汽车散热器的设计与开发-part1

0 开场白开场白 散热器散热器 Radiator Radiator 是不是不是不是不 死的行业死的行业 电动车电动车的威胁的威胁 散热器散热器 Radiator Radiator 的功能的功能 热交换热交换 能量不生不灭能量不生不灭 能量守恒能量守恒 1 引擎车引擎车 发热体发热体 引擎 齿引擎 齿 轮箱轮箱 发热量大发热量大 电动车电动车 发热体发热体 变压器 变压器 电池 齿轮箱电池 齿轮箱 发热量小发热量小 凡发热体一定要散热否则工凡发热体一定要散热否则工 作体效率低作体效率低 因此热交换器因此热交换器 是不死的行业 但是不死的行业 但设计设计会改会改 变 变 未来的发展方向未来的发展方向 2 提高换热效率提高换热效率 有限有限 尺寸 重量限制尺寸 重量限制 新材料新材料 成本成本 能量转换能量转换 有机会有机会 热交换热交换 冷却水冷却水 空气空气 热电效应热电效应 冷却水冷却水 空气空气 电池电池 冷却水冷却水 电池电池 新设计新设计 电池电池 其它其它 热光 热储存热光 热储存 汽车散热器的设计与开发汽车散热器的设计与开发 3 A1 Kargilis P E 1996年8月 现代汽车已达到臻于完善的地步 在这里您可以肯定地说 改 善它一定仅仅是在某一细节方面 而不是在改变它基本的结构 From The Modern Gasoline Automobile July 1921 4 目录目录 页数 目标陈述 3 前言 3 历史4 汽车冷却系统的设计 5 预测 6 实际设计 6 汽车引擎的冷却系统的预测过程 9 复习 11 基本热传导方程 13 引擎排热 16 引擎排热一般注意事项 19 设计和引擎汽车冷却系统的发展 路线图 20 空气和冷却水温度 24 散热器的迎风面积 26 散热器选择 27 散热器效能 32 对数平均温差 33 总热传导系数 34 内部热传导系数 35 外部热传导系数 36 空气侧压降 36 冷却水泵性能 37 总结 38 习题 42 习题解答 中英文对照 44 英制公制互换表 44 其它参考数据 45 5 图目录图目录 图说明 页面 1 引擎冷却原理 2 引擎能量平衡的8个 3 引擎满载对冷却水的散热量 4 冷却水泵和冷却系统阻力曲线 5 引擎马力和力矩曲线 6 自动变速器拒绝对冷却水热 7 散热器热传导和空气冷却侧阻力 8 散热器修正 9 散热器冷却限制 6 目标任务陈述目标任务陈述 汽车散热器的设计与开发 设计 开发和实施世界级冷却系统 以确保最佳的质量 最低的成 本 级别最高的顾客满意度 前言前言 引擎冷却方面的领域 在汽车本身的专业知识上 往往划分为不同的 类别 一个跨学科的理解不仅在引擎冷却系统本身 而且对所有冷却 系统的设计和功能会产生影响的汽车其它部分也要理解 如此才能真 正达到 世界级 的特殊性能 高质量和成本低 这种理念同样适用 于OEM和供货商 无论是OEM或供货商 工程师的职责 包括 设计理念 组件和系统的开发 耐久性 成本与时间 保修估计和减灾 原型零件调度和采购 工厂兼容性 启动协调 客户满意度 服务支持 持续产品改进 法律 政府咨询支持 材料与组件和系统设计规范 原始设备制造商OEM 供货商联络 制造过程批准 原型车建立停止 7 本短期课程的目的是介绍和讨论 必须在统一的设计和一个汽车引 擎冷却系统的发展 以帮助解决发展符合上述职责的基本概念 它 首先利用冷却系统的基本原理估计冷却系统的大小来发展引擎的冷 却系统 描述了各部件和最后的测试以作为车辆的一个组件 数字系统的应用可节省很多设计和开发时间 计算机分析模型的准确 减少零件和系统成本 以满足客户所需冷却系统 历史历史 古希腊的科学作家斯提西比乌斯 阿基米得和阿里斯托芬和之后大约 在公元前一世纪的罗马人维特鲁威和弗朗提努 曾研究并试验水的储 存 输送 净化 冷却和加热性能 罗马的技术 包括焊接管接头与具 有搭接接头和折迭管 至今仍被沿用于散热器管使用 压力 水头 流阻 热虹吸管 喷嘴 泵浦 热传递等的原理在当时已被开发了 早期的单缸汽油引擎使用一个开放式铸铁箱 内部装满了水来冷却汽 缸壁 第一次密闭式冷引擎采用了热虹吸系统 该系统的原理是利用冷热水 之间密度 通过散热器来循环换热器的水 1896年由亨利福特所建的 第一辆汽车也是所用热虹吸原理 热传导装置是扁平状的容器被安装 在驾驶员的座椅的下方位置 8 汽车冷却系统的设计汽车冷却系统的设计 汽车冷却系统的设计工作可分成两个部分 1 预测 早期阶段的设计在建立一个冷却系统 基础 房地产 模型和基本 散热器 风扇和风扇罩结构 在确立这个冷却系统时 必须非常小心 既使以后发生问题时也仅是小范围的修正 2 实车测试 早期的规则和原型是在风洞和热室中测试来选择冷却系统部件及了解 汽车系统阻力特性和冷却水的流量 藉由精细冷却系统的调整来完成 所有原型车辆的引擎和配件结构 最后进行实车测试而评估且确认系 统的设计 9 预测预测 预测或分析过程中 四个基本模型的组成要素分别为车辆 传动系统 散热器和风扇 车辆 该车型包括车辆系统阻力 从怠速到时速90MPH冲击空气 空调冷凝器 散热 牵引力和轮胎的直径 如果是自动换档车且配备中继散热器 则中继散热器的排热也应包括进去 传动系统 该驱动器模型包括引擎马力和扭矩 引擎排热给冷却水和机油 冷却 水流量 自动变速箱排热给传动油 变速箱换档数 齿轮比和轴比 如果是涡轮增压引擎 马力的提升情况 也应包括在内 散热器 该散热器模型包括散热和空气流量 空气侧压降 冷却水侧压降 散 热和冷却水流量和迎风面积 风扇 风扇模型包括风扇转速 静压 空气流量 风扇马力 扭矩和风扇效 率 如果风扇是由粘性传动驱动 该驱动器滑溜性也应考虑进去 实车测试实车测试 基于预测模型计算选定好散热器与风扇之后 开始广泛性冷却系统的 开发 并使用下列三种基本的工具 1 引擎Buck 2 风洞和热室 3 西南等级 10 引擎Buck 引擎Buck用于表征泵 确定垂直 管线 结构 优化出风罩 FOOS Fan out of shroud 尺寸和图标引擎的压力与冷却水温度的关系图 风洞和热室 这些都是用于测量前端的空气流量和车辆系统阻力 确定车辆的性能 曲线 当超过某一范围的车辆荷载 加挂钩 时 在油门全开或减速 情况下 评估系统冷却换热器 选择冷凝器和散热器风扇密封 西南等级 热旅游 在美国西南部沙漠和山区公路等级的操作 在实际驾驶牵 引车和挂车且包括行驶拉斯韦加斯或凤凰城的交通条件下 确认引擎 冷却系统的设计 汽车引擎的冷却系统的预测过程如下图 11 12 汽车引擎的冷却系统的预测过程汽车引擎的冷却系统的预测过程 通常一个汽车的设计通常都经过6个阶段即初步定义 初步设计 初原 型 手工 原型 制程 试产和量化 在过去这些最多需要5年时间去 完成 但在今天由于技术和高效率的提升 时间已被压缩至3年或更少 这意味着早期的设计过程中所作出的决定必须相当正确 否则会因为 最后修改而耗资巨大成本且可能会延迟汽车的上市 其中 最重要的其中 最重要的 阶段是第二阶段阶段是第二阶段 初步设计初步设计 冷却工程师在初步设计初步设计阶段中会碰上以下组别 1 预规划工程师 设计及交出初步设计给工程委员会 2 引擎组 比冷却泵 引擎冷却电路和引擎马力和扭矩 3 造型或设计工作组 起草前端项目 4 传动系统组 选择轴比 传动齿轮和换档数 5 引擎电子组 比操作特性 6 气候控制组 提供冷凝器散热和空气侧阻力的数据 7 空气动力学组 提供迎风面 在引擎盖和循环气流图 8 道路试验组 提供车辆负载系数信息和降低成本分析 与工程委员会沟通并提供必要的初步预测数据而开始引擎冷却设计过 程 数据库会提供汽车迎风面阻力 引擎排热 风扇和散热器信息 此外往年的数据也应提供 利用所建立的数学模型可在任何标准的计 算机上执行 预测和比较实际换热器性能 当然 计算机的预测的准 确性取决于所建立的数学模型如何表现冷却系统 该计算机的任何预 测的有效性可以根据实际风洞和车辆实测的引擎冷却数据进行比对验 证 在使用应用计算机模型之前 冷却设计工程师必须了解引擎冷却系统 的过程 除了散热器和风扇之外 这也适用于整个冷却系统包括传动 和引擎油冷却器 中间冷却器 管道等其它零组件 引擎冷却系统所需的基本数据如下 1 引擎马力和扭矩曲线 2 满载时 引擎排热给冷却水的数据 13 3 散热器冷却水的限制 4 冷却水泵和冷却系统阻力曲线 5 自动换文件散热到冷却水的数据 6 散热器热传导和空气侧阻力 7 散热器热传导及冷却水侧阻力 8 风扇性能 9 风扇粘性驱动滑溜 10 汽车风扇和系统的阻力 11 流经散热器的冲压空气 我们现在的目标是要利用这些信息 以适应一个散热器和风扇 以满 足引擎冷却在初步设计上的限制 14 15 16 17 基本热传导方程基本热传导方程 如图1所示 引擎冷却水从引擎和汽缸头中拾起热量 冷却水因为它流 经散热器并将热量转移到空气中 这种热传导方式的模式可分为强制和自然对流 散热器和热传导 第 一种模式是散热器的强迫对流换热 在稳流的条件下 冷却水经流散 热器而与空气换热 18 热传导速率公式的表示为 1 TcmQ p Q 是热流量 BTU hr m 是质流 lbs hr cp是流体比热 BTU lb F T是流体温度差 F 19 由于空气中的热量是由冷却水赋予的 所以它流经过散热器的热量 等于转移到空气中的热量 Q冷却水 Q空气 2 Q热传导率也是散热器本身的函数 并可表示为 Q UoAo LMTD 3 Uo 总热传导系数 BTU hrsqft F Ao 散热器的外表面积 sqft LMTD 冷却水和空气之间的对数平均温差 总热传导系数是 内部 热传导系数和 外部 热对流系数的函数 因此 4 R Ah A hU ii o oo 11 ho 外部热传导系数 Ai 散热器内表面积 hi 内部热传导系数 R 热对流热阻 20 引擎排热引擎排热 在任何车辆中 预测过程由散热器尺寸设计开始到引擎排热给冷却水 图2提供一种典型汽油引擎的能量平衡 图2 1显示了一个典型的柴油引擎的热流特性 精确的燃料量和空气混 合物以离散量被注入引擎中 在压力下点燃而作功并产生余热 燃烧 产生的余热由引擎壁藉由热传导和热对流传递到冷却水 冷却水同时 也吸收引擎摩擦和机油的热量 散热器的热是被强迫对流转移到大气 中 冷却水是通过泵流经散热器 若车辆配备有自动换文件装置 热是从齿轮箱传动油传导至冷却水 21 此外 如果任何换热器被安装在散热器 空调冷凝器 引擎和传动油 冷却器 中间冷却器前面 当冷空气通过换热器而流经散热器时 大 部分的排热被传给散热器 燃料在引擎中燃烧且热量从燃烧的气体转移到冷却水的机制是非常复 杂的 有一些文献曾报导 可利用分析方法来计算引擎排热转移到冷 却水的例子 它们可以作为教材使用 可用于比较不同引擎的操作模 式 燃料空气混合物 容积效率等 但如果以散热器尺寸为设计目的 的话 最好并建议的方法是使用实际满负载时 引擎排热的数据 该 数据也可参考车辆在热风或隧道测试时引擎的转速数据 22 如果排热设计数据不能用 则一个引擎或车辆有类似的设计特点 一 些预定的设计和曲线可以应用如图3的建议 采用的数据应尽可能准确 因为2 的散热误差相当于冷却水大约在2F的温度误差 同一个种类的 引擎排热值可能有高达5 的误差 图3的信息是相当重要的 它已尽 可能地提供有用的数据 同样重要的是排热给冷却水数据的准确性 它是冷却水泵在一个引擎 转速和温度范围内的流量 此信息通常是很容易得到 但应该与正在 运行的车辆冷却系统包括所有管道的地方的排热测试相互应证 结果 给出的数据 如图4所示 5200 BTU min 23 引擎排热一般注意事项引擎排热一般注意事项 如果只有一个引擎的动力曲线可用 一个保守WOT排热的估计如下 Q BTU min 0 65 HP 42 2 无负载时 排热与速度呈现一线性函数 随着马力输出的增加 排热也呈现正比例的增加 12 inch Hg Coolant pump 4000 ERPM 345 lbs min 24 汽油引擎点火时间会影响低速部分油门的排热 燃料中空气比例的增加会减少排热 燃料的蒸发热量会降低引擎的效 率 压缩比的增加会提高热效率 减少热损失 汽油引擎的排热高于柴油引擎 然而 柴油引擎具有较高的摩擦热损 设计和引擎汽车冷却系统的发展设计和引擎汽车冷却系统的发展 路线图路线图 阶段 动作 1 最大引擎马力的散热器尺寸 最大引擎马力的转速 4000 ERPM 2 在最大负载下 排热至冷却水 5200 BTU min 3 传动油排热至冷却水 720 BTU min 4 总排热至冷却水 5920 BTU min 5 比条件 等级W 拖车 环境 95 F 冷却水250 F 传动油 300 F 引擎油 270 F 空气 boil W 18 PSIG cap 115 F 增幅超过环境温度155 F 6 比散热器迎风面积3 9 平方英呎 散热器迎风尺寸28 长x 2 0 高 7 正常化排热 Q 9 8 BTU hrFft2 8 散热器类型 横流 28 长管 9 冷却水泵皮带轮的比例 1 2 泵转速 4800 冷却水流量 345磅 分 40 7 GPM 泵压力降 2 汞柱 25 10管长度校正 0 96 11 从散热器出来最大空气温度 风扇吹出 190 F 12 空气流量 260 lbs min 13 空气速度 926 ft min 14 不同管长与油污时 Q 的修正值 10 4 17 散热器效率 61 18 冷却水流出温度 230 F 19 对数平均温差 LMTD 93 F 20 外部散热器面积 Ao 115 ft2 21 总热传导系数 Uo 33 BTU hrft2F 22 内部热传导系数 hi 1290 BTU hrft2F 雷诺数 Re 9066 普朗特数 Pr 6 6 23 外部热传导系数 ho 44 BTU hrft2F 24 内部散热器面积 Ai 3 2 ft2 25内 外部性能比 3 26空气侧压降0 43 水柱 27 散热器管侧阻力5 3 汞柱 28 总冷却系统阻力 OK 12 汞柱 29冷却空气流量 3611 CFM 30 风扇尖端与风扇罩间隙0 5 31 风扇直径18 32风扇皮带轮比 泵相同 1 2 33 风扇输入转速4800 RPM 34风机驱动器180系列 cut in185 F vis6000 cs 35 风扇最大转速2800 RPM 36风扇在1800转的曲线叶片数 5 预计宽度 1 5 出风扇罩 50 0 75 车辆的运行中最大的部分是高速公路和城市交通驾驶和怠车 散热器 冷却风扇和冷却水泵必须满足这些条件的散热要求 车辆也希望能在 更严厉的条件下操作 例如 完全满载着乘客和行李 在一大热天有 顺风且开着空调的情况下 牵引一个挂车爬陡坡 26 最具挑战性的引擎冷却是使用在农用拖拉机上 在这种情况下 冲压 空气是顺风时速5 MPH且通常在散热器前面设置有一个机油冷却器 传 动油冷却器及一空调冷凝器 有时甚至有一空气冷却器在这些冷却器 之间 散热器迎风面积往往有限制 因为拖拉机拉重物的同时 散热 器的鳍片会被堵塞 无论是多严重负载的程度 散热器尺寸的设计哲学应该随不同的车辆 和引擎制造商而变 最大的变量之一是引擎冷却水温度的最高可允许 范围是从225到270 F 其它的变量是可允许的载重和拖车迎风面积 锁定和非锁定的传动换檔数 无论是在多陡峭的坡 车辆都可以穿越 而不会发生冷却水沸腾的现象 在美国最苛刻的驾驶条件是7月份在死亡谷开车 此时周围环境温度可 达120 F 当然很少的情况司机会关掉空调 散热器的尺寸设计也应符 合此条件下的任何WOT的满负载的要求 在预测过程中 散热器设计开始的第一步的条件是以最大引擎马力或 满负载的情况 图5显示马力的曲线 最大马力发生在4000 ERPM 从图3中得知 满负 载的情况下 在此转速时引擎排热至冷却水的热量为5200 BTU min 如果车辆有一个自动变速器 它是由水箱散热器冷却 这时还必须补 充传输热损失的热量大小 27 从图6中得知 传动油散热至冷却水的热量为720 BTU min 因此 散 热器的总排热量为5920 5200 720 5920 BTU min 达到最大 马力 28 空气和冷却水的温度空气和冷却水的温度 车辆行驶街道的主要模式是低于满负载的情况 散热器通常要以超正 常行驶情况的规格设计 如果散热器的规格是以WOT的大小设计会增加 冷却系统的成本和重量 因此 空气和冷却水的温度必须选择能充分 保护引擎 并能允许一个低成本的系统 引擎的耐久性和性能直接关系到冷却水的温度和引擎设计 采用的是 时间温度直方图 的冷却水 理想情况下 在高速行驶和负载最好 的情况是保持低的引擎温度 以确保高输出功率 在城市交通和低转 720 BTU min 29 速的情况 引擎的温度可能会提高 允许冷却水温度越高 则散热器 的设计应越小 因为冷却水和空气的温度差较大 今天有部分的引擎 其实是允许冷却水产生沸腾 其优点是利用冷却水的蒸发潜热 就引 擎壁和冷却水之间 传统的单相对流传导来比 这是一个超热传导机 构 基础上 选择冷却水进入散热器的温度是相当复杂 下表是一个道路 车辆例子 在一个给定的驾驶条件下 冷却水 传动油和引擎油温度 的常规规格 引擎冷却水 传动油和引擎油温度 F 条件 环境温度 冷却水 传动油 引擎油温度 高速公路 115 230 235 260 高速公路 拖车 115 230 235 260 斜坡 95 240 290 270 斜坡 拖车95 250 300 270 市内交通 115 230 290 260 预测模型中 空气和的温度的选择为环境温度95 F和冷却水温度250 F 条件总结 散热器排热 5920BTU min 4000 ERPM 环境温度 95 F 冷却水温度 250 F 注意 有时 空气到沸腾 即此时的环境温度为散热器入口的冷却 水温度 也是此冷却水的沸点 或 超出环境温度 常被用于比较条 件 在这个案例 18 PSIG cap ATB 270 250 95 115 ROA 250 95 155 下一步是决定散热器的迎风面积 30 散热器的迎风面积散热器的迎风面积 在前阶段散热器迎风面积设计往往决定了整个系统 至关重要的是 迎风面积不可能随意地被改变 迎风面积的设计始终是让它最好是 过多 总比不够的好 如果后来发现迎风面积太小 则散热器必须 加厚借着增加每英吋的鳍片数 这样的结果会导致空气侧压降增加 因此需要一个更大的风扇设计 但因为小迎风面积而限制风扇大小 则需要增加风扇皮带轮的比例 使风扇转速增加 但这又会导致噪音 过大及马力提升 驱动器皮带 如果它是一个引擎驱动风扇 泵和粘性传动耐久性必 须增加 以弥补风扇马力的增加 重量和成本的增加包括保修是严重 的 整个冷却系统也需调整 在迎风面积决定之前 开发车辆的引擎 与传动必须深入研究 因为传动系统在负载下会影响车辆的速度 迎风面积的结构取决于预测模型 其使用类似的车辆结构 车辆系统 阻力及通过散热器时 由风扇和冲压空气所造成的空气流量 散热器正前方自由流通面积的大小必须提供足够的气流来冷却引擎 从怠车到低速WOT 由类似的车辆结构和系统驱动的基础上所得到的风洞阻力数据发现 迎风面积建议为3 9平方英呎 由汽车造型及硬件限制所支配的3 9平 方英呎的散热器大小应封装成28英吋宽 20英吋高的空间 1 1 附录1 31 散热器的选择散热器的选择 在选择散热器上有三个自由度 变量 1 散热器类型 横向流 纵向流 强化管等 2 散热器厚度 3 鳍片数 每英吋鳍片数 热传导边际收益下降及风扇转速要求增加应加大散热器厚度和鳍片数 增加 冷却速度高及散热器核心薄 可能不需要增加管侧的热传导 而一散 热器核心有两个或三个管厚可能需要扰流管或波纹管 扰流管会增加 管侧阻力 应只有在必要时才使用 散热器应选择尽可能的薄且每英吋鳍片数最少 一个0 7英吋厚 单排 散热器应被选定为第一次测试 其散热器性能如图7所示 32 926 ft min 10 4 1 04 33 图7是热传导量Q BTU min 进口处温差 迎风面平方英呎 与空气流 速 std ft min 的关系图 散热器性能数据应该是 正常化 使不 同的散热器可以在相等的基础比较 Q 是一个 正常化 热传导量 8 9 9 3 95250 5920 Q Q 散熱器總排熱流量 冷卻水最高溫 環境溫度 散熱器面積 散热器排热 5920 BTU min 4000 ERPM 环境温度 95 F 冷却水温度 250 F 由汽车造型及硬件限制所支配的3 9平方英呎的散热器大小应封装成28 英吋宽 20英吋高的空间 散热器正面尺寸为28 宽20 高 一般来说 冷却水进入散热器应在 最短的尺寸 散热器现已成为一个横向流的散热器 其管长度为28 34 由于散热器性能会随管长而变 一管长度修正因子如图8所示 在管长 度校正之前 吾人必须先知道冷却水流量 35 冷却水流量是从图4冷却系统阻力和泵曲线获得的 由图4得知 冷却 水的流动是由泵路口的 节流 或泵转速曲线与系统阻力曲线的交互 作用求得 从图4中得知 冷却水流量在4000 ERPM时 泵转速 4800RPM 约为345 磅 分钟或40 7加仑 分钟 注 在200 F时50 50水 乙二醇密度约为 8 48 英镑 加仑 管长的修正 K 9 89 8 100 G 40 740 7 28 12 17 4 K G 980 17 4 56 56 0 96 正常化 热传导量 Q Coolent flow 345 lbs 40 7 gal min 36 图8显示管长的修正约为0 96 在使用图7之前 流过散热器的空气必须先指定 空气离开散热器的温度不得超过195F来确保汽车盖下的大面积温度约 225F 以防止当电子设备故障时 燃料蒸气锁住和塑料零件变形 设空气比热Cp为0 24 空气出口温度为190F且空气密度 环境温度为 95F 为0 072磅 立方英呎空气流量近似值由方程式 1 求出 TcmQ p lbs min 260 95190 24 0 5920 m ft min 926 9 3072 0 260 min ft 热传导量Q 应该保护2 散热器的管侧及空气侧的污染 保护Q 包括管 长修正如下 Q 9 8 0 96 1 02 10 4 Tube length 28 空气密度 0 072 磅 立方英 呎 散热器迎风面 积 3 9 平方英 呎的 热传导量 Q 管长的修 正值 1 0 02 1 02 37 0 7英吋厚 每英吋鳍片数为23的散热器 在空气流量为926 ft min时 刚好满足这些需求 下一步是检查管侧速度以防止可能管侧和管头因高速冷却水冲刷所造 成的腐蚀 大于9英呎 秒 在200 F时 50 50水 乙二醇的密度为 63 4 lb cubic ft 管数 每英呎核心宽28根管 20 12 47根管 28英吋宽 20英吋高的空间 管总截面积 47 0 0003 0 014平方英呎 47根管 单管截面积0 0002 sq ft 管侧冷却水速度 345 63 4 60 0 014 6 5英呎 秒 冷却水流量在4000 ERPM时约为345磅 分钟 冷却水 50 50水 乙二 醇 的密度为63 4 lb cubic ft 60秒 管总截面积0 014平方英呎 管侧的速度是可以接受的 6 5英呎 秒 9英呎 秒 注意 由图7 1得知 在管侧任何一个超出给定的冷却水流速增加 名 义上会增加热传导借着管侧压降的增加 散热器的效率散热器的效率 散热器的效率 对数平均温差 总热传导系数及管侧压降的求法如下 E 散热器的效率 T ao T ai T ci T ai 38 5 其中 T ao是空气出去的温度 T ai是空气进来的温度 T ci是冷却水进来的温度 61 95250 95190 E 空气出口温度为190F 空气进来的温度为95 F 冷却水进来的温度为250 F 对数平均温差对数平均温差 LMTD LMTD 冷却水流出的温度必须先确定 冷却水的流量 345磅 分 从方程式 1 冷却水的温差为 TcmQ p T 冷却水 5920 345 0 88 20 F 其中 50 50 水 乙二醇的Cp 0 88 BTU lbF 冷却水进来的温度为250 F 冷却水出去的温度为 T co 250 20 230 F LMTD 135 60 ln 135 60 75 0 81 93 F 39 总热传导导系数总热传导导系数 从方程式 3 Q UoAo LMTD 3 Uo 总热传导系数 BTU hrsqft F Ao 散热器的外表面积 sqft LMTD 冷却水和空气之间的对数平均温差 散热器排热 5920 BTU min 4000 ERPM 60 min hr Ao 0 70 23 29 4平方英呎 每平方英呎迎风面的外表面积 40 Ai 0 70 23 3 2平方英呎 每平方英呎迎风面的内表面积 内外部热传导系数为 内部热传导系数内部热传导系数 hihi 可利用下列的关系式估计 注意 一个扩充的外表面换热器 每单位空气侧面积的内外部热传导 41 系数应约相同于换热良好的换热器设计 外部热传导系数外部热传导系数 hoho 外部热传导系数可从方程式 4 决定 空气侧压降空气侧压降 空气侧压降可直接从图7得知 条件总结 散热器签署 散热器排热 5920 BTU min 42 环境温度 95 F 空气进入散热器温度 95 F 空气从散热器出去的温度 190 F 冷却水进入散热器温度 250 F 冷却水从散热器出去的温度 230 F 散热器迎风面积 3 9 平方英吋 散热器尺寸 28英吋宽x 20英吋高x 0 70英吋厚 散热器类型 横流 散热器每英吋鳍片数 23 空气流量 260 lbs min 95 F时空气体积 3611立方英呎 分钟 空气速度 926 英呎 分钟 散热器效率 61 LMTD 93 F 冷却水流量 345 磅 分钟 冷却水速度 6 5英呎 秒 Uo 33 BTU hrsqft F hi 1290 BTU hrsqft F ho 44 BTU hrsqft F 空气侧压降 0 43英吋水柱 下一阶段是冷却水泵的定量与风扇的选择 冷却水泵冷却水泵 冷却水泵流量受到阻力或 水头 的影响 泵流动阻力是指通过散热 器 泵和引擎后 冷却水压降的总和 图9说明散热器冷却水流动阻力 图4显示了完整的冷却水泵的性能图 散热器阻力数据是从散热器供货商提供 冷却水泵的性能可从引擎供 货商获得 有时候图4的性能数据可由一个简单的冷却水 引擎转速曲线 见图4分 43 段 来替代 这种数据必须谨慎使用 因为它是只适用于一种系统的阻力 从图9中发现 散热器对系统总阻力的贡献是5 3英吋的水银柱 在 4000 ERPM 冷却水流量约345磅情况下 总系统阻力从图4得知为12英 吋的水银柱高 冷却剂泵将提供所需的冷却剂流入散热器 在整个系统的设计上有管 道的限制 此限制必须解决它冷却回路的扩充 Coolant flow 345 lbs min 44