王鵬
摘 要:散熱器是軌道特種車輛乃至整個汽車行業(yè)重要附件,其性能的好壞直接影響發(fā)動機的散熱效果及其動力性、經(jīng)濟性和可靠性,乃至產(chǎn)生安全問題。
關(guān)鍵詞:關(guān)鍵詞:散熱器;芯部;上貯水箱;下貯水箱;管帶;冷卻管
1 概述
散熱器是軌道特種車輛乃至整個汽車行業(yè)重要附件,是水冷式內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)中不可缺少的一個組成部分,它的正常工作,保證了發(fā)動機乃至整個車輛的工作效率和可靠性。當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)時,機體內(nèi)部最高溫度可達1800 ℃~2000 ℃,與高溫燃?xì)庀噙B的零件受到強烈的加熱,如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s,機內(nèi)溫度太高會導(dǎo)致發(fā)動機充氣系數(shù)下降,燃燒不正常,如爆燃、早燃等不良現(xiàn)象,機油變質(zhì),零件摩擦加劇,從而引起發(fā)動機性能的全面惡化。散熱器的作用是將發(fā)動機水套內(nèi)冷卻液所攜帶的多余熱量經(jīng)過二次熱交換,在外界強制氣流的作用下,將多余的熱量散發(fā)到空氣中[1]。因此,散熱器性能的好壞直接影響發(fā)動機的散熱效果及其動力性、經(jīng)濟性和可靠性,乃至產(chǎn)生安全問題。
2 散熱器的設(shè)計
散熱器的設(shè)計以符合發(fā)動機在正常工作范圍內(nèi)散熱量而設(shè)計,同時,滿足車輛安裝需求的最小空間和維護方便等內(nèi)容綜合考慮。
2.1 散熱器的設(shè)計要求
散熱能力滿足發(fā)動機在各種工況下的需要;冷卻系統(tǒng)消耗功率小,且熱機快;體積小,重量輕,便于拆裝維修;使用可靠,壽命長,制造成本低。
2.2 散熱器的結(jié)構(gòu)
散熱器俗稱水箱,它主要由上貯水箱、下貯水箱、散熱器芯和護風(fēng)圈組成,此外還有上下進出水口、放水口、放氣孔和補水口等[2]。
2.2.1 散熱器的結(jié)構(gòu)形式 強制循環(huán)式水冷用散熱器可分為直流型和橫流型。直流型在特種軌道車輛發(fā)動機上使用極為廣泛。。但是由于它的散熱芯子垂直布置,芯子上下分別布置了上、下水室,高度尺寸較大,在發(fā)動機罩蓋較低的轎車上布置比較困難。所以有些轎車上采用橫流型。
2.2.2 散熱器芯子的結(jié)構(gòu)形式 散熱器芯子是散熱器的核心部分,起主要的散熱作用,由散熱管、散熱片(或散熱帶)、上下主片等組成,用極薄的導(dǎo)熱性能好的金屬及其合金制造,能使其以最小的質(zhì)量和尺寸達到最高的散熱效果[3]。
2.3 理論依據(jù)及計算
2.3.1 散入冷卻系統(tǒng)的熱量
Qw受許多復(fù)雜因素的影響,很難精確計算,可用下列經(jīng)驗公式估算:
Qw=A ge Pe hu / 3600,kj/s ⑴
A-燃料熱能傳給冷卻系的分?jǐn)?shù),取同類機型的統(tǒng)計量,
ge-燃料消耗率,kg/kw.h;汽油機0.205~0.320 取0.25
Pe-發(fā)動機有效功率,
hu-燃料低熱值,一般取43100 kj/kg
若水冷式機油散熱器,要增加散熱量,Qw增大5%~10%.
2.3.2 冷卻水的循環(huán)量
Vw= Qw/△TwγwCw,m3/s ⑵
Δtw-冷卻水循環(huán)的容許溫升(6°~12°),取8°
rw-水的密度,(1000 kg/m3)
Cw-水比熱(4.187 kJ/kg.℃)
考慮到冷卻液在各管道中的沿程阻力,實際冷卻水循環(huán)量為Vp=1.2Vw
2.3.3 冷卻空氣的需要量Va
Va一般根據(jù)散熱器的散熱量來確定,散熱量可近似等于散入冷卻系統(tǒng)的熱量Qw。
Va= Qw/△taγaCpa,m3/s ⑶
Δta-散熱器前后流動空氣的溫度差,取20℃
ra-空氣密度,一般ra取1.01 kg/m3
Cpa-空氣的定壓比熱,可取Cpa=1.047 kJ/kg.℃
2.3.4 散熱器所需的散熱面積F
已知散熱器散發(fā)的熱量后,所需散熱面積F可由下式計算:
K-散熱器的傳熱系數(shù)千卡/米2.小時
-散熱器貯備系數(shù),水垢及油泥影響等,一般 = 1.1~1.5,取1.1
Δtm-冷卻水與空氣的平均溫差,取26°
散熱器的不同部位,其冷卻水與空氣溫差不同,通常采用平均溫差,
平均溫差Δtm可由下列式計算:
—散熱器進水溫度,取 90° —散熱器出水溫度,取
—空氣進入散熱器時的溫度,取20°
—空氣離開散熱器時的溫度,取40°
αw—從冷卻水到散熱器壁的放熱系數(shù),當(dāng)冷卻水流速為0.2~0.6 m/s時,αw約為2000~3500千卡/米2.小時.℃,取3500。
—散熱管導(dǎo)熱系數(shù),純鋁導(dǎo)熱系數(shù)為230W/m.k,換算為197.8千卡/米2.小時.℃
δα—散熱管壁厚,0.0002 m
αL—散熱管到空氣的散熱系數(shù),當(dāng)流過散熱管的空氣流速為10~20m/s時,αL=60~105千卡/米2.小時.℃,取105。
3 散熱器材料的選擇
在選擇散熱器的材料時,主要考慮以下幾點:傳熱性能好、抗腐蝕能力強、具有足夠的強度、有良好的釬焊性能、易于加工成型及好的經(jīng)濟性。根據(jù)以上要求,散熱器行業(yè)一直以銅及銅合金作為制造主要材料。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展,對于散熱器行業(yè)來說,要提高材料的利用率,減少銅的消耗,尋找替代材料,如鋁、鋅、鐵等。由于鋁資源較銅豐富,且比重僅為銅的1/3,具有質(zhì)量輕、散熱性能高、原材料成本低、可靠性好、鑄造加工性能良好等優(yōu)點。但其焊接工藝性差、生產(chǎn)設(shè)備投入大,限制了鋁散熱器的廣泛應(yīng)用。直到20世紀(jì)80年代,美國采用釬焊工藝制造鋁散熱器取得成功后,使其規(guī)?;a(chǎn)和應(yīng)用成為可能。鋁制散熱器目前已在特種軌道車輛上廣泛使用。
參考文獻:
[1]楊萬福.發(fā)動機原理與汽車性能.北京:高等教育出版社,2004.
[2]陸新儉,張翼,蘇鐵熊.發(fā)動機冷卻系管路熱交換研究.機械管理開發(fā),2007.
[3]張杰.簡述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計及散熱量計算.裝備制造技術(shù),2004.■endprint