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西华大学硕士学位论文 采用热管技术的车用中冷器设计及其仿真 动力机械及工程专业 研究生黎长青指导教师彭忆强 增压中冷是提高发动机动力性、经济性，降低发动机热负荷、发动机排放 的重要手段，在新型发动机的开发中应用越来越多。中冷器是实现进气冷却技 术的关键性部件，很多著名的中冷器生产商及其研究机构积极地试图研制开发 出更先进、更完善的中冷器产品。而热管作为一种非常高效的传热元件，越来 越多地被应用于各种热设计工程中。 在本文第二章中，根据高效中冷器的设计要求和热交换器的特点，完成了 一台热管中冷器的热力学计算并对该中冷器进行了火用分析。 在本文第三章，利用s i m u l i n k 软件对热管中冷器进行了建模仿真，第四 章用a m e s i m 软件对发动机进行了建模，实现了热管中冷器用于发动机的性 能仿真。同时对热管中冷器与某型号管带式中冷器进行了仿真结果与中冷器本 身结构的比较。 在本文第五章，作者对热管进行了极限校核。同时运用计算机编程，组建 了热管中冷器的热力计算的程序软件，使热管中冷器的设计更加简便。 本文旨在研究热管技术在内燃机上应用的可能性，使热管技术更好地应用 于内燃机行业，服务于社会生产。 关键词：内燃机火用中冷热管a m e s i m i n t e r c o o l e rd e s i g na n ds i m u l a t i o nb a s e do n h e a t - - p i p e t e c h n o l o g y p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l ic h a n g q i n g t u t o r ：p e n gy i q i a n g t h et u r b o 。c h a r g i n ga n di n t e r - c o o l i n g t e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n t m e t h o d st or a i s i n gp o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y , d e c r e a s i n gt h et h e r m a l l o a da n de x h a u s te m i s s i o n s ，a n di th a sb e e nm o r ea n dm o r eu s e di nt h en e we n g i n e e x p l o i t a t i o n i n t e r c o o l e ri st h ek e yp a r to ft h ec h a r g e - a i rc o o l i n g s o ，m a n yf a m o u s m a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e se x p e c tt od e v e l o pn e wi n t e r c o o l e rp r o d u c t i o n t h eh e a t - p i p ea sa v e r ye f f i c i e n th e a tt r a n s f e rc o m p o n e n ti sm o r ea n dm o r eu s e di n h e a td e s i g np r o j e c t s i nc h a p t e r2 ，o n ei n t e r c o o l e ri sd e s i g n e db a s e do nt h e r e q u i r e m e n to fh i g h e f f i c i e n c yo fi n t e r - c o o l i n g h e a t - e x c h a n g e rw i t hh e a t - p i p e t h en e we n e r g y e f f i c i e n c ym e t h o di su s e dt oa n a l y z et h i si n t e r c o o l e r i nc h a p t e r3 ，t h em o d e lo ft h e h e a t - p i p ei n t e r c o o l e ri sb u i l tw i t hs i m u l i n ka n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg o t i nc h a p t e r4 ，t h em o d e lo fo n ei n t e r c o o l e dd i e s e l e n g i n ei sb u i l tw i t ha m e s i m ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h e n ，t h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w ot y p e si n t e r c o o l e ri sm a d ei ns i z e , w e i g h ta n d p r i c e i nc h a p t e r5 ，t h el i m i t a i o n to ft h e h e a t p i p ei sc h e c k e da n dac o m p u t e r p r o g r a mt od e s i g nt h eh e a t - p i p ei n t e r c o o l e ri sw r i t t e nw i t hv b ，w h i c hm a k e st h e d e s i g no fi n t e r c o o l e rm u c hm o r ee a s y t h ea i mo ft h i sw o r ki st os t u d yt h ef o r e g r o u n do f t h ea p p l i c a t i o no fh e a t p i p e t e c h n o l o g yi nd i e s e le n g i n ea n di ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei n d u s t r y k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，u s e f u le n e r g y , i n t e r - c o o l i n g ，h e a t - p i p e ， a m e s i m 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作和研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包括他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其它教育机构的学位论文或证书 所使用过的材料。 本学位论文成果是本人在西华大学读书问在导师的指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明! 学位论文作者签名： 导师签名： 肼矽钐月i o 日 口5 年月c 9 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 目前，一方面由于汽车在往高速、重载方向发展，对发动机的功率和燃料 经济性提出更高的要求；另一方面，汽车发动机排气中的有害气体造成大气的 污染，也引起人们高度重视，极力寻求减小大气污染的措施。基于这种种方面 的原因，使汽车发动机增压技术获得很快的发展。增压技术已经成为提高发 动机输出功率、扭矩以及降低油耗的主要方法之一。但是空气在压气机中压缩 后，其温度上升会使密度下降。在增压发动机中，功率的大小与增压压力成正 比，与增压温度成反比。根据热力学原理，增压空气在增压器中压缩是按多变 过程进行的。为了使增压后空气具有尽可能大的密度和较低的温度，需要在增 压器和发动机之间设置一个冷却器( 中冷器) ，对增压空气进行冷却，即所谓 中间冷却。各发动机厂商对此有严格规定，例如：潍柴公司生产的w d 6 1 5 系列 柴油机要求在大气温度为2 0 。c 时，中冷后的进气温度不得超过5 5o c 乜1 。 在给定的增压压力下，增压空气温度每下降1 0 0 c ，其密度约增加3 ，发动 机功率约提高3 5 。或者在相同功率下，燃料的消耗减少1 5 ，可使最高燃烧 温度和整个循环的平均温度下降3o c 乜1 。显然，进气冷却对增压发动机的动力 性、经济性及对排气净化程度都有较大的提高，因此，增压中冷是柴油机发展 的关键性技术之一。 1 2 一般中冷系统介绍 1 2 1 中冷器的类型乜1 发动机中间冷却技术的类型根据所采用的冷却介质的不同可分为两种。 一种是利用发动机的循环冷却水对中冷器进行冷却，即水一空中冷系统。当 利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却 效果，这种方式成本较高而且机构复杂。在汽车上很少采用。 西华大学硕士学位论文 另一种是利用外部空气冷却，即空一空中冷系统。这种系统结构简单，性能 可靠，热传导效率高，汽车发动机大都采用空气冷却式中冷器。空一空中冷系统 由中冷器，进出气连接管路组成，中冷器为核心部件。 、 1 2 2 中冷器的结构 传统结构的中冷器主要由多块引导增压空气和冷却介质流的板壁组成，为 了提高传热效果和扩大散热面积，在介质流道中可以布置散热片。由此通过板 壁和散热片可以间接地进行热交换，通常散热片由导热性能良好的金属制成。 为了降低制造成本，介质流应按横流或横向逆流的原则进行。水冷式中冷器可 分为圆管式中冷器和扁管式中冷器。 ( 1 ) 圆管式中冷器圆管式中冷器芯子由许多散热片组成，冷却圆管穿过散 热片。冷却圆管与散热片上管孔翻边凸缘连接，用来导热。圆管式中冷器的优 点是对冷却水要求较低，性能可靠，可直接供给经过筛滤的海水或河水。 ( 2 ) 扁管式中冷器就相对效率和压力损失而言，圆管式中冷器系统不如扁 管式中冷器对于采用相同结构尺寸的扁管式中冷器系统，由于扁管具有有利于 流动的形状，所以增压空气侧产生很小的压力损失，因此可多布置散热片。但 是扁管式中冷器仅限于封闭式的冷却系统，因为较狭窄的管道要求更清洁的水。 ( 3 ) 空一空冷却中冷器中，增压空气流过扁管，在扁管内可设置内部紊流片。 在管子之间布置冷却空气的散热带。 热管中冷器的结构与传统结构的中冷器有很大区别，将热管元件按一定行 列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段隔 开，构成热管中冷器。 1 2 3 中冷方式 1 在水一空中冷方式中，用发动机冷却液来冷却增压空气是常用的方法。需 要注意的是，由于受到冷却液温度的限制，增压空气经中冷器后很难达到比较 2 西华大学硕士学位论文 低的进气温度( 如1 0 0o c 以下) ，特别是对于采用高温冷却系统的发动机，其中 冷效果很难达到比较理想的状况。另一方面，由于冷却液带走的这一部分热量， 实际上最后还要通过水散热器散到大气中去，因此增加了冷却系统中水散热器 的负担，或者增加一个散热系统。这样的结果从传热过程上是二次传热，即整 体的换热效率比较低，增大了系统的体积。独立中冷循环系统，虽然可以提供 较为满意的进气温度，但因其需要较低温度的外源水，加之结构与布置均比较 复杂，在车辆上应用有很多困难，几乎无法应用。 2 对于空一空中冷，由于进行热交换两侧的流体具有较大的温差，因此，从 中冷器设计来讲，一般可以达到比较满意的进气温度。与水一空中冷比较，空一 空中冷具有以下主要优点： ( 1 ) 由于热交换的热量直接传散到大气，与水一空中冷的二次热交换比较， 具有较高的换热效率： ( 2 ) 因两侧有较大的温差，可以比水一空中冷获得较低的迸气温度，因此， 更能体现中冷技术给发动机性能带来的好处： ( 3 ) 由于发动机冷却液不参加中冷循环，不存在冷却液渗漏到发动机气缸里 的问题，杜绝了由此而产生的水锤事故，有利于发动机的安全运行。 热管中冷器冷却方式有水冷和空冷两种，本文所设计的热管中冷器的冷却 方式为空冷型。 1 2 3 中冷器在汽车上的布置n 1 在轿车上采用空一空中冷系统，中冷器通常由行驶时的迎面风冷却，也就 是说，中冷器的效果主要取决于汽车的行驶速度，而冷却芯子中冷却空气的流 速越高，则冷却效果越好，因此为使冷却空气在芯子中达到尽可能高的流速， 必须选择在空气侧有较低阻力的冷却系统。中冷器应布置在动压头较高的部位， 应力求使冷却空气能顺畅地流进和流出。中冷器远离发动机安装时，大多数在 汽车的前部将中冷器安置在散热器( 水箱) 之前或在其旁边，尽可能放在动压 头较高的范围内。但其缺点是增压空气管较长，而且大多数是弯弯曲曲，并有 弧度和截面变化，这就会引起压力损失，从而使冷却效率以及废气涡轮增压的 3 西华大学硕士学位论文 响应特性恶化靠近发动机安装时，如果由于结构限制，也可将中冷器安置在发 动机的上面，这样空气侧的途径较短，因而压力损失较小。但是这种布置对于 冷却空气的通道及密封有较高要求。 卡车主要采用空一空中冷系统。由于卡车工作条件的要求，只依靠行使时 迎面风冷却是不够的，所以中冷器装在散热器( 水箱) 的前面或旁边，并由风 扇吹风冷却。因为冷却装置的总宽度受安装空间的限制。很少考虑中冷器装在 散热器旁边的方案，在采用中冷器前置方案时，有时在散热器前还要安装其他 的冷却器( 例如空调冷凝器，变速器或液压装置的油冷器等) ，这些冷却器遮 住一部分散热器迎风面积。使冷却空气进入温度升高，从而使置于后面的散热 器大大提高了热负荷，因此散热器必须相应地设计的大一些。 与传统中冷器比较，热管中冷器体积小，便于布置，一般将冷凝端布置于 能够有车外空气流过的位置。 1 3 热管和热管中冷器的简介 1 3 1 热管的工作原理1 典型的热管结构如图1 - 1 所示。先将管密闭，抽成1 3 1 0 一1 3 x 1 0 - 4 p a 的负压，在此状态下充入一定量的液体( 即工质) ，管的内壁有同心圆筒式的金 属丝网( 或其他多孔介质) 称为吸液芯，吸液芯内充满液体工质，当热管的一端 受热后，吸液芯中的液体因吸收外界热量而迅速汽化为蒸汽，在微小压差下流 向热管的另一端，在向外界放出热量后冷凝成为液体，该液体借助于贴壁金属 网的毛细抽吸力返回到加热段，并再次受热汽化。如此不断循环，热量就从管 的一端传向另一端。由于是相交传热，而且热管内部热阻很小，所以能以较小 的温差获得较大的传热率。 4 西华大学硕士学位论文 葛篾娟( 碾担娆量) 砖凝弼( 描地”叠) 、l 、l j 土童、lr t l l 、1 了 1 、了t 下丁t 、l j 、土j j 上 一 液体在热端受热蒸发盾的流向 蒸发后的气体在冷凝溃敏热冷凝矮的漉向 一 吸液芯 1 3 2 热管的性能 f i g u r e1 - 1 s k e t c ho f h e a t - p i p e 图1 1 热管示意图 ( 1 ) 优良的导热性。由于热管以潜热形式进行传热，所以和银、铜、铝等金 属相比，单位重量的热管可传递几个数量级的热量。 ( 2 ) 良好的等温性。热管内腔的蒸气是处于饱和状态的，饱和蒸气的压力决 定于饱和温度，饱和蒸气从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学 的c l a u s u i s c l a p e y r o n 方程式可知，温降亦很小，因而热管具有良好的等温性。 ( 3 ) 优良的热响应性。热管内部压力很小，当蒸发端受热后，蒸汽就以近似 于该温度下的音速前进。 ( 4 ) 热管的结构简单、重量轻、体积小、维修方便。 ( 5 ) 热管没有运动部件，运行可靠，使用寿命长。 ( 6 ) 能在失重状态下工作，可用于宇宙飞船和人造卫星。 1 3 3 热管中冷器结构与优点 1 热管中冷器的概述畸1 热管能极其方便地在热源和冷源间实现热传递，把若干支热管按需要组成 西华大学硕士学位论文 一体，置于热、冷源间，便能把热源中的热量源源不断地传给冷源。因而，这 种热管元件的组装体用于增压空气的冷却便称为热管中冷器。热管中冷器的基 本结构如图1 - 2 所示。 f i g u r e1 - 2 s k e t c ho f h e a t - p i p ei n t e r c o o l e r 图卜2 热管中冷器结构示意图 2 热管中冷器与其它中冷器的比较1 1 ) 传热性能好。气一气式热管中冷器优良传热性能的获得，首先是在两气体 侧均方便地实现了翅化，增大了对热、冷流体的捕热和放热面积，大大减小了 两气体侧的对流热阻，因而强化了整个气一气传热过程：其次，把一侧气体的管 内流动改为垂直外掠流动，可使该侧管束的平均换热系数提高约3 0 。这两方面 的原因可使热管换热器的传热性能比其它型式换热器好的多。 随着传热面减小，气体流程缩短，流动的沿程阻力减小，再加上热管换热 器结构简单，避免了其它型式换热器很大的局部阻力，因而流阻损失大大减小。 2 ) 热、冷气体两侧的传热面可以自由布置。 3 ) 当传热面局部损坏时，能确保两气流彼此不渗混。 随着热管理论的研究和发展，热管技术己日趋成熟，热管换热器的应用范 围也不断扩大，已在化工、石油、建材、轻纺工业、冶金工业、动力工程等领 域显示出它的优越性，尤其是在3 5 0 。c 以下的气流余热回收，热管技术有其独 特的优势。美国休斯飞机公司对热管换热器和其它类型的换热器进行了比较和 评定，其结果如表卜1 所示( 括号内为打分，分数高的为优) 。当换热器的传热 系数相同时，流体通过板翅式换热器的压降要比通过热管换热器的压降高2 - 4 西华大学硕士学位论文 倍，显然，这将大大增加风机的动力消耗。 表卜1 换热器的对比 t a b l e l 一1h e a te x c h a n g e rc o m p a r i s o n 型式流阻换热系数维护费 造价辅助动力相互污染单位体积传热面积总计 回转式中( 3 )高( 4 )高( 2 )高( 2 )有( o )有( 0 )高( 4 ) 1 5 管壳式 高( 2 )高( 4 )中( 3 )中( 3 )无( 5 ) 无( 5 ) 低( 2 )2 4 载热式 低( 4 )低( 2 ) 高( 2 )高( 2 )有( 0 )无( 5 )中( 3 ) 1 8 板翅式低( 4 )中( 3 )中( 3 )高( 2 )无( 5 ) 无( 5 )很高( 5 ) + 2 7 热管式低( 4 )高( 4 )很低( 5 )中( 3 )无( 5 )无( 5 )高( 4 )3 0 1 4 国内外研究现状 中冷技术在国外是从6 0 年代开始开发应用的，在工业发达国家，涡轮增压 加中冷技术在柴油车上应用已很普遍，增压中冷机型比例逐年增多，特别是采 用空对空的中冷器，如美国卡特比勒公司用于载重卡车的柴油机全部是增压中 冷型，也只有采用增压和增压中冷技术的发动机，才能满足严格的欧洲2 号法 规标准。因此，国外柴油机轿车上几乎都采用这项技术，像世界上首台三升级 轿车“路波”就是用了带进气中冷的三缸增压柴油机。 国内一些骨干企业在采用增压技术的同时，也将进气中冷提上了议事日程。 大连柴油机厂、东风朝阳柴油机公司已计划逐步采用带中冷器的增压机；东风 康明斯有部分机型已全部转为增压带中冷：而南京依维柯早在1 9 9 7 年就开始生 产采用了直喷增压中冷技术的2 5 升索菲姆发动机。 虽然目前涡轮增压技术应用非常广泛，国内外车用柴油机基本都采用了增 压中冷技术，但是热管式中冷器尚处于研究试验阶段。 1 9 6 3 年，美国l o s a l a m o s 国家实验室的g m g r o v e 发明了一种传热元件， 并进行了性能测试实验，在美国应用物理杂志上公开发表了第一篇论文， 并正式将此传热元件命名为热管“h e a tp i p e ”h 1 。 7 西华大学硕士学位论文 1 9 6 5 年，c o t t e r 首次提出了较完整的热管理论，从此奠定了热管研究的理 论基础，也成为热管性能分析和热管设计的基础，称为c o t t e r 理论h 1 。 8 0 年代后期，热管大量应用于化工、石油、建材、轻纺、冶金、动力、电 子电器、新能源、核电、航空航天领域。 1 5 高效中冷器的设计要求口1 随着车用柴油机的发展，对中冷器的要求也越来越高，因此，一些著名的 中冷器生产厂商及其研究机构，不惜投入巨大的人力物力资源，以期研制开发 出更先进、更完善的中冷器产品。为适应我国柴油机产业的发展，我国有关研 究及生产中冷器的厂家应尽早开发性能先进、结构紧凑的中冷器己势在必行。 高效中冷器的设计要求： ( 1 ) 为取得满意的中冷效果，要求中冷器在发动机多种工作条件下供给相对 恒定的进气温度。对中冷器而言，由于发动机在大进气量的满负荷条件下，要 获得足够低的进气温度比在低进气量下更为困难，因此，中冷器应按满负荷条 件下设计。 ( 2 ) 为得到中冷后发动机需要的最大温度降，中冷器不同的工作特性应根据 发动机和涡轮增压器给定的工作点来确定，一般情况下中冷后的进气温度在 5 卜8 0 c 是理想的。 ( 3 ) 应使进气压力降尽可能的低，一般应小于2 。 ( 4 ) 尽可能降低冷却空气侧压力降。 ( 5 ) 选择高效低阻的传热元件。 1 6 本论文的任务 基于中冷对增压发动机的重要性，笔者根据高效中冷器的设计要求，以及 热管所具有的优良的导热性能，将根据一般性车用增压发动机的要求进行一款 8 西华大学硕士学位论文 热管中冷器的热力学计算及火用分析，通过m a t l a b s i m u l i n k 对中冷器热力学性能 进行建模和仿真分析( 第三章) ，利用a m e s i m 软件对中冷器进行性能仿真及 比较( 第四章) ，同时用v b 编制一套实用的热管中冷器设计软件，对热管的各 个极限进行校核( 第五章) 。 期望通过在这些方面的理论分析及仿真验证工作，能为企业实际生产和中 冷器研究方面提供一定的参考依据。 9 西华大学硕士学位论文 2 热管中冷器的热力学计算及火用分析 2 1 热管换热器的热力计算及校核 2 1 1 原始数据 原始数据的选取参考了山东厚丰散热器有限公司的一款车用中冷器的参数 热管中冷器进出口热力参数的范围为： 增压空气量：0 2 5 k g s 一0 3 5 k g s 中冷器进口空气压力：0 i m p a 一0 3 5m p a 中冷器进口空气温度：1 0 0 。c 一1 7 0 。c 中冷器的出口温度： 6 0 。c 冷却介质的流动速度：4 0k m h 一1 2 0k m h 冷却介质进口温度：o o c 一4 0 0 c 增压空气压力损失允许值 1 2 0 0 0p a 我们选取极值参数来进行中冷器机械部分的设计： 增压空气量： 中冷器进口空气压力： 中冷器进口空气温度： 中冷器的出口温度： 冷却介质的流动速度： 冷却介质进口温度： 增压空气压力损失允许值呻1 冷却介质压力损失允许值田3 2 i 2 热管的选取及布置陆1 0 3 5 k g s 0 3 5m p a 1 7 0 。c 6 0 。c 4 0k m h 4 0 。c 1 2 0 0 0p a i 0 0 0p a 根据此换热器的工作温度选用水为热管工质，管壳材料为无缝钢管，翅片 i o k心。嵋峨 西华大学硕士学位论文 材料为铝翅片，钢管与翅片采用胀管法接触。这种热管参数为：光管外径 d o = 0 0 1 6 脚，热管全长，= 0 5m ，热端长l h = 0 3 5 加，冷端长乞= o 1 5 m ，热管内径d j = 0 0 1 4 聊，翅片厚度= 0 0 0 0 3 朋，翅片间距j = 0 0 0 1 7 m ，翅片数仉= 7 5 ，仉= 1 7 5 。 2 1 3 传热计算 售5 厣1 丽一 搿一每杏每每_ 1 垒查盘查查 2 霉5 f i g u r e2 - 1a r r a n g e m e n to f h e a t - p i p e 图2 1 热管布置图 1计算传热量q ( 1 ) 增压空气定性温度 l 一= 鱼专鱼+ 2 7 3 = 3 8 8 k 平均温度下的空气的热物理性质n 们： 定压比热容： = 1 0 0 9j ( k g k ) 密度： ( 2 1 ) 岛2 错2 8 7 2呈兰旦2q旦8署743 8 8 = 3 0 8 危g 掰3 ( 2 2 ) 4 乙 。 。 运动黏度： v h = 1 7 1 7 1 0 一5 吲锄订m 亿3 ， ：2 , h = 2 4 4 x 2 ( 射以2 6 川硼群4 ， 西华大学硕士学位论文 普朗特数： = 鲨丝= 0 6 7 7 ( 2 5 ) ( 2 ) 增压空气放热量q 幺2 ( 厶l t h 2 ) = 4 2 4 k w ( 2 6 ) ( 3 ) 热管传至冷空气侧的热量q ，考虑3 的热损失嘲：q c = 4 1 1 k w ( 4 ) 冷空气实际获得热量q c 考虑冷侧3 的热损失，故：q = q ( 1 3 ) = 3 9 9 k w 2 冷空气出口温度t ：及对数平均温差出。 ( 1 ) f 。2 ：+ 鱼：5 8 。c( 2 7 ) q m c c 弦 ( 2 ) 冷空气定性温度及参数t 批= 4 9 。c 查得该温度时空气的物性参数为陋1 ： 定压比热容： c j w = 1 0 0 5 j ( k g 七) 密度。 成= 1 0 9 3 k g m 3 热导率： 丸= 2 8 3 x 1 0 _ 2 形( 朋t o 黏度。 = 1 9 6 x 1 0 。6 k g l ( m a ) 运动黏度： 屹= 1 7 9 5 x 1 0 。6 m 2 s 普朗特数。 儿= 0 6 9 8 ( 3 ) 对数平均温差乙 蹴：蛾2 零2 多娟c 出2 2 0 ”c 由于本中冷器采用的是一次交叉流，两种流体各自都不混合，所以 0 = 甲钣，甲取决于两个无量纲参数尸及r ，其分别为： 1 2 西华大学硕士学位论文 p ：奠丑：兰墨二兰q ：o 1 4 f l t c l 1 7 0 4 0 r ：垒l 二垒2 ：1 7 0 - 6 0 ：6 1 f c 2 一t i 5 8 4 0 查参考文献1 图9 1 7 ，甲0 9 5 ，所以0 = 5 1 。c 3 迎风向积么 热空气侧迎风面积： 4 = o 1 x o 1 5 = o 0 1 5 m 2 热侧单位面积流量： 圪= q 。 a k = 0 3 5 0 0 1 5 = 2 3 3 k g ( m 2 j ) 冷空气侧迎风面积： 4 = 0 5 3 2 x0 3 5 = o 1 8 6 m 2 冷侧单位面积流量： 圪= kx p c = 1 2 5 姆( 朋2 j ) 4 求总换热系数 ( 1 ) 求管束的最小流通截面积n f a 热侧：n f a h = 4 一b - ( 1 一0 ) d o s , = 0 0 1 5 0 0 0 0 3 7 5 o 1 一( o 1 5 0 0 0 0 3 7 5 ) 0 0 1 6 x2 = 0 0 0 8 6 7 m 2 冷侧： n f a c = 4 一心口一( 一) d o b c = o 1 7 5 0 0 0 0 3 1 7 5 x 0 5 3 2 一( o 3 5 0 0 0 0 3 x 1 7 5 ) 0 0 1 6 x 1 4 = o 0 8 0 4 3 m 2 ( 2 ) 流体最大质量流速g 雠 热绯一2 面q m h = 而0 丽3 5 = 4 。3 7 姆( 朋2 j ) 冷侧：g 僦。2 黄= 箭= 等- 2 8 9 1 堙懈j ) ( 3 ) 求雷诺数疋( 蟊取外管径) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 西华大学硕士学位论文 热倾0 ：r e = g 二 x d o 胁= 4 0 3 7 x 0 0 1 6 2 2 x 1 0 巧= 2 9 3 6 0 冷侧：r e 。= 。d o g c = 2 8 9 1 x 0 0 1 6 1 9 6 x 1 0 巧= 2 3 6 0 0 ( 4 ) 计算平片型翅片管束的换热系数n 2 1 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 热侧：传热因子j h = o 1 4 r e h - 0 3 2 8 ( 品墨) - 0 5 0 2 ( d o ) 0 。0 3 1 2 ( 2 1 4 ) = o 1 4 ( 2 9 3 6 0 ) - 0 3 2 8 ( 3 8 3 3 ) - 0 5 0 2 ( 3 1 6 ) o 删2 = 0 0 0 4 2 4 n u = r e p r h - j = 0 0 0 4 2 4 x2 9 3 6 0 0 6 7 73 = 1 0 9 3 0 9 ( 2 1 5 ) h = n u 以d o = 1 0 9 3 0 9 x 3 2 6 x1 0 。2 0 0 1 6 = 2 2 2 7 1 7 w ( m 2 。c ) ( 2 1 6 ) 冷侧：传热因子丘= o 1 4 r e 。- 0 3 2 8 ( s t 墨) - 0 $ 0 2 ( 比) n 0 3 1 2 ( 2 1 7 ) = o 1 4 ( 2 3 6 0 0 ) 加3 2 8 ( 3 8 3 3 ) 。0 5 0 2 ( 3 1 6 ) o 1 2 = 0 0 0 4 5 5 n u 。= 以r e 。p r o 3 = 0 0 0 4 5 5 2 3 6 0 0 0 6 9 83 = 9 5 2 5 3 h c = n u 。丸d o = 9 5 2 5 3 x 2 8 3 x1 0 0 0 1 6 = 1 6 8 4 7 9 w ( m 2 o c ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 5 ) 由于此翅片为厚度很小的铝翅片，而且型式为连续翅片，因此翅片效率 ，7 _ r 极高，可达8 5 9 5 1 3 1 。 ( 6 ) 计算每米管长散热面积 翅片片数：刀= 1 0 0 0 2 = 5 0 0 翅片面积： a i = ( 0 1 0 5 3 2 一三以2 4 2 ) 5 0 0 2 = “7 6 m 2 所 翅片间光管面积： 4 = n d o ( 1 一o 0 0 0 3 x5 0 0 ) x4 2 = 1 7 9 4 5 m 2 m 每米长总散热面积： 4 = 4 6 5 5 4 m 2 m 1 4 西华大学硕士学位论文 因此中冷器热侧的面积： 4 = 6 9 8 m 2 ( 7 ) 求管外有效换热系数h e 采用二次翻边翅片，换热系数比平片型的高3 5 1 ，因此： 热侧 = 掣1 3 5 = ( 2 2 0 ) 222717x(17945+4476 x 9 0 ) 1 3 5 4 6 5 5 4 = 2 7 2 w ( m 2 o o 冷侧：铲半乩3 5 = 168479x(17945+4476x 9 0 ) 1 3 5 4 6 5 5 4 = 2 0 6 w ( m 2 o o ( 2 2 1 ) ( 8 ) 求其他热阻n 0 1 增压空气侧污垢热阻可取：墨= 0 0 0 0 3 5( m 2 o c ) w 冷却介质侧污垢热阻可取：r 2 = 0 0 0 0 3 5( m 2 , 0 c ) w 管片式散热片接触热阻：热侧 r 3 = o 0 0 0 1( m 2 o c ) w 冷侧兄= 0 0 0 0 1 ( m 2 o o w 导热热阻：热侧r 5 = 8 2 = 0 0 0 1 3 9 8 = 2 5 1 x1 0 。6 ( m 2 o o w ( 2 2 2 ) 冷侧 r 6 = 8 2 = 0 0 0 1 3 9 8 = 2 5 1 1 0 。6( 埘2 0 c ) w ( 2 2 3 ) ( 9 ) 求总传热系数 、 热管内的冷凝热阻和蒸发热阻可以忽略不计h 1 瓦1 = 去+ 恐簧+ 蜀 簧s t + 磋+ 尺：筹+ 鑫 c 2 2 4 ， ：上+ 2 5 1 1 0 - 6 ) 竺+ 0 0 0 0 3 5 堕+ 2 5 1 1 0 6 业 2 7 21 0 6 56 9 82 4 5 1 5 西华大学硕士学位论文 + 0 0 0 0 3 5 墅+ 鱼：竺墨 1 6 2 9 4 2 0 6 1 6 2 9 4 = 0 0 0 6 2 8 = 1 5 9 2 4w l ( m 2 。c ) ( 1 0 ) 求加热侧所需总传热面积如 如= q c ( u n j t 。) = 丽4 丽11 0 丽0 = 5 。6 m 2 ( 1 1 ) 所需热管数目甩：兰丛：3 0 4 5 a 6 ( 2 2 5 ) 为了便于布置和留有一定的余量，取3 3 根热管，管子排列如图2 2 f i g u r e2 - 2h e a t - p i p ei n t e r c o o l e rs t r u c t u r e 图2 _ 2 热管中冷器结构 昌= 0 0 3 8 m ，岛= 0 0 3 3 m ，b = o 1 m ，热端长度厶= 0 1 5 m ，冷端长度 乞= 0 3 5 m ，管排数玩= 11 ，或= 3 。 ( 1 2 ) 中冷器体积v = 0 4 1 8 xo 1 0 5 = 0 0 2 m 3 5 求通过热管中冷器的压力降n 钉 压力降按下式计算： p ：鱼之n i m 2 2 p 1 6 ( 2 2 6 ) 西华大学硕士学位论文 黼数f = 1 4 6 3 ( 等t 广2 4 5 ( 等广9 ( 糟+ 1 ) ”( 扩a ( 2 2 7 ) 口j + d ，“ 舯 t ：丝粤 ( 2 2 8 ) 舭小1 7 9 4 5 x 0 0 16+44铡764警476巫(42x 2x 5 0 0 ) 一o 眦朋 厶_ 1 4 6 3 ( 筹百3 3 - 1 6 ) 螂( 3 32 1 6 - + 1 ) o 7 ( 帚3 2 o 9 = 0 8 5 2 卸 ：0 8 5 2 x 4 0 3 7 2x 1 4 ：1 5 5 p ad 3 1 5 5 p a 、于增压空气压力损失允许值1 2 0 0 0 p a劫。= = 、于增压空气压力损失允许值 1“ 2 3 0 8 同理 卸。= 9 7 7 p a 小于冷却介质压力损失允许值1 0 0 0 p a 压力降符合中冷器的设计要求。 2 2 热管中冷器的火用分析1 6 7 3 热力学第一定律即能量守恒定律，简单地说即能量不能无中生有，也不能 无形消失，自然界中能量可以从一种形式转化为另一种形式，总能量不变。对 换热器进行设计与分析的传统方法大都基于热力学第一定律。用这种观点来指 导设计必然会把注意力集中在如何减少系统的能量的泄露与排放上，以求提高 热能利用率。因为除去无意义的少量的散热损失或贬值，似乎没有能量的损失 或贬值。 根据热力学第二定律可知，不可逆过程会导致能量的贬值。在中冷器中， 热流体把热量传给冷流体的过程中，有温差传热存在，热流体和冷流体在流动 过程中有摩擦损失等等不可逆过程，这些过程都会导致能量的贬值和损失。在 这里我们以获得有用能的角度来考虑能的转换和利用，可用来作功的这部分能 量我们称之为火用，与热量不同，火用从高温传向低温时会有较大的损失，高温时 1 7 西华大学硕士学位论文 的热量更能够转化为有用功，因此有必要对换热器的设计进行火用的分析。 2 2 1 换热器的热量火用损失 热管甲冷器作为秧热设备，必然存在能的贬值一火甩损失，换热器的火用损失 衄可由下式计算： a e = 龃h 一龃c 式中，监。和崛分别为增压空气放出的，大甩和冷空气得到的火用，在稳态、 常物性和不考虑粘性阻力的情况下，可由下式计算： 地= 呱她也哪n 刊+ 等k 嵫p n 2 。_ 2 h 2 、 上 上1 l 幄= 嘛l ( 疋，一瓦：一瓦，n 罢) + 等呱) c n 鲁 其中，t o 为环境温度，即冷空气进口温度疋，吒、k 分别为增压空气和 冷空气的绝热指数，在这里两者是相等的，。、只：为增压空气的进出口压力， 只，、p c ：为冷空气的进出口压力。 火用损失： 峨。瓦【嘛xt n i r h 2 + 嘛l - 刮+ 等嘛m 鲁 一等嘛m 鲁 用软件m a t l a b 计算可得：嵋2 8 7 5 k w 2 2 2 火甩效率分析 换热器火甩效率仇，定义为： 1 8 西华大学硕士学位论文 2 蕊e c 2 - e c ! = 簧= 其中：幄换热器从热流体获得的热火甩。 峨换热器输出的热火用。 把理论计算的数据代入上式，利用m a t l a b 求解，可得：弦= 0 6 0 8 。 对于设计出的中冷器火用效率n 砌的最低要求为0 3 5 。该中冷器火用效率比最 低火用效率要求0 3 5 高许多。 1 9 西华大学硕士学位论文 3 热管中冷器的模型建立和仿真 3 1 中冷器热力性能仿真 3 1 1 仿真目的n 。1 对于新设计的中冷器，仿真的目的是研究其运行性能，例如确定换热效果、 流过中冷器的冷、热两种流体受热和冷却的程度、传输的热量、传热系数、流 动阻力大小、热损失等。中冷器的仿真分为元件仿真、局部仿真、整体仿真等。 本仿真进行的仿真为整体仿真，在s i m u l i n k 仿真的条件下得到中冷器的效率、 工作流体加热和冷却程度、流动阻力、传热系数和传热量，验证中冷器设计的 可靠程度，也为中冷器的实际应用提供可靠的依据。 3 1 2 仿真原理和步骤n 町 l 仿真原理 中冷器的传热系数k 可由传热方程给出： k ：要 ( 3 1 ) f & m 换热量q 2 9 。( t l 一) ，中冷器的效率7 7 可由下式得出： ，7 。覆t i - t i ( 3 2 ) 式中，t ：为热边进口温度，为热边出口温度，t ：为冷边进口温度，t ：为 冷边出e l 温度。 2 中冷器的仿真原理图 西华大学硕士学位论文 们卜- 由h 伽峨 一 空气鼍气鼍座 靛堂气出口鼍度 3 5 0 0 0 0 卜- 呻 一- h憧 一i 3 4 7 b ! + 0 0 晤 空气退气庄力 * 聋气出口压打 。卜 响h叭 一l _ k 空气入0 羹空气出口量 ，o o 卜 hw 啦 一l _ 。 t 入口一毫 i 岛i d 开空气出o 薯 z 。卜 吣ht ho u i 一l 掣 空气适气鼍魔 一空气出口鼍度 1 0 1 3 2 5 卜 h i nh - n一 8 ，2 7 1e + 0 0 4 j f i g u r e3 - 1 s i m u l a t i o ns c h e m a t i c 图3 - 1 中冷器仿真原理图 3仿真步骤 ( 1 ) 给定热空气进口压力0 3 5 m p a 、温度1 7 0 。c 、冷空气进口温度2 5 。c 及冷 空气进口压力0 i m p a 。 ( 2 ) 每固定一个热空气进口流量，依次变换冷边流速，测取热边出口各参数， 冷边出口各参数。 ( 3 ) 计算传热系数并绘制传热系数与冷热侧空气流量的关系曲线。 ( 4 ) 设定热空气流量为0 3 5 k g s ，改变冷空气流速，得到中冷器效率随冷空 气流速变化曲线。 ( 5 ) 设定冷空气流速为6 0 k m h ，改变热空气流量，得到中冷器效率随热空 气流量变化曲线。 2 1 西华大学硕士学位论文 ( 6 ) 设定热空气流量为0 3 5 k g s ，改变冷空气流速，得到热侧压力降、冷侧 压力降与冷空气流速的关系曲线。 3 2 模型建立 3 2 i 增压空气热物理性质的模型 该模型以图3 2 的形式表现出来。 f i g u r e3 - 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so f p r e s s u r i z e da i r 图3 2 增压空气热物理性质模型图 该子模型根据流过单排热管的增压空气的温度以及压力计算得到该状态下 增压空气的密度、运动黏度、雷诺数以及普郎特数。主要计算公式见第二章 ( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 5 ) 等。 3 2 2 管外有效换热系数的模型 西华大学硕士学位论文 该模型以图3 - 3 的形式表现出来 f i g u r e3 3 m o d e lo fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 图3 - 3 管外有效换热系数模型图 该子模型输入为增压空气、冷却空气的物性参数，热管以及翅片的参数为 固定值，模型根据这些参数计算得到单排热管冷热侧的换热系数输出。主要计 算公式见第二章( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 等。 3 2 3 热管的模型 热管模型是热管中冷器模型的核心，输入为冷热侧空气未流过热管的物性 参数，输出即为冷热侧空气流过热管后的温度等和压力等物性参数，如图3 4 。 主要计算公式见第二章( 2 7 ) 和( 2 2 6 ) 等。 西华大学硕士学位论文 3 2 4 热管中冷器的模型 f i g u r e3 - 4 m o d e lo f h e a t - p i p e