工程机械热交换器温度控制系统的优化设计与研究-职业学院毕业论文

扬扬 州州 市市 职职 业业 大大 学学 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 设计设计 论文论文 题目题目 工程机械热交换器工程机械热交换器 温度控制系统的优温度控制系统的优 化设计与研究化设计与研究 系别 系别 机械工程学院 专业 专业 机械制造及自动化专业 班级 班级 10 专接本 1 班 姓名 姓名 周天程 学号 学号 104610252084 指导老师 指导老师 高艳 完成时间 完成时间 2012 年 5 月 目录 目目录录 2 摘摘要要 1 主要符号表主要符号表 3 第一章第一章 绪论绪论 2 1 1 散热器的分类 2 1 2 汽车散热器概述 3 1 2 1 汽车散热器的原理 3 1 2 2 汽车散热器的结构 3 1 2 3 汽车散热器的材料及加工工艺 4 1 3 散热器存在的问题 5 第二章第二章 汽车散热器结构设计汽车散热器结构设计 6 2 1 散热管 6 2 2 散热带 6 2 3 主片及上下水室 7 2 4 散热器的固定框架 7 2 5 散热水管 8 第三章第三章 管带式散热器传热过程的理论分析管带式散热器传热过程的理论分析 9 3 1 管带式散热器的传热计算 9 3 1 1 散热面积的计算 9 3 1 2 当量直径的计算 9 3 1 3 对数平均温差 t m 10 3 1 4 传热系数 K 10 3 1 4 1 总传热系数 K 10 3 1 4 2 气侧换热系数 Ho 12 3 1 4 3 水侧换热系数 hi 12 3 2 散热器阻力计算 13 3 2 1 风侧阻力 13 3 2 2 水侧阻力 14 第四章第四章 提高散热器散热性能的有效途径提高散热器散热性能的有效途径 15 4 1 改善传热系数 15 4 2 增加对数平均温差 16 4 3 扩大传热面积 F 17 4 4 减少散热器重量 17 第五章第五章 管带式散热器的校核和设计方案管带式散热器的校核和设计方案 19 方案一 芯子的正面尺寸不变 通过改变芯子厚度来达到不同的散热要求 19 方案二 芯子的外观尺寸不变 通过改变芯子中水管通流截面的结构尺寸 改变管带结 构尺寸达到不同的散热要求 20 第六章第六章 管带数学模型的建立管带数学模型的建立 21 6 1 设计中的原始数据和设计工况 21 6 2 优化问题的确定 21 6 3 数学模型的建立 22 6 3 1 建立目标函数 22 6 3 2 建立约束函数 23 第七章第七章 基于基于 MATLAB 优化工具箱实现管带数学模型求解优化工具箱实现管带数学模型求解 25 7 1 Matlab 的产生与发展 25 7 2 MATLAB 的优势与特点 26 7 3 管带优化方法的选择 27 7 4 设计结果及比较分析 29 总结总结 32 致谢致谢 33 参考文献参考文献 34 扬州职业大学毕业论文 第 1页 共 34 页 摘摘要要 随着汽车工业的飞跃发展 对发动机散热器的要求也越来越高 在保证散热 器具有足够散热能力和强度的前提下 体积更小 重量更轻 管壁及带材更薄 散热效率更高成了散热器发展的必然趋势 所以实现散热器的优化设计已经具有 紧迫性 本文阐述了管带式散热器的结构 工作原理 研究了管带式散热器的传热和 流动阻力特性 散热器性能强化的有效途径 改善传热系数 K 增加对数平均温 差 tm 扩大散热面积 F 减轻散热器的的重量 M 探讨管带式散热器的校核和 设计方法 管带式散热器的优化设计 本文通过对金叶水箱厂 MHD284 散热器结构进行优化 运用计算机编程 在 MATLAB 环境中建立管带式的数学模型 分析其传热及阻力特性 以实现性 能的最优化 关键词 关键词 管带式 散热器 传热分析 优化设计 MATLAB 扬州职业大学毕业论文 第 2页 共 34 页 Abstract With the rapid development of automobile industry the requirement of the engine radiator more and more is also high In guarantee radiator cooling capacity and with sufficient strength under the premise of smaller lighter weight and wall and more thin strip the cooling efficiency higher become an inevitable trend in the development of radiator so realize the optimization design of the radiator has urgency This paper introduces the structure of the type radiator principle of work The research introduces type radiator of the heat transfer and flow resistance characteristic The effective ways to strengthen the radiator performance improve the heat transfer coefficient K increase the logarithmic mean temperature difference enables delta tm expand the cooling area F reduce the weight of the radiator M Discusses the type radiator both test and design methods Both side of the optimization design of the radiator This article through to the gold leaf water tank factory MHD284 radiator structure optimization using computer programming in the MATLAB environment in which to set up the both side of mathematical model analyzes its heat transfer and the resistance character in order to realize the optimum performance Keywords both type The radiator Heat transfer analysis Optimization design MATLAB 扬州职业大学毕业论文 第 3页 共 34 页 主要符号表主要符号表 a 扁平管截面宽 mm b 扁平管截面长 mm F 传热面积 2 m h 换热系数 2 Cmw o 导热系数 Cmw o Re 雷诺数 D 当量直径 mm A 截面周长 2 mm U 截面周长 mm 密度 3 mkg Pr 普朗克常数 p C 比热 KkgJ Nu 努赛尔数 P 风侧压力差 Pa Q 散热量 W a G 空气质量流量 smkg 2 H 管间距 mm p F 翅片间距 mm 翅片厚度 mm t F 翅片宽度 mm A 百叶窗间距 mm 1 L 百叶窗宽度 mm L 水管长 mm l 管带宽 mm m t 对数平均温差 C o K 总传热系数 2 Cmw o j 传热因子 f 范宁摩擦因子 动力粘度 sPa 运动粘度 sPa u 流速 sm 开窗角度 C o N 管带数目 扬州职业大学毕业论文 第 2页 共 34 页 第一章第一章 绪论绪论 1 1 散热器的分类散热器的分类 能满足某种规定工艺的要求使得热量从热流体到冷流体传递的装置被称为 换热器 换热器的分类方法有很多 最基本的是按照工作原理来分 通常可分为 回热式 混合式和间壁式三大类 回热式换热器多用于空气预热 一般是将金属 和砖类物体做成流道 热流体和冷流体交替地流过同一个通道 并尽量避免混合 在混合式换热器中全部流体均匀地处于同温同压下离开换热器 这种换热器虽然 换热效率高 但因两种流体的相互混合 故其在应用上受到一定的限制 间壁式 换热器中 高温流体和低温流体由壁面间隔分别位于壁面的两侧 热量通过壁面 进行传递 按照冷流体和热流体的流动方向可分为顺流式 逆流式 错流式和混流式 顺流和逆流是间壁式换热器中最简单的流动方式 工程上由于需要传递大量的热 而受到空间的限制 往往要采用多流程的 错流的以及更为复杂的换热器 在错 流式换热器中 还要区分混合流和非混合流 按照传热壁面的结构形式来分 大致可分为管式换热器 板式换热器 夹套 式换热器以及各种异形传热面组成的特殊换热器等类型 管式换热器又可以分为 套管式 管壳式 U 形管式以及翅片管式等多种形式 从本质上说 套管式换热 器是一根小直径管同心套在另一根较大直径的管内组成 它可以做成多种形式的 串联和并联 以适应相应的工艺要求 它主要用于无相变的加热或冷却 其特点 是传热面积虽不大 但使用 安装的灵活性较大 且容易清洗 管壳式换热器的 应用广泛 在相同体积或重量下 传热面积较大 且机械强度也较大 易于维修 和清洗 U 型管式换热器只有一个管束 管子两端均固定在同一管板上 这种换 热器使用于流体间温差较大 压力较高的工况下 但管程流速对压降的限制较大 且要求流体无腐蚀性和不易结垢 翅片管式换热器与一般管壳式换热器的不同之 处仅在于用翅片代替了光管作为换热面 翅片可以横向安置 也可以沿管轴纵向 安置 翅片可以安置在管外 管内 或内外兼有 翅片可铸出 也可以机械加工 轧制或焊接而成 翅片管换热器可以有一根或若干根翅片管组成 如室内取暖用 翅片管散热器 也可以再配有外壳 风机等组成空冷器型式的换热器 翅片管是 翅片管换热器的主要换热元件 管内 外流体通过管壁及翅片进行热交换 由于 扬州职业大学毕业论文 第 3页 共 34 页 翅片扩大了传热面积 使换热得到改善 翅片管换热器与光管相比 其传热面积 可增大数倍至数十倍 以光管传热面为基准的传热系数可增加数倍且结构紧凑 1 2 汽车散热器概述汽车散热器概述 1 2 1 汽车散热器的原理汽车散热器的原理 汽车散热器工作的原理 冷却发动机后的热水流过散热器时 把热量经由间 隔的金属壁面传递给低温空气 热水恒在管内流动 而冷空气则恒在管外流动 冷热流体互不接触混合 热量只通过壁面进行传递 1 2 2 汽车散热器的结构汽车散热器的结构 汽车散热器属于间壁式换热器 其中散热水管一般为椭圆管或扁管 外侧布 置有多层翅片以强化与冷空气侧的传热 通常 汽车散热器由主片 芯体 封条 等零件通过钎焊工艺焊接而成 它的结构紧凑 轻巧 薄壁及传热强度高 根据 芯体中翅片排列方式分 汽车散热器主要分为管带式和管片式两种 如图 1 1 图图 1 1管带式管带式管片式管片式 这两类散热器气侧翅片上都开有百叶窗式的裂缝 目前 典型百叶窗孔的结 构尺寸如下表 1 1 所示 扬州职业大学毕业论文 第 4页 共 34 页 表表 1 1 典型百叶窗孔的结构尺寸典型百叶窗孔的结构尺寸 从 80 年代初 我国部分散热器生产厂家开始研制管带式散热器 到 80 年代 中期 不少厂家又从国外引进了关键的生产设备 目前 我国中小型车辆普遍采 用的是管带式散热器 1 2 3 汽车散热器的材料及加工工艺汽车散热器的材料及加工工艺 汽车散热器芯体的材料根据散热器的用途和操作条件等不同而选择 常用的 材料有 纯铝 铝合金 铜 黄铜 镍 不锈钢 康镍合金等 铜和铝材料是目 前用得最多的散热器材料 随着人们对汽车造型 使用可靠性等要求的提高 对汽车散热器要求也越来 越高 从而使散热器朝着结构尺寸越小 材料越薄 重量越轻的方向发展 下表 1 2 是目前国内外散热器材料厚度尺寸 表表 1 2 国内外散热器材料的厚度国内外散热器材料的厚度 散热器的水管 散热带所用的带材由专门的滚压轧制设备加工而成 水管是 在咬缝管制机上一次性咬合而成 然后镀上一层锡与散热带焊接 带材在波浪带 滚压轧机上冲出百叶窗孔并按设计翅片间距翻折成三角形波浪带 随着研究手段和生产工艺的发展 百叶窗翅片式换热器的紧凑度越来越高 芯子的厚度 mm 百叶窗角度 C 百叶窗间距 mm 百叶窗缝长 mm 16 5220 321 1 1 56 7 50 9020 281 1 1 66 7 国内外 材料厚度 mm 项目 国内国外 主片与水室0 500 0 6000 080 冷却水管0 100 0 1100 150 0 180 散热带0 025 0 0430 060 0 080 散热片0 050 0 0600 100 扬州职业大学毕业论文 第 5页 共 34 页 其性能价格比也是越来越好 在各个行业都得到了广泛的运用 因此 自从百叶 窗翅片式换热器问世以来 学者们对它的研究就从来没有终止过 从对它整体换 热性能的研究到对其流动机理 流动形态的研究 对百叶窗翅片式换热器的发展 和推广起到了显著的作用 对百叶窗翅片式换热器的流动现象和流动特性进行研究 同对其它的传热设 备的研究一样 常见的方法有三种 理论分析 试验研究 数值模拟 这三种方 法各有其适用的范围 但并不完全分开的 把这三种研究手段巧妙地结合起来可 以收到相互补充 相得益彰的效果 1 3 散热器存在的问题散热器存在的问题 管带式散热器存在容易漏水现象 漏水部位一般为水管与主片焊接部件 水 室与主片焊接部件 分析其漏水原因 主要为 一是焊缝有虚焊 虚焊主要是由 于焊接操作失误和焊料质量差造成 二是焊缝开裂 焊缝开裂主要是散热器在使 用过程中承受振动 交变应力和温度脉冲的综合作用 引起疲劳强度下降所致 三是焊缝受腐蚀 而盆形断面的主片和矩形断面的水室 其刚性和耐压性差 是 使焊接出现早期损坏的结构原因 扬州职业大学毕业论文 第 6页 共 34 页 第二章第二章 汽车汽车散热散热器结构设计器结构设计 2 1 散热管散热管 咬口焊接制造水管是在联合制管机上能够以 7 10 个工序滚压成型 通过 7 10 组特殊的导板和滚轮逐渐的弯曲成型 在成型的最后过程中 带料差不多 卷成圆形时 再继续前行 带料将碰到一个圆定不动的扁型断面芯板 芯板断面 的形状 尺寸和欲制造的管子内部形状相同 然后连续的进行焊接 进入钎焊炉 将咬口部位和外表面同时镀锡 冷却后 用几组校直滚轮矫正端面形状 扭曲度 等 然后按所需的长度自动切断 联合制管机一般 24 26m s 图图 2 1 散热管散热管 特别提出的是水管质量的控制 除了必须检查水管的咬缝接口处是否密封 还要检查水管的形状尺寸以及在长度方向上有无严重划痕 正常情况下 水管的 断面的两个长边应该是平行的 以便散热器片和水管见接触良好 总之要口焊接 法制造水管是实质上是用薄带滚压成型 镀锡 热加工和切断加工相结合的一中 特殊加工方法 2 2 散热带散热带 扬州职业大学毕业论文 第 7页 共 34 页 图图 2 2 散热带散热带 2 3 主片及上下水室主片及上下水室 散热器的主片及水室的构造均以工艺简便 节约材料 易于钎焊和装配 牢 固可靠为前提 主片中的水管孔的排列要完全符合散热片中水管的排列和数量 散热器上水 室一般高 60 100mm 容积应该与水关的总容积想适应 并且要稍大于水管的总 容量 同时还要考虑发动机水套的容量和进水管的尺寸 另外还要便于安装其他 的附件 如进水管 加水口 内部隔板等 下水室和上水室基本结构相同在下水 室需要安装出水管和放水开关 为了增加说市强度 在水室壁上还应该布置加强 筋 加强筋的布置位置应使水室边壁刚硬 为了使水室的冲压工艺顺利进行 水 室上用圆弧连接的过度地方 起圆弧的半径应该尽量大些 2 4 散热器的固定框架散热器的固定框架 散热器的固定框架是将散热器固定在汽车上必须的部件 包括左右侧板 型件 三角吊耳等 用来保证芯部刚度 并在起撒谎能够安装有关零件 左右侧 板是直接焊接在水室上的 底部托住下水室 并一起外沿焊接在上下水室上 型件和三角吊耳是用来安装和固定散热器总成 扬州职业大学毕业论文 第 8页 共 34 页 2 5 散热水管散热水管 大多数情况下 散热器的进出水管是由生铁铸造成的并以铆钉 加强板和钎 焊固定在水室上 为了增加强度 在很多散热器的结构上 水管是穿过水室的 并在它相对的两壁上加焊 散热器的进出水管通常是焊接在水室上的 散热器的上部加水口平时常用盖严密封住的 以防冷却水溅出 但如果冷却 水中水蒸汽过多 将使冷却系内压力过大 可能导致散热器破裂 因此 必须在 加水口处设置排除水蒸气的通道 泄气软管 扬州职业大学毕业论文 第 9页 共 34 页 第第三三章章 管带式散热器传热过程的理论分析管带式散热器传热过程的理论分析 3 1 管带式散热器的传热计算管带式散热器的传热计算 散热器的散热量方程式为 3 0 3 1 1 散热面积的计算散热面积的计算 1 水侧的 水管 传热面积 0 F 截面周长 水管长 冷却管数目 2 a b L N 3 1 式中 a 水管截面的长 b 水管截面的宽 2 气侧的 管带 传热面积 i F 管带周长 翅片单元的有效宽度 管带波距 散热片的层数 3 2 式中 H 水管间距 管带波距 N 管带数目 l 管带宽 3 1 2 当量直径的计算当量直径的计算 努塞尔准则数 hl Nu 雷诺数 v ul Re等的定义式中 l为定型尺寸 通常 是选取对流体运动或传热发生主导影响的尺寸作为定型尺寸 例如 在圆管内的 换热过程取管子内径 i D 在管外强迫流动换热时取管子外径 0 D 而对非圆形管 道则取其当量直径 e D 在一般情况下 根据文献 3 当量直径的定义为 D 4 A U 式中 A 流体的流通截面积 U 周长 A 水侧通道 矩形 的当量直径 3 3 12 4 2 2 2 l 2 4 4 ba ba U A Di m TKFQ 扬州职业大学毕业论文 第 10页 共 34 页 B 气侧通道的当量直径 3 4 3 1 3 对数平均温差对数平均温差 t m 交叉流散热器中 二流体的流动情况虽然简单 但是由于二流体的温度变化 规律属于二维 而且温度变化又与二流体本身是否混合有关 故交叉流的对数平 均温差的计算要比逆流复杂 常先按逆流散热器算出对数平均温差 tm逆 然后 乘以考虑因其流动方式不同于逆流而引入的修正系数 查文献 11 发现平均值为 0 95 0 98 之间 在计算中一般取 0 98 假设热流体的进 出口温度分别为 t1 t2 冷流体的进 出口温度分别为 t3 t4 则得 3 5 3 1 4 传热系数传热系数 K 3 1 4 1 总传热系数总传热系数 K 对于任何散热器的分析来说 决定传热系数是最基本的但也是最不容易确切 知道的事 这里引用文献 1 中的总传热系数求解法 这一系数是用总热阻来定义 的 若热交换器中的两个流体被一个平壁隔开 这一系数为 3 6 如果两种流体被一管壁隔开 此系数具有如下形式 3 7 2 2 4 2 5 0 4 4 H w w Hw U A Do 3t2t 4t1 t ln 1 t2t4t1 t tm 1 1 1 hokdhi K hoRi Ro Ri Ro k Ro hi Ko 1 ln 1 1 扬州职业大学毕业论文 第 11页 共 34 页 应该注意 公式 3 6 3 7 仅适用于清洁表面 通常的换热器在运行时 由于流体的杂质 生锈或是流体与壁面材料质检的其他反应 换热器表面通常会 被粘污 表面上沉积的膜或是污垢层会大大增加流体的传热阻力 这种影响可以 引进一个附加热阻来处理 这个热阻称为污垢系数Rf 参见表 3 1 其数值取 决于运行温度 流体的速度以及换热器工作时间的长短 把管子内 外表面这一 热阻包括进去之后 对于外表面的传热系数可表示为 对于内表面则为 式中 ho 气侧传热系数 hi 水侧传热系数 K 管壁厚度 Ro Ri 圆 管壁内外面半径 知道了Ro Ri ho hi 以后 就可以确定总传热系数 应注意 公式中壁 面的传导热阻项常常是可以忽略的 这是因为通常采用的都是材料导热系数很高 的薄壁 此外 常常会遇到这种情况 即某一项对流系数比其它项小的多的多 因而对总传热系数就起到了支配作用 下表 2 2 为总传热系数代表性的数值 表表 3 1 有代表性的污垢系数有代表性的污垢系数 流体Rf WKm 2 海水与处理过的锅炉给水 50 以下 海水与处理过的锅炉给水 50 以上 河水 50 以下 燃料油 制冷液 水 蒸汽 无油 0 0001 0 0002 0 0002 0 0001 0 0009 0 0002 0 0009 hiRi Ro iRf Ri Ro Ri Ro k Ro oRf ho Ko 1 ln 1 1 hoRo Ri oRf Ro Ri Ri Ro k Ri iRf hi Ko 1 ln 1 1 扬州职业大学毕业论文 第 12页 共 34 页 表表 3 2 总传热系数的有代表性的值总传热系数的有代表性的值 3 1 4 2 气侧换热系数气侧换热系数 Ho 根据文献 3 空气侧换热系数常用j因子公式为 式中Pr 空气的普朗克特数 oCp 空气的定压比热 maxG 散热器最小截 面处的空气质量流量 对于管带式带百叶窗且使用扁平管的散热器j因子公式 式中 Fp 翅片间距 百叶窗开窗角度 Ft 翅片宽度 Lp 百叶窗 间距 1L 百叶窗宽度 b 扁平管长轴宽度 翅片厚度 H 管间距 o 空气的动力粘度 3 1 4 3 水侧换热系数水侧换热系数 hi 根据文献 3 水侧换热系数 hi 的关联表达式为 流体组合 K 2 KmW 水 水 水 油 水蒸气冷凝器 水在管内 氨制冷器 水在管内 酒精制冷器 水在管内 肋片管换热器 水在管内 空气为叉流 850 1500 110 350 1000 6000 800 1400 250 700 25 50 3 2 Pr max GoCpj ho 05 028 068 023 029 014 027 009 0 1 1 90 Re LpLp H Lp L Lp b Lp F Lp Fp j o LpG max Re i ii D Nu hi 扬州职业大学毕业论文 第 13页 共 34 页 式中 i Nu 水的怒谢尔特数 i 水的导热系数 i D 为水管的当量直径 其中 摩擦因子f为 式中 f 范宁摩擦因子 i Pr水的普兰克特数 为了后续的计算方便 这里引用文献 8 试验研究得到的表达式 3 8 其中5571 0 4240 0 22 nC 3 2 散热器阻力计算散热器阻力计算 3 2 1 风侧阻力风侧阻力 根据文献 8 可以知道 气体流过散热器芯体的流量 m与阻力系数f分别为 3 9 3 10 其中2708 0 3699 0 11 nC 由于式 3 10 中的f值通常是由单元通道的流动阻力试验而测得 因而所求 得的关联式 如式 3 11 也包括了形状阻力的因素 从而可以认为式 3 11 中的 w F 已不仅仅是壁面的剪切力 因此 可将气流通过芯体时的总阻力 F 阻力损失表示为 它应等于芯体两端的压力差 即 1 Pr 2 7 121 Pr 1000 Re2 3 22 1 f f Nu ii i 2 28 3Reln58 1 i f i i i Du Re 1 2 0 4 0 020 2 2 Pr n o n DuCK HwuMN m MNLHwFF w 42 阻力 MNHwPF 压力 11 1 nn o DuCf 扬州职业大学毕业论文 第 14页 共 34 页 所以可得阻力 风扇泵功耗功率 3 11 3 2 2 水侧阻力水侧阻力 根据文献 12 水侧阻力计算公式 式中 u 水流速 水的密度 对于圆管 扁平管都可以采用 Petukhov 提出来的的方程计算f N D flu P i 4 2 2 28 3Reln58 1 i f 2 2HwHwLFP w fHwMNLu mP P 2 3 扬州职业大学毕业论文 第 15页 共 34 页 第第四四章章 提高散热器散热性能的有效途径提高散热器散热性能的有效途径 根据传热方程式可以看出来 要增加热量Q 无论是增加K m t 还是F 都能起到一定的效果 工业设计和生产实践中大都从这些方面考虑 强化散热器的传热 4 1 改善传热系数改善传热系数K 散热器中实施的传热过程都是由热传递的三种基本方式组合而成的复杂过 程 反映散热器传热能力的传热系数 K 受其传热过程的各分过程传热的影响 传热系数 K 值与最小表面传热系数值相近 从改善传热面两侧的对流换热出发 使传热加强的措施为 1 当该传热过程各环节分热阻数量级相近时 应着手同 时减小各项分热阻 2 当该传热过程各分热阻数量级悬殊时 应着手减小最大 分热阻 一 翅片上加百叶窗结构 散热器的散热能力低 是因为当空气迎着散热器散热片的边缘急速流动时 在散热片的表面上就形成了一层阻碍传热的附面层 沿着空气流动方向 随着散 热片长度的增加 该附面层的厚度也逐渐增加 从而使局部传热速率随其厚度的 增加而迅速下降 如下图 3 1 因此其散热能力较低 图图 4 1 散热片上附层与传热率的关系散热片上附层与传热率的关系 以上分析可知 只有改进散热器的结构 阻止附面层的发展 才能有效地提 高散热器的传热速率 并提高其使用寿命 管带式散热器采用在翅片上开百叶窗 这种行之有效的措施 特点是翅片上冲有等距离的百叶窗式的栅格 其目的是破 m tKFQ 扬州职业大学毕业论文 第 16页 共 34 页 坏传热边界层 减小附面层的厚度 能大幅度的提高气侧散热能力 从而强化传 热过程 翅片除承担主要的传热任务外 还起着两扁管之间的加强作用 实践证明 在翅片尺寸相同条件下 栅格愈多传热效果愈好 但阻力越大 如果散热器在其它条件不变的情况下 采取在翅片上冲出一系列百叶窗孔的方 法 其散热能力可以提高 15 一 20 二 减少散热器的污垢热阻 散热器运行一段时间后 散热面上常会积起水垢 污泥 油污 烟灰之类的 覆盖物垢层 有时还由于散热面与流体的相互作用发生腐蚀而引起筱盖物垢层 所有这些覆盖物层都表现为附加的热阻 使传热系数 K 减小 散热器性能下降 据报导 一台结垢的散热器 其有效的传热面积仅为清洁状态的 因此当传热面 上出现污垢时 它往往使散热器的散热能力降低 必须在散热器的设计中考虑由 于积垢热阻使传热削弱的补偿措施 防止散热器积垢首要一点是对传热介质进行预处理 尽量减少介质中的污垢 粒子 可以有效地防止沉淀积垢和金属结晶积垢 其次 要对散热器进行定期清 洗 4 2 增加对数平均温差增加对数平均温差 当冷热流体进出口温度一定时 可以通过流型的布置来改善对数平均温差 一般应尽可能采用逆流或接近逆流的流型布置 另一种方法是提高热流体温度或 降低冷流体温度 增大热 冷流体间的温差从而使对数平均温差增大 目前 趋向于采用提高发动机冷却系统压力的办法来提高冷却液沸点 从而 增大 tm 系统压力变化对冷却液沸点及散热能力的影响如下表 4 1 总之 流 体温度不是变化幅度极为有限 就是不可轻易变动 必须根据具体情况慎重行事 表表 4 1 系统压力变化对冷却液沸点及散热能力的影响系统压力变化对冷却液沸点及散热能力的影响 系统压力 kPa 冷却液沸点 C 散热器增加量 29 4010712 49 011118 68 6011525 98 0712032 扬州职业大学毕业论文 第 17页 共 34 页 4 3 扩大传扩大传热热面积面积 F 增大传热面积 F 是工业上最有实效的强化传热途径之一 它往往通过改进传 热面的结构来实现 一 增加散热器的散热面积 1 异形表面 用轧制 冲压 打扁或爆炸成型等方法把传热表面制造成各种凹凸形 波纹 形 扁平形状等 使流道截面形状和大小均发生变化 这不但使传热表面有所增 大 还使流体在这种流道中不断改变流动状态 减小边界层厚度 增大扰动度 从而促使传热强化 2 采用细小金属颗粒 利用细小的金属颗粒贴附或涂敷于传热表面或充填于传热面间 借以扩大传 热面积 提高设备紧凑性 增大传热系数 3 采用小当量直径的流道 流道当量直径减小则可以在相同体积内布置更多的传热面 使散热器结构更 为紧凑 且当管径减小后 对于管内紊流传热可使其层流底层减薄 传热系数增 大 但压降也同时增大 而且管径小容易堵塞 使用时需综合比较 全面考虑 二 增大散热器的正面面积 在总布置允许的前提下 在不减少总的散热面积时力求增大散热器的迎风面 积 同时减薄芯厚 这也是散热器结构发展的趋势 大量试验结果表明 这一措 施能有效地提高散热能力 在其它条件不变的情况下 正面面积增加 17 散热 能力提高 11 而芯厚增加 50 散热能力仅增加 15 说明采取增加芯子厚度 的措施来提高散热能力是不经济的 4 4 减少散热器重量减少散热器重量 随着汽车工业的飞跃发展 对汽车散热器的要求也越来越高 在保证散热器 具有足够散热能力和强度的前提下 体积更小 重量更轻 管壁及带材更薄 散 热效率更高成了散热器发展的必然趋势 总的来说 散热器应朝着这样的方向发 展 减小材料费用和散热器重量 减少焊接 安装费用 提高可靠性 一 使用更薄的带材 散热器的重量可以通过使用更薄的带材来降低 然而 制造厚度只有几十微 扬州职业大学毕业论文 第 18页 共 34 页 米的带材 滚压技术是个难题 材料越薄 其厚度的均匀性就越难保证 1985 年日本制造商就可以生产 32pm 的带材 目前 国外带材厚度一般低于 45pm 瑞典 GrangesMetallVerken 公司是第一家生产厚度仅有 25pm 的铜带材 它在欧洲 和美国己控制了铜热交换器市场的 60 使用更薄的带材必须考虑其防腐蚀性能 Hitachi 海缆公司发明了一种抗蚀 焊接材料 其成份包括 0 0003 Pb 和 0 03 sn 与原焊料相比 其腐蚀率下降了 50 二 改进焊接工艺 减少焊料重量 在焊接工艺方面 通过改进其焊接技术和焊接材料 能有效地减轻散热器重 量 传统的钎焊工艺 焊料的重量占芯体重量的 10 左右 改进焊接工艺 还能 提高焊接强度和壁面的导热性能 目前正广泛地使用对口平焊技术 它可以使传 统方法生产的卷边重叠接缝水管的强度增大 2 5 倍 而且平行对接焊接的散热器 管外均匀光滑 能紧密地安装在水室底板上 使水管和水室的软钎焊接头强度增 加 同时焊料用量减少了 20 另外 焊接剂在接口处的消失避免了铅对水管接 口处的腐蚀 国外己有高速缝焊设备 这种设备能以 120 一 180n 公 min 的速度 成形 焊接和切割水管 采用无腐蚀或低腐蚀的有机焊代替无机焊剂 以及使用低锡高强度焊料 也 是散热器生产的发展趋势 当前 国内使用的焊料含锡偏高 而国外使用的焊料 含锡量通常低于 20 如日本通常使用含锡巧 的焊料 而美国则采用含锡 5 的焊料 另外第一代锌焊接的铜散热器己在 80 年代后期问世 在铜带材中 通 常用的是 50pm 的 Cu Sn 合金 为了提高防腐蚀能力 日本制造商开始用一种 Cu Mg 合金 并在其表面渗透一层 C Zn 保护层 其总厚度只有 38mm 铜散热 器的焊接材料一般为 P Sn 焊料 扬州职业大学毕业论文 第 19页 共 34 页 第第五五章章 管带式散热器的校核和设计方案管带式散热器的校核和设计方案 根据管带式散热器校核 设计计算的思路 本文结合工厂实际生产情况拟定 二个校核 设计方案 方案一方案一 芯子的正面尺寸不变芯子的正面尺寸不变 通过改变芯子厚度来达到不通过改变芯子厚度来达到不 同的散热要求 同的散热要求 此方案指百叶窗角度 百叶窗间距 Lp 百叶窗缝长 L1 翅片的波高H 翅片的波距 等都不变的情况下 通过改变管带数 N1 来改变翅片厚度来达到散 热要求 步骤 1 校核计算出传热因子 j 的表达式 步骤 2 设计芯子厚度 芯体的其他尺寸不变 改变百叶窗的 管代数 N 进行散热器的性能实验 校核计算出气侧表面传热因子 1 Re NFj 在正面面积的取值范 围内 M1 Fl M2 先假设最小值 Ml 为所 需的正面面积 F 由校核计算所得的j及根据 已知条件计算出的物性参数 如 入 导热系数 u 动力粘度 运动粘度 Pr 普朗特数 Re 雷诺数 等计算空气侧表面 传热系数 0 h 水管的通流截面积不变根据水管通流 截面长 a 与宽 b 所给的取值范围 由 水侧物性参数 导热系数 u 动 力粘度 运动粘度 Pr 普朗特 数 Re 雷诺数 等算出水侧的表面传 热系数 i h 由己知条件 空气侧表面传热系数 hi及水侧的表面传热系数 0 h 求 出 K 根据 F Q K m t 求出 F 扬州职业大学毕业论文 第 20页 共 34 页 方案方案二二 芯子的外观尺寸不变芯子的外观尺寸不变 通过改变芯子中水管通流截面的通过改变芯子中水管通流截面的 结构尺寸 改变结构尺寸 改变管带管带结构尺寸达到不同的散热要求 结构尺寸达到不同的散热要求 步骤 1 校核计算出传热因子 j 的表达式 步骤 2 设计散热器 校核计算出气侧的传热因子 1 HLLpj的 表 达式 分别校核计算出气侧的表面传 热 因 子 54321 jjjjj 的 表 达 芯子其它结构尺寸不变 通过改变百叶 窗的角度 做散热器的性能实验 芯子其它结构尺寸不变 通过改变百叶 窗的间距 Lp 做散热器的性能实验 芯子其它结构尺寸不变 通过改变百叶 窗的缝长 L1 做散热器的性能实验 芯子其它结构尺寸不变 通过改变管子 的间距 H 做散热器的性能实验 芯子其它结构尺寸不变 通过改变散热 带的波距 做散热器的性能实验 己知芯体宽 高 厚 散热面积 正面面积 通水断面积 水容量 据生产实际情况 芯子材料不变 给 出 芯 体 结 构 尺 寸 选 范 围 如 1 HLLp等的取值范围 采用坐标轮换法 各步长分别为采用坐 标 轮 换 法 各 步 长 分 别 为 1 HLLp 根据校核 计算所得关系式 1 HLLpj 及己知条件计算出最大散热量 Q 最大散热量 Q 值所对应 的 1 HLLp为 所需求解的值 扬州职业大学毕业论文 第 21页 共 34 页 第第六六章章 管带管带数学模型的建立数学模型的建立 6 1 设计中的原始数据和设计工况设计中的原始数据和设计工况 一 原始数据 散热器芯体结构形式 管带式 气侧翅片为百叶窗式 三角形通道 的波纹 带 散热器型号 MHD284 芯体尺寸 390mm 435mm 40mm 水侧进 出口温度 90C 0 70C 0 气侧进 出口温度 30C 0 45C 0 气侧质量流量 10smkg 2 水的流量 3 6hm 3 表表 6 1 管带几何尺寸管带几何尺寸 A 百叶窗宽 mm p L 窗缝宽 mm 开窗角度 C 0 B 百叶窗长 mm l 管带宽 mm 712810 340 二 设计工况 本散热器的 0 Q及 P值 均在最大扭矩工况下选取 即以最大扭矩工况为设 计工况 0 Q 32KW P 1KW 6 2 优化问题的确定优化问题的确定 人们在设计散热器时所追求的目标是 根据冷却系统的要求 在给定空 间容积的条件下求得最大的散热量 同时又获得尽量小的风扇泵耗功率 或 者是在 Q 和 P 值一定的前提下 使散热器所消耗的材料最省 因此 这是一 个多目标的优化问题 对于百叶窗管带式散热器来说 百叶窗的开口角度 开口尺寸 A 和 B 百叶窗的个数等参数 虽然这些参数的大小的确对翅片的传热特性及流动阻 力有影响 但是不在此次考虑范围之内 经过研究表明 散热器起主要散热 作用的是管带 因此扁平管的几何尺寸也不在此次优化范围之内 扬州职业大学毕业论文 第 22页 共 34 页 在本次的优化设计中把散热量最大 风扇泵耗功率最小作为优化的目标 函数 对于有两个目标的优化问题 采用多目标优化中的乘除法 建立一个 统一的超目标函数 即 P Q 在 P Q 目标函数中 对散热器的传热及流阻我们优化的设计参数是管带 的波距w 管带的波峰数 M 管带个数 N 翅片高度 H 四项 因此 将这些 参数定为设计变量 即 式中 n 设计变量个数 对于这次优化的散热器的芯体单元如图 6 1 所示 图图 6 1 管带式散热器芯体单元管带式散热器芯体单元 6 3 数学模型的建立数学模型的建立 6 3 1 建立目标函数建立目标函数 一 散热量 Q 的数学模型的建立 根据公式 3 1 和 3 2 散热器的总传热面积 总 F 2 a b L N 6 1 根据公式 3 0 3 4 3 5 3 8 6 1 联立可得 n NHMwX 12 4 2 2 2 l 总 F 扬州职业大学毕业论文 第 23页 共 34 页 根据文献 1 中的表 A 4 常压下的气体的物理性质 707 0Pr0 sm 109 15 26 KmW 105 26 3 化解整理后的方程为 二 风扇功率 P 的数学模型的建立 由公式 3 10 和 3 11 联立可得 其中标准大气压下的 3 204 1mkg 化解整理后的方程为 三 目标函数的建立 其中 P 和 Q 为上式所整理出来的方程 6 3 2 建立约束函数建立约束函数 一 性能约束 风扇的最大消耗功率 应该小于允许值 即使 32 41 ln 12 41 212 4 2Pr 2 2 1 0 4 0 02 2 22 tt tt tttt NLbaN w l w w HDuCQ n nn 32 2 6 4429 0 3 2 2 10 4 16 010 1 7510 4 2 2 697H w MNNwM H w w wH Q 11 2 01 3nn DuCHwMNLuP 2705 0 2 2 4 4 2 0166 0 2 101236 5 H w w Hw HwMNP NMHwfQPxf max PP 3500010 4 16 010 1 7510 4 2 2 697 32 2 6 4429 0 3 2 2 H w MNNwM H w w wH Q 扬州职业大学毕业论文 第 24页 共 34 页 散热器传给空气的热量 Q 应大于发动机及传动装置所需要的散热量 0 Q 且考 虑污垢沉积引起传热性能的下降的情况 取 二 边界约束 结合散热器的一般制造工艺情况 从节省材料的角度出发 考虑 MHD284 散热器的安装情况 1000 4 2 0166 0 2 101236 5 2705 0 2 2 4 H w w Hw HwMNP 0 15 1QQ mmHmmmmwmm187 52 4030 12090 NM mmwMmmmmNaHNmm420350 470 1 400 扬州职业大学毕业论文 第 25页 共 34 页 第第七七章章 基于基于 MATLAB 优化工具箱实现优化工具箱实现管管 带带数学模型求解数学模型求解 7 1 Matlab 的产生与发展的产生与发展 Matlab 语言的产生是与数学计算紧密相连的 1980 年 美国墨西哥州大学 计算机系主任 Cleve Moler 在给学生讲授线性代数课程时 发现学生在高级语言 在编程上花费很多时间 于是着手编写供学生使用的 Fortran 子程序接口程序 他将这个接口程序取名为 MATLAB 这个程序获得了很大的成功 受到学生的 广泛欢迎 20 世纪 80 年代初期 Moler 等一批数学家与软件专家组建了 MathWorks 软 件开发公司 继承从事 MATLAB 的研究和开发 1984 年推出了第一个 MATLAB 商业版本 其核心是用 C 语言编写的 然而 MATLAB 又添加了丰富多彩的图 形处理 多媒体 符号预算以及其他流行软件的接口功能 功能越来越大 Mathworks 公司正式推出 MATLAB 后 于 1992 年推出可具有划时代意义的 MATLAB4 0 版本 之后陆续推出了几个改进版本和提高版本 2004 年 9 月正式 推出 MATLAB Release 即 MATLAB7 0 其功能在原有的基础上又有进一步的 改进 2008 年 9 月推出了 R2008B 它是目前的最新版本 经过几十年的研究与不断完善 MATLAB 现已经成为国际上最流行的科学 计算与工程计算软件工具之一 现在 MATLAB 已经不仅仅是一个最初的 矩形 实验室 了 它已发展成为一种具有广泛应用前景 全新的计算机高级编程语言 可以说它是 第四代 计算语言 自 20 世纪 90 年代以来 美国和欧洲的各大学陆续将 MATLAB 正式列入研 究生和本科生教学计划 MATLAB 软件已经成为数值计算 数理统计 信号处 理 时间序列分析 动态系统仿真等课程的基本教学工具 成为学生必须掌握的 基本软件之一 在研究单位和工程界 MATLAB 也成为工程师必须掌握的一种 工具 被认作进行研究与开发的首选工具 扬州职业大学毕业论文 第 26页 共 34 页 7 2 MATLAB 的优势与特点的优势与特点 MATLAB 在学术界和工程界广受欢迎 图 7 1 为 MATLAB 软件界面 其主 要有优势和特点有如下几个方面 图图 7 17 1 MATLABMATLAB 软件界面软件界面 1 友好的工作平台和编程环境 MATLAB 由一系列工具组成 其中许多工具采用的图形用户界面 包括 MATLAB 桌面和命令窗口 编辑器和调试器 路径搜索 以及与用户浏览帮助 工作空间 文件的浏览器 这些图形的工具与用户使用 MATLAB 的函数和文件 提供极大的方便 2 简单易用的编程语言 MATLAB 语言是基于流行的 C 语言的 因此语法特征与 C 语言极其相 似 而且更加简单 更加符合科技人员对数学表达式的书写格式 便于非计算机 专业的科技人员使用 而且这种语言可移植性好 可拓展性强 这也是 MATLAB 能够深入到科研及工程计算各个领域的重要原因 3 强大的科学计算数据处理能力 MATLAB 是一个包含大量的计算算法的集合 拥有 600 多个工程中用到的 数学运算函数 可以方便的实现用汉语所需要的各种计算功能 4 出色的图形处理功能 MATLAB 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能 能够将向量和矩阵 扬州职业大学毕业论文 第 27页 共 34 页 用图形的形式变现出来 并且可以对图形进行标注和打印 高层次的作图包括二 维和三维的可视化 图像处理 动画和表达式作图 可用于科学计算和工程绘图 5 应用广泛的模块集合工具箱 MATLAB 对许多专门的领域都开发了强大的模块集合工具箱 Toolbox 一般来说 他们都有由特定领域的专家开发的 用户可以直接使用工具箱学习 应用和评估不同而不需要自己编写代码 7 3 管带管带优化方法的选择优化方法的选择 优化方法利用 MATLAB 的优化工具箱 可以求解线性规划 非线性规划和 多目标规划问题 具体而言 包括线性 非线性最小化 最大最小化 二次规划 线性与非线性的最小二乘解等问题 另外 该工具箱还提供了线性 非线性最小 化 方程求解 曲线拟合 二次规划等问题中大型课题的求解方法 为优化方法 在工程中的实际应用提供了更方便 快捷的途径 优化的散热器属于非