EGR冷卻器中的螺紋冷卻管設(shè)計研究

汪振環(huán)

（廣西工學(xué)院 機械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

1 引言

冷廢氣再循環(huán)技術(shù)是降低柴油機NOX的有效措施之一，它降低了燃燒室內(nèi)燃燒溫度的峰值，有效抑制了NOx在燃燒過程中的生成。如何提高EGR 冷卻器冷卻效率的同時又不影響其關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)尺寸，是近年來EGR 冷卻器的研究重點。與光滑直管相比，螺紋管具有更大的傳熱面積，加強了氣體的湍流特性，在不影響冷卻器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的同時，有助于明顯提高冷卻器的換熱效率。

2 基本理論

CFD 軟件在給定的工作條件下（如氣體和冷卻劑的溫度，壓力和流量等）可以模擬一個特定的熱交換特征，通過這些特征的圖形顯示，可以用不同的螺紋管形狀對傳熱能力和壓降進(jìn)行模擬，通過模擬的結(jié)果，以分析螺紋管與光滑直管、不同參數(shù)的螺紋管的換熱能力，確定幾何參數(shù)以實現(xiàn)冷卻器的較大換熱效率與較低壓降。

圖1 給出了螺紋管設(shè)計中關(guān)鍵的幾何參數(shù)。

圖1 螺紋管參數(shù)

圖1中，D-螺紋管外徑，P-螺紋間距，α-螺紋開口角度，h-螺紋切口深度。

本文對每個參數(shù)單獨分析，以對最后的螺紋管進(jìn)行優(yōu)化。

3 螺紋間距P

當(dāng)廢氣經(jīng)過螺紋管內(nèi)部，與管壁發(fā)生了熱交換，光滑直管管壁處氣體速度較低，而螺紋管由于沿管長方向有螺旋存在，增加了氣體的湍流程度，管軸線附近氣體與靠近管壁氣體發(fā)生劇烈混合，傳熱更加劇烈。

螺距的大小反映了氣體在管內(nèi)螺旋向前流動時繞管中心線一周所經(jīng)過的軸向距離。若螺紋間距為10mm，則意味著氣體在軸向移動10mm的過程中繞軸線360°旋轉(zhuǎn)了一次。

給定直滑管以及螺紋管除螺距以外的其他尺寸，運用CFD 軟件進(jìn)行仿真，得到圖2。

圖2 不同螺距對出口溫度的影響

從圖2 可以看出，使用螺紋冷卻管比直滑管有更低的出口溫度，且隨著螺距的減小，換熱效率進(jìn)一步提高。但同時，螺距減小導(dǎo)致湍流程度的增加，出口的壓力降增大，如圖3 所示。過低的出口壓力將影響換熱器的實際應(yīng)用。

圖3 不同螺距對壓降的影響

圖4 螺紋角度對熱流效率的影響

圖5 螺紋角度對壓降的影響

圖6 螺紋深度對壓降及換熱效率的影響

3 螺紋角度α

給定除螺紋角度外的其它其它尺寸，軟件模擬結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖5 表明，螺紋角度的改變并沒有對冷卻管的熱流能力產(chǎn)生很大影響，但是隨著螺紋角度的減小，壓降進(jìn)一步加大。不利于實際應(yīng)用。

4 螺紋深度h

增加了螺紋深度，將會增加氣體的湍流程度，有助于靠近管壁氣體與管軸線附近高溫氣體的混合，提高了換熱效率，但同時，這也會增加出口壓降，如圖6。

5 結(jié)論

螺紋管相比較直滑管有更強的換熱能力，CFD 軟件模擬了不同設(shè)計因素對冷卻器換熱效率和出口壓降的影響，兩者的最佳配合取決于螺紋管的螺距、螺紋角度和螺紋深度，其每個要素的影響機理和影響結(jié)果為螺紋管的設(shè)計提供了較為直觀的理論依據(jù)。

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