散熱器和中冷器迎風(fēng)面積不相同的冷卻模塊選型校核計(jì)算

聶文福（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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散熱器和中冷器迎風(fēng)面積不相同的冷卻模塊選型校核計(jì)算

聶文福
（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

介紹一種散熱器和中冷器迎風(fēng)面積不相同的冷卻模塊的總風(fēng)阻計(jì)算方法，以此做好其與風(fēng)扇、水泵的性能匹配，做好其冷卻性能的校核計(jì)算。

冷卻模塊；總風(fēng)阻；風(fēng)扇；水泵

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.028

CLC NO.: U464.135Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-91-03

前言

重型卡車都普遍配備了空空中冷器和水冷散熱器組成的冷卻模塊，由發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇產(chǎn)生流動(dòng)空氣帶走高溫壓縮空氣和冷卻液傳遞的熱量，風(fēng)扇氣流方向一般為吸風(fēng)式。冷卻系的選型計(jì)算實(shí)質(zhì)是確立風(fēng)扇與冷卻模塊的正確組合，使散熱器上水室冷卻液溫度twa和中冷器出口增壓空氣溫度tge達(dá)到設(shè)計(jì)要求。散熱器和中冷器迎風(fēng)面積相同時(shí)計(jì)算比較簡(jiǎn)單，本文以我公司生產(chǎn)的SX2255型機(jī)場(chǎng)消防車為例，介紹不相同情況的選型校核計(jì)算方法。

1、冷卻模塊初步計(jì)算

1.1初設(shè)散熱器迎風(fēng)面積

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，散熱器的迎風(fēng)面積 Fks可按 0.31-0.37（m2/100kW），散熱器迎風(fēng)面積初定后，按照以下步驟計(jì)算冷卻液的流速Vw：

（1）根據(jù)空間要求，確定散熱器芯子的迎風(fēng)面積尺寸，即寬（Bs）×高（Hs）；

（2）根據(jù)供應(yīng)商提供的散熱器冷卻扁管寬度 Bs和管距Ss，計(jì)算每一排水管的數(shù)量ns，計(jì)算結(jié)果四舍五入取整數(shù)。

（3）ΣAs=ns·As

As散熱器扁管的橫截面積，由供應(yīng)商提供。

（4）根據(jù)冷卻水管的總流通面積ΣAs，匹配散熱器和水泵配合性能，見(jiàn)圖1。圖中交點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值就是柴油機(jī)校核工況的水泵流量Gw。

（5）計(jì)算冷卻水流速Vw

1.2中冷器迎風(fēng)面積Fkz的估算

（1）利用中冷器的增壓空氣側(cè)阻力曲線，見(jiàn)圖2，預(yù)設(shè)中冷器增壓空氣的壓力損失限值為 800Pa，初步確定最大的增壓空氣流速Vgmax；

（2）計(jì)算增壓空氣的重量流量Gg

其中α過(guò)量空氣系數(shù)

ψ掃氣系數(shù)

Ne校核工況功率

ge校核工況燃油消耗率

（3）計(jì)算中冷器的最小寬度尺寸Bzmin

nzmin=Gg/（Az·Vgmax），nzmin四舍五入后代人下式計(jì)算。

其中bz為中冷器冷卻管的寬度。

中冷器迎風(fēng)面積的高度Hz與散熱器芯子的迎風(fēng)面積高度Hs一致，即Hz=Hs。

（4）中冷器最小迎風(fēng)面積的估算

（5）計(jì)算增壓空氣流速

2、迎風(fēng)面積不相同時(shí)的風(fēng)阻計(jì)算

初步估算，中冷器的迎風(fēng)散熱面積Fzmin=0.398 m2遠(yuǎn)小于散熱器的迎風(fēng)散熱面積Fsmin=0.534m2。根據(jù)流體力學(xué)原理，冷卻空氣在散熱器和中冷器組成的冷卻模塊，在中冷器進(jìn)口截面和散熱器出口截面之間的各個(gè)部分的壓降是相同的，冷卻空氣流過(guò)重疊部分和非重疊部分的流速是不同的，利用該原理計(jì)算冷卻模塊的總風(fēng)阻，即Ga=（Ga1·FKZ+ Ga2·（FKS-FKZ））/ FKS，通過(guò)預(yù)設(shè)不同的風(fēng)阻值，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的Ga，繪制出完整的總風(fēng)阻曲線，見(jiàn)圖3。

3、風(fēng)扇與冷卻模塊的性能匹配

3.1理論冷卻空氣流量計(jì)算

根據(jù)風(fēng)扇在對(duì)應(yīng)工況下性能曲線和冷卻模塊總風(fēng)阻曲線進(jìn)行性能匹配，交點(diǎn)A就是配合運(yùn)行點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)即為風(fēng)扇的理論冷卻空氣體積流量Va'。

3.2實(shí)際冷卻空氣流量計(jì)算

對(duì)于平頭汽車直列發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況時(shí)風(fēng)扇效率約為0.55-0.60，最大扭矩工況時(shí)約為0.50-0.55，即風(fēng)扇冷卻空氣實(shí)際體積流量：

3.3冷卻模塊總成單位面積重量流量

4、冷卻模塊冷卻能力校核計(jì)算

4.1計(jì)算冷卻空氣流量

根據(jù)實(shí)際計(jì)算的Ga，在圖3上作垂線與總風(fēng)阻相交于A點(diǎn)，過(guò)A點(diǎn)作水平線分別相交于串聯(lián)總風(fēng)阻的B點(diǎn)和散熱器風(fēng)阻曲線的C點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)Ga1和Ga2即為該工況下實(shí)際的冷卻空氣的單位面積重量流量。

4.2比冷卻能力確定

根據(jù)Ga1、Ga2、Vw、Vg，在比冷卻能力（單位面積、單位溫差的散熱能力，取決于冷卻單元的結(jié)構(gòu)和冷卻空氣的流速，由生產(chǎn)廠通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定）曲線圖中很容易查得散熱器和中冷去的比冷卻能力qs和qz。根據(jù)散熱量和比冷卻能力很容易計(jì)算迎風(fēng)面積［2］。

4.3中冷器出口處冷卻空氣溫度

（1）冷卻空氣溫升

（2）中冷器出口冷卻空氣溫度

t2=t1+Δt，其中，t1為中冷器進(jìn)口冷卻空氣。溫度，近似等于環(huán)境溫度。一般是按照30℃環(huán)境溫度下通過(guò)試驗(yàn)獲得的。環(huán)境溫度高于38℃時(shí)，散熱量需要修正，環(huán)境溫度每升高5.5℃，散熱量應(yīng)增加1%。

（3）計(jì)算散熱器上水室冷卻水溫度

式中：

A傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，A=0.18～0.25，取A=0.18；

ge內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率，kg/kW.h；ge=0.1977kg/kW.hNe內(nèi)燃機(jī)功率，kW；Ne=334kW

hn燃料低熱值，可近似取hn=41870kJ/kg；

twa散熱器上水室溫度，

twe散熱器出水口溫度，

Qw1非重疊部分散熱器散熱量，

Qw2重疊部分散熱量

4.4計(jì)算中冷器出口空氣溫度

（1）中冷器中增壓空氣的平均溫度

（2）增壓空氣溫度降

（3）中冷器出口增壓空氣溫度

此時(shí)，經(jīng)計(jì)算散熱器上水室冷卻水溫度twa為90℃，增壓器出口增壓空氣溫度tge為98℃（90℃最佳），略高，但也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

其中還需校核其他車輛行駛的工況，如額定功率工況，計(jì)算步驟相同。

5、CFD驗(yàn)證分析

散熱器進(jìn)口平均靜壓為-94.8Pa，出口靜壓為-813.1Pa，通過(guò)中冷器的壓降為718.3Pa，與預(yù)設(shè)800Pa接近。

中冷器中間截面速度分布較均勻，最大流速為6.1m/s，平均流速為4.2m/s。散熱器中間截面速度分布較均勻，最大流速為6.3m/s，平均流速為4.6m/s，與計(jì)算值比較接近。

6、結(jié)論

（1）在高速行駛的平頭車輛的冷卻模塊設(shè)計(jì)中，一般中冷器的迎風(fēng)面積是要小于散熱器的迎風(fēng)面積，一般情況下雖然可通過(guò)增大中冷器的扁管管距減小進(jìn)風(fēng)阻力使其重合，但在布置空間受限散熱器的散熱能力不足時(shí)，還是依照計(jì)算結(jié)果將二者迎風(fēng)面積做得不相同，變相增大散熱器散熱面積。

（2）冷卻模塊與水泵、風(fēng)扇是需要性能匹配的，而不是單純依靠傳動(dòng)比的對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和水泵流量來(lái)校核。

（3）對(duì)于在冷卻模塊前增加自動(dòng)變速器、空調(diào)冷卻裝置的計(jì)算也可以參照此方法進(jìn)行。

[1]李光琛，某噴水推進(jìn)柴油主機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)[N].2013.

[2]H梅梯格,袁高宗英等譯.高速內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京院機(jī)械工業(yè)出版社.1981.

[3]毛亮等，重型汽車?yán)鋮s系統(tǒng)計(jì)算分析.汽車實(shí)用技術(shù)雜志社[J].2012.

The radiator and inter-cooled windward area is not the same cooling module selection and checking calculation

Nie Wenfu
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.,Ltd,Shaanxi Xi'an 710200）

Describing a method for the calculation of the cooling module's total air resistancewhen the frontal area of radiator and intercooler is not same,matching the performance of cooling module and fan and pump based on this,checking and calculating the cooling performance of cooling module.

cooling; module; total air resistance; fan; pump

U464.135

A

1671-7988（2016）08-91-03

聶文福（1977-），男，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事汽車整車設(shè)計(jì)。