EGR冷却器中的螺纹冷却管设计研究

汪振环

（广西工学院 机械工程学院，广西 柳州 545006）

1 引言

冷废气再循环技术是降低柴油机NOX的有效措施之一，它降低了燃烧室内燃烧温度的峰值，有效抑制了NOx在燃烧过程中的生成。如何提高EGR 冷却器冷却效率的同时又不影响其关键的结构尺寸，是近年来EGR 冷却器的研究重点。与光滑直管相比，螺纹管具有更大的传热面积，加强了气体的湍流特性，在不影响冷却器关键结构的同时，有助于明显提高冷却器的换热效率。

2 基本理论

CFD 软件在给定的工作条件下（如气体和冷却剂的温度，压力和流量等）可以模拟一个特定的热交换特征，通过这些特征的图形显示，可以用不同的螺纹管形状对传热能力和压降进行模拟，通过模拟的结果，以分析螺纹管与光滑直管、不同参数的螺纹管的换热能力，确定几何参数以实现冷却器的较大换热效率与较低压降。

图1 给出了螺纹管设计中关键的几何参数。

图1 螺纹管参数

图1中，D-螺纹管外径，P-螺纹间距，α-螺纹开口角度，h-螺纹切口深度。

本文对每个参数单独分析，以对最后的螺纹管进行优化。

3 螺纹间距P

当废气经过螺纹管内部，与管壁发生了热交换，光滑直管管壁处气体速度较低，而螺纹管由于沿管长方向有螺旋存在，增加了气体的湍流程度，管轴线附近气体与靠近管壁气体发生剧烈混合，传热更加剧烈。

螺距的大小反映了气体在管内螺旋向前流动时绕管中心线一周所经过的轴向距离。若螺纹间距为10mm，则意味着气体在轴向移动10mm的过程中绕轴线360°旋转了一次。

给定直滑管以及螺纹管除螺距以外的其他尺寸，运用CFD 软件进行仿真，得到图2。

图2 不同螺距对出口温度的影响

从图2 可以看出，使用螺纹冷却管比直滑管有更低的出口温度，且随着螺距的减小，换热效率进一步提高。但同时，螺距减小导致湍流程度的增加，出口的压力降增大，如图3 所示。过低的出口压力将影响换热器的实际应用。

图3 不同螺距对压降的影响

图4 螺纹角度对热流效率的影响

图5 螺纹角度对压降的影响

图6 螺纹深度对压降及换热效率的影响

3 螺纹角度α

给定除螺纹角度外的其它其它尺寸，软件模拟结果如图4、图5 所示。

图5 表明，螺纹角度的改变并没有对冷却管的热流能力产生很大影响，但是随着螺纹角度的减小，压降进一步加大。不利于实际应用。

4 螺纹深度h

增加了螺纹深度，将会增加气体的湍流程度，有助于靠近管壁气体与管轴线附近高温气体的混合，提高了换热效率，但同时，这也会增加出口压降，如图6。

5 结论

螺纹管相比较直滑管有更强的换热能力，CFD 软件模拟了不同设计因素对冷却器换热效率和出口压降的影响，两者的最佳配合取决于螺纹管的螺距、螺纹角度和螺纹深度，其每个要素的影响机理和影响结果为螺纹管的设计提供了较为直观的理论依据。

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