管帶式散熱器結(jié)構(gòu)的變化對冷卻系統(tǒng)性能的影響

徐四毛

（沃爾沃遍達（上海）動力系統(tǒng)有限公司，上海200051）

管帶式散熱器結(jié)構(gòu)的變化對冷卻系統(tǒng)性能的影響

徐四毛

（沃爾沃遍達（上海）動力系統(tǒng)有限公司，上海200051）

傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)（主要包括水箱和中冷器在內(nèi)）設(shè)計主要只考慮散熱面積的多少以及流過冷卻系統(tǒng)的冷卻水流量，通過提高散熱面積（或加大體積）來提高冷卻性能，而沒有考慮到通過散熱器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)去改變或者提高散熱性能?；谕话l(fā)動機性能參數(shù)，在改變散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下作了多個水箱和中冷器的樣品，針對不同的組合作了多組對比試驗，通過試驗結(jié)果來分析冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)上的變化對散熱性能的影響。

冷卻系統(tǒng)水箱中冷器散熱性能

1 前言

近年來，冷卻系統(tǒng)的發(fā)展非?？?，各種新的設(shè)計手段、新的測試手段、新的冷卻理論、新的制造工藝、新的控制方法等也得到了日新月異的發(fā)展。這些新技術(shù)、新工藝，對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻效率有了很大的提高。

但傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)從設(shè)計角度上來說，可考慮的變化參數(shù)太少。多數(shù)廠家僅僅依靠增大散熱面積來提高冷卻性能，其結(jié)果是散熱器體積增大，耗材增加。因此有必要探討到底是哪些參數(shù)對冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生影響，影響效果有多大。明確了這些因素及其影響，才能在設(shè)計和改進冷卻系統(tǒng)時做到有的放矢。

本文基于目前應(yīng)用最廣泛的冷卻方式——空－空中冷系統(tǒng)來進行研討，以一款中等功率（排量為12L）的柴油機及其管帶式冷卻系統(tǒng)作為研究對象，在發(fā)動機本身各運行參數(shù)不變的條件下（發(fā)動機輸出功率、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、風扇轉(zhuǎn)速等條件不變），全面研究水箱和中冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻系統(tǒng)性能的影響。

2 發(fā)動機基本參數(shù)

本文進行分析研究所用的發(fā)動機是一款國外排量為12L的定轉(zhuǎn)速柴油機，其外形見圖1，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

在工程配套應(yīng)用中，對該發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)進行國產(chǎn)化改造，選用了管帶式散熱器和中冷器，即通過改變該冷卻系統(tǒng)的散熱器（水箱）和中冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究對散熱性能的影響規(guī)律。

圖1 12L柴油機外形圖

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計要求

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)一般由散熱器（水箱）、中冷器和風扇組成。水箱是水冷式發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的主要散熱部件。水箱芯子的構(gòu)造型式有多種，目前常用的有4種：管片式、管帶式、細胞式和管芯式[1]。中冷器的結(jié)構(gòu)與水箱的結(jié)構(gòu)比較類似，主要由多塊引導增壓空氣和冷卻介質(zhì)流（水或空氣）的板壁組成，在這兩種介質(zhì)之間不得產(chǎn)生混淆。為了提高傳熱效果和擴大散熱表面，在介質(zhì)流道中可以布置散熱片。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同劃分,有水冷式中冷器和風冷式中冷器兩大類。

冷卻系統(tǒng)的計算一般包括如下方面：（1）估算空氣通道的阻力，并按所需的空氣流量及空氣流道和散熱器的總阻力，選擇風扇；（2）設(shè)計計算散熱器，確定散熱器的散熱面積、正面面積及容積，并在任何工作情況下和驅(qū)動風扇、水泵所需的最小功率的情況下，散熱器應(yīng)能將發(fā)動機的熱量散出；（3）估算冷卻系統(tǒng)中的水阻力，并按所需的水流量及水流道阻力，選擇水泵[2]。

因本文是在現(xiàn)有的發(fā)動機基礎(chǔ)上對冷卻系統(tǒng)的進行研究，因此對冷卻系統(tǒng)中的風扇和水泵部分的選型不作探討，僅針對水箱和中冷器的散熱能力進行研究。在中冷器和水箱的芯子部件結(jié)構(gòu)參數(shù)改變的情況下，重點研究對冷卻系統(tǒng)散熱能力的影響。

水箱芯子的設(shè)計，應(yīng)從滿足發(fā)動機的散熱要求出發(fā)，在水箱的改進設(shè)計中確定冷卻系統(tǒng)散熱量、冷卻水循環(huán)流量和冷卻空氣流量這3個重要的基本設(shè)計參數(shù)。

1）散熱量

冷卻系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)出去的熱量w，即散熱量或稱散熱熱流量是設(shè)計冷卻系統(tǒng)時所需的原始數(shù)據(jù)，因受發(fā)動機的結(jié)構(gòu)型式、壓縮比、功率大小等許多復(fù)雜因素的影響，很難進行精確計算。因此，設(shè)計時通常采用經(jīng)驗公式進行確定，即有[3]：

式中，

2）冷卻水循環(huán)流量

發(fā)動機冷卻水的循環(huán)體積流量w，簡稱為冷卻水的循環(huán)量，可由熱平衡方程進行計算，即有：

式中，

3）冷卻空氣需要量

冷卻空氣需要量a，即冷卻風扇的供風量或風扇的扇風量，一般根據(jù)散熱器的散熱量由熱平衡方程確定。散熱器的散熱量一般等于冷卻系統(tǒng)的散熱量，所以冷卻空氣的需要量為：

式中，

根據(jù)上述計算公式，并且根據(jù)發(fā)動機所選用的零部件（水泵、風扇、發(fā)動機的驅(qū)動件等），大致可以確定該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的幾個參數(shù)：冷卻水帶走的熱量w=136 kW，冷卻水流量w=4.8 L/s，冷卻風扇直徑=890 mm。

冷卻系統(tǒng)中散熱器的作用是將流經(jīng)散熱器的循環(huán)冷卻液的熱量被風扇產(chǎn)生的冷空氣散走。根據(jù)經(jīng)驗值，載重車用散熱器的總散熱面積與發(fā)動機功率之比約為0.1～0.16 m2/kW。則根據(jù)發(fā)動機額定功率，所需散熱總面積應(yīng)為:(0.1～0.16)×352= (35.2～56.32)m2?？紤]到壓力蓋可能會存在泄漏，且經(jīng)過散熱器的冷卻空氣流速分布不均勻，以及散熱片蒙上塵土后，散熱性能要有所降低，在選取散熱器時，散熱面積要留有一定的儲備空間，儲備系數(shù)取值在1.1～1.15之間。因此散熱面積= (35.2～56.32)×1.15=(40.5～64.8)m2。在安裝空間允許的情況下，應(yīng)盡可能選散熱面積大的散熱器。

一般情況下，散熱器正面積與發(fā)動機功率之比約為0.002～0.00375 m2/kW，所以有

考慮到安裝空間，確定芯子高=890 mm，寬= 910 mm。則=890×910=0.81 m2。另外，為了便于安裝、制造和美觀，在確保冷卻能力足夠的條件下，中冷器和水箱的正面積設(shè)計成大小基本上一樣，這樣可以將中冷器和水箱安裝成一個整體，做成“漢堡”式的安裝方式。

由以上的計算，可以確定出發(fā)動機散熱系統(tǒng)（中冷器和水箱）的參數(shù)，如表2所示。

因此，根據(jù)傳熱學的理論公式和經(jīng)驗公式，計算出該款發(fā)動機中冷器和水箱的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，為散熱器和中冷器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的選型和試制提供了指導。

表2 中冷器和水箱的參數(shù)

4 冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變方案

實踐中，經(jīng)常通過冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高散熱效果和冷卻效率。對于水箱，通常采用翅片上開百葉窗的方法，即在翅片上沖出等距離的百葉窗式的柵格，其主要作用是破壞邊界傳熱層，減小附面層高度，提高氣側(cè)的散熱能力。實踐表明，在翅片尺寸相同的條件下，柵格越多傳熱效果越好，但阻力也相應(yīng)增大。除了翅片上開百葉窗的方法外，翅片的波高、管帶的波距、波峰的數(shù)量以及冷卻水管的數(shù)量、水管排數(shù)等都是影響散熱器傳熱的重要因素。對于中冷器，主要改變?nèi)缦聨讉€參數(shù)：芯子尺寸、氣管尺寸、氣管數(shù)量、氣管內(nèi)翅片；還有冷卻空氣側(cè)的散熱帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括波高、波距、開窗距離、開窗角度等[4]。

本文研究使用的水箱為管帶式芯子，中冷器為風冷式，也稱空－空中冷器。為研究冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱性能的影響規(guī)律，根據(jù)前文分析的發(fā)動機對該冷卻系統(tǒng)的要求，通過改變水箱和中冷器的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計和試制了3種水箱、8種中冷器。

水箱分別改變水管數(shù)、水管尺寸以及散熱帶的波高等參數(shù)，表3給出了3種水箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表3 水箱結(jié)構(gòu)參數(shù)

中冷器分別更改了芯子尺寸、氣管尺寸、氣管數(shù)量、氣管內(nèi)翅片參數(shù)、散熱帶的結(jié)構(gòu)等參數(shù)，表4為試驗用8種中冷器樣品的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)。

試驗時選擇任一款水箱和任一款中冷器組合，安裝到發(fā)動機上，對不同的組合進行試驗，然后對比這些不同組合的試驗結(jié)果，即可以知道改變水箱或中冷器各參數(shù)對冷卻系統(tǒng)整體性能的影響規(guī)律。

表4 中冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)

5 冷卻系統(tǒng)參數(shù)對散熱性能的影響

為了更準確地了解冷卻系統(tǒng)的實際冷卻性能，可通過臺架試驗來確定。臺架試驗雖然不能夠象在風洞試驗時得到很準確的試驗結(jié)果，其工作條件與冷卻系統(tǒng)的實際工作條件也有差別，但是臺架試驗對改進冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是必不可少的。通過臺架試驗，可以評估冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對冷卻系統(tǒng)性能的影響以及改進效果。在常規(guī)的臺架試驗中可以測出以下各項參數(shù)，具體的試驗方法不在本文中描述：（1）通過水箱的冷卻水流量；（2）進入水箱前的冷卻水溫度；（3）由水箱排出來的冷卻水溫度；（4）通過冷卻系統(tǒng)的平均空氣速度；（5）冷卻風扇的轉(zhuǎn)速；（6）中冷器進口空氣溫度；（7）中冷器出口空氣溫度[5]。

5.1 中冷器參數(shù)對散熱性能的影響

在進行第一組試驗時，水箱參數(shù)固定不變，僅改變中冷器相關(guān)參數(shù)，試驗結(jié)果如圖2～圖5所示。

以中冷器4、5、6為一組和中冷器1、2、3比較可以知道，冷卻系統(tǒng)散熱帶側(cè)的波高相同，僅僅增加了散熱帶的波距。但是發(fā)動機的環(huán)境適應(yīng)溫度值有了很大的提高。可見增加散熱器的面積可以提高其散熱能力。對中冷器而言，散熱帶的波距減小，可以增大散熱面積，能夠提高中冷器的散熱效果。但是散熱帶波距減小的同時，散熱帶過密的話，卻增大了冷卻空氣的阻力，而該冷卻空氣還要對水箱進行冷卻。因此僅僅減小波距對整個散熱系統(tǒng)并不一定能提高其性能，試驗結(jié)果也證明了這點。當波距由5 mm增加到5.5 mm時，環(huán)境適應(yīng)溫度提高了4～5℃，而且平均風扇冷卻空氣流速也增大1～1.5 m/s。另外當散熱帶過密時，散熱器芯部容易被灰塵等異物堵塞，導致散熱性能降低或者惡化。

圖2 各組合下冷卻系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)溫度對比

圖3 各組合下中冷器溫度效率對比

圖4 各組合下中冷器壓力降對比

圖5 各組合下冷卻空氣流速對比

散熱帶上開窗的目的是增加空氣的紊流作用，對冷卻性能有一定的影響。當冷空氣流過散熱帶的時候，散熱帶上的開窗會增大空氣的阻力，增加熱交換的時間，從而使冷空氣能帶走更多的熱量。但是一旦增加了中冷器的散熱量，在冷卻空氣流量一定的情況下，就使得流經(jīng)水箱的冷卻空氣的溫度升高，這樣無疑會降低水箱的散熱性能。另外，散熱帶上開窗，也增加了加工工藝的難度。因此，在確定方案時，采用散熱帶不開窗的結(jié)構(gòu)。

同時，對有40根、44根和46根氣管的3種中冷器樣品進行了比較，得出中冷器的氣管數(shù)量對中冷器的溫度效率有很大的影響。從中冷器3和其它的中冷器對比試驗結(jié)果可知，中冷器3的溫度效率最高，僅僅對單個的中冷器來說，增加管數(shù)的效果很明顯。但是增加管數(shù)時，可以減少增壓空氣的壓力降。而當中冷器4的管數(shù)只有40根時，中冷器壓降最大。這是由于增壓空氣的流通截面積減少，導致壓力降增大。在壓力降增大的情況下，雖然增加了冷卻空氣和增壓空氣的換熱時間，但這對增壓空氣的換熱是有好處的。然而增壓空氣壓降過大會對發(fā)動機的功率、排放等產(chǎn)生不良影響。從總的結(jié)果來看，中冷器管數(shù)對中冷器本身性能有很大的影響，但是對冷卻系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)溫度影響不大。這組中冷器的氣管翅片波數(shù)分別有12、14、16。比較中冷器1和中冷器2可知，增加中冷器的管內(nèi)翅片波數(shù)，會增加中冷器溫度效率，環(huán)境適應(yīng)溫度也有所提高，但是會增加增壓空氣壓力降。

5.2 水箱參數(shù)對散熱性能的影響

在進行第二組試驗時，中冷器參數(shù)固定不變，僅改變水箱相關(guān)參數(shù)，試驗結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 水箱對冷卻系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)溫度的影響

圖7 水箱對水箱散熱量的影響

由表3可知，水箱1和水箱2的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，僅增加冷卻水管數(shù)量，使空氣流過時擾流增加，傳熱系數(shù)得以提高，散熱量相應(yīng)增加，但是冷卻水管排列過密，空氣阻力大幅度增大。比較水箱2和水箱3知道，水箱的散熱帶在提高波距和波高時，會增大風扇冷卻空氣流量。但是，冷卻空氣的擾流作用會減小，雖然冷卻水管數(shù)多了，散熱面積增加了。冷卻水箱散熱量二者差不多，環(huán)境適應(yīng)溫度值也相差無幾。

6 結(jié)論和展望

本文以一臺排量為12 L的柴油機作為研究平臺，研究了管帶式水箱和中冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻性能的影響。通過試驗研究，獲得了不同型式的水箱結(jié)構(gòu)和中冷器設(shè)計參數(shù)的最佳優(yōu)化組合，使發(fā)動機冷卻效率提高，并為以后改進、提高冷卻系統(tǒng)的效率指出了方向。

圖8 水箱對冷卻空氣流速的影響

本課題的研究對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)發(fā)展作了初步的探索，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進角度分析了提高冷卻系統(tǒng)性能的可行性和改進研究實踐，但還有待于開展更多的實驗研究探索。在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，再進一步作以下開發(fā)、研究工作：

（1）將冷卻水泵和冷卻風扇納入到冷卻系統(tǒng)中，進行綜合的考慮，這樣才能更全面，更科學地對冷卻系統(tǒng)開展整體優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。

（2）隨著設(shè)計理論和設(shè)計手段的不斷提高，不斷發(fā)展的智能控制技術(shù)將增強冷卻系統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)性。在滿足冷卻要求的前提下，高效率、低能耗將是冷卻系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1張峰,高東順.柴油機中冷器結(jié)構(gòu)與設(shè)計[J].內(nèi)燃機車，2002（2）：1-4.

2許維達主編.柴油機動力裝置匹配[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

3楊世銘，陶文栓編著.傳熱學(第三版)[M].北京：高等教育出版社，1998.

4錢頌文.換熱器設(shè)計手冊[M].北京工業(yè)出版社，2002.

5楊家騏.汽車散熱器[M]：人民交通出版社，1985.

Effect of Structure's Change in Tube-and-Fin Radiator on Cooling System's Performance

Xu Simao
（VOLVO PENTA（Shanghai） Power SystemCo., Ltd., Shanghai 200051, China）

Traditional Cooling system design only cares about size and coolant flow of a cooling system, and enlarged the cooling area to improve cooling performance without considering structure factors. Several samples of radiator and intercooler are made with various structure parameters based on performance data of one engine. Multi-comparison tests are carried out for different combinations. Effect of structure change on radiator performance is analyzed based on the test results.

cooling system, radiator, intercooler, cooling performance

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.02.007

來稿日期：2009-12-26

徐四毛（1976-），男，研究生，主要研究方向為發(fā)動機熱平