專利名稱：一種廢氣再循環(huán)換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及換熱器，特別涉及一種廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)用換熱器，以減少汽車氮氧化合物的排放量；同樣適用于作為渦輪增壓系統(tǒng)的中冷器，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)中的換熱器至關(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(qiáng)剛度的作用，此類換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高。
第二類是管殼式換熱器，而管殼式換熱器是在一個(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。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但換熱效率較低；目前，基于前一種換熱器，在其中設(shè)置了一種表面帶有向內(nèi)凸起的螺旋凹槽的橫截面為圓形的換熱管，換熱效率相對(duì)提高了許多，但是隨著汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的要求日益嚴(yán)格，這種換熱器的換熱效果已經(jīng)逐漸不能滿足要求了。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為提高換熱器的換熱效率而提出的一種廢氣再循環(huán)換熱器技術(shù)方案，該換熱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)的中冷器。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的，該換熱器包括殼體、換熱管；換熱管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；沿所述換熱管外表面設(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)。
所述殼體兩端設(shè)有管板，所述換熱管管口焊接在管板上與之對(duì)應(yīng)的固定孔中，且與殼體側(cè)表面平行。
所述凹槽沿?fù)Q熱管外表面呈螺旋式旋轉(zhuǎn)設(shè)置。
所述凹槽為一條或多條的連續(xù)設(shè)置或斷續(xù)設(shè)置。
所述螺旋升角為20～75度。
所述凹槽深度大于0.4mm。
所述換熱管根據(jù)殼體形狀呈環(huán)形或方形相互平行順序排列固定在殼體中。
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(shè)置、相互平行排列固定在殼體中。
所述換熱管在殼體中為順序排列或交錯(cuò)排列或者是順序排列和交錯(cuò)排列同時(shí)使用。
所述換熱器殼體中設(shè)置有折流板。
本實(shí)用新型對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)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。
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)用新型所使用的截面形狀為扁狀的螺旋凹槽換熱管與傳統(tǒng)所使用的截面形狀為圓形的螺旋凹槽換熱管的換熱系數(shù)和截面面積關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較曲線圖；圖2為本實(shí)用新型所使用的截面形狀為扁狀的螺旋凹槽換熱管與傳統(tǒng)所使用的截面形狀為圓形的螺旋凹槽換熱管的換熱系數(shù)和熱交換介質(zhì)流速關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較曲線圖；圖3截面形狀短邊為圓弧的扁平狀換熱管立體視圖；圖4截面形狀短邊為圓弧的扁平狀換熱管側(cè)視圖；圖5截面形狀為矩形狀的換熱管立體視圖；圖6截面形狀為矩形狀的換熱管側(cè)視圖；圖7截面形狀四邊均為圓弧形的換熱管立體視圖；圖8截面形狀四邊均為圓弧形的換熱管側(cè)視圖；圖9截面形狀為橢圓形的換熱管立體視圖；圖10截面形狀為橢圓形的換熱管側(cè)視圖；
圖11截面形狀短邊為圓弧的扁平狀換熱管在圓形殼體中的布置示意圖；圖12截面形狀為矩形狀的換熱管在矩形殼體中的布置示意圖；圖13截面形狀四邊均為圓弧形的換熱管在矩形殼體中的布置示意圖；圖14截面形狀為橢圓形的換熱管在矩形殼體中的布置示意圖。
圖15殼體中設(shè)置有折流板的換熱器示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1和圖2，圖中1為本實(shí)用新型中使用的截面形狀為扁狀的螺旋凹槽換熱管的換熱系數(shù)與換熱管截面面積的關(guān)系曲線；3為本實(shí)用新型中使用的截面形狀為扁狀的螺旋凹槽換熱管的換熱系數(shù)與熱交換介質(zhì)流速的關(guān)系曲線；2為圓形截面形狀的螺旋凹槽換熱管的換熱系數(shù)與換熱管截面面積關(guān)系曲線；4為圓形截面形狀的螺旋凹槽換熱管的換熱系數(shù)與熱交換介質(zhì)流速的關(guān)系曲線。
廢氣再循環(huán)換熱器的殼體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。
由圖1可見相同流通截面積下，扁狀截面形狀帶螺旋凹槽換熱管的換熱系數(shù)相對(duì)圓形截面形狀帶螺旋凹槽換熱管換熱系數(shù)提高很多。
由圖2可見隨熱交換介質(zhì)流速的增大，扁狀截面形狀帶螺旋凹槽換熱管換熱系數(shù)增長(zhǎng)較快，而圓形截面形狀帶螺旋凹槽換熱管的換熱系數(shù)到某一時(shí)期較快趨于平穩(wěn)。
參見圖3圖4，其中，換熱管5為不銹鋼管體，表面有一條向內(nèi)凸起的螺旋旋轉(zhuǎn)凹槽51；換熱管5截面形狀為扁平狀，兩個(gè)相對(duì)的短邊52為由內(nèi)向外呈弧形凸起，且與長(zhǎng)邊53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；該螺旋凹槽51為一條，也可以是多條；該螺旋凹槽51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51的截面形狀為“U”形，也可以設(shè)置為“V”形，利于小尺寸形面的生成；凹槽51的螺旋升角54為25度，可以設(shè)置在20～75度之間；凹槽51的深度為1mm，設(shè)置應(yīng)不小于0.4mm。
參見圖5、圖6，換熱管5截面形狀為矩形，且相鄰的兩邊之間為圓弧過渡連接。其余部分與扁平狀換熱管相同。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置，便于生產(chǎn)加工。
參見圖7、圖8，該換熱管5截面形狀在扁平狀換熱管的基礎(chǔ)上，將兩個(gè)相對(duì)的長(zhǎng)邊53設(shè)置為呈由內(nèi)向外凸起的弧形，即將不銹鋼換熱管5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；長(zhǎng)邊53的圓弧半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短邊52的半徑，這樣可以避免長(zhǎng)邊53出現(xiàn)表面“塌陷”的現(xiàn)象；其余部分與扁平狀換熱管相同。
參見圖9、圖10，該換熱管的截面形狀為橢圓形；其余部分與扁平狀換熱管相同。
參見圖11至圖14，在殼體6的外表面設(shè)有冷卻劑進(jìn)出口63，在殼體6的兩端設(shè)有廢氣進(jìn)出接口61，和換熱管5的固定管板62，換熱管5管口焊接在殼體6兩端的管板62上與之對(duì)應(yīng)的固定孔中，且與殼體6側(cè)表面平行；多根扁狀帶螺旋凹槽的換熱管5以不同的排列方式布置在換熱器的殼體6內(nèi)。換熱器的殼體6可以依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空間有多種形式的外觀結(jié)構(gòu)；不同的排列方式可以產(chǎn)生不同的效果，因此根據(jù)不同的需求，換熱管5在殼體中的布置的方式上可以有多種，換熱管順序排列、交錯(cuò)排列或者是順序排列和交錯(cuò)排列同時(shí)使用，不同的排列方式使得管外冷卻劑的流動(dòng)發(fā)生擾動(dòng)的效果不同，從而加強(qiáng)管內(nèi)外流體的換熱，增強(qiáng)換熱器的換熱效率；本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的換熱器應(yīng)用到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，可以大大提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能指標(biāo)，滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保排放要求。作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)的中冷器，可以最大限度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
在高可靠性、高效率換熱器中布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1參見圖11，是當(dāng)換熱器的殼體6為圓形截面時(shí)，截面形狀為扁平狀的換熱管5在殼體6中的布置；換熱管5緊湊的布置在殼體中，換熱器的排列方式即有順序排列又有交錯(cuò)排列，沿殼體換熱管呈環(huán)狀以一定的角度布置在其中，換熱管管口兩端焊接固定在殼體6兩端的管板62上。這種布置方式即緊湊又能提高換熱器的換熱效率。
實(shí)施例2參見圖12，是換熱器的殼體6為矩形截面時(shí)，截面形狀為矩形狀的換熱管5在殼體6中的布置；換熱管5以一定的角度交錯(cuò)排列，相鄰兩列管束呈對(duì)稱分布的方式排列，換熱管5的管口兩端焊接固定在殼體6兩端的管板62上，這種布置方式使得管外冷卻劑流動(dòng)加劇，從而使換熱量增加。
實(shí)施例3參見圖13，是換熱器的殼體6為矩形截面時(shí)，截面形狀均為圓弧形的換熱管在殼體6中的布置。換熱管5按照豎直和平行兩種方式交錯(cuò)排列在殼體中，換熱管5的管口兩端焊接固定在殼體6兩端的管板62上。這樣的布置方式增加了管外冷卻劑的擾動(dòng)，使得管內(nèi)外的換熱效果增強(qiáng)。
實(shí)施例4參見圖14，是換熱器的殼體1為矩形截面時(shí)，截面形狀為橢圓形的換熱管5在殼體6中的布置。換熱管5以順序排列的方式、管口兩端焊接固定在殼體6兩端的管板62上。由于這種典型換熱管的應(yīng)用，使得順排這種常見的管排方式能產(chǎn)生較好的換熱效果。
實(shí)施例5參見圖15，在殼體中設(shè)有折流板7；當(dāng)殼體較長(zhǎng)時(shí)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置折流板7即可以起到支撐換熱管5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)。
以上只是顯示了幾種典型的換熱管在本實(shí)用新型的換熱器中的布置方式，其中關(guān)于換熱管的長(zhǎng)度、數(shù)目以及換熱管在殼體中的排列方式和折流板的形狀及布局都可以修改；換熱管的不同布局可以加強(qiáng)管外冷卻劑的擾動(dòng)，提高換熱器的換熱效果，從而提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能指標(biāo)，滿足日益提高的更嚴(yán)格的環(huán)保排放要求。
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、或換熱管的截面形狀、所述連續(xù)或斷續(xù)凹槽的數(shù)目等)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1.一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于，該換熱器包括殼體、換熱管；換熱管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；沿所述換熱管外表面設(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所述的一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于，所述殼體兩端設(shè)有管板，所述換熱管管口兩端焊接在管板上與之對(duì)應(yīng)的固定孔中，且與殼體側(cè)表面平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于，所述凹槽沿?fù)Q熱管外表面呈螺旋式設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于，所述凹槽為一條或多條的連續(xù)設(shè)置或斷續(xù)設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于，所述螺旋升角為20～75度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于，所述凹槽深度大于0.4mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于，所述換熱管根據(jù)殼體形狀呈環(huán)形或方形相互平行順序排列固定在殼體中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于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(shè)置、相互平行排列固定在殼體中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于，所述換熱管在殼體中為順序排列或交錯(cuò)排列或者是順序排列和交錯(cuò)排列同時(shí)使用。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢氣再循環(huán)換熱器，其特征在于所述換熱器殼體中設(shè)置有折流板。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種廢氣再循環(huán)換熱器，包括殼體、換熱管；換熱管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；沿所述換熱管外表面設(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)，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)氮氧化合物的排放量，提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能指標(biāo)。本實(shí)用新型同樣適用于作為渦輪增壓系統(tǒng)的中冷器。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。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。
文檔編號(hào)F28F1/04GK2893615SQ20062001218
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者景建周, 景建坤, 楊曉璦, 湯俊潔, 沈董浩 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