專利名稱：一種u形管式熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種熱交換器，特別涉及一種U形管式熱交換器，該熱交換器適用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，用以減少氮氧化合物(NOx)排放量的冷卻器，同樣適用于作為渦輪增壓系統(tǒng)的中冷裝置，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
背景技術(shù)：
熱交換器的應(yīng)用遍及動(dòng)力、冶金、化工、煉油、建筑、機(jī)械制造、食品、醫(yī)藥及航空航天等各工業(yè)部門。因此熱交換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)各個(gè)行業(yè)而言尤為重要。隨著世界各國(guó)對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格的要求，汽車廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的熱交換器至關(guān)重要。
廢氣再循環(huán)冷卻技術(shù)是在眾所周知的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所排放的部分廢氣通過換熱器進(jìn)行冷卻循環(huán)再利用，經(jīng)冷卻的廢氣重新回傳到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中，這樣引入了不活性氣體，主要是二氧化碳(CO2)到燃燒室，既可以降低燃燒室內(nèi)的氮?dú)?N2)含量，又可以降低燃燒室的溫度，燃燒室內(nèi)較低的溫度和較少的氮?dú)?N2)，既能使燃料充分燃燒又可使氮?dú)?N2)與氧氣(O2)的反應(yīng)條件缺乏，從而達(dá)到抑制氮氧化合物(NOx)的生成和排放。因此在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，備有高效的廢氣再循環(huán)換熱器可以使汽車的排放量達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)。
目前，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)用的熱交換器有兩大類。
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(qiáng)剛度的作用，此類熱交換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高。
第二類是管殼式熱交換器，而管殼式熱交換器是在一個(gè)圓筒形殼體內(nèi)設(shè)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(nèi)空間(管側(cè))和管外空間(殼側(cè))流過進(jìn)行熱量的交換；通常會(huì)在殼側(cè)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(qiáng)擾動(dòng)，提高換熱效率；此類熱交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但換熱效率較低。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周圍空間有限，在不降低換熱效率的前體下，為有效地縮減不必要的設(shè)置，需要找到一種換熱效率高和結(jié)構(gòu)緊湊的熱交換器。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為提高熱交換器的換熱效率和結(jié)構(gòu)緊湊而提出的一種U形管式熱交換器技術(shù)方案，該熱交換器尤其適用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的廢氣再循環(huán)冷卻裝置或發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)的中冷裝置。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的，該熱交換器包括有殼體、換熱管；所述殼體一端開口，一端封閉，開口處設(shè)有管板，所述管板上連接有熱交換介質(zhì)進(jìn)口管和出口管，在所述管板上的進(jìn)口管和出口管連接口處開有固定U形換熱管的通孔，其特征在于，所述換熱管由彎曲段和直管段組成，形狀呈U字形；所述換熱管的兩個(gè)管口分別焊接在管板上與之對(duì)應(yīng)的固定通孔上，并相互平行固定在殼體中；所述換熱管，截面高度與寬度不相等，形狀呈扁狀，所述換熱管沿外表面設(shè)有凹槽，所述凹槽在換熱管內(nèi)表面呈凸起，其形狀與凹槽形狀相對(duì)應(yīng)。
所述換熱管截面為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的比值小于4∶1。
所述換熱管截面呈扁平狀，兩個(gè)相對(duì)的長(zhǎng)邊設(shè)置為呈由內(nèi)向外凸起的弧形，兩個(gè)相對(duì)的短邊為由內(nèi)向外呈弧形凸起、且與長(zhǎng)邊為圓弧形過渡連接。
所述換熱管截面形狀由兩個(gè)相對(duì)的短邊和兩個(gè)相對(duì)的長(zhǎng)邊構(gòu)成，其中，所述短邊呈由內(nèi)向外凸出的弧線，所述長(zhǎng)邊為直線。
所述換熱管截面形狀為矩形，且相鄰的兩邊之間為弧形過渡連接。
所述U形換熱管截面為圓形。所述換熱管為不銹鋼管體。
所述凹槽沿所述U字形換熱管外表面呈連續(xù)或斷續(xù)螺旋式設(shè)置。
所述U字形換熱管的彎曲段設(shè)置凹槽或不設(shè)凹槽。
所述凹槽為一條或多條設(shè)置其截面形狀為“U”形或“V”形。
所述凹槽深度不小于0.4mm。所述封閉端為弧形。
所述封閉端為方形。所述熱交換器殼體中設(shè)置有折流板。
U字形彎管則根據(jù)殼體不同的外觀形狀以合理的排列方式布置在換熱器的殼體內(nèi)。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比具有的優(yōu)點(diǎn)是1.在同等條件下，即冷卻器的體積和熱交換介質(zhì)流量不變的前提下，使用本實(shí)用新型可以提高25～40％的換熱效率。
2.在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中使用本實(shí)用新型，在同等條件下可以降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化合物(NOx)的排放量，提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能指標(biāo)。
3.與板翅式換熱器相比，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了制造成本。
4.由于本實(shí)用新型在換熱管內(nèi)壁設(shè)有的螺旋凸起狀結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)了換熱的同時(shí)，強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)使得污垢在管內(nèi)遭到了激烈的沖蝕，不易結(jié)垢，利于清洗，降低了換熱器維護(hù)成本。
5.由于使用了U字形換熱管，在同等條件下縮短了熱交換器長(zhǎng)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊。
6、本實(shí)用新型以節(jié)省成本提高性能作為出發(fā)點(diǎn)，為發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)制冷系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)有機(jī)的整合為一體提供了技術(shù)平臺(tái)，大大節(jié)省了發(fā)動(dòng)機(jī)空間及體積，有效地縮減了不必要的設(shè)置，在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)，極大地為制造者節(jié)省制造成本。
下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為U字形換熱管的彎管處有螺旋凹槽的示意圖；圖3為U字形換熱管的彎管處無螺旋凹槽的示意圖；圖4為U字形換熱管的第一種截面形狀示意圖；圖5為U字形換熱管的第二種截面形狀示意圖；圖6為U字形換熱管的第三種截面形狀示意圖；圖7為U字形換熱管的第四種截面形狀示意圖；
圖8為U字形換熱管的第五種截面形狀示意圖；圖9為本實(shí)用新型未帶進(jìn)口管和出口管在管殼中設(shè)有折流板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1參見圖1和圖2，其中，在殼體1的一端設(shè)有開口，開口處設(shè)有管板3，管板3面向殼體側(cè)為內(nèi)側(cè)，在管板3的外側(cè)兩端分別連接有廢氣進(jìn)口管7和廢氣出口管8，進(jìn)口管7和出口管8與管板3的連接口呈喇叭狀；在管板3的進(jìn)口管7和出口管8連接口處端面開有固定U形換熱管2的通孔；換熱管2是由兩節(jié)等長(zhǎng)直管段22和彎曲段23平滑連接組成，形狀呈U字形；U字形換熱管2上的兩個(gè)管口，分別焊接在與之相對(duì)應(yīng)的管板3上的通孔上，并相互平行固定在殼體1中；在殼體1上靠近管板3的進(jìn)氣口7處設(shè)有冷卻介質(zhì)進(jìn)口5，在殼體1上進(jìn)口5的相對(duì)面靠近換熱管2的直管段22和彎曲段23的銜接處設(shè)有冷卻介質(zhì)出口6。殼體封閉端4為與彎管形狀一致的曲面設(shè)置，殼體封閉端4可以設(shè)置為多種形狀，為了便于安裝封閉端可以設(shè)置為方形。圖中箭頭方向表示為熱交換介質(zhì)流動(dòng)的方向。
U字形換熱管2為不銹鋼管體，表面有一條向內(nèi)凸起的螺旋旋轉(zhuǎn)凹槽21；該螺旋凹槽21為一條，也可以是多條；該螺旋凹槽21沿?fù)Q熱管5的表面連續(xù)設(shè)置，也可以為斷續(xù)設(shè)置；螺旋凹槽21的截面形狀為“U”形，也可以設(shè)置為“V”形，利于小尺寸形面換熱管的生成；凹槽21的螺旋升角為25度，可以設(shè)置在20～75度之間；凹槽21的深度為1mm，設(shè)置應(yīng)不小于0.4mm、且換熱管外徑與換熱管所設(shè)凹槽槽底內(nèi)經(jīng)之比小于1.4。
在熱交換器中設(shè)置帶螺旋凹槽的換熱管，當(dāng)流體通過這種換熱管時(shí)，遇到管內(nèi)螺旋凸起部位的阻礙作用，流動(dòng)方向發(fā)生變化，產(chǎn)生復(fù)雜的二次流渦旋流動(dòng)，同時(shí)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(duì)近壁區(qū)邊界層的擾動(dòng)，破壞或減薄了流體的邊界層，從而增強(qiáng)了換熱；同時(shí)，流體擾動(dòng)的增強(qiáng)使得臨界雷諾數(shù)降低，即從層流向湍流的轉(zhuǎn)變提早發(fā)生，強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)使得污垢在管內(nèi)遭到了激烈的沖蝕，不易結(jié)垢，利于清洗。
實(shí)施例2參見圖1和圖3，為了減少加工難度在殼體1中固定的U字形換熱管2的彎曲段23處不設(shè)置螺旋凹槽。
參見圖4至圖8，在殼體1中固定的U字形換熱管2的垂直截面可以有多種形狀。
殼體1中布置截面形狀為扁狀帶螺旋凹槽換熱管與布置截面形狀為圓形帶螺旋凹槽換熱管相比首先，在換熱管截面面積不變和熱交換介質(zhì)流量不變的前提下，扁狀管的截面周長(zhǎng)大于圓管的截面周長(zhǎng)，所以扁狀管的換熱面積大于圓管的換熱面積，進(jìn)而提高了整個(gè)換熱器的換熱面積，在保證換熱器體積不變的前提下，使換熱器達(dá)到了較高的換熱效果；另外，廢氣再循環(huán)換熱器中所布置的扁狀帶螺旋凹槽的換熱管不僅比圓管的換熱面積有所增加，且扁狀管對(duì)比圓管，因?yàn)楸鉅罟芟鄬?duì)于圓管來說不是中心對(duì)稱的形狀，扁狀帶螺旋凹槽管的幾何中心與管壁的距離比圓形螺旋凹槽管與管壁的距離要小，管內(nèi)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(dòng)增強(qiáng)，流體在管內(nèi)的擾動(dòng)更為強(qiáng)烈，也就增強(qiáng)了換熱效果，從而管內(nèi)流體的溫度下降的快，進(jìn)出口的溫差增大，提高了換熱效率。
實(shí)施例3參見圖1和圖4，殼體1中固定的U字形換熱管2為圖4所示的第一種截面形狀的U字形換熱管2，U字形換熱管2截面呈扁平狀，兩個(gè)相對(duì)長(zhǎng)邊25為直線，兩個(gè)相對(duì)的短邊24為由內(nèi)向外呈弧形凸起的、且與長(zhǎng)邊25為圓弧形過渡連接，這樣的設(shè)置充分利用換熱管的表面來實(shí)現(xiàn)最大效率的熱交換，且易于生產(chǎn)加工。
實(shí)施例4參見圖1和圖5，殼體1中固定的U字形換熱管2為圖5所示的第二種截面形狀的U字形換熱管，U字形換熱管2截面形狀近似矩形，且相鄰的兩邊之間設(shè)置圓弧形過渡連接；這樣的設(shè)置，便于生產(chǎn)加工，也能提高換熱管的換熱效率。
實(shí)施例5
參見圖1和圖6，殼體1中固定的U字形換熱管2為圖6所示的第三種截面形狀U字形換熱管，這種U字形換熱管2截面形狀是在如圖4所示第一種截面形狀的基礎(chǔ)上，將不銹鋼管兩個(gè)相對(duì)的長(zhǎng)邊25設(shè)置為呈由內(nèi)向外凸起的弧形，即將不銹鋼管的四個(gè)表面均設(shè)置成由內(nèi)向外呈弧形凸起的圓弧面；且長(zhǎng)邊25的圓弧半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短邊24的半徑，這樣在長(zhǎng)邊25不會(huì)出現(xiàn)表面“塌陷”的現(xiàn)象，利于加工制作。
實(shí)施例6參見圖1和圖7，殼體1中固定的U字形換熱管2為圖7所示的第四種截面形狀的U字形換熱管2，U字形換熱管2截面形狀為一橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸和短軸比值為3∶1，且不大于4∶1為佳；截面形狀為橢圓形的換熱管容易加工，具有很好的換熱效果。
實(shí)施例7參見圖1和圖8，殼體1中固定的U字形換熱管2為圖8所示第五種截面形狀的U字形換熱管2，U字形換熱管2截面形狀為圓形，凹槽的加工與截面為扁狀的加工相同。
實(shí)施例8參見圖9，在殼體1中設(shè)有折流板9；當(dāng)殼體1較長(zhǎng)時(shí)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置折流板9即可以起到支撐U字形換熱管2的作用，又可以增加管外冷卻劑的擾動(dòng)，使得管內(nèi)外流體的換熱效果得到增強(qiáng)。
最后所應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案(比如換熱管在殼體中的排列方式)進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求1.一種U形管式熱交換器，包括有殼體、換熱管；所述殼體一端開口，一端封閉，開口處設(shè)有管板，所述管板上連接有熱交換介質(zhì)進(jìn)口管和出口管，在所述管板上的進(jìn)口管和出口管連接口處開有固定U形換熱管的通孔，其特征在于，所述換熱管由彎曲段和直管段組成，形狀呈U字形；所述換熱管的兩個(gè)管口分別焊接在管板上與之對(duì)應(yīng)的固定通孔上，并相互平行固定在殼體中；所述換熱管，截面高度與寬度不相等，形狀呈扁狀，所述換熱管沿外表面設(shè)有凹槽，所述凹槽在換熱管內(nèi)表面呈凸起，其形狀與凹槽形狀相對(duì)應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述換熱管截面為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的比值小于4∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述換熱管截面呈扁平狀，兩個(gè)相對(duì)的長(zhǎng)邊設(shè)置為呈由內(nèi)向外凸起的弧形，兩個(gè)相對(duì)的短邊為由內(nèi)向外呈弧形凸起、且與長(zhǎng)邊為圓弧形過渡連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述換熱管截面形狀由兩個(gè)相對(duì)的短邊和兩個(gè)相對(duì)的長(zhǎng)邊構(gòu)成，其中，所述短邊呈由內(nèi)向外凸出的弧線，所述長(zhǎng)邊為直線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述換熱管截面形狀為矩形，且相鄰的兩邊之間為弧形過渡連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述U形換熱管截面為圓形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述換熱管為不銹鋼管體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述凹槽沿所述U字形換熱管外表面呈連續(xù)或斷續(xù)螺旋式設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述U字形換熱管的彎曲段設(shè)置凹槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述U字形換熱管的彎曲段不設(shè)凹槽。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述凹槽為一條或多條設(shè)置其截面形狀為“U”形或“V”形。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述凹槽深度大于0.4mm。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述封閉端為弧形。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述封閉端為方形。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種U形管式熱交換器，其特征在于，所述熱交換器殼體中設(shè)置有折流板。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種U形管式熱交換器，適用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的廢氣再循環(huán)冷卻裝置。本實(shí)用新型包括有殼體、換熱管；所述殼體一端開口，開口處設(shè)有管板，所述管板上連接有熱交換介質(zhì)進(jìn)口管和出口管，在所述管板上的進(jìn)口管和出口管連接口處開有固定U形換熱管的通孔，所述換熱管由彎管和直管組成，形狀呈U字形；所述換熱管的兩個(gè)管口分別焊接在管板上與之對(duì)應(yīng)的固定通孔上，并相互平行固定在殼體中。本實(shí)用新型可以提高25～40％的換熱效率，降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化合物(NOx)的排放量，縮短了熱交換器長(zhǎng)度和體積，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，不易結(jié)垢，利于清洗，降低了制造和維護(hù)成本。
文檔編號(hào)F28D7/10GK2909146SQ20062011556
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者景建周, 景建坤, 楊曉璦, 沈董浩, 湯俊潔 申請(qǐng)人:北京美聯(lián)橋科技發(fā)展有限公司, 錦州美聯(lián)橋汽車部件有限公司