的交叉螺旋 凸起，管體的兩端為光滑段。所述換熱管的截面形狀呈特殊的扁狀，且其 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，
15 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。
所述換熱管的兩端焊接固定在殼體中的同一個管板上，且換熱管的彎 曲程度與殼體相匹配，管體順序排列在殼體中。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
20 孤組成，且長邊圓弧半徑比短邊圓孤半徑大4艮多，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，長邊和短邊通過圃孤平滑連接。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于4。所述螺旋凹槽的螺旋升角為20~75度。所述
凹槽深度大于0. 4w;n。殼體的形狀為矩形、圓形、方形等形式。所述殼體 中布置有折流板。
本發明的有益效果是由于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，
5 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。由于采用U形管的布置方式，充分考慮到殼體中空間的合理利用，且 換熱管緊湊的布置其中，保證在同等的體積尺寸下，可以有效的進行熱交
10 換。
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。 附困說明
圖1為殼體截面形狀為矩形時，以一種扁狀螺旋凹槽換熱管為例在殼
15 體內一種布置方式示意圖2為圖1所示換熱器管板處的截面示意圖3為截面形狀為扁狀的U字形螺旋凹槽換熱管的示意圖4為圖3所示換熱管的第一種截面形狀示意圖5為圖3所示換熱管的第二種截面形狀示意圖； 20 圖6為圖3所示換熱管的第三種截面形狀示意圖7為圖3所示換熱管的第四種截面形狀示意圖。
具體實施方式
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 面示意圖。圖中的序號表示的是1.殼體，2.換熱管，3.管板，4.廢氣進 出口， 5.折流板。如圖1所示為扁狀交叉螺旋管在U形管式換熱器中的一 5 種布置方式示意圖。殼體l的一端設有開口，開口處設有管板3， U形換 熱管2的兩端(即廢氣進口端和廢氣出口端4)裝配在管板的同側；管板3 上與廢氣進出口 4連接處端面開有固定U形換熱管的通孔；換熱管2是由 兩個直管段和一個彎管段組成，形狀呈U字形。U形換熱管的兩端，分別 焊接在與之對應的管板的通孔上，并相互平行固定在殼體中；在殼體1上
10靠近管板的進氣口處設有冷卻介質進口，與之對應的殼體另一側設有冷卻 介質出口。殼體封閉端為與彎管形狀一致的曲面^:置。
換熱管體的外表面具有向內凹進斷續或連續、 一條或多條螺旋凹槽交 叉設置，而換熱管體的內表面具有與外表面凹槽相對應的交叉螺旋凸起， 管體的兩端為光滑段。扁狀交叉螺旋管為"U"字形彎管，換熱管是表面具
15 有兩條相互交叉且向內凸起的螺旋凹槽的不銹鋼管體，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，利于小尺寸形面的生成。凹槽螺旋升角設計為20 75度之間，凹槽深度不小于0. 4/wn。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，為了確保經濟實用，簡化加工難度，故將
20 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,，在有交叉螺旋凹槽換熱管段中，當廢氣通過換熱 管在管內流動時，受螺旋槽紋的引導，靠近壁面沿軸向運動同時，螺旋形 的凸起也使流體產生周期性的擾動。前種作用有利于減少流體邊界層厚度;
后一種作用會引起邊界層中流體質點的擾動，因而可以加快由壁面到流體 主體的熱量傳遞。具體的說當廢氣遇到螺旋凸起部位的阻礙作用，流動方
向發生變化，產生復雜的二次流渦旋流動；同時由于交叉螺旋凹槽的旋轉 方向相反，沿螺旋運動的流體在交叉處發生強烈的碰撞，使得流體的擾動
5 加強，不僅如此，由于螺旋的阻礙作用，在螺旋凸起的后面也形成了渦旋， 增大了廢氣的湍流度，尤其增大了對近壁區邊界層的擾動，破壞或減薄了 流體的邊界層，從而增強了換熱；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，管內流體產生強烈地旋轉運動， 對換熱管壁有較強地沖刷作用，以及螺旋槽管本身具有熱補償能力，熱脹
io 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。
圖3為本發明所采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 對的短邊組成，其中，所述長邊為由內向外凸起的孤線或直線，所述短邊
15 也為由內向外凸起的弧線或直線，長邊和短邊圓滑的相連。
圖4為圖3所示扁狀交叉螺旋凹槽換熱管的第一種截面形狀下的示意 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 于生產加工，本實施例將換熱管管體有螺旋凹槽n情況下，其截面長邊
20 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于短邊的半徑，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采用
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，扁狀管的截面周長大于圓管 的截面周長，從而扁狀管的換熱面積大于圓管的換熱面積，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。
應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器中換熱管的布置方式充分考慮
到殼體中空間的合理利用，且換熱管緊湊的布置其中，可以有效的進行熱 交換，首先廢氣流經U形管一端時，與管外冷卻劑進行換熱，廢氣繞流到 另一端時，繼續與冷卻劑交換熱量，這個過程使得換熱充分，有效降低了 廢氣的溫度，提高換熱器的換熱效率。
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， 極大地為制造者節省制造成本。
本發明中應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器以其緊湊的設計和合理
的布局能夠保證在同等的體積尺寸下，該換熱器作為廢氣再循環系統的冷 卻裝置，可以獲得更大的冷卻效果，大大提高汽車發動機的排放性能指標， 滿足更高的環保排放要求。同樣，作為汽車裝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。 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
的區別在于不銹鋼管體的截面形狀呈扁平狀，兩個相對的長邊為直線，相 對短邊由內向外呈弧形凸起的半圓弧面，這樣的設置，可以提高換熱效率。 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。因為扁狀管相對于圓管 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， 5 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《更加工，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 io 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，不銹 鋼管體的截面形狀即為矩形，且相鄰的兩面之間通過圓孤倒角相連；這種 15 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于圓形的螺旋管來說，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 20 體的換熱，增強換熱器的換熱效率；
以上只是顯示了幾種典型的換熱管在本發明的U形交叉螺旋換熱管熱 交換器中的布置方式，其中關于換熱管的長度、數目以及換熱管在殼體中 的排列方式都可以修改；換熱管的合理布局可以加強管外冷卻劑的擾動，
提高換熱器的換熱效果，從而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。
最后所應說明的是，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 5 當理解，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范圍。
權利要求
1、一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器，包括殼體、換熱管、管板；殼體一端開口，一端封閉；殼體開口的一端由管板封閉，所述換熱管為“U”字形彎管，兩端固定在管板上，其特征在于換熱管體的外表面具有向內凹進斷續或連續、一條或多條螺旋凹槽交叉設置，而換熱管體的內表面具有與外表面凹槽相對應的交叉螺旋凸起，管體的兩端為光滑段。所述換熱管的截面形狀呈特殊的扁狀，且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，且長邊和短邊圓滑的相連。
2、 根據權利要求1所述的一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器， 其特征在于所述換熱管的兩端焊接固定在殼體中的同一個管板上，且換 熱管的彎曲程度與殼體相匹配，管體順序排列在殼體中。
3、 根據權利要求1所述的一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器， 其特征在于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。20
4、根據權利要求1所述的一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器，其特征在于所述換熱管的長邊和短邊都由圓弧組成，且長邊圃弧半徑比短 邊圓弧半徑大很多，四條圓弧圓滑的相連。
5、根據權利要求1所述的一種應用u形交叉螺旋管的管殼式換熱器，其特征在于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。5
6、根據權利要求1所述的一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器，其特征在于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U形交叉螺旋管的管殼式換熱器， 其特征在于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于io 4。
8、 根據權利要求1所述的一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器， 其特征在于所述螺旋凹槽的螺旋升角為20~75度。15
9、根據權利要求1所述的一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器，其特征在于所述凹槽深度大于0. 4mw。
10、 根據權利要求1所述的一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器， 其特征在于殼體的形狀為矩形、圓形、方形等形式。20
11、 根據權利要求1所述的一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器，其特征在于所述殼體中布置有折流板。
全文摘要
本發明一種應用U形交叉螺旋管的管殼式換熱器，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系統，加速廢氣冷卻，提高熱交換效率。包括換熱管、殼體和管板，換熱管為“U”字形彎管，兩端固定在同一個管板上，換熱管表面具有向內凸起的交叉螺旋凹槽的不銹鋼管體，交叉處呈“X”狀，且不銹鋼管體的截面形狀呈特殊的扁狀，截面形狀的高度與寬度不相等。本發明中交叉螺旋換熱管的應用，使管內外流體產生紊流，管內外均不易結垢，并且提高了換熱效果。所述換熱器結構緊湊，尤其適于作為汽車發動機的廢氣再循環冷卻器，減少氮氧化合物的排放量，提高廢氣的排放性能指標，同時，本發明也可作為渦輪增壓系統中冷器，提高發動機的性能。
文檔編號F28D1/04GK101101186SQ200610089640
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