载货汽车冷却系统匹配设计

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载货汽车冷却系统匹配设计
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。
设计步骤
1、        根据发动机参数及统计数据，2、        初步选定一种散热器。
3、        利用热平衡原理，4、        计算发动机在标5、        定工况下散热器的散热量，6、        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。
7、        冷却系统设计中应考虑的其它问题。
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 max        206（1±5%）          
2        标定转速（r/min）        ne        2200          
        最大扭矩（N.m）        Me max        1120×（1±6%）          
        最大扭矩时转速（r/min）        nm        1400          
        标定工况时散热量（kJ/h）                 5x105          
        最大扭矩时散热量（kJ /h）                          
                                  
        风扇特性                          
        直径（mm）                Æ570          
        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SHQ220
        
   
   2．3 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          


设


定       
①流入散热器的高温水温度
②冷却用大气（空气）温度
③散热器散热面积
④散热器热通过率
⑤流入散热器高温水的重量流量
⑥冷却用大气通过散热器的重量流量
       
tw1
ta1
A
K
Gw
Aa       
℃
℃
㎡
kJ/㎡h℃
N/h
N/h          

需
求
性
能       
①流出散热器的散热后的水温
②冷却用大气吸热后的温度
③散热器散热量
       
tw2
ta2
Qw=Qa       
℃
℃
kJ/h         
求汽车散热器性能的重点是从表2.1设定值，利用ε–NTU的方法来求ε（参考2.3.2）
                  (2.1)
由此求得未知数ta2
此外,水的散热量为
              
空气的吸热量
         
散热量和吸热量根据能量守恒定律,则有
         Qw=Qa
故
   
从式(2.5)求得未知数tw2，也可以求得散热器的散热量。
ta1: 入口空气温度 ℃
ta2: 出口空气温度 ℃
ε：ε-NTU的系数
tw1：入口水温度 ℃
tw2：出口水温度 ℃
Qw：水的散热量 kJ/h
Gw：水的重量流量N/h
Gpw:: 水比热  kJ/kg℃｛J/kgK｝
Qa:  空气的吸热量  kJ/h
Ga：空气的重量流量N/h
Cpa: 空气的比热 kJ/kg℃
2.3.2 ε-NTU法
ε-NTU是Effective Number of Heat Transfer Unit 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）
但,又从公式(2.1)
                     (2.7)
              NTU=KA/Ca    (2.8)
Ca:空气的热容量 kJ/h℃(=Ga×Cpa)
Cw:水的热容量 kJ/h℃(=Gw×Cpw)
通过式(2.6)可以求得ε,但是一般通过以Cmin/Cmax(=Ca/Cw)作为参数的图形来求得ε。
汽车用散热器采用的是直交热交换机的ε-NTU线图，如图2.3所示。
2.3.3 热通过率K
用ε-NTU的方法求ε的时候必须计算NTU,但是,首先要知道热通过率K。
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
                      (2.9)
Q: 单位时间的总热量  kJ/h
K: 热通过率   kJ/m2h℃
A: 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。
       （2.11）
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 、 ， 、 ，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ε-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水温 ,吸热后的空气温度 ，求散热量Q 。



   从(2.8)式得
           
                     
Cpa:空气的定压比热 1.05kJ/kg℃
　　　  
设 定 条 件      表2.2

①流入散热器的高温水温度            tw1=90℃
②低温流体大气（空气）温度          ta1=30℃
③散热器热面积                      A=32m2
     A： 和空气接触的散热器整个散热面积
④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

⑤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=0.63m2
              ra：空气的比重量
空气流速为
      
⑥散热器热通过率
   和④，⑤参考值一样         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，

时的K值为
334．9kJ/m2·h℃的假定的散热器。         







Cpw：水的定压比热     4.1868kJ/kg℃




通过ε-NTU的线图（参考图2.3）
ε=39％



根据公式（2.1）
         
吸热后的空气温度ta2为

      



空气一侧吸热量Qa由(2.3)式，有

这和水的散热量相等。




根据公式(2.4)
  
水温大约降了6℃。
2．3．5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。
①把各种散热器的散热量能够同它相比较。
②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tw1-ta1时（例如设定为65℃）的散热量Q65，把这Q65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tw1-ta1，是90℃-30℃=60℃。此时的散热量为Qa=Qw=4978079kJ/h。对于同一散热器气水温度差为65℃时的散热量，按如下步骤求得
根据公式(2.1)有

根据公式(2.3)有
  
散热量和气水温度差成正比。
也就是以Q65为气水温度差65℃时的散热量，则有

求例题的散热器的Q65，则

2.3.6 发动机转速和发热量
发动机的发热量随发动机转速的提高而升高。因此，当研讨散热器的散热量时，有必要调查发动机最大功率点和最大转矩点所对应的散热器的散热量和发动机的发热量的关系。