EGR冷卻器中的螺紋冷卻管設計研究

汪振環

（廣西工學院 機械工程學院，廣西 柳州 545006）

1 引言

冷廢氣再循環技術是降低柴油機NOX的有效措施之一，它降低了燃燒室內燃燒溫度的峰值，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鍵的結構尺寸，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，在不影響冷卻器關鍵結構的同時，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行模擬，通過模擬的結果，以分析螺紋管與光滑直管、不同參數的螺紋管的換熱能力，確定幾何參數以實現冷卻器的較大換熱效率與較低壓降。

圖1 給出了螺紋管設計中關鍵的幾何參數。

圖1 螺紋管參數

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。

本文對每個參數單獨分析，以對最后的螺紋管進行優化。

3 螺紋間距P

當廢氣經過螺紋管內部，與管壁發生了熱交換，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生劇烈混合，傳熱更加劇烈。

螺距的大小反映了氣體在管內螺旋向前流動時繞管中心線一周所經過的軸向距離。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，換熱效率進一步提高。但同時，螺距減小導致湍流程度的增加，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生很大影響，但是隨著螺紋角度的減小，壓降進一步加大。不利于實際應用。

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果為螺紋管的設計提供了較為直觀的理論依據。

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