2017毕业论文-增压柴油机中冷器设计及CFD模拟优化.doc

摘要 I 摘要 本文阐述了增压中冷系统对改善现代柴油机排放、动力性等方面的重要 意义。突出介绍中冷器对增压中冷系统的重要作用并介绍了中冷器作为换热 器的发展过程。 介绍了高效换热器、板翅式换热器结构原理。对已知增压 发动机估算出增压后空气流量、温度及理论增压比，计算出了增压空气的进 口流量及进口温度。然后再根据风扇所产生的冷空气流量，环境温度及中冷 器出口温度，计算出中冷器需要散失的热量，最后确定中冷器的传热系数， 并对压力损失、增压温度、散热面积进行校核。利用CAD 软件做出设计 好的中冷器零件图。 利用 CFD 商业软件 FLUENT 对该中冷器进行建模、网格划分、模拟计 算和结果分析，最后确定中冷器优化的方向及优化措施。 关键词：增压中冷 中冷器 CFD 技术 柴油机 ABSTRACT II ABSTRACT This paper describes the significance of turbocharged inter-cooling system for improving the dynamic property、emission performance of modern diesel engine. First of all, we focus on the important role of inter-cooler for turbocharging system, and introduce the development of it as a exchanger. Highly efficiet heat exchangers, the principle and structure of plate-fin heat exchangers are described by the article in this thesis. Through the application of JTK estimation method, air flow, temperature and the theoretical pressure ratio of the known turbocharged engine are estimated, calculating the air inlet flow rate and inlet air temperature for the follow-up design. Then according to the flow of the cold air generated by the fan ,the ambient temperature and the outlet temperature ,the heat dissipation of the inter-cooler is calculated ;finally,determining the heat transmission coefficient of the intercooler,and checking the pressure loss,boosted temperturre,radiating area. Using the CAD software to draw the optimized parts and assembly of the designed inter-cooler . Finally，We use commercial CFD software named FLUENT to model、mesh、simulated and analysize this cooler.And use the traditional theory methord of the cooler design to verify the result from FLUENT simulation . KeywordsKeywords: : intercooler turbocharged CFD diesel engine 目录 III 摘 要 . ABSTRACT. 目 录 . 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 课题的目的和意义1 1.2 国内外研究现状及发展方向.2 1.3 本课题的提出.3 1.4 本课题的主要工作.4 第二章 柴油机中冷器简介.5 2.1 柴油机中冷器的类型结构5 2.1.1 柴油机中冷器的类型 .5 2.1.2 柴油机中冷器的结构 .6 2.2 柴油机中冷器的选型原则 13 第三章 柴油机中冷器的设计计算 14 3.1 柴油发动机中冷器选型 14 3.1.1 发动机基本参数及环境参数 .15 3.1.2 中冷器型式选择 15 3.2 原始参数 18 3.3 几何结构尺寸确定和计算. 19 3.4 传热系数计算. 20 3.5 用对数平均温差法校核散热面积. 21 3.6 用效率传热单元数(NTU)法校核增压温度 21 3.7 压力校核. 22 3.8 中冷器外部结构确定 22 3.8.1 冷空气和增压空气封条 22 3.8.2 平板 23 3.8.3 导流片 23 3.8.4 增压空气封头 .24 3.8.5 增压空气封头接管 24 3.8.6 中冷器芯子装配图 24 3.8.7 中冷器连接 .25 目录 IV 第四章 CFD 技术现状及应用 26 4.1 CFD 技术介绍 26 4.1.1 CFD 技术的发展现状 .26 4.1.2 CFD 技术的特点 .27 4.1.3 CFD 技术的分支 .27 4.2 CFD 技术的应用. 27 4.2.1 CFD 软件的结构 .27 4.2.2 CFD 的应用范围 .27 4.3 CFD 技术在内燃机领域的应用 27 4.4 CFD 技术在换热器方面的应用 29 第五章 柴油机中冷器的 CFD 模拟优化. 30 5.1 CFD 技术在管翅式换热器设计开发方面的优越性 30 5.2 管翅式中冷器的 CFD 设计 31 5.2.1 中冷器的建模 32 5.2.2 网格划分 32 5.2.3 边界条件设定 33 5.2.4 FLUENT 模拟计算 33 5.3 结果分析 34 5.4 中冷器优化 .36 全文总结 39 参考文献 40 致谢及声明 41 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题背景 进入到 21 世纪，伴随着能源危机和环保意识的加强、环保法规的日益严格， 人们在追求发动机动力性和经济性的同时，也加强了对发动机排放性能的改进 和要求。鉴于内燃机的社会保有量不断增加，其排放危机人类身体健康越来越 受到人们的关注。就民用汽车而言，93 年神会保有量 810 万辆，2000 年猛增至 1870 万辆，2010 年已达到 8000 万辆。因此在人口十分密集的城市，汽车排放 对人类将带来很大危害。世界各国相继推出日益严格的的排放法规来控制汽车 尾气对大气环境的污染，特别哥本哈根会议之后，对汽车排放要求更加严格。 为了满足最新的排放法规要求，是发动机能够降低排放污染物，人们提出了多 种方案。而其中涡轮增压器加器（即增压中冷系统）的方案可以在提高发动机 功率的同时，能够以显著的降低 CH、CO、NOx 和碳烟颗粒等污染物来满足日益 严格的环保法规的特点日益得到人们的认可。 对于增压柴油机当增压压力较高时往往需要对进气进行冷却，因为增压的 作用在于提高发动机的进气密度，从而加大喷入的燃料以提高平均有效压力。 但随着增压比的增加，压气机出口空气温度也随之升高，因而在一定程度上限 制了充气密度的提高。所以中冷后进气温度对柴油机的燃烧过程及排放性能有 显著的影响。而且对进气进行增压还可以是柴油机在排量不变、质量增加不大 的情况下达到增大输出功率的目的，通过合理匹配设计，还可以有效地改善内 燃机的排放性能。但随着增压强度的增加，进气温度的显著升高阻碍了内燃机 性能的进一步改善。实验结果表明，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每 下降 10 摄氏度，它的密度约增大 3%，当空气燃烧消耗率都保持不变时，柴油 机输出功率可以提高 3%5%。不仅如此，柴油机效率也随着增压空气温度下降 而上升，同时还能降低排放中的污染物，改善发动机的低速性能。因此，增压 柴油机中通常采用中间冷却技术(以下简称中冷技术)。它不但可以提高发动机 的功率，而且还可以降低发动机的热负荷和排气温度，用以达到降低增压柴油 机排放降低的目的。正是由于增压中冷系统的应用，柴油机在车用领域特别是 轻型车方面得到了越来越大的应用。正因如此，中冷器作为将增压后的空气在 进入气缸前进行冷却的装置，是增压柴油机正常运转不可缺少的一部分。对于 第一章 绪论 - 2 - 中冷器的结构设计，散热效率的研究及其研究方法成为一个十分重要的课题。 柴油机中冷器的设计要求主要是： 1、 结构简单、紧凑； 2、 工作可靠、成本低； 3、 提高中冷器的换热能力； 4、 减少中冷器的流动阻力，以减少中冷器的动力损失。 而以上目标和要求有时是相互影响和制约的。因此我们在设计中冷器之前， 必须首先要明确要达到的主要目标和任务，然后通过选择、比较确定一种合适 的方案。在研究、设计过程中，应用 CFD（Computational fluid dynamics） 技术虚拟设计、计算中冷器的流通特性和换热效果，并进行仿真分析，将为今 后的中冷器开发、设计寻找出一种切实可行的方法。 1.2 国内、外中冷器研究的现状及发展动向 柴油机中冷器作为换热器的一种，它自身的发展与换热器的发展过程密切 相关。而换热元件是换热器的核心部件，换热元件最初使用光管，其加工容易。 其在换热器油冷器、淡水冷却器等方面取得了广泛的应用。随着强化传热技术 的发展，椭圆管等随之出现，但其管内、外散热面积相差很小，对散热系数相 差很大的两种液体间的换热很不适应。与此同时，扩展表面强化传热得到了长 足的发展。由于对紧凑度方面的要求越来越高，使得管片式换热器在水箱、中 冷器等方面得到了较快的发展和广泛的应用，并且一直方兴未艾。 德国的 GEA 公司在异型管方面享有世界盛誉。但是，由于异型管加工工艺 复杂、成本高，在加工过程中与端板连接多次发生变形，使得其强度受到影响。 同时，散热片和管之间的间隙会产生较大的热阻，严重影响了换热效率。即使 采用了锡焊工艺，也经常会在使用过程中出现锡焊脱落的情况，尤其是在振动 出现的场合，更会影响其使用寿命。因此在近几年来柴油机中冷器出现了新的 变化趋势。 美国 WHT 公司采用圆管内外表面绕翅片并采用镍粉、铅焊等技术用以构成 管、片一体的强化传热元件。这种元件的结构各式各样，翅片由 L 型、双 L 型、双向翅片管等。根部采用嵌入式及焊接固定方式，管和片的材料一般为碳 钢、不锈钢、铝、铜等。管径 6152mm，管长最长可达 14m，片厚 0.2-3.0mm,片 高一般为 1.27-38mm。这种元件可在高温下使用，具有抗震、传热性好的特点， 它可单独或同时强化管内、外的换热，因而可以对两种换热系数接近的或相差 第一章 绪论 - 3 - 较大的场合进行强化传热。 “C”管式换热元件是由日本日立电线厂首先开发，它是目前世界上最先进 的高效换热管之一。 “C”型管有锯齿状的齿型，使各方的液膜都被刺破，容易 使其形成小液珠滴落，它近似于滴状冷凝，其传递的热量比膜状冷凝要大 2-20 倍。日历电线厂在“C”管的基础上，又发展了“CC”管等高效冷却元件。 “CC”管与“C”管的不同之处在于多滚了一次波纹，而波纹的作用是使流经管 内的液体呈现混流状态，避免了层流，更有利于带走热量。 目前换热器中流行的板翅式换热元件最早出现于二十世纪三十年代，半个 多世纪以来发展比较迅速，尤其是在美国、日本、前苏联、英国、德国等国家， 相关研究和制造工作开展的比较早，也比较多，因而相对更成熟些。由这种冷 却元件构成的中冷器具有传热效率高、结构紧凑、轻巧牢固、适应性强及经济 性好等优点，以广泛应用于各个领域。 冷轧肋片管是由俄罗斯冶金研究院和中央柴油机设计院等单位研制并用于 内燃机换热设备的一种高效换热元件。这种冷轧肋片管已统一肋片标准，使之 趋于通用化、系列化，并缩小了各种换热装置的尺寸。采用冷轧肋片作换热元 件的换热器所获得的有益技术性能，可以与其类似的装置特性对比来进一步验 证。 换热元件在我国也经历了一个由光管到异型管，再到强化传热管的发展过 程，在近些年来，我国除了自己研发外，也在不断的引进国外先进的技术，加 以消化吸收，来提高国内换热器产品质量。 在我国对翅片管冷却元件的研究开始于二十世纪六十年代初，至今在空分、 石油化工、航空、车辆船舶、动力和电厂等方面都有了比较广泛的应用。增强 换热器传热能力的主要途径有：扩展传热面积，提高设备单位体积的传热面； 改善表面形状和粗糙度；兼顾整个热力系统能量合理应用的情况下，加大传热 温差；减少传热热阻；选择最佳的流速，提高湍流脉动程度；在管内外安放小 的插入物，在管内加旋转流动装置等以增强扰动。 综合来看目前热交换器发展的总体趋势是：进一步提高紧凑度，降低耗材， 提高传热效率。传热管元件出现了多样化形式，例如低翅片或低肋螺纹管，绕 带或焊接的纵向翅片管；管内外表面呈波纹型的螺旋波纹管，多头螺纹管，多 孔管，L 型翅片管，锯齿状翅片管等。 这些年来高效率换热元件虽有新的发展，但尚有不少新的工作要做，目前 发展动向主要表现是： 1、 进一步开发新的高效换热元件，以适应不同领域各种场合的需要； 第一章 绪论 - 4 - 2、 对现有换热元件进一步采用传热强化措施，使其换热特性更好的满足 不 同换热的需求； 3、 对正在开发推广应用的热交换器进行深入研究，优化结构，缩小体积, 减轻重量，节省金属，改善工艺，以期进一步提高换热效果，满足社会的广需 要； 4、 采用目前流行的计算机虚拟仿真技术（CFD） ，对换热器进行设计和研 究。 1.3 本课题的提出 中冷器作为增压柴油机不可缺少的一部分，对柴油机的进气进行冷却，与 涡轮增压器配合共同构成增压中冷系统。而增压中冷系统对柴油机的动力性、 经济性和降低排放污染物具有巨大的贡献。在当今能源紧缺、注重环保的大前 提下，对柴油机中冷器的优化设计及其与柴油机的匹配研究就显得十分重要。 1.4 本课题的主要工作 1、对柴油机增压中冷技术的应用背景、现状进行阐述； 2、介绍 CFD 技术的发展现状及在柴油机开发设计中的应用； 3、利用传统方法对中冷器进行设计计算； 4、利用 FLUENT 软件对中冷器进行仿真设计、计算； 5、FLUENT 计算结果进行分析； 6、对中冷器提出优化措施。 第二章 柴油机中冷器简介 - 5 - 第二章 柴油机中冷器简介 柴油机中冷器本质上是热交换器的一种。它作为增压柴油机不可缺少的部 分，对从增压器流出的压缩空气进行冷却，进而提高进入柴油机的新鲜空气的 密度，增大柴油机的进气量，提高柴油机的功率，降低污染物的排放。在实际 应用中，其类型和结构差别很大。 2.1 柴油机中冷器的类型、结构 2.1.1 柴油机中冷器的类型 柴油机中冷器的类型有很多分类，目前增压柴油机的中冷器大都采用错流 外冷间壁式冷却方式。我们根据其冷却介质的不同，有水冷式和风冷式中冷器 两大类10。 1、水冷式中冷器 水冷式中冷器就是用冷却水来冷却热的压缩空气，水冷式冷却的中冷器根 据冷却水系的不同我们可以分为两种方式。 （1）柴油机冷却系的冷却水冷却 增压柴油机采用这种冷却方式不需要另设水路，结构非常简单。柴油机冷 却水的温度较高，在低负荷时可对增压空气进行加热，有利于提高低负荷时的 燃烧性能；但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差。因此，这种方式只能用 于增压度不大的增压中冷柴油机中。 （2）柴油机两套独立的冷却水冷却 这种柴油机中冷系统有两套独立的冷却水系，高温冷却水系用来冷却发动 机，低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器的冷却。这种冷却方式冷却效 果最好，因此在内燃机车用、船用和固定用途柴油机中普遍应用。 2、风冷式中冷器 风冷式中冷器是利用自然空气作为冷却介质来冷却热的压缩空气。风冷式 冷却中冷器根据驱动冷却风扇的动力不同分为以下两种方式。 （1） 用柴油机曲轴驱动风扇 这种方式适用于汽车用柴油机，把中冷器设置在冷却水箱前面，用柴油机 曲轴驱动冷却风扇和汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。车用发动机的 第二章 柴油机中冷器简介 - 6 - 中冷器普遍采用这种方式。但是在低负荷时易出现过冷现象。 （2） 压缩空气涡轮驱动风扇 压缩空气涡轮驱动风扇这种中冷系统由压气机分出一小股气流驱动一个涡 轮，用涡轮带动风扇冷却中冷器，由于驱动涡轮的气流流量有限，涡轮做功较 少，风扇提供的冷却风量较少，显然其冷却效果较差。由于增压压力随负荷变 化，因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化，低负荷时风量小，高负荷时 风量大，有利于兼顾不同的负荷时的燃烧性能。且其尺寸小，在车上也安装方 便。 2.1.2 柴油机中冷器的结构 1、水冷式中冷器的结构 目前普遍使用的水冷式中冷器是采用管式结构。近几年由俄罗斯引进技术 的冷轧翅片管式中冷器由于具有使用可靠性、传热系数大等的优点，也开始受 到重视。在柴油机增压中冷系统同得到了很大的认可和应用。 （1） 管片式中冷器 管片式中冷器是在许多水管上套上一层层的散热片，经锡铅焊焊接在一起。 冷却水管和散热片采用紫铜或黄铜制造。水管的排列有叉排和顺排两种，水管 截面的形状有圆形、椭圆形、扁管形、滴形和流线型等。其中圆管工艺性和可 靠性较好，但空气的流通阻力较大，使空气压力损失较大。滴形和流线形管虽 然空气阻力较少，但由于工艺性和可靠性差，目前很少使用。椭圆管与圆管和 扁管相比，具有较高的传热系数和较少的空气阻力，其工艺性和可靠性不及圆 管但优于扁管。 （2） 冷轧翅片管式中冷器 冷轧翅片管是由单金属管或内硬外软的双金属管在专用扎机上扎制而成。 通常，单金属管用紫铜或铝；双金属管的内管用黄铜，外管用铝。双金属管在 扎制过程中使用两种金属牢固的贴合在一起，几乎没有间隙，即使在长期振动 工作条件下也不会脱开，将翅片管用涨管法固定在端板上。整个加工过程不用 焊接，不存在虚焊和长期振动工作后的脱焊现象。因此，冷轧翅片管中冷器的 主要优点就是接触热阻少，传热系数高，工作可靠性好。其缺点是在同样体积 下冷却表面积较少，空气阻力损失较大。 2、风冷式中冷器结构 风冷式中冷器是用环境空气来冷却增压后的高温空气，由于热侧和冷侧换 第二章 柴油机中冷器简介 - 7 - 热介质均为空气，两侧的对流换热系数在同一数量级，因此两侧的换热面积应 大致相同，风冷式中冷器的结构有扁管式、翅片式和管翅式几种。扁管式中冷 器在扁管外围设有散热片，增压空气在管内流动，冷却空气在管外流动。由于 热气侧换热面积太小，使中冷器传热效率低，应用很少。应用较多的是板翅式 和管翅式中冷器两种型式。 （1） 板翅式中冷器 板翅式中冷器的结构是在厚 0.50.8mm 的薄金属板之间，钎焊由厚 0.10.3mm 的薄金属板制成的翅片，两端以测限制板封焊。因各层翅片方向互 错 90 度，两个不同方向的翅片分别形成了两种错流换热介质的通道。板翅式 中冷器大多用铜和硅和金制造，它的结构简单，传热面积大，效率高。 光直翅片换热系数和阻力损失都比较小，只用在对阻力要求特别严格的场 合。为了增强气流的扰动，破坏边界层以强化传热，可以采用锯齿翅片或多孔 翅片等翅片型式。其中锯齿翅片对促进流体的湍流，破坏热阻边界十分有效， 传热系数比光直翅片高 30%以上。大多数中冷器都采用锯齿形翅片。 （2） 管翅式中冷器 管翅式的结构是在板翅式结构的基础上发展而来，其热气侧通道是多孔的 成型管材。与板翅式相比，它的主要优势在热气侧。由于采用成型管材，简化 了工艺，避免了翅片和隔板之间的虚焊及工作振动中的脱焊所造成的接触热阻， 提高了传热效率和工作可靠性。其缺点是热气侧只能是光直的通道，难以采用 绕流措施。目前管翅式中冷器已得到了越来越多的应用。 （3） 风冷式中冷器的构造和工作原理（以板翅式为例）19 1）基本单元 图 2-1 板翅单元 1隔板；2翅片；3封条 第二章 柴油机中冷器简介 - 8 - 如图 2-1 所示，隔板、翅片及封条三部分构成了板翅式热交换器的结构基 本单元。冷、热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连 成一体的隔板进行热交换。因而，这样的结构基本单元体也就是进行热交换的 基本单元。将许多个这样的单元体根据流体流动方式的布置叠置起来，钎焊成 一体组成板翅式热交换器的板束或芯体。图 2-2 所示为常用的逆流、错逆、错 逆流板束。一般情况下，从强度、热绝缘和制造工艺等要求出发，板束顶部和 底部还各留有若干层假翅片层(又称强度层或工艺层)。在板束两端配置适当的 流体出入口封头，即可组成一台板翅式热交换器，如图 2-3。 图 2-2 不同流型的板束通道 1平板；2翅片；3封条；4分配段；5导流片；6封头；7板束； 8封头；9封头 图 2-3 板翅式热交换器 2）翅片的单元和形式 翅片是板翅式热交换器的最基本元件。冷热流体之间的热交换大部分通过 翅片，小部分直接通过隔板来进行。正常设计中，翅片传热面积大约为热交换 第二章 柴油机中冷器简介 - 9 - 器总传热面积的 6788。翅片与隔板之间的连接均为完善的钎焊，因此大 部分热量传给翅片，通过隔板并由翅片传给冷流体。由于翅片传热不像隔板那 样直接传热，故翅片又有“二次表面”之称。二次传热面一般比一次传热面的 传热效率低。但是如果没有这些基本的翅片就成了无波纹的最简易的平板式热 交换器了。美国加利福尼亚大学和埃姆兹航空实验室分别对没有翅片和有翅片 的热交换器进行试验证明，有翅片比没有翅片的热交换器体积减少了 18以上。 假如设计的翅片效率最低为 70时，其重量可减少 10。翅片除承担主要的传 热任务外，还起着两隔板之间的加强作用。尽管翅片和隔板材料都很薄，但由 此构成的单元体的强度很高，能承受较高的压力。 翅片的型式很多，如：平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、波纹翅片、钉状 翅片、百叶窗式翅片、片条翅片等。以下介绍其中的几种常用型式： 图 2-4 常用翅片类型 （a）平直翅片 （b）锯齿式翅片 （c）多孔翅片 （d）波纹翅片 平直翅片 又称光滑翅片，是最基本的一种翅片。图 2.4(a)所示为其中 的一种。它可由薄金属片滚轧(或冲压)而成。平直翅片的特点是有很长的带光 滑壁的长方形翅片，当流体在由此形成的流道中流动时、其传热特性和流动特 性与流体在长的圆管中的传热和流动特性相似。这种翅片的主要作用是扩大传 热面，但对于促进流体湍动的作用很少。相对于其他翅片，它的特点是换热系 数和阻力系数都比较小，所以宜用于要求较小的流体阻力而其自身传热性能又 较好(如液侧或发生相变)的场合。此外，翅片的强度要高于其他类型的翅片。 故在高原板翅式换热器中用得较多。 第二章 柴油机中冷器简介 - 10 - 锯齿翅片 它可以看作平直翅片被切成许多短小的片段，相互错开一定 的间隔而形成的间断式翅片(图 2-4(b)。这种翅片对促进流体的湍动，破坏热 边界层十分有效。在压力损失相同的条件下，它的传热系数要比平直翅片高 30以上，故有“高效能翅片”之称。锯齿形翅片传热性能随翅片切开长度而 变化，切开长度越短，其传热性能越好，但压力降增加。在传热量相同的条件 下，其压力损失比相应的平直翅片小。该种翅片普遍用于需要强化传热(尤其是 气侧)的场合。 多孔翅片 它是在平直翅片上冲出许多圆孔或方孔而成的(图 2.4(c)。 多孔翅片开孔率一段在 510之间，孔径与孔距无一定关系。孔的排列有 长方形、平行四边形和正三角形二种，我国目前采用的多孔翅片，孔径为 215、917，孔距为 65mm、325mm 正三角形排列。翅片上的孔使传 热边界层不断破裂、更新，提高了传热效果。它在雷诺数比较大的范围内(10 一 10)具有比平直翅片高的换热泵效，但在高雷诺效范围会出现吸音和振动。 翅片上开孔能使流体在翅片中分布更加均匀，这对于流体中杂质颗粒的冲刷排 除是有利的。多孔翅片主要用于导流片及流体中夹杂颗粒或相变换热的场合。 波纹翅片 它的结构示于团 2.4(d)上。它是在平直翅片上压成一定的波 形(如人字形，所以又称人字形翅片)，使得流体在弯曲流道中不断改变流动方 向，以促进流体的湍动，分离或破坏热边界层。其效果相当于翅片的折断，波 纹愈密，波幅愈大，其传热性能就愈好。我国常用的组片有平直、多孔和锯齿 形翅片三种，并用汉语拼音符号和数字统一表示翅片的型式与几何参数。如 65PZ2103，则表示 PZ平直翅片，656.5mm 翅高，212.1mm 节距， 030.3mm 翅厚。如是多孔形，则为 DK，锯齿形则为 JC，几何参数表示法相 同。 (3)封条 封条作用是使流体在单元体的流适中流动而不向两侧外流。它的上下面均 具有 0.15mm 的斜度，以便在组成板束时形成缝隙，利于钎剂渗透。它的结构形 式很多最常用的为如图 2-5 所示的燕尾形、燕尾槽形、矩形三种. 第二章 柴油机中冷器简介 - 11 - 图 2-5 封条形式 图 2-6 导流片与封头 图 2-7 导流片布置的几种形式 (4)导流片和封头 为了便于把流体均匀地引导到翅片的各流道中或汇集到封头中，一般在翅 片的两端均设有导流片。导流片也起保护较薄的翅片在制造时不受损坏和避免 通道被钎剂堵塞的作用。它的结构与多孔翅片相同，但其翅距、翅厚和小孔直 径比多孔翅片大。封头的作用就是集聚流体，使板束与工艺管道连接起来。导 流片与封头的示意图如图 2-6。 根据各种结构型式的板翅式热交换器，导流片可布置成如图 2-7 所示的几 种型式。图中 I 型主要是由于在热交换器的端部有两个以上的封头，因此要用 导流片把流体引导到端部一侧的封头内。型布置是由于在热交换器端部有三 个以上的封头，需要把一股流体引导到中间封头内。型布置主要是用于热交 换器端部敞开或仅有一个封头情况下。型是为了满足把封头布置于两侧而设 计的。V 型布置是为满足管路布置需要而采用的。应注意到设置导流片并不一 定能完全克服流体在流道内分配不均匀的问题，因为分配是否均匀还与流体的 状态有关。 (5)隔板与盖板 隔板材料是在母体金属(铝锰金属)表面覆盖一层厚约 0.10.4mm，含硅 512的钎料合金。所以又称金属复合板，在钎焊时合金熔化而使翅片与金 属平板焊接成整体。为了钎焊方便，可将钎料轧制成薄片再用机械方法布覆于 铝材表面，成为一种钎焊用复合板即双金属复合板。隔板厚度一般为 l2mm， 最簿为 0.36mm。板翅式热交换器板束最外侧的板称为盖板，它除承受压力外还 起保护作用，所以它的厚度一般为 56mm。它与翅片的焊接多数采用板下加焊 第二章 柴油机中冷器简介 - 12 - 片的方法，焊片厚度与隔板复合层相同。 (4)流道的布置形式 按运行工况要求可将流体布置成逆流、顺流、错流、错逆流(或称多程流) 等多种形式。 逆流 在板翅式热交换器中实现逆流有三种型式(图 2.8)。其中，逆流 1、2 型(图 2.8 的上、中两图)为两种流体的逆流布置，而 3 型(下图)为多达五 种流体的逆流布置。逆流形式用得最普遍。 图 2-8 逆流布置示意图 顺流 如图 2-9 所示，这种流动形式应用较少，主要用在加热时需要避 免流体被加热(或冷却)到高(或低)于某一规定温度的场合。 错流 如图 2-10 所示，也是最基本的一种布置方式。从传热上考虑这种 布置并无突出优点，但它常能使热交换器布置合理而被采用。空分装置中将它 用于一侧相变或温度变化很小的场合。 混流 在一个热交换器中，某些流体间是错流，而另外一些流体间是逆 流它的最大优点是能同时处理几种流体的热交换并合理分配各种流体的传热 面积。采用这种形式可以将几个热交换器并成一个，使设备的布置更加紧凑， 生产操作更方便，使热(冷)量损失减少到最小程度但它制造比较困难。在石 化、气体分离设备中被大量地采用。 图 2-9 顺流布置示意图 第二章 柴油机中冷器简介 - 13 - 图 2-10 错流布置示意图 图 2-11 错逆流布置示意图 2.2 柴油机中冷器的选型原则 目前用于车用柴油发动机的气-气中冷器主要有管翅式和板翅式两种中冷器。 其选型原则主要有： 1、 结构简单、紧凑； 2、 工作可靠、成本低； 3、 提高中冷器的换热能力 4、 减少中冷器的流动阻力，以减少中冷器的动力损失； 5、 体积小，重量轻； 6、 经济性好； 第三章 中冷器的设计计算 - 14 - 第三章中冷器的设计计算 中冷器的设计计算一般是根据使用要求,对于已设计好的中冷器进行校核计 算，如不能满足要求,则重新进行设计。计算时根据所校核的参数不同分为两种 情况：其一,主要校核散热面积能否满足设计要求,这种情况下具体计算时通常 采用对数平均温差法；其二,主要校核增压空气和冷却介质在中冷器出口的温度 是否在使用要求的范围内,此时通常采用效率(E)传热单元数(NTU)法以上两种情 况还均需校核增压空气和冷却介质的流动损失等参数。 3.1 云内 4102QBZL 柴油发动机中冷器选型 3.1.1 发动机基本参数及环境参数 本论文以云内 4102QBZL 型增压中冷柴油机为设计对象，首先查阅发动机参 数以及工作环境参数，为中冷器的选型以及第三节中冷器的设计做准备。参数 见下表： 表 3-1 云内 4102QBZL 型增压中冷柴油机基本参数 型式立式、直列、水冷、四冲程、增压中冷 缸数缸径 X 行程(mm)4102X115 气缸套形式湿式 燃烧室型式直喷 w 型燃烧室 活塞总排量(L)3.76 进气方式涡轮增压、进气中冷 最低空载稳定转速(r/min)750 压缩比17：1 标定功率/转速(kw/r/min)85/3200 最低燃油消耗率(g/kw.h)217 最大扭矩/转速(N.m/r/min)320/18002000 发动机强制循环水冷式冷却方式 中冷器空空冷却 排放欧 第三章 中冷器的设计计算 - 15 - 由发动机的基本参数通过简单运算得到的已知条件和指标1，如表 3-2 所示。 表 3-2 通过发动机的给定参数计算出部分简单参数 要计算的数据 计算结果 标定功率 Pe=85 kw 标定转速 n=3200 r/min 缸径 D=0.102m 行程 S=0.115m 平均有效压力 pme=1.21 Mpa 活塞平均速度 vm=10.73 m/s 有效油耗率 be=0.2 /kw.h 涡轮前排气温度 =477 高速柴油机（400-500 ） T t 设定增压柴油机工作的环境压力为一个大气压力，环境工作温度为 30 （假设时使增压柴油机处于一个较高的环境温度下）涡论的背压比环境压力稍 高，中冷后的空气温度根据文献一般中冷高速四冲程柴油机进气管内温度为 （40-60）。气缸内的空气充气系数根据文献增压高速四冲程柴油机（0.9- 1.0），充气系数与扫气系数的乘积约为 1.0。具体数据参看下表 3-3 表 3-3 发动机环境参数 环境参数 结果及单位 大气压力 P=0.101Mpa a 大气温度 T=303K a 涡轮后背压 P=0.100Mpa 0T 中冷后空气温度 T=323K s 一般有中冷高速四冲程柴油机进气管内温度为（40- 60） 气缸充气系数 =1.00 增压高速四冲程柴油机 （0.9-1.0） c 1.00 高速车用柴油机一般约 1.00 c s 3.1.2 云内 4102QBZL 中冷器的选型 对于中冷器，若采用空-空中冷系统，机械驱动风扇的型式可用于难于得到 第三章 中冷器的设计计算 - 16 - 温度较低的冷却水的场合。由于冷却空气的温度较低，故冷却效果好，增压空 气的温度可冷却到 50-60。但由于空气的传热系数比水低得多，空-空中冷器 的体积要比水-空冷却器大些。在车辆上布置时，常将空-空中冷器直接布置在 发动机冷却水箱的前面。用轮缘空气涡轮风扇冷却的空-空中冷器与前一种的区 别在于从涡轮增压器压气机一端引出一部分压缩空气流经轮缘涡轮驱动风扇以 冷却空-空中冷器。引出的空气量约为流经压气机流量的 5-10%。这种系统的优 点在于不需要额外消耗风扇功率且冷却空气流量的增加与发动机流量相适应， 但却增加了匹配的复杂程度。水-空中冷又分为利用发动机循环水和独立的循环 水系统两种。前者的优点是装置简单，车用发动机一般只能采用这种系统。缺 点是发动机循环水本身温度就高（90） ，故增压空气只能冷却到 100110。 而后者正相反，由于可利用温度较低的冷却水，故增压空气的冷却效果好，但 需要设置独立的冷却系统，故它只能使用于固定式或船用发动机。由于采用空- 空中冷器发动机进气温度低，故相应的排气温度也低，耗油率和烟度也均比水- 空中冷器时要好得多。但是空-空中冷器的体积、阻力损失和成本都要稍高些。 比较起来，空-空中冷系统具有很大的发展潜力，特别对采用高温冷却的车用发 动机来说，更应优先考虑采用空-空中冷器。而空-空中冷器作为一种热交换器， 其结构形式很多。但最常用的是板翅式和管翅式中冷器两种。二者比较，板翅 式中冷器的紧凑型好，即在相同的体积条件下气散热面积大，但其阻力损失要 比管翅式中冷器大些。在车用发动机上由于对外形尺寸要求严格，故一般采用 板翅式中冷器。但管翅式的结构是在板翅式结构的基础上发展而来，其热气侧 通道是多孔的成型管材。与板翅式相比，它的主要优势在热气侧。由于采用成 型管材，简化了工艺，避免了翅片和隔板之间的虚焊及工作振动中的脱焊所造 成的接触热阻，提高了传热效率和工作可靠性。其缺点是热气侧只能是光直的 通道，难以采用绕流措施。目前管翅式中冷器已得到了越来越多的应用。 管翅式中冷器为了增强气流的扰动，减小在边界层中的传热阻力以加强放 热，翅片可以制成各种形式，有光直翅片、锯齿翅片、多空翅片和波纹翅片等。 其中光直翅片的传热系数和阻力系数都比较小，只用在阻力要求特别严格的情 况下；锯齿翅片对促进流体的湍动，破坏热阻边界十分有效。据有关资料介绍， 在相同压降条件下，锯齿型翅片的传热系数比光直翅片高 30%以上。多数中冷 器采用锯齿型翅片。多孔翅片和波纹翅片是在锯齿翅片的基础上进行的改进设 计，具有更加突出的传热效果。管翅式中冷器大多数采用铜或铝合金制造。同 具有良好的导热性、耐腐蚀和焊接性能，但铜是重要的战略物资且价格昂贵， 故一般应避免采用。铝由于有良好的物理机械性能和耐腐性，价格便宜，来源 第三章 中冷器的设计计算 - 17 - 充足，作为铜的替代材料是适合的，因此在中冷器上得到了广泛的应用。 对于 4102QBZL 柴油发动机，考虑到提高动力性、经济性和排放的要求，且 综合以上中冷器选配要求和具体安装特点、要求，选择机械驱动风扇型空-空中 冷系统且中冷器选择波纹翅片、管翅式中冷器（材料为铝）最为适合。其合理 性如下： (1) 空-空中冷系统的排气温度较低，耗油率和烟度也均比水-空气中冷时 要好得多； (2) 机械驱动风扇的型式结构简单，经济且不需要消耗柴油机热效率； (3) 管翅式中冷器易于满足车用发动机安装空间的需要； (4) 波纹翅片对促进流体的湍动，破坏热阻边界十分有效。且结构相对简 单，易于加工生产； (5) 选择铝作为材料，既能满足需要也能降低成本，有利于企业竞争力提 升； (6) 有利于将中冷器置于发动机冷却水箱前端，满足车用发动机布置要求； (7) 结构紧凑，冷却效果好。 这种型式的选择，从长期积累的经验规则上满足了车用柴油发动机对中冷 器的结构、尺寸、换热效果和经济性等各项要求，是各种方案中的最优解。 这种中冷器的散热单元如图 3-13： 图 3-1 中冷器散热芯片 3.2 原始数据 中冷器型式：空-空中冷系统，管翅式中冷器波纹形翅片（材料为铝）假定中冷 器原始参数： 第三章 中冷器的设计计算 - 18 - 增压空气流量：qmb=0.22 /s (其中 qmb=) k vnv ed max 中冷器进口空气压力：pb=0.20 MPa 中冷器进口空气温度：Tb=120=393K 中冷器出口空气温度：Ts=50=323K 冷却空气流量：qmw=0.66 /s 冷却空气进口温度：Twf=30=303K 增压空气压力损失容许值8pb=3000 (Pa) 冷却空气压力损失容许值8=3000 (Pa) w p 增压空气比热容 Cpb=1009 (J/kgK) 冷却介质比热容 Cpa=1002 (J/kgK) 33 几何结构尺寸确定和计算： 采用管翅式中冷器，型芯长宽厚为 67041665 查阅文献选用尺寸参数为以下214： 翅片基本参数（单位：）如表 3-4 几何参数 冷气侧 增压空气侧 H-翅片高 8 6 1-翅片厚 0.4 0.2 2-隔板厚度 0.6 0.6 S-翅片间距 4 3.5 x-翅内距（x=S-1） 3.6 3.3 y-翅内高（y=H-1） 7.6 5.8 B-单位有效宽度 670 65 Le-但未有效长度 65 670 热气侧层数为 n，则有：6n+8(n+1)+25=416 得 n=28 即：增压空气侧为 28 层，冷气侧为 29 层 （其中上下隔板厚度为 5 毫米） （1）当量直径 de： 第三章 中冷器的设计计算 - 19 - 冷空气侧：dew=4A/U=4xy/(x+y)=4.886 增压空气侧：deb=4.207 （2） 通道的自由流通面积 F: 对于每层单元，通道的自由流通面积 Fi 冷空气侧：Fiw=0.0046 S B xy 增压空气侧：Fib=0.00036 对于 n 层单元，通道的自由流通面积 F 冷空气侧：Fw=0.1334 S B nxy 增压空气侧：Fb=0.01 （3） 传热面积 A: n 层通道的总传热面积 A=2(x+y) S nBLe 冷气侧 Aw=7.07 增压空气侧 Ab=6.34 n 层通道的第一传热面积 A1=Ax/(x+y) 冷气侧： A1w=2.27 增压空气侧：A1b=2.3 n 层通道的第二传热面积 A2=Ay/(x+y) 冷气侧： A2w=4.8 增压空气侧：A2b=4.04 （第一次传热面积 F1:指隔板表面的传热面积 第二次传热面积 F2:指翅片表面的传热面积） 3.4 传热系数计算 (1) 中冷器换热量 Q=qmbCpb(Tb-Ts)=0.221.00870=15.52 KJ/S 冷却空气的出口温度：Tw2=Tw1+=326 K mw qC Q . pw 冷却空气的平均温度：Twm=(Tw1+Tw2)/2=314.5 K 增压空气的平均温度：Tbm=(Tb+Ts)/2=358 K 增压空气和冷却空气的对流平均温差Tn 第三章 中冷器的设计计算 - 20 - Tn =(Tb-Tw2)-(Ts-Tw1)ln(Tb-Tw2)/(Ts-Tw1)= 39.2K 冷却效率：78% 1wb sb TT TT (2) 平均温度下冷却空气和增压空气的热物理性质如表 3-6： 参数 密度 热导率 运动粘度 普朗特殊 Pr 比定压热容 (/m3) （w/m.k） （/s） Cp(KJ/.K) 冷却空气 1.180 2.6510-2 15.810-6 0.702 1.000 增压空气 0.96 3.0410-2 10.510-6 0.675 1.007 (3) 计算冷却空气测的对流换热系数 冷却空气流速：Cw=qmw/Fw=3/0.1339=22.49 m/s 冷却空气通道当量直径:Dew=(n+1)dew=0.14 m 冷却空气的雷诺数:ReW=22.490.1415.810-6=1.99105 w ew v DCw 冷却空气的努塞尔数: Nuw=0.023Rew0.8Prw0.4=0.0231990000.80.7020.4=28.98 冷却空气侧的对流换热系数: hw= Nuww/Dew=28.890.02650.14=65 w/(m2k) (4) 计算增压空气侧的对流换热系数 增压空气通道当量直径:Deb=ndeb=0.12 m 增压空气的流速: Cb=qmb/Fb=0.220.01=22 m/s 增压空气的雷诺数: Rea=CbDeb/b=220.1210.510-6=2.4105 增压空气的努谢尔特数: Nub=0.023Rea0.8Pra0.4=0.0232440000.80.6750.3=417.89 增压空气侧的对流换热系数: hb= Nubb/Deb=417.890.03040.12=106 w/(m2k) (5) 热阻计算 增压空气侧污垢热阻 R1=0.00035 K/W 冷却空气侧污垢热阻 R2=0.00035 K/W 散热片焊接处接触热阻 R3=0.0001 K/W 第三章 中冷器的设计计算 - 21 - 导热热阻 R4=Ab2/(Aw)=(6.340.6)（7.07140）=0.0038K/W 式中，2为冷热两侧间壁厚度； 为材料热导率（此处材料为铝合金） (6) 中冷器传热系数 =+R1+R2+R3+R4+=1106+0.00035+0.00035+0.0001+0.0038+ K 1 b h 1 ww b Ah A (16.34)(657.07) 得 K=36 w/(m2k) 3.5 用对数平均温差法校核散热面积 (1)增压空气和冷却空气的对流平均温差Tn： Tn =(Tb-Tw2)-(Ts-Tw1)ln(Tb-Tw2)/(Ts-Tw1) =(393-326)-(323-303)ln(393-326)(323-303)= 39.2K (2) 所需散热面积: Ac=Q/(KTn)=15.52（3644.9）=11 因为 1113.41,即所需散热面积大于实际散热面积，所以所设计的中冷器符合使用 要求。 3.6 用效能()传热单元数(NTU)法校