基于冷速試驗的冷卻液傳熱性能對比研究

摘要： 通過冷速試驗研究了6種不同添加劑類型及含量冷卻液的冷卻性能。結(jié)果表明：非離子型冷卻液的冷卻性能最好，其次是混合型冷卻液，離子型冷卻液的冷卻性能最差；添加劑的含量越低，冷卻液的冷卻性能越好；含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.11%的非離子型添加劑的冷卻液A的冷卻性能最優(yōu)，其探頭溫度達(dá)到200 ℃時所對應(yīng)的時間最短，為6.1 s，且其最大冷速最大，為60 ℃/s。

關(guān)鍵詞：沸騰傳熱 冷卻液 冷卻性能 冷速試驗

中圖分類號：U464.172 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240374

Comparative Study on Heat Transfer Performance of Coolant Based on Cooling Rate Experiments

Ma Zhiguo， Xu Yang， Tao Chunsheng， Wang Hongzhi

（FAW Jiefang Automotive Co.， Ltd.， Changchun 130011）

Abstract： Cooling performance of coolants with 6 different types and contents of additives is studied through cooling rate experiments. The result shows that the cooling performance of the coolants with the nonionic additive is the best， followed by the coolants with the mixed additive， and the coolants with the ionic additive exhibits the worst cooling performance. The lower the additive content， the better the cooling performance of the coolant. The cooling performance of coolant A containing 0.11% non-ionic addifive by mass is the best， with the shortest time corresponding to the probe temperature reaching 200 ℃， which is 6.1 s and the maximum cooling rate reaches 60 ℃/s.

Key words： Boiling heat transfer， Coolant， Cooling performance， Cooling rate experiment

1 前言

現(xiàn)代車用發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢是高性能化和微型化，這就要求發(fā)動機(jī)具有更高的功率輸出密度[1]。為滿足發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷要求，需要匹配更高效的冷卻系統(tǒng)，解決高功率輸出密度下的熱平衡問題。

缸體水腔優(yōu)化設(shè)計從發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，是提高冷卻效率最直接的手段之一，但前提是合理預(yù)測腔內(nèi)冷卻液的傳熱形式和傳熱強度[2]。發(fā)動機(jī)缸蓋和缸體部分水腔存在沸騰傳熱形式，具有傳熱效率高和所需冷卻系統(tǒng)體積小的特點?；趯α鱾鳠岷统胤序v傳熱疊加的Chen模型和分析氣泡行為的貝爾-德萊維茨模型是目前廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)沸騰傳熱的2種預(yù)測模型[3]。但上述2種預(yù)測模型都是基于沸騰傳熱系數(shù)模擬并結(jié)合限制條件和實際工況計算固體域溫度場和流體域溫度場來判斷冷卻液對發(fā)動機(jī)的冷卻效果。

為了設(shè)計合理的冷卻水腔并嚴(yán)格控制沸騰強度，需要預(yù)測冷卻液的傳熱強度，即冷卻性能，而與冷卻液冷卻性能直接關(guān)聯(lián)的指標(biāo)是沸騰傳熱系數(shù)[4]。目前，用于熱力學(xué)計算的冷卻液參數(shù)包括比熱容、傳熱系數(shù)、密度、運動黏度，但以上參數(shù)更多適用于對流傳熱狀態(tài)模擬，不適用于沸騰傳熱狀態(tài)。國內(nèi)外沸騰傳熱試驗方法設(shè)備復(fù)雜、不易操作，因此采用快速評價方法驗證冷卻液沸騰傳熱狀態(tài)下的冷卻性能具有重要意義。

在熱處理工藝中，熱的金屬浸入冷卻介質(zhì)后發(fā)生沸騰傳熱，與發(fā)動機(jī)缸蓋和缸體部分水腔的沸騰傳熱狀態(tài)類似。因此，為快速評價冷卻液在沸騰傳熱狀態(tài)下的冷卻性能，為發(fā)動機(jī)冷卻水腔設(shè)計提供參考，本文參考GB/T 30823—2014《測定工業(yè)淬火油冷卻性能的鎳合金探頭試驗方法》規(guī)定的淬火介質(zhì)冷卻特性檢測方法[5-6]，即冷速測定試驗對比研究6種不同添加劑類型及含量冷卻液的冷卻性能。通過對冷卻液和乙二醇水溶液進(jìn)行冷速試驗測試，比較在不同樣品中冷卻時探頭溫度達(dá)到T=200 ℃時所對應(yīng)的時間以及冷卻過程中樣品最大冷速來判斷不同添加劑類型冷卻液在高溫沸騰狀態(tài)下的冷卻性能，同時研究冷卻液添加劑含量對冷卻性能的影響規(guī)律。

2 冷速試驗

2.1 試驗裝置和樣品

2.1.1 試驗裝置

試驗裝置包括分析天平、電熱鼓風(fēng)干燥箱和冷速試驗裝置。如圖1所示，冷速試驗裝置按照GB/T 30823—2014要求搭建。

2.1.2 試驗樣品

試驗樣品為市面上可收集到的冷卻液產(chǎn)品和實驗室自行配置的體積分?jǐn)?shù)50%的乙二醇水溶液，不同樣品的樣品信息如表1所示。

2.2 試驗方法

2.2.1 冷卻液添加劑含量測試

取500 mL潔凈燒杯，質(zhì)量為[m1]，取冷卻液200 mL置于燒杯中，燒杯和液體的總質(zhì)量記為[m2]。將盛有冷卻液的燒杯置于鼓風(fēng)干燥箱中，干燥一周。水分和揮發(fā)物蒸干后，取出燒杯置于干燥器中，待燒杯冷卻至室溫后稱重記為[m3]。計算除去水分和揮發(fā)物后冷卻液的添加劑含量，添加劑含量用質(zhì)量分?jǐn)?shù)M表示：

[M=m3-m1m2-m1×100]% （1）

2.2.2 冷卻液冷卻性能測試

冷速試驗按照GB/T 30823—2014試驗標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。在試驗開始前打開加熱爐，設(shè)置加熱溫度并對探頭進(jìn)行加熱，通常，加熱溫度應(yīng)高于探頭實際使用溫度；使用高硼硅材質(zhì)燒杯作為容器盛裝1 000 mL待測試樣并加熱，待樣品溫度和探頭溫度達(dá)到試驗要求溫度時進(jìn)行后續(xù)測試。試驗要求溫度為90 ℃，對應(yīng)冷卻液的實際使用溫度；探頭的試驗要求溫度為450 ℃，對應(yīng)冷卻液的使用溫度上限值。每種冷卻液樣品進(jìn)行3次平行試驗測定，以確保準(zhǔn)確度和可重復(fù)性。測試時，使用恒溫電加熱器確保冷卻液溫度始終維持在實際使用溫度，將探頭豎直插入盛有冷卻液的燒杯中，利用實時測量系統(tǒng)輸出探頭在冷卻液樣品中冷卻的實時溫度，經(jīng)過處理后得到冷速-時間曲線。

試驗結(jié)束后，通過分析溫度-時間曲線，得到探頭在不同冷卻液中冷卻時探頭溫度達(dá)到T=200 ℃時所對應(yīng)的時間，同時分析冷速-時間曲線得到冷卻過程中探頭的最大冷速，不同類型的冷卻液在高溫沸騰狀態(tài)下對探頭的冷卻性能。探頭溫度達(dá)到T=200 ℃時所對應(yīng)的時間越短、冷卻過程中探頭的最大冷速越大，冷卻液在高溫沸騰狀態(tài)下對探頭的冷卻性能越好。

為了比較不同添加劑配方類型冷卻液的冷卻效果，先選取非離子型冷卻液A、混合型冷卻液C和離子型冷卻液E共3種不同添加劑配方類型的冷卻液和無任何添加劑的樣品G進(jìn)行冷速試驗測試，從而比較其冷卻性能。為了比較不同添加劑含量對冷卻液冷卻性能的影響，選取非離子型冷卻液A和B、混合型冷卻液C和D以及離子型冷卻液E和F共6種不同添加劑含量的冷卻液進(jìn)行冷速試驗，從而得出冷卻液添加劑含量與冷卻性能之間的關(guān)系。

3 試驗結(jié)果

3.1 不同添加劑類型冷卻液的冷卻性能

對冷卻液A、C、E和50%乙二醇水溶液G進(jìn)行冷卻性能測試，測試結(jié)果如圖2、圖3、表2所示。

從表2中可以看出，針對冷卻液A、C、E和50%乙二醇水溶液G，冷卻過程中探頭溫度達(dá)到200 ℃時所需的時間由長到短依次為Egt;Ggt;Cgt;A，冷卻過程中探頭的最大冷速由快到慢依次為Agt;Cgt;Ggt;E。其中冷卻液A所需的時間最短，為6.1 s，且最大冷速最大，為60 ℃/s，因此冷卻液A的冷卻性能最好；冷卻液E所需的時間最長，為22.9 s，且最大冷速最小，為37 ℃/s，因此冷卻液E的冷卻性能最差。

綜上所述，不同添加劑配方類型的冷卻液冷卻性能不同，非離子型冷卻液冷卻性能最優(yōu)，其次是混合型冷卻液和50%乙二醇水溶液，離子型冷卻液的冷卻性能最差。

3.2 不同添加劑含量類型冷卻液的冷卻性能

對A、B、C、D、E、F共6種不同添加劑含量的冷卻液進(jìn)行測試。由表1可以看出，離子型冷卻液的添加劑含量最高，非離子型冷卻液的含量最低。

如圖4所示，冷卻液冷卻曲線分為3個階段，分別是蒸汽膜階段（ab段）、沸騰階段（bc段）和對流冷卻階段（cd段）[7]。本文討論的沸騰傳熱狀態(tài)對應(yīng)前2個階段，即ab段、bc段。影響ab段、bc段液體傳熱的因素有很多，包括比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)以及蒸汽壓等。由于上述溶液冰點基本相同，且均以乙二醇和水為基液，表明乙二醇濃度相近，比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)基本相同，因此主要影響因素為液體的蒸汽壓[8]。

對A、B、C、D、E、F共6種不同添加劑含量的冷卻液進(jìn)行冷卻性能測試，測試結(jié)果，如圖5～圖8所示為不同添加劑含量樣品的溫度-時間曲線，如圖6所示。

從圖7中可以看出，冷卻過程中探頭溫度達(dá)到200 ℃時所需的時間由短到長依次為Alt;Blt;Clt;Dlt;Glt;Elt;F。由圖8可知，隨著樣品添加劑含量的增大，冷卻過程中樣品的最大冷速整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，由快到慢依次為Agt;Cgt;Dgt;Bgt;Ggt;Egt;F。A所需的冷卻時間最短，為6.1 s，且最大冷速最大，為60 ℃/s；F所需的冷卻時間最長，為26.8 s，且最大冷速最小，為35 ℃/s。同時由圖5可以看出，隨著添加劑含量的增大，6種冷卻液樣品蒸汽膜階段的持續(xù)時間逐漸增長，沸騰階段的起始溫度逐漸降低，二者都不利于冷卻液對探頭的冷卻。

綜上，對于含有添加劑的冷卻液，添加劑的含量越低，冷卻液的冷卻性能越好。

根據(jù)拉烏爾定律，與純?nèi)軇┫啾?，溶質(zhì)含量越高，溶液的蒸汽壓越低。較低添加劑含量的冷卻液蒸汽壓大，容易蒸發(fā)形成氣泡，不僅縮短了蒸汽膜階段的持續(xù)時間，還使冷卻液提早進(jìn)入沸騰階段。液體與探頭表面直接接觸并不斷汽化，同時利用氣泡帶走熱量，由于沸騰階段有較高的傳熱系數(shù)，因此冷卻液的冷卻性能好。

由表1的樣品添加劑含量關(guān)系和圖7冷卻時間與樣品添加劑含量關(guān)系可直觀看出，由于低的添加劑含量，非離子型冷卻液的冷卻性能最優(yōu)；離子型冷卻液由于高的添加劑含量導(dǎo)致其冷卻性能較50%乙二醇水溶液有所下降。表3所示為探頭在B、D、F這3種不同添加劑含量樣品中冷卻時，探頭溫度達(dá)到T=200 ℃時所對應(yīng)的時間以及冷卻過程中探頭的最大冷速。

[表3 不同樣品的冷卻時間和最大冷速 樣品編號 冷卻時間/s 最大冷速

/℃·s-1 B 10.6 44 D 14.2 55 F 26.8 35 ]

4 結(jié)束語

本文通過冷速試驗對比了不同冷卻液的冷卻性能，結(jié)果顯示，所選冷卻液樣品中非離子型冷卻液的冷卻性能最好，其次是混合型冷卻液，離子型冷卻液的冷卻性能最差。對于含有添加劑的冷卻液，添加劑的含量越低，冷卻液可由蒸汽膜階段更早進(jìn)入沸騰階段，冷卻液的冷卻性能越好。由于添加劑含量低，非離子型冷卻液的冷卻性能最優(yōu)；離子型冷卻液由于高的添加劑含量導(dǎo)致其冷卻性能較50%乙二醇水溶液有所下降。

為滿足更高熱負(fù)荷的發(fā)動機(jī)開發(fā)需求，需要提高冷卻液在沸騰狀態(tài)下的冷卻性能，即在滿足抗腐蝕性要求前提下，開發(fā)非離子型低添加劑含量冷卻液。

參考文獻(xiàn)：

[1] 成曉北， 潘立， 鞠洪玲. 現(xiàn)代車用發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 車用發(fā)動機(jī)， 2008（1）： 1-7.

[2] 陸辰起， 楊春浩， 劉瑞林. 車用柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)研究發(fā)展與展望[J].內(nèi)燃機(jī)與配件， 2019（13）： 10-14.

[3] 王銀， 歐陽光耀， 劉琦， 等. 基于Chen模型的缸蓋冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱研究[J]. 柴油機(jī)， 2015， 37（4）： 28-32.

[4] 張俊紅， 趙永歡， 徐喆軒， 等. 發(fā)動機(jī)水套中沸騰傳熱的試驗與仿真研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2018， 39（1）： 42-48.

[5] 隋佳麗， 李新生， 肖桂勇， 等.淬火介質(zhì)表面換熱系數(shù)的計算方法與應(yīng)用[J]. 熱加工工藝， 2023， 52（14）： 137-141.

[6] 曾廣益， 劉為民. 用不同方法測定的淬火油冷卻性能的數(shù)字化[J]. 熱處理， 2022， 37（1）： 24-27.

[7] 黃華. 淬火介質(zhì)冷卻性能的研究[D]. 大連： 大連交通大學(xué)， 2012.

[8] 向紅林， 杜巍. 冷卻液物性參數(shù)對柴油機(jī)缸蓋冷卻性能的影響[J]. 車用發(fā)動機(jī)， 2024（1）： 28-36.