专利名称：一种换热管变截面的废气再循环冷却器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种换热管变截面的废气再循环冷却器，是ー种应用汽车发动机废气再循环冷却系统的热交換器。
背景技术：
随着汽车排放法规的日益严格，发动机废气再循环冷却系统用冷却器的应用越来越广泛，同时由于受到发动机空间的限制，对冷却器换热性能的要求也越来越高，因此，废气再循环冷却器需要不断的改进和创新以满足越来越高的使用要求。废气再循环冷却技术是汽车行业降低尾气排放的有效措施之一。其中，废气再循环冷却器是废气再循环冷却系统的ー个重要组件。废气再循环冷却技术是将汽车发动机所排放的部分废气先通过冷却器进行冷却后，重新回传到发动机燃烧室与新鲜空气混合后共同參与燃烧，从而有效降低NOx排放的ー种技木。该技术利用废气中含有的大量化学惰性气体(C02、N2, H2O)具有较高比热这ー特性来降低NOx的生成。因为NOx的生成条件是高温富氧，而温度较低废气的引入一方面使混合气热容量増大，使得相同量的混合气升高同样温度所需的热量増加，从而有效降低最高燃烧温度，偏离了 NOx的高温生成区；另一方面废气对新鲜空气的稀释也相应降低了氧的浓度，从而有效地抑制NOx的生成。因此在汽车发动机废气再循环系统中，设置高效可靠的废气再循环冷却器可以使汽车的尾气排放满足严格的法规要求。由于汽车发动机的运行环境比较恶劣，因此废气再循环冷却器的可靠性非常重要，如果冷却器在运行过程中出现泄漏，无论是气侧还是水侧泄漏都将直接对发动机造成破坏性的伤害。由于排放法规的提高，对冷却器换热性能要求逐步提高，因此现在应用于中重型车的废气再循环冷却器一般都较长，因此不能忽略由于管壳和管束的受热不等而引起的热应力，如未考虑热膨胀问题，冷却器的可靠性和耐久性会变差，长时间运行后，可能导致冷却器泄漏，从而对发动机产生破坏，因此，为了避免这种情况发生，必须采取措施保证冷却器整体的強度和可靠性。目前应用于废气再循环冷却器的结构可谓多种多祥，其中换热单元的形式以管壳式、管翅式和板翅式为主流产品。但是对于单ー型式冷却器的设计存在一个问题，就是当废气在冷却器中流动时，随着废气温度的提高和流动时间的增长，冷却器的换热管内壁被熏黒，产生积垢，而积垢会导致冷却器性能下降、压カ损失提高。因此，在保证废气再循环冷却器换热性能和可靠性的基础上，还必须考虑通过设计优化来減少冷却器内积垢的生成。由于积垢的产生是不可避免的，如何减少废气再循环系统产品积垢的产生，或者使产品生命周期内由于积垢产生的对性能的影响降低到最小，一直是发动机废气再循环系统产品供应商考虑和希望解决的问题。
发明内容为解决现有技术的问题，本实用新型提出了一种换热管变截面的废气再循环冷却器。所述的冷却器在保证废气再循环冷却器可靠性的基础上，采用换热管变截面的方式，减小废气在换热管中的流速变化，减少积垢的产生，以减少由于积垢所导致的冷却器换热性能的下降及压カ损失的増加，从而有效避免车辆的氮氧化合物排放超标。本实用新型的目的是这样实现的一种换热管变截面的废气再循环冷却器，包括设有与发动机排气歧管直接或间接相连接的法兰盘的扩散器，所述扩散器依次与多个带有换热管束的换热 单元、收集器串联焊接连接，所述的收集器设有与发动机进气管直接或间接相连接的法兰盘，与所述扩散器连接的换热单元上设有进水管，与所述收集器连接的换热单元上设有出水管，所述各个换热单元的换热管束的截面积按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递减，所述换热管束中的换热管的当量直径按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递增。本实用新型产生的有效益本实用新型通过设计一串不同换热管当量直径和不同换热管束截面积的换热单元，使废气依次进入不同的换热单元，使通过冷却器的废气在逐渐冷却的过程中流速尽量保持一致，与整个冷却器的换热管没有变化的现有技术相比，有效的減少由于废气流经冷却器过程中流速不断降低而造成的换热管内壁积垢，从而将冷却器的冷却性能由于积垢而下降控制在较小幅度内。本实用新型所采用的分割换热单元方式，一方面可以实现换热单元变截面，另ー方面缩短单个管壳和管束的长度，有效解决了管壳和管束由于受热不均而产生的热应カ问题，提高了冷却器整体的可靠性。这种换热单元的设计使加工和装配エ艺简单，可以有效降低加工难度，提高加工精度，保证冷却器的可靠性。另外，换热单元的设计使换热管和管壳的设计标准化、模块化，从而缩短了冷却器的开发周期，同时由于降低了加工难度，满足冷却器批量生产的需求。冷却器即满足可靠性要求又满足性能要求，从而有效降低再循环废气的温度，降低了废气中氮氧化合物的排放，对环保做出应有的贡献。
以下结合附图和实施例对本实用新型做进ー步说明。图I是本实用新型实施例ニ所述的冷却器的立体图；图2是本实用新型实施例ニ所述的冷却器的前视图；图3是本实用新型实施例ニ所述的冷却器的仰视图；图4是本实用新型实施例ニ所述的冷却器的ー种剖面图；图5是本实用新型实施例ニ所述的冷却器的另ー种剖面图；图6是本实用新型实施例三所述的冷却器的ー种剖面图；图7是本实用新型实施例三所述的冷却器的第二种剖面图；图8是本实用新型实施例三所述的冷却器的第三种剖面图；图9是本实用新型实施例三所述的冷却器的第四种剖面图；
图10是本实用新型实施例四所述的冷却器的ー种剖面图；
图11是本实用新型实施例四所述的冷却器的第二种剖面图；
图12是本实用新型实施例四所述的冷却器的第三种剖面图；
图13是本实用新型实施例四所述的冷却器的第四种剖面图。
具体实施方式
实施例一本实施例是ー种换热管变截面的废气再循环冷却器。本实施例包括设有与发动机排气歧管直接或间接相连接的法兰盘的扩散器，所述扩散器依次与多个带有换热管束的换热单元、收集器串联焊接连接，所述的收集器设有与发动机进气管直接或间接相连接的法兰盘，与所述扩散器连接的换热单元上设有进水管，与所述收集器连接的换热单元上设有出水管，所述各个换热单元的换热管束的截面积按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递减，所述换热管束中的换热管的当量直径按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递增。本实施例所述的冷却器采用多个换热単元的设计，即冷却器由多个换热単元串联组成。换热单元由管束和壳体，以及管束和壳体的连接件管板组成，管束是多根换热管的集合。管束中的换热管可以是ー根根独立的换热管，也可以是换热管内布置翅片，例如管翅形式的换热单元。管束的形式决定了换热单元的结构形式，各个换热単元的结构形式可以 是管壳式、管翅式或其他结构形式。本实施例所述的管壳式换热单元的含义是换热单元中的换热管是独立的零件，换热管截面形状是圆形或矩形；管翅式换热单元的含义是换热単元的中的换热管截面为扁平型且换热管内布置有翅片。本实施例由于有多个换热単元，各个换热単元的结构可以相似，但不完全相同。例如第一个换热単元是管壳式结构，第二个换热単元是管翅式结构，第三个换热単元是管翅式结构，或者交替等等。本实施例的关键在于各个换热单元的换热管当量直径和管束的截面积的变化。按照废气流动的方向，排在前方的换热单元的管束截面积(即管束的所有换热管截面积之和)大于排在后方的换热单元的管束截面积，而排在前方的换热管単元的换热管的当量直径小于排在后面的换热单元的换热管当量直径。这样设计换热単元的目的就是为了有效解决冷却器积垢的问题。这样的设计是为了解决冷却器换热管中容易积垢的问题。冷却器换热管中的积垢主要是废气中的颗粒物质沉降，积累在换热管内壁造成的，积垢产生一般包括热泳、涡流扩散、湍流冲击、静电和重力等原因。冷却器积垢不可能完全消除，但可以通过有效的措施，改变冷却器的设计，減少积垢。研究表明换热管中积垢比较严重的是换热管的后半段(按废气流经换热管的方向)，即随着废气在换热管中逐渐冷却，废气中的颗粒物质沉降逐渐增加。经分析的原因是当高温废气进入冷却器后，与低温冷却剂之间发生热交換，废气的温度逐渐降低，在相同压カ和容积下，废气的密度有所増加，根据能量守恒方程ΑνιΛ =( I)公式中P I废气在扩散器中(冷却前)的密度、P 2废气在换热过程中在管热管束中的某个点或在收集器中(冷却后)的密度、V1废气在扩散器中(冷却前)的流速、V2废气在换热过程中在管热管束中的某个点或在收集器中(冷却后)的流速、A1换热管束进ロ的截面积，A2换热管束中间某个点或换热管束出ロ的截面积。根据能量守恒方程(公式I)分析在当换热管截面积不变的情况下，即=A1=A2,由于随着高温气体流过换热管束，气体温度逐渐降低，在压カ和体积不变的情况下，气体密度逐渐增加，则流速逐渐降低。由于换热管束中的废气流速降低，使废气中的颗粒物较易沉积在换热管内壁上，形成积垢，而积垢的是热量的不良导体。换热管内壁积垢的产生阻碍了热交換，降低了换热器的换热性能。为阻止积垢的产生，使V1=V2,即使废气在流过整个换热管束全程时，流速保持不变。由公式I有当P1 < P2，如果V1=V2，则应当A1 >A2。也就是说，缩小管束的截面积，可以提高废气的流速，这也符合流体力学所给出的结论。但还有一个问题需要解决，根据压カ损失方程
权利要求1.一种换热管变截面的废气再循环冷却器，包括设有与发动机排气歧管直接或间接相连接的法兰盘的扩散器，所述扩散器依次与多个带有换热管束的换热单元、收集器串联焊接连接，所述的收集器设有与发动机进气管直接或间接相连接的法兰盘，与所述扩散器连接的换热单元上设有进水管，与所述收集器连接的换热单元上设有出水管，其特征在干，所述各个换热单元的换热管束的截面积按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递减，所述换热管束的换热管的当量直径按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递增。
2.根据权利要求I所述的冷却器，其特征在于，所述的扩散器与收集器之间设有两个换热单元，所述的换热单元中的换热管截面形状为圆形，与扩散器连接的换热单元的换热管直径小于与收集器连接的换热单元的换热管直径，与扩散器连接的换热单元的换热管束的截面积大于与收集器连接的换热单元的换热管束的截面积。
3.根据权利要求I所述的冷却器，其特征在于，所述的扩散器与收集器之间设有两个换热单元，与扩散器连接的换热单元为管翅式结构，与收集器连接的换热单元为管壳式结构。
4.根据权利要求I所述的冷却器，其特征在于，所述的扩散器与收集器之间设有两个换热单元，与扩散器连接的换热单元为管壳式结构，与收集器连接的换热单元为管翅式结构。
5.根据权利要求I所述的冷却器，其特征在于，所述的扩散器与收集器之间设有两个管翅式结构的换热单元。
专利摘要本实用新型涉及一种换热管变截面的废气再循环冷却器，包括扩散器，扩散器依次与多个带有换热管束的换热单元、收集器串联焊接连接，各个换热单元的换热管束的截面积按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递减，换热管束中的换热管的当量直径按照换热单元由扩散器到收集器的顺序依次递增。通过一串不同换热束截面积和换热管当量直径的换热单元，使通过冷却器的废气在逐渐冷却的过程中流速尽量保持一致，与整个冷却器的换热管没有变化的现有技术相比，有效的减少由于废气流经冷却器过程中流速不断降低而造成的换热管内积垢，从而将冷却器的冷却性能由于积垢而下降控制在较小幅度内。
文档编号F02B29/04GK202468066SQ20112057010
公开日2012年10月3日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者景建周, 汤俊洁 申请人:北京美联桥科技发展有限公司