管帶式汽車散熱器流動阻力與傳熱性能分析

摘 要：管帶式汽車散熱器流動阻力與傳熱性能分析采用理論分析方法，通過編制流動阻力與傳熱性能計算程序，得到常規(guī)工況范圍內(nèi)的計算數(shù)據(jù)。在計算數(shù)據(jù)中，有散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，也有流動阻力與傳熱性能參數(shù)，通過分析散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動阻力與散熱性能的影響，最終得到的結(jié)論是：散熱量隨著散熱帶波距的減小而增加，風(fēng)阻隨之增大。散熱帶的材料不同，散熱性能也不同，散熱量隨著散熱帶導(dǎo)熱系數(shù)的提高而增大。

關(guān)鍵詞：散熱器；流動阻力；傳熱性能

中圖分類號：U464.138 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）29-0289-02

散熱器是汽車冷卻系統(tǒng)中的重要部件，其作用是冷卻發(fā)動機系統(tǒng)，提升發(fā)動機的經(jīng)濟性和可靠性。經(jīng)過對內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)和阻力特性的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)散熱器產(chǎn)品中，采用管帶式散熱器的內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式，能夠改善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品向著高效、低耗、輕量化的方向發(fā)展。

在國內(nèi)一些汽車散熱器廠家中，散熱器的應(yīng)用和設(shè)計都是隨著當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境和特殊地理環(huán)境而進行的。在夏天散熱量不夠，發(fā)動機開鍋的情況也是時有發(fā)生。因此，為了在給定的裝配邊界尺寸基礎(chǔ)上，提高散熱器的散熱能力，應(yīng)對管帶式散熱器進行流動阻力與傳熱性能進行研究。通過編制的計算程序，將散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和散熱帶的材質(zhì)進行方案設(shè)定，目的是運用計算機實現(xiàn)散熱器結(jié)構(gòu)的程序化設(shè)計，提高設(shè)計的準確性，最終為產(chǎn)品的改善提供理論依據(jù)[1]。

1 理論計算值和試驗數(shù)值

以理論模型為基礎(chǔ)的計算，我們編制了散熱器的流動阻力和傳熱性能的計算程序，對汽車散熱器的散熱量和風(fēng)阻進行了相應(yīng)的測量，得到了汽車散熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸。

在常見的工況范圍內(nèi)隨著風(fēng)速的增加，散熱器進口的水溫為90℃，風(fēng)溫為30℃，冷卻水的流量分別是40L/min和75L/min，比較散熱器傳熱性能值和實測值之后我們發(fā)現(xiàn)，實測值和理論值是基本吻合的。高風(fēng)速的區(qū)域的誤差較大，實測值經(jīng)過和理論數(shù)值的比較之后，偏差增大，這是由于風(fēng)阻理論中的計算公式，在高風(fēng)速區(qū)的理論數(shù)值偏低，沒有計算散熱器的芯片中的局部阻力，而是計算了散熱器的芯片內(nèi)部的阻力，實測的數(shù)值和理論的數(shù)值是基本吻合的[2]。

2 散熱帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱器的影響

采用編制的計算程序，對于不通的散熱帶結(jié)構(gòu)進行風(fēng)阻和傳熱特性的計算，對各個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響加以討論。

（1）在其他參數(shù)不變的前提下，對不同的散熱帶波距進行傳熱性能和風(fēng)阻的理論計算。散熱量隨著散熱帶波距的減小而增加，風(fēng)阻隨之增大，芯體重量隨之增大。

（2）隨著百葉窗開窗角度的不斷增加，散熱器的風(fēng)阻和散熱量也不斷增加，散熱量的增加幅度相對減少[3]。

（3）在厚度的變化范圍內(nèi)，隨著散熱器的散熱量和風(fēng)阻的不斷增加，開窗的角度也不斷的增加，當(dāng)散熱帶的材質(zhì)為純銅時，散熱帶的波距為3.6mm，導(dǎo)熱系數(shù)為398W/m2·K，隨著百葉窗厚度增大，散熱量不同，散熱器的風(fēng)阻和散熱量也隨之增加[4]。冷卻水的流量為40L/min，此時散熱器的散熱量，百葉窗的開窗角度為30°，應(yīng)該顯示為空氣流速和風(fēng)阻，散熱帶的材質(zhì)在散熱性能的影響上，純銅的散熱量較高，散熱帶的材料的導(dǎo)熱系統(tǒng)，純銅的散熱帶發(fā)生了提高，產(chǎn)生了相應(yīng)的風(fēng)測換熱性能，散熱帶的厚度發(fā)生變化，整臺的散熱器的散熱量增大。

3 管帶式汽車散熱器的傳熱性能分析

汽車散熱器是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的重要部件，主要由主片、冷卻管、散熱帶、護板、水室、密封條、等零件組成。散熱器主片與冷卻管按一定間隙（<0.1mm）相互配合后，同時經(jīng)過620℃左右的高溫，熔化材料表面焊料，焊接密封，最后與水室通過密封條密封組裝，組成一個封閉的散熱器系統(tǒng)。散熱量結(jié)構(gòu)參數(shù)中主片是汽車散熱器的關(guān)鍵連接部件，生產(chǎn)成本低，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，直接影響散熱器的成形質(zhì)量，影響散熱器可靠性。

通常芯子正面面積Ff是對散熱性能影響最大的，廠家希望在安裝尺寸允許的前提下，按影響的大小各參數(shù)排列次序：芯厚-散熱面積S與正面面積Ff-散熱帶（片）形狀-冷卻水管尺寸。在諸多結(jié)構(gòu)參數(shù)中的大小次序是：結(jié)構(gòu)型式-主片與水室結(jié)構(gòu)參數(shù)-冷卻水管-系統(tǒng)壓力大小-生產(chǎn)工藝水平。在設(shè)計或選用現(xiàn)有散熱器時，結(jié)合不同車型和使用工況的區(qū)別，切不可盲目追求單項指標，全面綜合分析結(jié)構(gòu)型式、參數(shù)、系統(tǒng)壓力值大小、生產(chǎn)工藝水平對散熱器的相互影響，充分考慮生產(chǎn)工藝及裝備、生產(chǎn)成本，之后再確定其他各參數(shù)。散熱器的發(fā)展趨勢之一就是大幅度地提高散熱能力。在首先確定結(jié)構(gòu)型式，擴大正面面積Ff并減少芯厚。盡可能把正面面積Ff選擇大一些。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知，風(fēng)阻減小，散熱面積基本不變情況，如果正面面積Ff增大17%，風(fēng)溫提高5℃。同時，管片式汽車散熱器的主片呈平行設(shè)置，散熱能力增加11%，增大通過散熱器芯體的風(fēng)量，所述板狀本體有若干數(shù)量，呈波紋狀設(shè)置，散熱器設(shè)計過程中所述板狀本體上設(shè)置，在其他部件不變的前提下；包括呈矩形設(shè)置的板狀本體，來估算芯子正面面積Ff。所述板狀本體用于連接散熱器扁管的條形孔，四周設(shè)置條形孔，板狀本體一側(cè)凸起周壁，所述板狀本體的波紋常采用計算法加以計算，計算結(jié)果如下：

Ff≥0.1+0.032Vn（1）

式中：Ff——芯子正面面積單位為m2；

Vn——發(fā)動機排量。

Ff=（0.0027～0.0034）Nemax（2）

式中：Nemax——發(fā)動機標定功率，kW；

Nemax<73.5kW取上限，Nemax>73.5kW取下限。對管片式結(jié)構(gòu)的散熱器在求得Qmax之后，參考JB2291-2292-78附錄的數(shù)據(jù)，按初步選擇的芯厚T和片距t，依據(jù)公式（1）進行估算：

Ff=Fn·Qmax/Qn（m2）（3）

因為Fn為1m2，因此公式（1）也可以簡化成：

Ff=Qmax/Qn（m2）（4）

芯子面面積為1m2時兩種冷卻水管排列方式；四排冷卻水管，散熱帶（片）形狀可以提高散熱系數(shù)K值，實現(xiàn)在不增加生產(chǎn)成本和不增大空間尺寸的前提下提高熱能力。

4 結(jié) 語

本文采用計算機程序計算得到的汽車散熱器的傳熱和風(fēng)阻性能的數(shù)值，與實測值，與常規(guī)的工況范圍是基本吻合的。散熱帶的波距，經(jīng)過對散熱器的性能的參數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)改變散熱帶材質(zhì)之后，例如純銅，散熱器的重量將保持不變。

參考文獻

[1]熊呈輝，繆屹峰.管芯式散熱器結(jié)構(gòu)特點[J].南方金屬，2017（5）：55～57.

[2]張云龍.平行流汽車空調(diào)散熱器用鋁合金多孔扁管材的研究[J].時代農(nóng)機，2016（2）：54，56.

[3]胡書紅.基于熱分析的LED汽車前照燈結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化[D].中國計量學(xué)院，2013.

[4]成都東浩散熱器有限公司.一種汽車發(fā)動機的散熱裝置：中國，CN201710382335.8[P].2017-09-01.

收稿日期：2018-8-22

作者簡介：方建府（1989-），男，壯族，廣西武鳴人，助理工程師，本科，主要從事?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計工作。