载货汽车冷却系统匹配设计

1、载货汽车冷却系统匹配设计一、设计思路：为选定的发动机匹配相应的散热器，保证发动机在使用环境下 正常运转。二、设计步骤1、根据发动机参数及统计数据，初步选定一种散热器。2、利用热平衡原理，计算发动机在标定工况下散热器的散热量， 校核是否满足发动机的散热要求；并验算发动机在最大扭矩工 况下的热平衡。3、冷却系统设计中应考虑的其它问题。三、初选散热器发动机原始参数序号项目单位符号举例1标定功率（kW）Ne maxP 206 (1 5%)2标疋转速（r/min）ne2200最大扭矩（N.m）Me max1120X( 1 6%)最大扭矩时转速（r/min）nm1400标定工况时散热量（kJ/h ）55x

2、10最大扭矩时散热量（kJ /h）风扇特性直径（mm）570速比（风扇转速/发动机转速）1.1水标定工况时水泵流量（m3/h） （节温器全开）膨胀水箱压力盖开启压力（kPa）50膨胀水箱的容积冷却系统总容积的 15% （其中膨胀空间占1/3）经验,为充分发挥风扇的能力，一般要求散热器的宽度和高度略大于风扇 的直径；载重汽车散热器的比散热面积约 A/Ne为0.2 m2/kW.由此,初选一散热器SHQ2202. 3散热器的性能2. 3. 1散热器的基本性能散热器的基本性能是由低温流体的空气和高温流体的水进行热交换前后 的各种温度和热量而表征的。它是由散热器入口的空气和水的温度，散热器 的整个散热面

3、积，热通过率、各流体（空气，水受到热量时空气吸热后的温 度，水放热后的温度以及水的放热量（空气的吸热量）来所决定的。放热量 与所需的目标温度是否一致，是决定散热器的基本性能的基础，请参考表2.1散热器的基本性能表2.1项目记号单位流入散热器的高温水温度tw1C设冷却用大气（空气）温度taiC散热器散热面积Am2散热器热通过率KkJ/就 hC疋流入散热器高温水的重量流量GwN/h冷却用大气通过散热器的重量流量A aN/h需流出散热器的散热后的水温tw2C求冷却用大气吸热后的温度ta2C性散热器散热量Qw=Q akJ/h能求汽车散热器性能的重点是从表 2.1设定值，利用- NTU的方法来求(2.1

4、) (参考 2.3.2)t a2 t al(tw1 ta1 )由此求得未知数ta2此外,水的散热量为QwGw ?Gpw ?(twitw2)空气的吸热量Qa Ga ? C pa ? (ta2ta1)散热量和吸热量根据能量守恒定律，则有Qw=QGa ?Cpa ?(ta1 t a2 )Gw ?Cpw ?(tw1 tw2 )从式(2.5)求得未知数tw2，也可以求得散热器的散热量tai：入口空气温度 Cta2：出口空气温度 C： -NTU的系数twi :入口水温度Ctw2 :出口水温度CQw :水的散热量kJ/hGw:水的重量流量N/hGpw:：水比热 kJ/kgC J/kgKQa：空气的吸热量 kJ

5、/hGa：空气的重量流量N/hCpa：空气的比热 kJ/kgC232 -NTU 法e -NTU 是 Effective Number of Heat Tran sfer Un it 的缩写。表示热交换机的“关于热传递大小”的无因次指标。热交换机的终端温度是以KA/Ca和Ca/Cw的函数为基础的。中间计算请参考传热学的专业书，最后可以表示为(2.6)(2.7)1 e NTU (1 Ca/Cw)C NTU (1 Ca/Cw)I Cw e但，又从公式(2.1)ta2ta1tw1 ta1NTU=KA/C a(2.8)Ca：空气的热容量kJ/hC(二GaX Cpa)Cw：水的热容量 kJ/hC (=Gw

6、 X Cpw)通过式(2.6)可以求得e，但是一般通过以CmMCmax(二Ca/Cw)作为参数的图形来求得e。汽车用散热器采用的是直交热交换机的e-NTU线图，如图2.3所示。2.3.3热通过率K用e -NTU的方法求e的时候必须计算NTU,但是,首先要知道热通过率热通过率K是如图2.4所示那样，当温度分别为tw和ta的两种流体在平面壁的两侧以常流流动的时候，由Q K?A?（tw ta）（2.9）Q:单位时间的总热量kJ/hK:热通过率kJ/m2h CA:传热面积m2式所定义的。另外，在传热学上K的定义是根据高低两种流体中热传递率小的一侧（对汽车用散热器的时候是空气的一侧）的面积有关的值。实际

7、使用的散热器是直交流形的隔板式交换器，故两种流体（水和空气）的温度如图（2.5a）所示那样进行变化。求K(2.10)上式中的气、水温度差tw-ta对直交流热交换器来说是使用对数平均温度差。tt(tw1lwIn(2.11)ta2)(t w2 t a1)tw1 t a2loge厂厂lw2 a1当求K时通过直接风洞实验，实测中心全面质量风速以及实测管内水的流速变化时的ta1、ta2，tw1、tw2，并通过式（2.10）来计算。如图2.6所示为通过风洞实验求得的 K值。2. 3. 4散热器冷却设计计算例散热器冷却的设计计算按前面的方法-NTU来进行。把表2.1的项目设定值为表2.2的那样从而求散热后的

8、水温tw2,吸热后的空气温度ta2，求散热量顺序1从（2.8）式得KANTUKA/CaGa?Cpa2 2334.9kJ/m2?h C 32m29.8211680 N / h 1.005kJ/kgC0.49Cpa：空气的定压比热1.05kJ/kgC设定条件 表2.2 流入散热器的咼温水温度tw1 =90 C 低温流体大气（空气）温度ta1=30 C 散热器热面积A=32m 2A:和空气接触的散热器整个散热面积 流入散热器的高温水重量流量Gw=196000N/h（参考）水管路总横断面面积S w=0.01 m2时rw :水的比重量流速为Vw196000N / h0.01m2 9506N / m320

9、60m/h0.57m/ s低温流体大气通过散热器的重量风量Ga=211680N/h（参考）散热器的正面面积SF=0.63m2SF ?Va ? raGara：空气的比重量空气流速为散热器热通过率GaSf ?ra211680N/h230.63m11.76N /m28600km/ h 7.9m/s和，参考值一样K :参考图2.6设散热器水管路总横断面面积Sw=0.01m2设散热器的正面面积SF=0.63m2时，Vw 0.57 m/sVa ra 7.9m/s 11.76N/m3 92.904N/m2 ?s时的K值为334. 9kJ/m2 h C的假定的散热器。顺序2CaCwGa ?C paGw ?Cp

10、w211680N /h 1.05kJ/kgC196000N /h 4.1868kJ / kg C0.26Cpw:水的定压比热4.1868kJ/kgC顺序3通过 -NTU的线图（参考图2.3） =39%顺序4根据公式（2.1）ta2 ta1?(tw1taj0.39 (9C 3CC) 23.4C吸热后的空气温度ta2为ta2 23.4C 30C53.4C顺序5空气一侧吸热量Qa由(2.3)式，有Qa Ga ?C pa ? (ta2 ta1 )211680N/h 1.005kJ/kgC 23.4 104978079kJ/h这和水的散热量相等。顺序6根据公式(2.4)G w ? C pw (tw1t

11、w24978079kJ/h196000N /h 4.1868kJ/kgC (90C tw2)tw2 84C水温大约降了 6C2. 3. 5散热器的散热量和气水温度差当决定散热器的散热量的时候，首先定好气水温度差有如下的方便之处。把各种散热器的散热量能够同它相比较。在散热器使用地区里的最高大气温度定为ta1，在水的沸点以下温度定为tw1,求气水温度差点t w1-t a1时(例如设定为65C )的散热量Q5，把这Q5和发动机发热量进行比较， 如果设定的合适将不会有在该使用地区内水温升高到沸点以上。在2.3.4项散热器冷却设计计算例时，气水温度差为 t w1-t a1，是90C -30 C =60C。此 时的散热量为 Q=Q=4978079kJ/h。对于同一散热器气水温度差为 65C时的散热量，按如 下步骤求得根据公式(2.1)有ta 2 ta1(t w1 t a1)根据公式(2.3)有QaGa ?Cpa ?(t a2ta1)Ga?Cpa? (tw1ta1)散热量和气水温度差成正比也就是以Q6