散热器计算

－1－CA1030P90配490发动机散热器的计算一汽红塔云南汽车制造有限公司产品开发部张稳成摘要：本文介绍了汽车散热器的传热原理、构造以及散热器的计算、校核。关健词：散热器．计算．校核1.概述散热器是水冷式发动机冷却系统中的一个重要组成部分。发动机工作时，与高温燃气相接触的零件受到强烈加热，散热器散热能力过小将引起发动机过热，使零件的强度和刚度下降，正常的配合间隙被破坏、机油变质、发动机充气系数下将、燃烧不正常，引起发动机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。反之如果散热能力过强，将使发动机过冷，导致经济性变坏，加剧活塞、缸套的磨损、从而导致发动机使用寿命下降。因此发动机冷却系统的功用，一方面要对发动机进行强制冷却，另一方面又要保持适当高的介质温度，以获得较高的发动机经济性能指标。此外，要满足这些要求，除散热器本身以外，还取决于冷却系中其它零部件的性能以及其匹配性能。2.散热器的传热原理汽车散热器是用于两种流体间热交换的，一种流体是空气，另一种流体是冷却液。发动机燃料燃烧时发出的热量有一部份传给冷却液，经由紧贴在水管内壁的冷却边界层（简称液膜）、散热器的金属壁（包括水管和散热片）、紧贴在金属壁外表面的冷却空气边界层（简称气膜），再传到大气中。管片式散热器的传热示意图如图1所示。散热器的传热途经：冷却液—液膜—散热器的金属壁（包括水管和散热片）—气膜—大气。以金属导电为例，导电率等于电阻倒数，而串联的总电阻等于各个电阻之和。散热器的传热情况也一样，全部热阻等于水管内壁冷却液边界层热阻、金属材料本身热阻及水管外面冷却空气边界层热阻之和，而热阻的倒数即散热系数。可用下式表示：总热阻=液侧热阻（液膜热阻）+管壁材料热阻+气侧热阻(气膜热阻与散热片材料热阻)根据试验可知，以总热阻为100％，则各项热阻分配约为：液膜热阻占10％，管壁材料热阻占1％，气膜热阻占80.1％，散热片材料热阻占8.9％。因此，热量在由冷却液传到大气的整个过程中，对传热起主要阻碍作用的是散热片表面冷却空气边界层热阻，其次是水管内壁冷却液边界层热阻，而金属材料的热阻由于其绝对数值很小，对散热系数K值影响很小，一般在计算中常略去不计。－2－3.散热器的构造对于强制循环式水冷用散热器分为直流型和横流型。直流型散热器的构造如图2所示。散热器芯子的通水方向是沿水管自上而下。横流型散热器的构造如图3所示。这种散热器是在六十年代初随小客车的飞速发展而出现的，此散热器用左右两侧水室代替了传统的上下水室结构，使冷却水从右到左流动。横流型散热器可以使发动机罩高度降低，加大视野；芯子正面面积增加10％，从而加大风扇尺寸，增大迎风面积，使气流更为通畅。为了弥补横流型散热器贮水量不足,特意在上水室附近设置膨胀罐。装有膨胀罐的横流型转子发动机冷却系统如图4。4.散热器选型及计算4．1散热器选型1999年我单位进行CA1030P90系列车的开发,散热器选用直流型管带式散热器。4．2散热器计算4.2.1确定冷却系散热量和水循环量。4.2.1.1冷却系散热量Qw受许多因素的影响，很难精确计算。精确的Qw值应该通过样机的热平衡试验确定，初步估算，可以用经验公式：Qw=qNe(kJ/s)式中：Ne—发动机标定功率，Ne=45.6(kW)q—比散热量(kJ/kWs)汽油机q=0.85～1.10柴油机q=0.6～0.75，直接喷射式可取较小值，预燃室和涡流室可取较大值；增压柴油机q=0.5～0.60。取q=0.675(kJ/kWs)－3－则Qw=0.675×45.6≈30.78(kJ/s)4.2.1.2冷却水的循环量Vw可根据散入冷却系统中的热量算出：Vw=Qw/Δtwγwcw(m3/s)式中：△tw—冷却水在发动机中循环时的容许温升，Δtw=4～12°C，取Δtw=4°Cγw—水的密度，γw=1000(kg/m3)cw—水的比热，cw=4.187kJ/(kg°C)则Vw=30.78/(4×1000×4.187)≈1.838×10-3(m3/s)4.2.2计算冷却空气需要量Va，一般可根据散热器的散热量确定（散热器的散热量等于冷却系的散热量Qw）。Va=Qw/Δtaγacp(m3/s)式中：Δta—空气进入散热器前与通过散热器后的温度差，Δta=10～30°C，取Δta=20°Cγa—空气的密度，γa=1.01(kg/m3)cp—空气定压比热，cp=1.047kJ/(kg°C)则Va=30.78/(20X1.01X1.047)≈1.485(m3/s)4.2.3散热器正面积FRFR=Va/υa(m2)式中:υa—散热器正面空气流速，矿用车为8m/s，载货汽车为8～10m/s，轿车10～15m/s，取υa=9m/s。则FR=1.485/9≈0.165(m2)即可由总布置确定散热器的外形具体尺寸如图5－4－4.2.4散热器的水管数i=Vw/υwf0式中:υw—水在散热器水管中的流速为0.6～0.8m/s，取υw=0.7m/sf0—每根水管的横断面积（m2）则i=1.838×10-3/(0.7×25×10-6)≈1054.2.5确定传热系数KR在选好一定形式散热器后，并从散热器特性曲线（见图7～9）上寻求相应的υw、υa条件下的KR值，通常KR为0.069～0.117kJ/(m2s°C)，取KR=0.093。4.2.6计算散热面积F=Qw/KRΔt（m2）式中：Δt—散热器中冷却水与空气的平均温差，Δt=twm—tam。冷却水平均温度twm－5－=tw1—Δtw/2：散热器进水温度tw1=90～95°C，取tw1=92.5°C;散热器冷却水进出口温度差Δtw=6～12°C，取Δtw=8°C。因此twm=88.5°C。冷却空气平均温度tam=ta1+Δta/2：散热器冷却空气进口温度ta1=40°C;冷却空气进口温度差Δta=10～30°C，取Δta=20°C。因此tam=50°C。所以Δt=38.5°C。则F=30.78/(0.093×38.5)≈8.60（m2）通常考虑到焊接不良、水垢、油泥等一系列因素，散热器实际选取的散热面积要F0比计算结果大一些。F0=βF（m2）式中：β—储备系数为1.1～1.15,取β=1.125则F0=1.125×8.6=9.68（m2）5.CA1030P90散热器散热面积校核5.1发动机最大扭矩时功率：N=(Mπn/30)×10-3(kw)式中：M—扭矩，M=156.8(N.M)n—转速，n=2240(r/min)则N=π×156.8×2240×10-3/30≈36.78(kw)5.2发动机单位时间需要散热器带走的热量为总热量的30％。Q散=30％Q总=30％Nｇeu油(J)式中：ｇe—柴油的热值，ｇe=42.5(MJ/kg)=42.5×106(J/kg)u油—发动机的耗油率，u油=265.2×10-3/3600(kg/kw.s)则Q散=30％×36.78×42.5X106×265.2×10-3/3600≈3.4552×104(J)5.3散热器空气带走的热量在最大扭矩工况时：车速v=πRn/30ii0(m/s)式中：i—变速器的速比i=2.832；i0—主减速比i=5.83；R—轮胎滚动半径，R=0.366m;－6－则v=π×0.366×2240/(30×2.832×5.83)≈5.82(m/s)单位时间内空气带走的热量:Q空气=85％FRvγacpΔta式中：Δta—空气进入散热器前与通过散热器后的温度差，Δta=45°Cγa—空气的密度，γa=1.01(kg/m3)cp—空气定压比热，cp=1047J/(kg°C)系数85％为空气通过散热器的阻力系数则Q空气=85％×0.165×5.2×1.01×1047×45≈3.47×104(J)6.结论经校核可知:在最大扭矩工况下单位时间散热器散出的热量略大于发动机需要散热器散出的热量。因此，此散热器的设计是合理的。[参考文献][1]汽车百科全书.编篡委员会主编.机械工业出版社.1989年[2]杨家骐.汽车散热器.人民交通出版社.1982年[3][苏]M.C.霍瓦赫.汽车发动机.人民交通出版社.1983年[4][美]W.H.克劳斯D.L.安格林.汽车燃油系、润滑系和冷却冷系.机械工业出版社.1988年