载货汽车冷却系统匹配设计.doc

载货汽车冷却系统匹配设计一、 设计思路:为选定的发动机匹配相应的散热器，保证发动机在使用环境下正常运转。二、 设计步骤1、 根据发动机参数及统计数据，初步选定一种散热器。2、 利用热平衡原理，计算发动机在标定工况下散热器的散热量，校核是否满足发动机的散热要求；并验算发动机在最大扭矩工况下的热平衡。3、 冷却系统设计中应考虑的其它问题。三、 初选散热器发动机原始参数 序号项目单位符号举例1标定功率（kW）Ne max206（15%）2标定转速（r/min）ne2200最大扭矩（N.m）Me max1120（16%）最大扭矩时转速（r/min）nm1400标定工况时散热量（kJ/h） 5x105最大扭矩时散热量（kJ /h）风扇特性直径（mm）570速比（风扇转速/发动机转速）1.1水标定工况时水泵流量（m3/h）（节温器全开）膨胀水箱压力盖开启压力（kPa）50膨胀水箱的容积冷却系统总容积的15(其中膨胀空间占1/3)经验，为充分发挥风扇的能力，一般要求散热器的宽度和高度略大于风扇的直径；载重汽车散热器的比散热面积约A/Ne 为0.2 m2/kW. 由此,初选一散热器SHQ220 23 散热器的性能231 散热器的基本性能散热器的基本性能是由低温流体的空气和高温流体的水进行热交换前后的各种温度和热量而表征的。它是由散热器入口的空气和水的温度，散热器的整个散热面积，热通过率、各流体（空气，水受到热量时空气吸热后的温度，水放热后的温度以及水的放热量（空气的吸热量）来所决定的。放热量与所需的目标温度是否一致，是决定散热器的基本性能的基础，请参考表2.1。散热器的基本性能 表2.1项 目记 号单 位设定流入散热器的高温水温度冷却用大气（空气）温度散热器散热面积散热器热通过率流入散热器高温水的重量流量冷却用大气通过散热器的重量流量tw1ta1AKGwAakJ/hN/hN/h需求性能流出散热器的散热后的水温冷却用大气吸热后的温度散热器散热量tw2ta2Qw=QakJ/h求汽车散热器性能的重点是从表2.1设定值，利用NTU的方法来求（参考2.3.2） (2.1)由此求得未知数ta2此外,水的散热量为 空气的吸热量 散热量和吸热量根据能量守恒定律,则有 Qw=Qa故 从式(2.5)求得未知数tw2，也可以求得散热器的散热量。ta1: 入口空气温度 ta2: 出口空气温度 ：-NTU的系数tw1：入口水温度 tw2：出口水温度 Qw：水的散热量 kJ/hGw：水的重量流量N/hGpw: 水比热 kJ/kgJ/kgKQa: 空气的吸热量 kJ/hGa：空气的重量流量N/hCpa: 空气的比热 kJ/kg2.3.2 -NTU法-NTU是Effective Number of Heat Transfer Unit 的缩写。表示热交换机的“关于热传递大小”的无因次指标。热交换机的终端温度是以KA/Ca和Ca/Cw的函数为基础的。中间计算请参考传热学的专业书，最后可以表示为 （2.6）但,又从公式(2.1) (2.7) NTU=KA/Ca (2.8)Ca:空气的热容量 kJ/h(=GaCpa)Cw:水的热容量 kJ/h(=GwCpw)通过式(2.6)可以求得,但是一般通过以Cmin/Cmax(=Ca/Cw)作为参数的图形来求得。汽车用散热器采用的是直交热交换机的-NTU线图，如图2.3所示。2.3.3 热通过率K用-NTU的方法求的时候必须计算NTU,但是,首先要知道热通过率K。热通过率K是如图2.4所示那样,当温度分别为tw 和ta的两种流体在平面壁的两侧以常流流动的时候,由 (2.9)Q: 单位时间的总热量 kJ/hK: 热通过率 kJ/m2hA: 传热面积 m2式所定义的。另外，在传热学上K的定义是根据高低两种流体中热传递率小的一侧（对汽车用散热器的时候是空气的一侧）的面积有关的值。实际使用的散热器是直交流形的隔板式交换器，故两种流体（水和空气）的温度如图（2.5a）所示那样进行变化。求K （2.10）上式中的气、水温度差tw-ta 对直交流热交换器来说是使用对数平均温度差。 （2.11）当求K时通过直接风洞实验，实测中心全面质量风速以及实测管内水的流速变化时的、，、，并通过式（2.10）来计算。如图2.6所示为通过风洞实验求得的K值。234散热器冷却设计计算例散热器冷却的设计计算按前面的方法-NTU来进行。把表2.1的项目设定值为表2.2的那样从而求散热后的水温,吸热后的空气温度，求散热量Q 。顺序1 从(2.8)式得 Cpa:空气的定压比热 1.05kJ/kg 设 定 条 件 表2.2流入散热器的高温水温度 tw1=90低温流体大气（空气）温度 ta1=30散热器热面积 A=32m2 A： 和空气接触的散热器整个散热面积流入散热器的高温水重量流量 Gw=196000N/h（参考）水管路总横断面面积 S w=0.01 m2时 rw：水的比重量 流速为低温流体大气通过散热器的重量风量 Ga=211680N/h(参考) 散热器的正面面积 SF=0.63m2 ra：空气的比重量空气流速为 散热器热通过率 和，参考值一样 K：参考图2.6 设散热器水管路总横断面面积 Sw=0.01m2 设散热器的正面面积 SF=0.63m2时，时的K值为3349kJ/m2h的假定的散热器。顺序2Cpw：水的定压比热 4.1868kJ/kg顺序3通过-NTU的线图（参考图2.3）=39顺序4根据公式（2.1） 吸热后的空气温度ta2为顺序5 空气一侧吸热量Qa由(2.3)式，有这和水的散热量相等。顺序6根据公式(2.4) 水温大约降了6。235散热器的散热量和气水温度差当决定散热器的散热量的时候，首先定好气水温度差有如下的方便之处。把各种散热器的散热量能够同它相比较。在散热器使用地区里的最高大气温度定为ta1，在水的沸点以下温度定为tw1，求气水温度差点tw1-ta1时（例如设定为65）的散热量Q65，把这Q65和发动机发热量进行比较，如果设定的合适将不会有在该使用地区内水温升高到沸点以上。在2.3.4项散热器冷却设计计算例时，气水温度差为tw1-ta1，是90-30=60。此时的散热量为Qa=Qw=4978079kJ/h。对于同一散热器气水温度差为65时的散热量，按如下步骤求得根据公式(2.1)有根据公式(2.3)有散热量