冷却液循环流量与散热器选型设计计算书

冷却液循环流量与散热器选型设计计算,,,,,,,,,

序号,计算项目,符号表示,参数来源,计算公式,国际单位,计算结果,参数说明,规范依据,其他说明

一、基础设计参数录入,,,,,,,,,

1,系统额定功率,P,设计值,用户输入,kW,150,动力系统额定输出功率，如发动机额定功率、电机额定功率,GB/T18297-2001,典型值：乘用车50-200kW，商用车200-500kW

2,系统有效效率,η,设计值,用户输入,-,0.35,动力系统有效热效率，汽油机约0.25-0.35，柴油机约0.35-0.45,《内燃机设计》第三版,新能源电机系统效率约0.85-0.95

3,冷却系统散热储备系数,K_s,选用值,用户输入,-,1.15,考虑积垢、老化、极端工况的散热储备系数，一般取1.1-1.3,QC/T468-2010,高温地区、重载工况建议取1.2-1.3

4,冷却液类型,-,选用值,乙二醇-水50%,-,乙二醇-水50%,常用冷却液类型：纯水、不同浓度乙二醇水溶液,JB/T10408-2004,50%乙二醇水溶液冰点约-35℃

5,冷却液密度,ρ_c,查表值,用户输入,kg/m³,1071,50%乙二醇水溶液20℃时密度，纯水为1000kg/m³,《工程材料手册》,温度每升高100℃密度约降低3%

6,冷却液定压比热容,c_pc,查表值,用户输入,J/(kg·K),3300,50%乙二醇水溶液比热容，纯水为4187J/(kg·K),《工程热力学》,乙二醇浓度越高比热容越低

7,冷却液设计进口温度,t_ci,设计值,用户输入,℃,85,散热器冷却液进口设计温度，一般内燃机节温器全开温度,GB/T12542-2020,典型值：80-95℃，过高会导致开锅

8,冷却液允许出口温度,t_co,设计值,用户输入,℃,75,散热器冷却液出口温度，进出口温差一般6-12℃,汽车工程手册,温差过大导致热冲击，过小流量过大

9,环境设计温度,t_ai,设计值,用户输入,℃,40,车辆使用地区最高环境温度，一般取40-45℃,GB/T12542-2020,热带地区建议取45-50℃

10,允许空气出口温度,t_ao,设计值,用户输入,℃,70,散热器空气出口温度，一般不超过75℃,散热器设计规范,过高会影响机舱散热

11,空气密度,ρ_a,查表值,用户输入,kg/m³,1.127,40℃时标准大气压下空气密度,《工程热力学》,海拔升高空气密度会降低

12,空气定压比热容,c_pa,查表值,用户输入,J/(kg·K),1005,常温下空气定压比热容近似值,《工程热力学》,工程计算可近似取常数

13,冷却管路内径,d,选用值,用户输入,m,0.045,散热器进出口管路内径，根据流量选取,液压设计手册,需保证冷却液流速在合理范围

14,管路总长度,L,设计值,用户输入,m,6,冷却系统管路总长度，包含全部软管与硬管,整车布置参数,根据实际布置测量输入

15,局部阻力系数总和,Σξ,计算值,用户输入,-,8.5,包含弯头、节温器、水泵、接头等局部阻力之和,流体力学手册,一般系统局部阻力系数约6-12

二、系统热负荷计算,,,,,,,,,

16,系统总发热量,Q_gen,计算值,#NAME?,kW,#VALUE!,燃料燃烧总发热量中转化为有用功之外的热量,内燃机原理,发动机约30-35%能量随冷却液散出

17,冷却液需带走的热量比例,φ,选用值,用户输入,-,0.3,发动机发热量中通过冷却液散出的比例,《汽车工程手册》,汽油机约0.25-0.35，柴油机约0.2-0.3

18,系统基本热负荷,Q_base,计算值,#NAME?,kW,,稳态工况下冷却系统必须带走的基本热量,GB/T18297-2001,不含附属部件与储备系数

19,附属部件散热量,Q_aux,设计值,用户输入,kW,10,包含机油冷却器、EGR冷却器、中冷器等附属部件散热量,发动机技术参数,根据实际配置调整，无附属件取0

20,系统设计总热负荷,Q_total,计算值,#NAME?,kW,,考虑储备系数后的冷却系统设计总散热量,QC/T468-2010,散热器额定散热量需大于等于该值

三、冷却液循环流量计算,,,,,,,,,

21,冷却液进出口温差,Δt_c,计算值,#NAME?,℃,68.87,冷却液流经散热器的温度降低值,散热器设计规范,推荐范围6-12℃

22,所需冷却液质量流量,m_c,计算值,#NAME?,kg/s,,满足散热需求的冷却液质量流量,传热学公式,由热平衡方程计算得出

23,所需冷却液体积流量,V_c,计算值,#NAME?,m³/h,,工程常用单位体积流量，水泵选型依据,流体力学,需匹配水泵额定流量范围

24,冷却液管路截面积,A_pipe,计算值,#NAME?,m²,0.00,冷却管路横截面积,几何公式,圆形管路截面积计算

25,冷却液管路流速,v_c,计算值,#NAME?,m/s,,冷却液在管路内的平均流速,液压设计规范,推荐范围0.5-2.0m/s，过低易结垢过高阻力大

26,流速合理性判断,-,判断值,#NAME?,-,,判断冷却液流速是否在工程推荐范围内,QC/T29065-1992,流速超出范围需调整管路直径

四、冷却液侧流动阻力计算,,,,,,,,,

27,冷却液动力粘度,μ_c,查表值,用户输入,Pa·s,0.0008,50%乙二醇水溶液80℃时动力粘度,流体力学参数表,温度升高粘度降低

28,管路雷诺数,Re,计算值,#NAME?,-,,判断管内流动状态的无量纲数,流体力学,Re<2300层流，Re>4000紊流

29,沿程阻力系数,λ,计算值,#NAME?,-,,布拉修斯公式，适用于紊流光滑管区Re=4000-100000,流体力学,工程计算近似值

30,沿程压力损失,ΔP_f,计算值,#NAME?,Pa,,冷却液在直管段流动的沿程摩擦阻力,达西-魏斯伯格公式,与管长成正比，与管径成反比

31,局部压力损失,ΔP_j,计算值,#NAME?,Pa,,弯头、阀门、接头等局部障碍造成的阻力,流体力学局部阻力公式,局部阻力在总阻力中占比通常较大

32,散热器水侧阻力,ΔP_r,选用值,用户输入,Pa,30000,散热器本体冷却液侧压力损失，由散热器参数提供,散热器样本参数,一般散热器水阻约20-50kPa

33,系统总阻力损失,ΔP_total,计算值,#NAME?,Pa,,冷却系统冷却液侧总压力损失,冷却系统设计规范,水泵扬程需大于等于该值

34,水泵扬程要求,H,计算值,#NAME?,m,,换算为水柱高度的水泵扬程需求,水泵选型规范,水泵额定扬程需留有10%以上余量

五、散热器选型基础参数计算,,,,,,,,,

35,散热器空气侧迎面风速,v_a,选用值,用户输入,m/s,4.5,散热器前部空气迎面风速，由风扇匹配决定,散热器设计规范,推荐范围2-6m/s，乘用车约3-5m/s

36,空气进出口温差,Δt_a,计算值,#NAME?,℃,-1004.96,空气流经散热器的温度升高值,传热学热平衡,一般比冷却液出口温度低5℃以上

37,所需空气质量流量,m_a,计算值,#NAME?,kg/s,#DIV/0!,满足热平衡所需的空气质量流量,热平衡方程,空气侧与冷却液侧吸热量相等

38,所需空气体积流量,V_a,计算值,#NAME?,m³/h,2700.00,换算为工程常用体积流量,流体力学,风扇额定风量需大于等于该值

39,所需迎风面积,A_front,计算值,#NAME?,m²,,散热器正面迎风面积，由风速与风量计算,散热器设计规范,根据整车布置空间调整

40,冷却液进出口平均温度,t_cm,计算值,#NAME?,℃,35.56,散热器内冷却液平均温度,传热学,用于计算传热温差

41,空气进出口平均温度,t_am,计算值,#NAME?,℃,502.52,散热器内空气平均温度,传热学,用于计算传热温差

42,对数平均温差,Δt_m,计算值,#NAME?,℃,#NUM!,散热器两侧流体的对数平均传热温差,传热学逆流换热器公式,顺流布置需修正，汽车散热器近似逆流

43,估算总传热系数,K,选用值,用户输入,W/(m²·K),85,管带式散热器总传热系数经验值，根据结构不同取值,散热器设计手册,管带式约80-120，管片式约60-90

六、散热器结构参数选型,,,,,,,,,

44,所需理论散热面积,A_req,计算值,#NAME?,m²,3.85,满足散热量需求的理论散热面积,传热基本方程Q=KAΔt_m,实际选型需大于该值

45,散热器芯体高度,H,选用值,用户输入,m,0.4,散热器芯体有效高度,散热器样本参数,根据迎风面积与宽高比选取

46,散热器芯体宽度,W,选用值,用户输入,m,0.6,散热器芯体有效宽度,散热器样本参数,宽高比一般约1.2-1.8

47,散热器实际迎风面积,A_front_actual,计算值,#NAME?,m²,0.00,所选散热器实际迎风面积,几何计算,需大于等于理论所需迎风面积

48,芯体厚度,T,选用值,用户输入,m,0.032,散热器芯体前后厚度,散热器样本参数,乘用车一般16-36mm，商用车32-50mm

49,单位体积散热面积,β,选用值,用户输入,m²/m³,1600,管带式散热器单位芯体体积散热面积经验值,散热器设计手册,管带式约1200-2000m²/m³

50,散热器实际散热面积,A_actual,计算值,#NAME?,m²,0.00,所选散热器实际总散热面积,几何计算,由芯体体积与面密度计算

51,散热面积裕度,A_margin,计算值,#NAME?,%,#NUM!,实际散热面积相对理论需求的富裕百分比,散热器设计规范,推荐裕度10%-30%

52,散热面积合理性判断,-,判断值,#NAME?,-,不满足,判断散热面积裕度是否在合理范围,QC/T468-2010,裕度过小易过热，过大会导致过冷与布置困难

七、空气侧阻力与风量校核,,,,,,,,,

53,空气实际迎面风速,v_a_actual,计算值,#NAME?,m/s,-0.07,所选散热器实际空气迎面风速,流体力学,与设计风速偏差不宜过大

54,散热器空气侧阻力,ΔP_a,选用值,用户输入,Pa,280,散热器本体空气侧压力损失,散热器样本参数,与风速正相关，一般200-400Pa

55,空气侧总阻力,ΔP_a_total,计算值,#NAME?,Pa,0.00,包含护风圈、格栅等附加阻力的空气侧总阻力,冷却系统匹配规范,附加阻力一般约20%

56,风扇静压需求,P_fan,计算值,#NAME?,Pa,#NUM!,冷却风扇需要提供的静压值,风扇选型规范,风扇额定工况静压需大于等于该值

57,迎风面积裕度,A_front_margin,计算值,#NAME?,%,#DIV/0!,实际迎风面积相对理论需求的富裕百分比,冷却系统设计规范,推荐裕度5%-20%

58,迎风面积判断,-,判断值,#NAME?,-,满足,判断实际迎风面积是否满足风量需求,散热器设计规范,迎风面积不足会导致风速过高阻力过大

八、散热器换热性能校核,,,,,,,,,

59,实际传热系数修正,K_actual,计算值,#NAME?,W/(m²·K),,根据实际流速修正传热系数，流速越高换热越强,散热器换热特性公式,传热系数随流速增加而增大

60,散热器理论散热量,Q_rated,计算值,#NAME?,kW,0.00,所选散热器在设计工况下可实现的散热量,传热基本方程,散热器实际换热能力

61,散热能力裕度,Q_margin,计算值,#NAME?,%,-100.00,实际散热量相对设计热负荷的富裕百分比,冷却系统性能要求,推荐裕度10%-25%

62,散热能力最终判断,-,判断值,#NAME?,-,#NUM!,核心判断项：散热器散热能力是否满足设计要求,GB/T12542-2020,不满足时需增大散热面积或提高风速

63,冷却液出口温度校核,t_co_actual,计算值,#NAME?,℃,,实际工况下冷却液出口温度计算值,热平衡方程,应低于发动机节温器关闭温度

64,冷却液出口温度判断,-,判断值,#NAME?,-,不满足,判断实际出口温度是否在设计允许范围内,发动机冷却要求,温度过高说明散热能力不足

65,空气出口温度校核,t_ao_actual,计算值,#NAME?,℃,1005.00,实际工况下空气出口温度计算值,热平衡方程,应低于机舱部件耐热温度

66,空气出口温度判断,-,判断值,#NAME?,-,,判断空气出口温度是否在设计范围内,机舱热管理要求,温度过高会影响周边部件寿命

九、系统匹配性综合验证,,,,,,,,,

67,水泵流量匹配检查,-,判断值,#NAME?,-,满足,验证系统所需流量在水泵高效工作区间,水泵匹配规范,水泵工作点应在高效区范围内

68,水泵扬程匹配检查,-,判断值,#NAME?,-,,验证系统阻力在水泵扬程覆盖范围内,水泵匹配规范,需保证在额定流量下扬程足够

69,风扇风量匹配检查,-,判断值,#NAME?,-,不满足,验证所需空气流量在风扇工作范围内,风扇匹配规范,风扇工作点应避开喘振区

70,风扇静压匹配检查,-,判断值,#NAME?,-,#VALUE!,验证系统空气阻力在风扇静压覆盖范围内,风扇匹配规范,高背压工况需选高压风扇

71,加注容量估算,V_capacity,计算值,#NAME?,L,0.50,冷却系统总加注容量经验估算,汽车设计手册,含发动机水套、散热器、管路、膨胀水箱

72,膨胀水箱容积,V_expansion,计算值,#NAME?,L,#VALUE!,膨胀水箱推荐有效容积,冷