基于CATIA的F09涡轮增压发动机中冷器设计

I西华大学毕业设计说明书摘 要 .1Abstract .21、前言 .32、绪论 .42、 1 汽车历史 .42、 2 中冷器简介 .52、2、1 中冷器背景 .52、2、2 中冷器的作用 .72、2、3 中冷器的分类 .83、设计 分析 .103.1 设计任务分析 .103、 2 理论分析 .124、中冷器设计 .174、 1 预备计算 .174、 2 结构计算 .184.3 热力计算 .204.4 阻力计算 .234、结论 .26致 谢 .27参考文献 .28 1西华大学毕业设计说明书摘 要随着汽车技术的发展，涡轮增压系统开始应用的越来越广泛。中冷器作为涡轮增压系统的重要部件也得到了很大的发展。中冷器的形式有很多，管带式是在二十世纪八十年代末九十年代初期开始得到重视和研究的一种新型高效的中冷器。但是，由于管带式中冷器的发展时间还不长，自今尚无成熟的设计和计算理论。因为中冷器也属于换热器的一种，其区别在于中冷器的内部压力大，要求换热过程的压力降小，一般情况都是我们都是按照换热器理论来进行设计和计算的。本文主要式对管带式空-空中冷器进行设计和计算。首先对涡轮增压系统和中冷器进行简单介绍，主要介绍了中冷器出现的背景、作用和分类；然后，根据设计要求，进行设计分析和理论准备；最后，对中冷器进行结构、热力、阻力的计算。【关键词】：管带式空-空中冷器，设计分析，结构，阻力，计算 2西华大学毕业设计说明书AbstractWith the development of automobile industry, turbocharged system began to use more and more widely. charge air cooler system is the important as parts also got very big development. The form has a lot for charge air cooler, introduces the type is in the late 1980s in the early 1990s began to get attention and research of a new efficient charge air cooler. However, due to the development of introduces type charge air cooler is not long time. from today, there is no mature theory on the design and calculating. Because charge air cooler also belongs to a kind of heat exchanger, the difference between the internal pressure is charge air cooler heat exchange process, demanding the pressure drop is small, generally are we all is according to heat exchanger design and calculation theory.This paper mainly introduces type of direct charge air cooler on design and calculation. First to turbocharged system and charge air cooler implement simple introduction, mainly introduced the background, the function and classification of charge air cooler. Then, according to the design requirements, design and analysis and theoretical ready. Finally, the charge air cooler structure, heat, resistance calculation.【Key words】：direct charge air cooler, design analysis, structure, resistance, calculation 3西华大学毕业设计说明书1、前言随着经济的发展，汽车工业也发生着日新月异的变化。现在，人们对汽车的要求越来越高，在高速舒适的同时，也追求经济环保。中冷器的出现正是在这样的背景下应运而生的。中冷器一般只有在安装了涡轮增压的车才能看到。因为中冷器实际上是涡轮增压的配套件，其作用在于提高发动机的换气效率。 对于增压发动机来说，中冷器是增压系统的重要组成部件。无论是机械增压发动机还是涡轮增压发动机，都需要在增压器与发动机进气歧管之间安装中冷器。涡轮增压的发动机为何会比普通发动机拥有更大的动力，其中原因之一就是其换气的效率比一般发动机的自然进气更高。当空气进入涡轮增压后其温度会大幅升高，密度也相应变小，而中冷器正是起到冷却空气的作用，高温空气经过中冷器的冷却，再进入发动机中。如果缺少中冷器而让增压后的高温空气直接进入发动机，则会因空气温度过高导致发动机损坏甚至死火的现象。0.9L 长安之星 2 将安装中置涡轮增压发动机，本次设计的主要目的就是设计适用于 0.9L 长安之星 2 的中冷器。 4西华大学毕业设计说明书2、绪论2、1 汽车历史车的诞生，车的发展，在历史的长河中给我们留下了点点滴滴。汽车自上个世纪末诞生以来，已经走过了风风雨雨的一百多年。从卡尔.本茨造出的第一辆三轮汽车以每小时 18 公里的速度，跑到现在，竟然诞生了从速度为零到加速到100 公里/小时只需要三秒钟多一点的超级跑车。这一百年，汽车发展的速度是如此惊人！同时，汽车工业也造就了多位巨人，他们一手创建了通用、福特、丰田、本田这样一些在各国经济中举足轻重的著名公司。这篇资写着许多有趣的故事，在中国已经成为世界五大汽车强国之际，让我们一起来回望汽车的发展历史，体会汽车给我们带来的种种欢乐与梦想汽车在改变我们的生活，它在带给我们极大便利的同时，的确也带来了一些烦恼。但是，生活就是这样，对任何生活方式的评价都是相对的，没有绝对的好与坏。这是一种观念，一种态度，更是一种文化。1890-1920 马车过渡到汽车，金属车身出现。1885 年，德国工程师卡尔本茨制成了世界上第一辆三轮车，并于 1886 年 1 月 29 日申请并获得了发明专利，所以，1886 年 1 月 29 日被认为汽车的诞生日。几乎同时，德国工程师戈特利布戴姆勒也成功研制成一辆公认的以内燃机为动力的四轮汽车。1894 年奔驰velo 是最早的量产汽车。材料方面,1900 年，金属车身获得专利，但主体结构仍是木材和连接（以前是这个“他” ）它们的钢材。二十世纪初，JOHN PIERPONT MORGAN 创建了美国钢铁公司，为迅速成长的汽车工业提供充足原料，1914 年Edward G budd 发明了全金属车身。同年道奇公司生产了第一辆全金属汽车。1918 年意大利蓝旗亚公司也开始生产全金属汽车。非承载式车身向承载式车身转变，汽车不再是底盘和车身的简单叠加，而是成为整体。技术方面，1890 年panhard levassor 公司(法国)制造的第一批汽车为后来汽车设定了很多标准并沿用至今。如前置发动机后轮驱动布局和最早的变速器。1904 年 panhard levassor 又对汽车布局做出了注解，包括发动机舱罩的身高和乘客座位的降低等，勾勒出了现代汽车雏形。汽车的发展主要简历了以下几个阶段：1、1920 年-1950 年 哈利厄尔时代2、1930 年-1950 年 流线型与船型车身3、1940 年-1960 年 国民车4、1970 年-1990 年 平面直角和多元化5、1990 年-present 分裂的时代 5西华大学毕业设计说明书2、2 中冷器简介2、2、1 中冷器背景随着汽车的迅速发展，人们对汽车动力性和节能环保的要求越来越高。涡轮增压系统应运而生。涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加 40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿我们最常见的 1.8T 涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到 2.4L 发动机的水平，但是耗油量却比 1.8发动机并不高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。不过在经过了增压之后，发动机在工作时候的压力和温度都大大升高，因此发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短，而且机械性能、润滑性能都会受到影响，这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。增压类型有 4 种，机械增压系统、气波增压系统、废气涡轮增压系统、复合增压系统；其中废气涡轮增压系统最为常见。如图 2.2.1 所示，图 2.2.1 涡 轮 增 压 图 2.2.2 涡 轮 增 压 工 作 原 理增 压 器 与 发 动 机 无 任 何 机 械 联 系 ， 实 际 上 是 一 种 空 气 压 缩 机 ， 通 过 压 缩 空气 来 增 加 进 气 量 。 它 是 利 用 发 动 机 排 出 的 废 气 惯 性 冲 力 来 推 动 涡 轮 室 内 的 涡 轮 ，涡 轮 又 带 动 同 轴 的 叶 轮 ， 叶 轮 压 送 由 空 气 滤 清 器 管 道 送 来 的 空 气 ， 使 之 增 压 进入 气 缸 。 当 发 动 机 转 速 增 快 ， 废 气 排 出 速 度 与 涡 轮 转 速 也 同 步 增 快 ， 叶 轮 就 压缩 更 多 的 空 气 进 入 气 缸 ， 空 气 的 压 力 和 密 度 增 大 可 以 燃 烧 更 多 的 燃 料 ， 相 应 增加 燃 料 量 就 可 以 增 加 发 动 机 的 输 出 功 率 。 一 般 而 言 ， 加 装 废 气 涡 轮 增 压 器 后 的发 动 机 功 率 及 扭 矩 要 增 大 20%30%。 但 是 废 气 涡 轮 增 压 器 技 术 也 有 其 必 须 注意 的 地 方 ， 那 就 是 泵 轮 和 涡 轮 由 一 根 轴 相 连 ， 也 就 是 转 子 ， 发 动 机 排 出 的 废 气驱 动 泵 轮 ， 泵 轮 带 动 涡 轮 旋 转 ， 涡 轮 转 动 后 给 进 气 系 统 增 压 。 增 压 器 安 装 在 发动 机 的 排 气 一 侧 ， 所 以 增 压 器 的 工 作 温 度 很 高 ， 而 且 增 压 器 在 工 作 时 转 子 的 转速 非 常 高 ， 可 达 到 每 分 钟 十 几 万 转 ， 如 此 高 的 转 速 和 温 度 使 得 常 见 的 机 械 滚 针或 滚 珠 轴 承 无 法 为 转 子 工 作 ， 因 此 涡 轮 增 压 器 普 遍 采 用 全 浮 动 轴 承 ， 由 机 油 来 6西华大学毕业设计说明书进 行 润 滑 ， 还 有 冷 却 液 为 增 压 器 进 行 冷 却 。 涡 轮 增 压 工 作 原 理 如 图 2.2.2。红 色 为 高 温 废 气 ， 蓝 色 为 新 鲜 空 气 。图 2.2.3 涡 轮 增 压 工 作 简 图涡 轮 增 压 的 工 作 过 程 如 图 2.2.3 所 示 ， 图 中 红 色 的 为 高 温 废 气 ， 蓝 色 为新 鲜 空 气 。 CAC 指 中 冷 器 ， 1 为 增 压 进 气 口 ， 2 为 增 压 出 气 口 （ 中 冷 器 进 气 口 ）， 3 中 冷 器 出 气 口 。 红 色 的 高 温 高 压 气 体 带 动 涡 轮 高 速 旋 转 ， 这 种 高 速 旋 转 通过 轴 传 递 给 另 一 涡 轮 旋 转 ， 对 空 气 进 行 压 缩 ， 增 压 的 新 鲜 空 气 经 过 中 冷 器 进 行冷 却 ， 最 后 通 入 气 缸 做 功 。中 冷 器 是 增 压 系 统 的 一 部 分 。 当 空 气 被 高 比 例 压缩 后 会 产 很 高 的 生 热 量 ， 从 而 使 空 气 膨 胀 密 度 降 低 ，而 同 时 也 会 使 发 动 机 温 度 过 高 造 成 损 坏 。 为 了 得 到更 高 的 容 积 效 率 ， 需 要 在 注 入 汽 缸 之 前 对 高 温 空 气 进行 冷 却 。 这 就 需 要 加 装 一 个 散 热 器 ， 原 理 类 似 于 水 箱散 热 器 ， 将 高 温 高 压 空 气 分 散 到 许 多 细 小 的 管 道 里 ，而 管 道 外 有 常 温 空 气 高 速 流 过 ， 从 而 达 到 降 温 目 的（ 可 以 将 气 体 温 度 从 150 降 到 50 左 右 ） 。 由 于 这个 散 热 器 位 于 发 动 机 和 涡 轮 增 压 器 之 间 ， 所 以 又 称作 中 间 冷 却 器 ， 简 称 中 冷 器 。 因为中冷器实际上是涡轮增压的配套件，其作用在于提高发动机的换气效率。 对于增压发动机来说，中冷器是增压系统的重要组成部件。无论是机械增压发动机还是涡轮增压发动机，都需要在增压器与发动机进气歧管之间安装中冷器。下面以涡轮增压发动机为例，对中冷器进行简绍。如图 2.3 所示，涡轮增压的发动机为何会比普通发动机拥有更大的动力，其中原因之一就是其换气的效率比一般发动机的自然进气更高。当空气进入涡轮增压后其温度会大幅升高，密度也相应变小，而中冷器正是起到冷却空气的作用，高温空气经过中冷器图 2.2.4 中冷器 7西华大学毕业设计说明书的冷却，再进入发动机中。如果缺少中冷器而让增压后的高温空气直接进入发动机，则会因空气温度过高导致发动机损坏甚至死火的现象。图 2.2.5 柴油机中冷器2、2、2 中冷器的作用中冷器的作用是降低发动机的进气温度。那么为什么要降低进气温度呢？ （）发动机排出的废气的温度非常高，通过增压器的热传导会提高进气的温度。而且，空气在被压缩的过程中密度会升高，这必然也会导致空气温度的升高，从而影响发动机的充气效率。如果想要进一步提高充气效率，就要降低进气温度。有数据表明，在相同的空燃比条件下，增压空气的温度每下降 10，发动机功率就能提高。 （）如果未经冷却的增压空气进入燃烧室，除了会影响发动机的充气效率外，还很容易导致发动机燃烧温度过高，造成爆震等故障，而且会增加发动机废气中的 NOX的含量，造成空气污染。 为了解决增压后的空气升温造成的不利影响，因此需要加装中冷器来降低进气温度。使 用 设 计 良 好 的 中 冷 器 可 以 额 外 多 获 得 5%-10%的 动 力 。 也 有 一 些 车 子 使 用 顶 置 中 冷 器 ， 通 过 发 动 机 盖 上 的 开 孔 来 获 得 冷 却 空 气 ，所 以 在 车 子 起 步 之 前 ， 中 冷 器 只 会 受 到 一 些 从 发 动 机 舱 吹 来 的 热 风 的 吹 拂 ， 虽然 散 热 效 率 受 到 了 影 响 ， 不 过 因 为 进 气 温 度 在 这 样 的 情 况 下 会 升 高 ， 所 以 发 动机 的 油 耗 会 下 降 不 少 ， 这 样 也 间 接 降 低 了 发 动 机 的 工 作 效 率 ， 但 是 对 于 功 率 强劲 的 增 压 车 来 说 ， 过 大 的 动 力 导 致 的 起 步 不 稳 反 而 会 在 这 种 情 况 下 缓 解 ，Subaru 斯 巴 鲁 的 Impreza 车 系 就 是 顶 置 中 冷 器 的 典 型 。 除 此 之 外 ， 顶 置 中 冷 8西华大学毕业设计说明书器 布 局 最 大 的 优 势 还 在 于 可 以 有 效 的 缩 短 压 缩 气 体 到 达 发 动 机 的 行 程 。2、2、3 中冷器的分类中 冷 器 的 作 用 是 降 低 发 动 机 的 进 气 温 度 。 一 般 由 铝 合 金 材 料 制 成 。 按 照 冷却 介 质 的 不 同 ， 常 见 的 中 冷 器 可 以 分 为 风 冷 式 和 水 冷 式 2 种 。（ 1） 风 冷 式 利 用 外 界 空 气 对 通 过 中 冷 器 的 空 气 进 行 冷 却 。 优 点 是 整 个 冷却 系 统 的 组 成 部 件 少 ， 结 构 比 水 冷 式 中 冷 器 相 对 简 单 。 缺 点 是 冷 却 效 率 比 水 冷式 中 冷 器 低 ， 一 般 需 要 较 长 的 连 接 管 路 ， 空 气 通 过 阻 力 较 大 。 风 冷 式 中 冷 器 因其 结 构 简 单 和 制 造 成 本 低 而 得 到 了 广 泛 应 用 ， 大 部 分 涡 轮 增 压 发 动 机 使 用 的 都是 风 冷 式 中 冷 器 ， 例 如 华 泰 特 拉 卡 TCI 越 野 车 和 一 汽 大 众 宝 来 1 8T 轿 车搭 载 的 发 动 机 都 使 用 了 风 冷 式 中 冷 器 。 图 2.2.5 空 -空 中 冷 器 分 类2） 水 冷 式 利 用 循 环 冷 却 水 对 通 过 中 冷 器 的 空 气 进 行 冷 却 。 优 点 是 冷 却 效率 较 高 ， 而 且 安 装 位 置 比 较 灵 活 ， 无 需 使 用 很 长 的 连 接 管 路 ， 使 得 整 个 进 气 管路 更 加 顺 畅 。 缺 点 是 需 要 1 个 与 发 动 机 冷 却 系 统 相 对 独 立 的 循 环 水 系 统 与 之配 合 ， 因 此 整 个 系 统 的 组 成 部 件 较 多 ， 制 造 成 本 较 高 ， 而 且 结 构 复 杂 。 水 冷 式 9西华大学毕业设计说明书中 冷 器 的 应 用 比 较 少 ， 一 般 用 在 发 动 机 中 置 或 后 置 的 车 辆 上 ， 以 及 大 排 量 发动 机 上 ， 例 如 奔 驰 S400 CDI 轿 车 和 奥 迪 A8 TDI 轿 车 搭 载 的 发 动 机 都 使 用 了水 冷 式 中 冷 器 。图 2.2.6 水 -空 中 冷 器 工 作 原 理图 2.2.7 汽 车 柴 油 机 水 -空 中 冷 器 10西华大学毕业设计说明书3、设计分析3.1 设计任务分析具体设计要求和条件：1.输入参数：进口温度() 出口温度() 流量发动机进气侧 120 50 84g/s空气侧 40 1800m3/h2.冷却类型：风冷3.最大外形参数(mm)：6201801004.热侧入口压力：253.25KPa5.内侧流阻15KPa；空气侧流阻1KPa0.9L 长安之星 2 将安装中置涡轮增压发动机，所以需要设计中冷器。因此本设计任务要求完成 0.9L 涡轮增压发动机中冷器设计。首 先 要 确 定 中冷器在乘用车的布置位置：图 3.1.1 中冷器在乘用车的位置如图 3.1.1 所示，中冷器在乘用车的布置位置有 6 种，其布置位置的不同，对中冷器的性能都有不同的影响，对其结构也有不同的要求，本次设计的是发动机中置面包车的中冷器，根据车型的要求，选择将中冷器布置为散热器前紧凑式。 11西华大学毕业设计说明书这样布置的优势是，节省了布置空间，与散热器共用风扇，降低了成本，方便维修和保养。中 冷 器 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 流量 的 负 荷 条 件 下 设 计 ， 要 获 得 足 够 低 的 温 度 ， 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 。 一 般 我 们 用 最 大 功 率 点 的 条 件 去 设 计 ， 用 最 大 扭矩 点 条 件 去 校 核 。 一 般 情 况 下 ， 在 最 大 功 率 点 由 于 进 气 流 量 大 ， 中 冷 器 内 部 压力 降 容 易 超 标 ； 在 最 大 扭 矩 点 ， 由 于 冷 风 流 量 较 小 ， 中 冷 器 散 热 性 能 难 以 达 到要 求 。 2、 为 得 到 中 冷 后 发 动 机 需 要 的 最 大 温 度 降 ， 中 冷 器 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 温 度 相 对 于环 境 温 度 应 不 高 于 15 到 25 。 3、 应 使 中 冷 器 增 压 侧 压 力 降 尽 可 能 低 ， 中冷 器 增 压 侧 压 力 降 过 大 ， 将 抵 消 温 度 下 降 的 效 果 。 4、 尽 可 能 降 低 冷 却 空 气 侧压 力 降 。 5、 尽 可 能 采 用 高 效 低 阻 散 热 原 件 ， 可 以 提 高 单 位 散 热 单 元 的 散 热 能力 ， 从 而 达 到 用 最 小 的 体 积 ， 最 经 济 的 方 法 设 计 制 造 出 满 足 发 动 机 要 求 的 中 冷器 。 6、 尽 可 能 吧 空 空 中 冷 器 的 容 积 设 计 得 小 一 点 。 增 压 器 压 气 机 到 进 气 歧 管的 容 积 和 阻 力 两 者 的 增 加 对 发 动 机 加 速 反 应 有 着 不 良 的 影 响 。中冷器气室设计要求：中冷器气室设计的好坏的标准是能否使空气均匀地流过芯子，以及气流流过气室的阻力要小。在气室设计比较合理的情况下，通过气室的压力降要占整个中冷器压力降的 60左右，而仅有 40的压力降是芯子产生的。因此中冷系统压力降的减少是气室优化设计所必须考虑的。具体要求有以下几点：1、选择合适的气室口直径。气室口直径的大小应根据中冷器的进气流量而定，而不是等同于增压器出口直径。2、尽量减少 90弯头，一个直角弯管的阻力相当于 3 个 120弯管的阻力。3、气室口与气室体交接处的设计非常关键，应适当加大流道截面，应尽量光滑过渡。4、所有气室内外表面都应光滑过渡，有条件的话还应该做一下气室的流场分析。中冷器设计必须要了解影响中冷器性能的因素。主要有以下一些：1、车脸的开孔率，理想的开孔率为 70%80%。轿车和轻卡课适当降低为60%。如果把开孔率降低 30%，冷却能力相差 20%，沸腾空气温度相差 10。2、与中冷器串联在一起的冷却器组的冷侧风阻太大。他们之间的装配缝隙太大。3、风扇设计风量偏小。风扇与散热器太近，风扇同时产生轴向和颈项气流。两个方向的气流发生相互干扰而使风量减少。当不使用护风圈时，风扇与散热器的距离越小越好，约为 2530mm；使用护风圈时，风扇与散热器距离远就可得到较高的效率，该距离一般为 127228.6mm。4、风扇与发动机的距离的下限为100mm。5、风扇与护风罩间隙设定不合理，载重车的风扇与护风罩间隙越小越好，一般为 20mm，此时风量可达到 93%，如果改进风罩的安装方法，可使间隙小道2mm；轿车的风扇与护风罩间隙却不能太小。6、风扇与风罩的相对位置不合理，风扇伸入护风圈的长度一般为叶片弦长的 2/33/3，其中离心式风扇伸入 2/3 为极限，而轴流式风扇可伸入 3/3。7、发动机挡风的附件尽量不安装在风扇通道的后方，注意避免通过冷却器组的气流回流及过分不均匀。导致中冷器压力下降的因素：发动机进出气管弯曲太多，流道太长；进出气管直径太小；进出气管截面积变化太激烈；管子全部为软管。 12西华大学毕业设计说明书3、2 理论分析 图 3.1.1 增压过程由图 3.2.1 可知，中冷器安装在增压器与发动机的进气歧管之间，对进气进行冷却的装置，所以与散热器的作用原理基本相同。此次设计我们采用的是管带式中冷器，以下是管带式中冷器的理论介绍：管带式中冷器是由多条铝合金材料的圆管经挤压而成的扁管，同时把紊流片焊接到扁管内部，把带状铝箔翅片加入管子之间，施加一定的压力，最后将翅片与管整体钎焊而成的。由它的结构可以明显看出，在管带式中冷器当中，管内的流体从进口进去以后一直到出口为止，中间一直在扁管内流动，因此管内的流体的温度是连续的逐步降低的。而在翅片侧，空气通过每一个管间时，它的入口温度都是相同的，但是由于管内流体的温度是从进口到出口连续逐步降低的，因此流经管间每一段的换热量是不同的，导致各层的空气出口温度也是变化的，其整体变化趋势是沿管内流体的进口到出口方向呈逐渐减低，以靠近管内流体进口的一层空气的出口温度最高，而空气出口温度最低的是在管内流体出口的那一层。因为管带式中冷器的这种结构特点，所以若对它的热力计算采取整体进出口的算法是不恰当的，因为管内的流体沿着管道在每一段同空气交换热量，但是相对于每一段的管道来说，管道内流体的进口温度也是持续的发生变化的。由于这个原因，若在设计和计算中采取整体的、平均的计算方法，会导致同实际的换热情况发生很大的偏差。由于管内流体的温度沿管道进口到出口的方向，是连续的逐步的降低的，而空气侧的进口温度始终保持为一定的值，这使得管道两侧的流 13西华大学毕业设计说明书体的温差也沿这个方向逐步降低。温差的减小，使得中冷器的换热效果变差，换热效率降低。 从以上的分析中可知，若对管带式中冷器的热力计算采用整体的算法，会导致计算出来的中冷器的总换热量比实际的大，也就是说计算出的中冷器的换热效率会比实际的值要更大，从而使得若使用该设计出的管带式中冷器，管内流体的出口温度将会比计算的值要高，而空气的平均出口温度则会比计算的值要低。由这些分析可以知道，在管带式中冷器的设计计算中，不适合采用整体的计算方法，那会造成较大的偏差，使得设计的理论计算结果和实际的值不相一致。图 3.2.2 管带式中冷器同时，也因为管带式中冷器的这种结构特点，如若在热力计算中采用平均温差的方法，会使得计算相当复杂，在没有相关工具或者计算软件的情况下，不建议使用这种方法进行计算。鉴于中冷器的精确计算较为复杂，所以作了以下的几个假设 1) 假设管内的空气从进口到出口始终为气态，也就是在管内流动的整个过程中没有发生相变。由于车辆发动机的冷却系统在正常工作情况下，管内流体的温度一般为五十多度至一百多度，因此这种假设在一定允许误差范围内是成立的。2) 假设冷侧流动的空气为干空气，也就是空气中不含有水蒸气的成分，这样在换热过程中就不用考虑水蒸气的影响，可以使计算得到简化。由于各地的环境不同，空气的湿度也会有相当大的变化和不同，即使是在一个地方，不同时间时空气的状态和成分也是不同的。而且，若空气为湿空气，它的热容比干空气要大。所以，在计算时采用这种假设也是合理的。 14西华大学毕业设计说明书图 3.2.3 几种中冷器出口温度、速度、时间对比图 3.2.3 是几种中冷器的出口温度与速度、时间图，该图形象的反应了风冷式（包括全覆盖式和紧凑式）和水冷式中冷器的工作状态，从图中我们可以看出，在低中速（V100km/h）时，紧凑式中冷器的效果相当好，短时间内，中冷器的出口温度在 30 度到 40 度之间，而全覆盖式和水冷式的冷却效果相当，紧凑式冷却效果比全覆盖式和水冷式好。随着时间的推移，紧凑式中冷器出口温度迅速上升，并在 V=150km/h 左右，出口温度得到最大值 70左右；随后随着速度时间的增加，中冷器的出口温度呈缓慢下降的趋势。全覆盖式中冷器与紧凑式中冷器的变化规律基本相同，区别在于上升温度缓慢且出口温度较紧凑式低，所以全覆盖式中冷器的性能更加稳定可靠。水冷式中冷器随着速度时间的增加，出口温度呈缓慢增加的趋势，较风冷式中冷器性能更加稳定，过程容易控制，冷却效果更好。经过分析可知，水冷式中冷器的性能是最好的，但水冷式中冷器的制造成本也是最高的，它需要独立的冷却循环系统；较风冷式中冷器结构复杂，精度要求更高，开发难度大，而且其优越的性能在高速时更能体现。我们所设计的是面包车的中冷器，要求成本低，制造容易，所以我们选择紧凑式中冷器作为此次设计的中冷器类型。中冷器增压过程必然会引起温度和压力的变化，其变化如图 3.2.4 所示，1-2 是实际压缩过程，1-2 *是理想压缩过程；通过比较这两个过程我们可以看到理想状态下，我们希望压力增加到一定的程度时，其温度能尽量低些，但实际的情况是随着压力的增加，其温度增加的值比预期的高。2-3 是实际经过中冷器进行冷却的过程，2 *-3*是理想状态下经过中冷器冷却的过程；通过比较这两个过程我们可以看出，理想状态下我们希望能将经过压缩的高温气体降到压缩前的温度25，但实际经过中冷器得到的气体是无法降低到压缩前的状态的，在经过实际的将温过程时，得到的出口温度是在 50左右。 15西华大学毕业设计说明书图 3.2.4 中冷器压力-温度变化同时，在本课题的设计和计算过程中，使用了下面的这些分析和方法：1) 将管带式中冷器划分成连续的一层一层，按其每一层分别进行计算，每 16西华大学毕业设计说明书一层的出口温度为下一层管道流体的进口温度，而流量则是相同的；空气侧的进口温度都相同，而流量则按平均值计算。在每一层当中，认为管内的流体是充分混合的，也就是不考虑管内流体的横向的能量交换，同时等效的把一层当中的温度变化看做是在层与层的连接处瞬时的发生的。而在翅片侧，认为流经每一个开窗的空气的温度只沿它的流动方向发生变化，也就是认为虽然空气是不混合的，但是翅片间的空气不发生热量交换。2) 在管带式中冷器的设计计算当中，对中冷器每一层管路的换热计算使用的计算方法是 -NTU 法，这种计算方法对于中冷器两侧的流体，只需要知道它们各自的入口温度和热容量，不需要太多其它的元素，因此计算过程相对比较简单，计算量也不会特别的大。在管道进口和出口那两层管路，由于只与流经一个开窗的空气发生能量交换，因此等效的认为同这两层管内流体交换热量的空气的流量都分别为总体平均值的一半大小。而在中间各层的管道中的流体，它与流经该层管道上、下两个表面的空气都发生了能量交换，因此它的换热面积为上、下两个换热面的总和，上、下两个换热面的空气流量都为平均值的一半大小，所以，等效的认为同中间各层的管内流体交换能量的空气流量大小为总体的平均值的大小，而换热面积则为一个换热面的大小。3) 对于论文中涉及计算的四种不同的翅片形式，分别为平直型翅片、百叶窗型翅片、锯齿型翅片和波纹型翅片，对它们的计算也采用了不同的方法。对于翅片为平直型翅片，由于已经有针对这种翅片形式的成熟的理论，因此直接通过已有的理论直接计算它的换热系数，然后计算整个的换热情况。对于其它三种翅片，由于型面比较复杂，影响换热的因素特别的多，至今还没有一个成熟的、完整的计算理论，大都是通过实验来测定，然后在根据实验数据拟合出经验公式进行计算。由于后三种翅片的换热比较复杂，因此一般都是先计算出它的换热因子 j，然后根据换热因子 j 换热系数之间的关系式子，进一步计算出它的换热系数。对于后面三种形式的翅片，采用的计算方法和设计计算过程大部分都是相同的，只是具体的地方有一些区别。4) 在每一种翅片形式的管带式中冷器的整个计算过程中，使用了试凑的方法来进行计算，也就是先选定某一种形式和规格的翅片，然后假设一组管带式中冷器的外形尺寸参数，根据这些数据以及冷、热侧流体的物性参数和进出口温度和流动阻力的要求进行计算，如果不能满足设计的要求，则修改某一个外形参数或者某几个外形参数，直到最后的结果满足了设计的要求。5) 对于冷、热侧的流体的物性参数，是先根据设计要求的热侧进、出口温度，计算出总的换热量和空气侧的平均出口温度，然后分别求出冷、热侧的平均温度，取相应的物性参数的值。然后在中冷器的每一层当中，逐层的对中冷器的换热进行计算，得出每一层上的冷、热侧的出口温度，又根据这一层上冷、热侧的具体温度，计算这一层上的冷、热侧的流体的平均温度，查表得到该层的冷、热侧的流体的物性参数。还有一点需要注意，由于是设计计算，因此最后计算出来的总换热量应当比实际要求的要大一定的量，这样可以保留一定的余地，保证设计出的中冷器实际工作时不会轻 易超过负荷运行，既满足工作换热的要求，同时也可以延长中冷器的使用寿命。在中冷器的阻力计算当中，论文中只给出了翅片侧的流动阻力计算，这是因 17西华大学毕业设计说明书为管内流体为水，对阻力不敏感，同时它是用泵驱动的，因此论文中没有给出水侧的流动阻力的计算。而对于翅片侧的空气，由于它对阻力相当敏感，而且这一侧的流动型面比较复杂，对换热的影响也相当的大，所以对空气的流动阻力进行了计算和校核。在翅片侧的空气流动阻力的计算当中，使用的温度分别为空气侧的平均进口温度和出口温度。由于没有找到有关与管带式中冷器的阻力计算的相关资料，因此论文中使用了板翅式中冷器的流动阻力的计算式，当然，在计算中使用的翅片侧的摩擦因子 f 都是针对各种翅片而不同的。另外，由于管带式中冷器不带有端盖，因此在阻力计算中都略去了这一项，只包括了进口阻力、出口阻力和流道阻力三项。4、中冷器设计本 次 中 冷 器 的 设 计 主 要 包 括 预 备 计 算 、 结 构 计 算 、 热 力 计 算 、 和 阻 力 计 算四 部 分 。4、1 预备计算由 于 热 侧 的 进 出 口 条 件 已 知 ， 因 此 中 冷 器 的 理 论 总 换 热 量 为 ：Q=G1CP1(t1 -t1 )=0.0841.009（ 120-50）=5.933kw则 ， 空 气 侧 的 平 均 出 口 温 度 应 为 ：1800m2/h=18001.29/3600=0.645kg/st2 =t2 +Q/G2CP2=40+5.933/(0.6451.005)=49.153求 平 均 温 度 ：t1m=（ t1 +t1 ） /2=(120+50)/2=85 18西华大学毕业设计说明书t2m=（ t2 +t2 ） /2=(49.153+40)=44.577根 据 平 均 温 度 分 别 求 得 热 侧 的 水 和 冷 侧 的 空 气 的 物 性 参 数 如 表 4.1.1 所 示表 4.1.1 冷 热 空 气 的 物 性 参 数 Cp 单 位 ms w k KJ k m3冷 空 气 22.641510-6 3.232310-2 1.005 1.29热 空 气 25.065910-6 3.737910-2 1.009 1.294、2 结构计算根 据 对 中 冷 器 换 热 量 等 方 面 的 要 求 ， 初 步 确 定 管 带 式 中 冷 器 的 热 侧 扁 管 尺 寸 和冷 侧 翅 片 尺 寸 分 别 如 表 4.2.1 和 表 4.2.2 所 示 ：表 4.2.1 热 侧 扁 管 尺 寸横 截 面 长 度a横 截 面 高 度h扁 管 厚 度 1长 度b层 数n单 位 mm mm mm mm 层62 6 0.7 400 9波 纹 型 翅 片 的 外 形 尺 寸 为 ：表 4.2.2 冷 侧 翅 片 尺 寸板 间 距S2翅 片 数m水 力 直径 4rh翅 片 厚度 2层 数n+1传 热 面积 /板间 体 积2单 位 10-3m 个 /m 10-3m 10-3m 个 m2/m3翅 片 面积 /总面 积28 701 2.423 0.13 10 1586 0.862注 ： 为 增 大 散 热 面 积 ， 在 中 冷 器 的 扁 管 中 一 般 安 装 有 内 翅 片 （ 内 置 紊 流 片 ）。 为 方 便 计 算 ， 取 内 翅 片 ，波 高 为4.,75.,/5111 ed4.5mm， 其 余 外 形 尺 寸 与 冷 侧 翅 片 相 同 。中 冷 器 高 度 ：H=nh+(n+1)S2=69 108=134mm 19西华大学毕业设计说明书翅 片 高 度 ：L2=S2/2=4mm流 道 当 量 直 径 ：de1=1.412mmde2=2.423mm翅片面积比: 802.2传热面积比： 1562流动面积： 222 211047. 13.087/08)( 5.)(.691mSbSnFmhacc迎风面积： 222 21 0536.4980)(.36mnbhSFahy 热侧孔度： 461.053.27.21ycycF一次传热面积： 289.)(1)(1 mhbanFp 扁管体积： 20西华大学毕业设计说明书 221 0146.)6()62( mbhaV两扁管之间得体积： 222 95.8)4()(ShbaV二次传热面积： 22211 09.315.0586)( 7.379mnFff 4.3 热力计算质量流速： smFGgcmc 221211 /kg13.6047.5)(.8雷诺数： 576.2801045.236)(Re .499.8362 311 emedg普朗特数： 68./Pr72211Cp换热系数 由雷诺数可知，冷热侧流体均属于过渡流状态,则： 1) 对于管内流体，由于不考虑管内的相变，也就是假设管内始终为气态，所以对于波纹型翅片，使用的式参考资料（3）中的经验公式（1） ，首先计算出它的换热因子 j，然后再根据换热因子和换热系数之间的关系式就算出空气侧的换热系数 21西华大学毕业设计说明书 KmWgjCpm 23/23/22 54.054.0 /7.867.9.19.Pr 691Re.2 对于管外波纹型翅片，使用的式参考资料（3）中的经验公式（1） ，首先计算出它的换热因子 j，然后再根据换热因子和换热系数之间的关系式就算出空气侧的换热系数 kmWgjCpm 23/2/22 54.054.0 /.3968.17.1.Pr 13768Re9.翅片参数： 8390.72.0)(7.4.)(216.9.02583461.937.4125.81.221122 13211 thmltll mmff总有效传热面积： 22211 08.39.8.049. 176mFnfpef ff 两侧总的传热面积： 22211 57.fpf两侧传热效率： 861.0)39.1(57.0)1( 4.6.8220211 ffffnFn管壁热阻： 22西华大学毕业设计说明书 WKFRwp /108.49.017563对于气-气中冷器，污垢热阻很小，所以忽略中冷器的污垢热阻，则有： KWKFw/182.49 579.342861.01.86.7.0)(1201 则 ）（ 因为 当以热流体侧的总传热面积F 1为基准时，对应的系数为:,1 KmW21 /570.8296.4传热单元数： GCWP /25.648105.64.0)( 32211 956.47.8.2.minaxin*KFNTU两流体各自非混合的叉流中冷器效率，此处按德雷克近似关系式： 9813.0 1)956.41308.exp(0.564exp*178.02. 78.0*2.0 NTUCi中冷器总效率： 23西华大学毕业设计说明书 986.01308.13.980.1*2*2）（ ）（ ）（ ）（ Cii中冷器的传热量： KWtQ872.55012.4)(1min）（流体的出口温度： CQtt 059.42.68175407.13221从以上计算可以看出，计算值与假设值相当接近，故认为上面的 Q、 、 即为1t2所求的解。4.4 阻力计算1、热侧阻力计算： kgmPRtv /45.0125.378331 ）（假设 ，则pak15 kgtv /389.0152.37.871 ）（ ）（“”mv/46.31m 24西华大学毕业设计说明书由于 ，得 ，查参考资料（2）中的图 3-12，得302.1091.21，54.k2.01k368.12249.0)1(2875.v对于波纹型翅片，由参考资料（3）中的式 2 和 3，得摩擦因子428.0)1( 364.154.071.6.4.)Re015( .)(/(