增壓柴油機(jī)中冷器設(shè)計(jì)與CFD模擬優(yōu)化

1、 PAGE- 40 - / NUMPAGES44摘要本文闡述了增壓中冷系統(tǒng)對(duì)改善現(xiàn)代柴油機(jī)排放、動(dòng)力性等方面的重要意義。突出介紹中冷器對(duì)增壓中冷系統(tǒng)的重要作用并介紹了中冷器作為換熱器的發(fā)展過(guò)程。介紹了高效換熱器、板翅式換熱器結(jié)構(gòu)原理。對(duì)已知增壓發(fā)動(dòng)機(jī)估算出增壓后空氣流量、溫度與理論增壓比，計(jì)算出了增壓空氣的進(jìn)口流量與進(jìn)口溫度。然后再根據(jù)風(fēng)扇所產(chǎn)生的冷空氣流量，環(huán)境溫度與中冷器出口溫度，計(jì)算出中冷器需要散失的熱量，最后確定中冷器的傳熱系數(shù)，并對(duì)壓力損失、增壓溫度、散熱面積進(jìn)行校核。利用CAD軟件做出設(shè)計(jì)好的中冷器零件圖。利用CFD商業(yè)軟件FLUENT對(duì)該中冷器進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、模擬計(jì)算和結(jié)果分

2、析，最后確定中冷器優(yōu)化的方向與優(yōu)化措施。關(guān)鍵詞：增壓中冷 中冷器 CFD技術(shù) 柴油機(jī)ABSTRACTThis 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 int

3、roduce 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 tu

4、rbocharged 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 iscalculated ;finally

5、,determining the HYPERLINK app:ds:heat%20transmission%20%5bheat-transfer%5d%20coefficient t _self 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-

6、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 . Keywords:intercooler turbocharged CFD diesel engine摘要Abstract目錄 TOC o t 標(biāo)題 3,3,標(biāo)題 4,

7、4 第一章緒 論11.1 課題的目的和意義11.2國(guó)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向21.3本課題的提出31.4本課題的主要工作4 TOC o 1-4 第二章柴油機(jī)中冷器簡(jiǎn)介52.1 柴油機(jī)中冷器的類型結(jié)構(gòu)52.1.1 柴油機(jī)中冷器的類型52.1.2 柴油機(jī)中冷器的結(jié)構(gòu)62.2 柴油機(jī)中冷器的選型原則13第三章柴油機(jī)中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算143.1柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器選型143.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)與環(huán)境參數(shù)153.1.2中冷器型式選擇153.2原始參數(shù)183.3幾何結(jié)構(gòu)尺寸確定和計(jì)算193.4傳熱系數(shù)計(jì)算203.5用對(duì)數(shù)平均溫差法校核散熱面積213.6用效率傳熱單元數(shù)(NTU)法校核增壓溫度213.7壓力校核22

8、3.8中冷器外部結(jié)構(gòu)確定223.8.1冷空氣和增壓空氣封條223.8.2平板233.8.3導(dǎo)流片233.8.4增壓空氣封頭243.8.5增壓空氣封頭接管243.8.6中冷器芯子裝配圖243.8.7中冷器連接25 TOC o 1-4 第四章CFD技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用264.1 CFD技術(shù)介紹264.1.1 CFD技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀264.1.2 CFD技術(shù)的特點(diǎn)274.1.3 CFD技術(shù)的分支274.2 CFD技術(shù)的應(yīng)用274.2.1 CFD軟件的結(jié)構(gòu)274.2.2 CFD的應(yīng)用圍274.3 CFD技術(shù)在燃機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用274.4 CFD技術(shù)在換熱器方面的應(yīng)用29 TOC o 1-4 第五章柴油機(jī)中冷器的C

9、FD模擬優(yōu)化305.1 CFD技術(shù)在管翅式換熱器設(shè)計(jì)開發(fā)方面的優(yōu)越性305.2 管翅式中冷器的CFD設(shè)計(jì)315.2.1 中冷器的建模325.2.2 網(wǎng)格劃分325.2.3 邊界條件設(shè)定335.2.4FLUENT模擬計(jì)算335.3 結(jié)果分析345.4中冷器優(yōu)化36 TOC o 1-4 全文總結(jié)39 TOC o 1-4 參考文獻(xiàn)40 TOC o 1-4 致與聲明41 TOC o 1-3 h z TOC o 1-3 h z 第一章 緒論1.1 課題背景進(jìn)入到21世紀(jì)，伴隨著能源危機(jī)和環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)、環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，人們?cè)谧非蟀l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也加強(qiáng)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的改進(jìn)和要求。鑒于燃

10、機(jī)的社會(huì)保有量不斷增加，其排放危機(jī)人類身體健康越來(lái)越受到人們的關(guān)注。就民用汽車而言，93年神會(huì)保有量810萬(wàn)輛，2000年猛增至1870萬(wàn)輛，2010年已達(dá)到8000萬(wàn)輛。因此在人口十分密集的城市，汽車排放對(duì)人類將帶來(lái)很大危害。世界各國(guó)相繼推出日益嚴(yán)格的的排放法規(guī)來(lái)控制汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境的污染，特別哥本哈根會(huì)議之后，對(duì)汽車排放要求更加嚴(yán)格。為了滿足最新的排放法規(guī)要求，是發(fā)動(dòng)機(jī)能夠降低排放污染物，人們提出了多種方案。而其中渦輪增壓器加器（即增壓中冷系統(tǒng)）的方案可以在提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的同時(shí)，能夠以顯著的降低CH、CO、NOx和碳煙顆粒等污染物來(lái)滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)的特點(diǎn)日益得到人們的認(rèn)可。對(duì)于增壓

11、柴油機(jī)當(dāng)增壓壓力較高時(shí)往往需要對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，因?yàn)樵鰤旱淖饔迷谟谔岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣密度，從而加大噴入的燃料以提高平均有效壓力。但隨著增壓比的增加，壓氣機(jī)出口空氣溫度也隨之升高，因而在一定程度上限制了充氣密度的提高。所以中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程與排放性能有顯著的影響。而且對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行增壓還可以是柴油機(jī)在排量不變、質(zhì)量增加不大的情況下達(dá)到增大輸出功率的目的，通過(guò)合理匹配設(shè)計(jì)，還可以有效地改善燃機(jī)的排放性能。但隨著增壓強(qiáng)度的增加，進(jìn)氣溫度的顯著升高阻礙了燃機(jī)性能的進(jìn)一步改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一樣的空燃比條件下，增壓空氣溫度每下降10攝氏度，它的密度約增大3%，當(dāng)空氣燃燒消耗率都保持不變時(shí)，柴油機(jī)

12、輸出功率可以提高3%5%。不僅如此，柴油機(jī)效率也隨著增壓空氣溫度下降而上升，同時(shí)還能降低排放中的污染物，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能。因此，增壓柴油機(jī)常采用中間冷卻技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱中冷技術(shù))。它不但可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，而且還可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和排氣溫度，用以達(dá)到降低增壓柴油機(jī)排放降低的目的。正是由于增壓中冷系統(tǒng)的應(yīng)用，柴油機(jī)在車用領(lǐng)域特別是輕型車方面得到了越來(lái)越大的應(yīng)用。正因如此，中冷器作為將增壓后的空氣在進(jìn)入氣缸前進(jìn)行冷卻的裝置，是增壓柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)不可缺少的一部分。對(duì)于中冷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，散熱效率的研究與其研究方法成為一個(gè)十分重要的課題。柴油機(jī)中冷器的設(shè)計(jì)要求主要是：1、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；2、

13、工作可靠、成本低；3、 提高中冷器的換熱能力；4、 減少中冷器的流動(dòng)阻力，以減少中冷器的動(dòng)力損失。而以上目標(biāo)和要求有時(shí)是相互影響和制約的。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)中冷器之前，必須首先要明確要達(dá)到的主要目標(biāo)和任務(wù)，然后通過(guò)選擇、比較確定一種合適的方案。在研究、設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用CFD（Computational fluid dynamics）技術(shù)虛擬設(shè)計(jì)、計(jì)算中冷器的流通特性和換熱效果，并進(jìn)行仿真分析，將為今后的中冷器開發(fā)、設(shè)計(jì)尋找出一種切實(shí)可行的方法。1.2 國(guó)、外中冷器研究的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向 柴油機(jī)中冷器作為換熱器的一種，它自身的發(fā)展與換熱器的發(fā)展過(guò)程密切相關(guān)。而換熱元件是換熱器的核心部件，換熱元件最初使

14、用光管，其加工容易。其在換熱器油冷器、淡水冷卻器等方面取得了廣泛的應(yīng)用。隨著強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展，橢圓管等隨之出現(xiàn)，但其管、外散熱面積相差很小，對(duì)散熱系數(shù)相差很大的兩種液體間的換熱很不適應(yīng)。與此同時(shí)，擴(kuò)展表面強(qiáng)化傳熱得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。由于對(duì)緊湊度方面的要求越來(lái)越高，使得管片式換熱器在水箱、中冷器等方面得到了較快的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，并且一直方興未艾。德國(guó)的 GEA 公司在異型管方面享有世界盛譽(yù)。但是，由于異型管加工工藝復(fù)雜、成本高，在加工過(guò)程中與端板連接多次發(fā)生變形，使得其強(qiáng)度受到影響。同時(shí)，散熱片和管之間的間隙會(huì)產(chǎn)生較大的熱阻，嚴(yán)重影響了換熱效率。即使采用了錫焊工藝，也經(jīng)常會(huì)在使用過(guò)程中出現(xiàn)錫焊

15、脫落的情況，尤其是在振動(dòng)出現(xiàn)的場(chǎng)合，更會(huì)影響其使用壽命。因此在近幾年來(lái)柴油機(jī)中冷器出現(xiàn)了新的變化趨勢(shì)。美國(guó) WHT 公司采用圓管外表面繞翅片并采用鎳粉、鉛焊等技術(shù)用以構(gòu)成管、片一體的強(qiáng)化傳熱元件。這種元件的結(jié)構(gòu)各式各樣，翅片由 L 型、雙 L 型、雙向翅片管等。根部采用嵌入式與焊接固定方式，管和片的材料一般為碳鋼、不銹鋼、鋁、銅等。管徑 6152mm，管長(zhǎng)最長(zhǎng)可達(dá) 14m，片厚 0.2-3.0mm,片高一般為 1.27-38mm。這種元件可在高溫下使用，具有抗震、傳熱性好的特點(diǎn)，它可單獨(dú)或同時(shí)強(qiáng)化管、外的換熱，因而可以對(duì)兩種換熱系數(shù)接近的或相差較大的場(chǎng)合進(jìn)行強(qiáng)化傳熱?！癈”管式換熱元件是由日本

16、日立電線廠首先開發(fā)，它是目前世界上最先進(jìn)的高效換熱管之一?！癈”型管有鋸齒狀的齒型，使各方的液膜都被刺破，容易使其形成小液珠滴落，它近似于滴狀冷凝，其傳遞的熱量比膜狀冷凝要大 2-20 倍。日歷電線廠在“C”管的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了“CC”管等高效冷卻元件。“CC”管與“C”管的不同之處在于多滾了一次波紋，而波紋的作用是使流經(jīng)管的液體呈現(xiàn)混流狀態(tài)，避免了層流，更有利于帶走熱量。目前換熱器中流行的板翅式換熱元件最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)三十年代，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)發(fā)展比較迅速，尤其是在美國(guó)、日本、前聯(lián)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家，相關(guān)研究和制造工作開展的比較早，也比較多，因而相對(duì)更成熟些。由這種冷卻元件構(gòu)成的中冷器具有傳

17、熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧牢固、適應(yīng)性強(qiáng)與經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，以廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。冷軋肋片管是由俄羅斯冶金研究院和中央柴油機(jī)等單位研制并用于燃機(jī)換熱設(shè)備的一種高效換熱元件。這種冷軋肋片管已統(tǒng)一肋片標(biāo)準(zhǔn)，使之趨于通用化、系列化，并縮小了各種換熱裝置的尺寸。采用冷軋肋片作換熱元件的換熱器所獲得的有益技術(shù)性能，可以與其類似的裝置特性對(duì)比來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。換熱元件在我國(guó)也經(jīng)歷了一個(gè)由光管到異型管，再到強(qiáng)化傳熱管的發(fā)展過(guò)程，在近些年來(lái)，我國(guó)除了自己研發(fā)外，也在不斷的引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，加以消化吸收，來(lái)提高國(guó)換熱器產(chǎn)品質(zhì)量。在我國(guó)對(duì)翅片管冷卻元件的研究開始于二十世紀(jì)六十年代初，至今在空分、石油化工、航空、車輛船舶

18、、動(dòng)力和電廠等方面都有了比較廣泛的應(yīng)用。增強(qiáng)換熱器傳熱能力的主要途徑有：擴(kuò)展傳熱面積，提高設(shè)備單位體積的傳熱面；改善表面形狀和粗糙度；兼顧整個(gè)熱力系統(tǒng)能量合理應(yīng)用的情況下，加大傳熱溫差；減少傳熱熱阻；選擇最佳的流速，提高湍流脈動(dòng)程度；在管外安放小的插入物，在管加旋轉(zhuǎn)流動(dòng)裝置等以增強(qiáng)擾動(dòng)。綜合來(lái)看目前熱交換器發(fā)展的總體趨勢(shì)是：進(jìn)一步提高緊湊度，降低耗材，提高傳熱效率。傳熱管元件出現(xiàn)了多樣化形式，例如低翅片或低肋螺紋管，繞帶或焊接的縱向翅片管；管外表面呈波紋型的螺旋波紋管，多頭螺紋管，多孔管，L 型翅片管，鋸齒狀翅片管等。這些年來(lái)高效率換熱元件雖有新的發(fā)展，但尚有不少新的工作要做，目前發(fā)展動(dòng)向主要

19、表現(xiàn)是：1、 進(jìn)一步開發(fā)新的高效換熱元件，以適應(yīng)不同領(lǐng)域各種場(chǎng)合的需要；2、 對(duì)現(xiàn)有換熱元件進(jìn)一步采用傳熱強(qiáng)化措施，使其換熱特性更好的滿足不同換熱的需求；3、 對(duì)正在開發(fā)推廣應(yīng)用的熱交換器進(jìn)行深入研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，縮小體積,減輕重量，節(jié)省金屬，改善工藝，以期進(jìn)一步提高換熱效果，滿足社會(huì)的廣需要；4、 采用目前流行的計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)（CFD），對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。1.3 本課題的提出中冷器作為增壓柴油機(jī)不可缺少的一部分，對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，與渦輪增壓器配合共同構(gòu)成增壓中冷系統(tǒng)。而增壓中冷系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低排放污染物具有巨大的貢獻(xiàn)。在當(dāng)今能源緊缺、注重環(huán)保的大前提下，對(duì)柴油

20、機(jī)中冷器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與其與柴油機(jī)的匹配研究就顯得十分重要。1.4本課題的主要工作1、對(duì)柴油機(jī)增壓中冷技術(shù)的應(yīng)用背景、現(xiàn)狀進(jìn)行闡述；2、介紹CFD技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與在柴油機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；3、利用傳統(tǒng)方法對(duì)中冷器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；4、利用FLUENT軟件對(duì)中冷器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)、計(jì)算；5、FLUENT計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析；6、對(duì)中冷器提出優(yōu)化措施。第二章 柴油機(jī)中冷器簡(jiǎn)介柴油機(jī)中冷器本質(zhì)上是熱交換器的一種。它作為增壓柴油機(jī)不可缺少的部分，對(duì)從增壓器流出的壓縮空氣進(jìn)行冷卻，進(jìn)而提高進(jìn)入柴油機(jī)的新鮮空氣的密度，增大柴油機(jī)的進(jìn)氣量，提高柴油機(jī)的功率，降低污染物的排放。在實(shí)際應(yīng)用中，其類型和結(jié)構(gòu)差別很大。2.1 柴油

21、機(jī)中冷器的類型、結(jié)構(gòu)2.1.1 柴油機(jī)中冷器的類型柴油機(jī)中冷器的類型有很多分類，目前增壓柴油機(jī)的中冷器大都采用錯(cuò)流外冷間壁式冷卻方式。我們根據(jù)其冷卻介質(zhì)的不同，有水冷式和風(fēng)冷式中冷器兩大類10。1、水冷式中冷器水冷式中冷器就是用冷卻水來(lái)冷卻熱的壓縮空氣，水冷式冷卻的中冷器根據(jù)冷卻水系的不同我們可以分為兩種方式。（1）柴油機(jī)冷卻系的冷卻水冷卻增壓柴油機(jī)采用這種冷卻方式不需要另設(shè)水路，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。柴油機(jī)冷卻水的溫度較高，在低負(fù)荷時(shí)可對(duì)增壓空氣進(jìn)行加熱，有利于提高低負(fù)荷時(shí)的燃燒性能；但在高負(fù)荷時(shí)對(duì)增壓空氣的冷卻效果較差。因此，這種方式只能用于增壓度不大的增壓中冷柴油機(jī)中。（2）柴油機(jī)兩套獨(dú)立的冷卻

22、水冷卻這種柴油機(jī)中冷系統(tǒng)有兩套獨(dú)立的冷卻水系，高溫冷卻水系用來(lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，低溫冷卻水系主要用于機(jī)油冷卻器和中冷器的冷卻。這種冷卻方式冷卻效果最好，因此在燃機(jī)車用、船用和固定用途柴油機(jī)中普遍應(yīng)用。2、風(fēng)冷式中冷器風(fēng)冷式中冷器是利用自然空氣作為冷卻介質(zhì)來(lái)冷卻熱的壓縮空氣。風(fēng)冷式冷卻中冷器根據(jù)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇的動(dòng)力不同分為以下兩種方式。用柴油機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇這種方式適用于汽車用柴油機(jī)，把中冷器設(shè)置在冷卻水箱前面，用柴油機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇和汽車行駛時(shí)的迎風(fēng)同時(shí)冷卻中冷器和水箱。車用發(fā)動(dòng)機(jī)的中冷器普遍采用這種方式。但是在低負(fù)荷時(shí)易出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象。壓縮空氣渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇壓縮空氣渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇這種中冷系統(tǒng)由壓氣機(jī)分出一

23、小股氣流驅(qū)動(dòng)一個(gè)渦輪，用渦輪帶動(dòng)風(fēng)扇冷卻中冷器，由于驅(qū)動(dòng)渦輪的氣流流量有限，渦輪做功較少，風(fēng)扇提供的冷卻風(fēng)量較少，顯然其冷卻效果較差。由于增壓壓力隨負(fù)荷變化，因此這種冷卻方式的冷卻風(fēng)量也隨負(fù)荷變化，低負(fù)荷時(shí)風(fēng)量小，高負(fù)荷時(shí)風(fēng)量大，有利于兼顧不同的負(fù)荷時(shí)的燃燒性能。且其尺寸小，在車上也安裝方便。2.1.2 柴油機(jī)中冷器的結(jié)構(gòu)1、水冷式中冷器的結(jié)構(gòu)目前普遍使用的水冷式中冷器是采用管式結(jié)構(gòu)。近幾年由俄羅斯引進(jìn)技術(shù)的冷軋翅片管式中冷器由于具有使用可靠性、傳熱系數(shù)大等的優(yōu)點(diǎn)，也開始受到重視。在柴油機(jī)增壓中冷系統(tǒng)同得到了很大的認(rèn)可和應(yīng)用。管片式中冷器管片式中冷器是在許多水管上套上一層層的散熱片，經(jīng)錫鉛焊焊

24、接在一起。冷卻水管和散熱片采用紫銅或黃銅制造。水管的排列有叉排和順排兩種，水管截面的形狀有圓形、橢圓形、扁管形、滴形和流線型等。其中圓管工藝性和可靠性較好，但空氣的流通阻力較大，使空氣壓力損失較大。滴形和流線形管雖然空氣阻力較少，但由于工藝性和可靠性差，目前很少使用。橢圓管與圓管和扁管相比，具有較高的傳熱系數(shù)和較少的空氣阻力，其工藝性和可靠性不與圓管但優(yōu)于扁管。冷軋翅片管式中冷器冷軋翅片管是由單金屬管或硬外軟的雙金屬管在專用扎機(jī)上扎制而成。通常，單金屬管用紫銅或鋁；雙金屬管的管用黃銅，外管用鋁。雙金屬管在扎制過(guò)程中使用兩種金屬牢固的貼合在一起，幾乎沒(méi)有間隙，即使在長(zhǎng)期振動(dòng)工作條件下也不會(huì)脫開，

25、將翅片管用漲管法固定在端板上。整個(gè)加工過(guò)程不用焊接，不存在虛焊和長(zhǎng)期振動(dòng)工作后的脫焊現(xiàn)象。因此，冷軋翅片管中冷器的主要優(yōu)點(diǎn)就是接觸熱阻少，傳熱系數(shù)高，工作可靠性好。其缺點(diǎn)是在同樣體積下冷卻表面積較少，空氣阻力損失較大。2、風(fēng)冷式中冷器結(jié)構(gòu)風(fēng)冷式中冷器是用環(huán)境空氣來(lái)冷卻增壓后的高溫空氣，由于熱側(cè)和冷側(cè)換熱介質(zhì)均為空氣，兩側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)，因此兩側(cè)的換熱面積應(yīng)大致一樣，風(fēng)冷式中冷器的結(jié)構(gòu)有扁管式、翅片式和管翅式幾種。扁管式中冷器在扁管外圍設(shè)有散熱片，增壓空氣在管流動(dòng)，冷卻空氣在管外流動(dòng)。由于熱氣側(cè)換熱面積太小，使中冷器傳熱效率低，應(yīng)用很少。應(yīng)用較多的是板翅式和管翅式中冷器兩種型式。板翅

26、式中冷器板翅式中冷器的結(jié)構(gòu)是在厚 0.50.8mm 的薄金屬板之間，釬焊由厚0.10.3mm 的薄金屬板制成的翅片，兩端以測(cè)限制板封焊。因各層翅片方向互錯(cuò) 90 度，兩個(gè)不同方向的翅片分別形成了兩種錯(cuò)流換熱介質(zhì)的通道。板翅式中冷器大多用銅和硅和金制造，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱面積大，效率高。光直翅片換熱系數(shù)和阻力損失都比較小，只用在對(duì)阻力要求特別嚴(yán)格的場(chǎng)合。為了增強(qiáng)氣流的擾動(dòng)，破壞邊界層以強(qiáng)化傳熱，可以采用鋸齒翅片或多孔翅片等翅片型式。其中鋸齒翅片對(duì)促進(jìn)流體的湍流，破壞熱阻邊界十分有效，傳熱系數(shù)比光直翅片高 30%以上。大多數(shù)中冷器都采用鋸齒形翅片。管翅式中冷器管翅式的結(jié)構(gòu)是在板翅式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展

27、而來(lái)，其熱氣側(cè)通道是多孔的成型管材。與板翅式相比，它的主要優(yōu)勢(shì)在熱氣側(cè)。由于采用成型管材，簡(jiǎn)化了工藝，避免了翅片和隔板之間的虛焊與工作振動(dòng)中的脫焊所造成的接觸熱阻，提高了傳熱效率和工作可靠性。其缺點(diǎn)是熱氣側(cè)只能是光直的通道，難以采用繞流措施。目前管翅式中冷器已得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。（3） 風(fēng)冷式中冷器的構(gòu)造和工作原理（以板翅式為例）191）基本單元圖2-1 板翅單元 1隔板；2翅片；3封條如圖2-1所示，隔板、翅片與封條三部分構(gòu)成了板翅式熱交換器的結(jié)構(gòu)基本單元。冷、熱流體在相鄰的基本單元體的流道中流動(dòng)，通過(guò)翅片與與翅片連成一體的隔板進(jìn)行熱交換。因而，這樣的結(jié)構(gòu)基本單元體也就是進(jìn)行熱交換的基本單

28、元。將許多個(gè)這樣的單元體根據(jù)流體流動(dòng)方式的布置疊置起來(lái)，釬焊成一體組成板翅式熱交換器的板束或芯體。圖2-2所示為常用的逆流、錯(cuò)逆、錯(cuò)逆流板束。一般情況下，從強(qiáng)度、熱絕緣和制造工藝等要求出發(fā)，板束頂部和底部還各留有若干層假翅片層(又稱強(qiáng)度層或工藝層)。在板束兩端配置適當(dāng)?shù)牧黧w出入口封頭，即可組成一臺(tái)板翅式熱交換器，如圖2-3。圖2-2 不同流型的板束通道1平板；2翅片；3封條；4分配段；5導(dǎo)流片；6封頭；7板束；8封頭；9封頭圖2-3 板翅式熱交換器2）翅片的單元和形式翅片是板翅式熱交換器的最基本元件。冷熱流體之間的熱交換大部分通過(guò)翅片，小部分直接通過(guò)隔板來(lái)進(jìn)行。正常設(shè)計(jì)中，翅片傳熱面積大約為熱

29、交換器總傳熱面積的6788。翅片與隔板之間的連接均為完善的釬焊，因此大部分熱量傳給翅片，通過(guò)隔板并由翅片傳給冷流體。由于翅片傳熱不像隔板那樣直接傳熱，故翅片又有“二次表面”之稱。二次傳熱面一般比一次傳熱面的傳熱效率低。但是如果沒(méi)有這些基本的翅片就成了無(wú)波紋的最簡(jiǎn)易的平板式熱交換器了。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)和埃姆茲航空實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)沒(méi)有翅片和有翅片的熱交換器進(jìn)行試驗(yàn)證明，有翅片比沒(méi)有翅片的熱交換器體積減少了18以上。假如設(shè)計(jì)的翅片效率最低為70時(shí)，其重量可減少10。翅片除承擔(dān)主要的傳熱任務(wù)外，還起著兩隔板之間的加強(qiáng)作用。盡管翅片和隔板材料都很薄，但由此構(gòu)成的單元體的強(qiáng)度很高，能承受較高的壓力。翅片的型

30、式很多，如：平直翅片、鋸齒翅片、多孔翅片、波紋翅片、釘狀翅片、百葉窗式翅片、片條翅片等。以下介紹其中的幾種常用型式：圖2-4 常用翅片類型（a）平直翅片 （b）鋸齒式翅片 （c）多孔翅片 （d）波紋翅片平直翅片 又稱光滑翅片，是最基本的一種翅片。圖2.4(a)所示為其中的一種。它可由薄金屬片滾軋(或沖壓)而成。平直翅片的特點(diǎn)是有很長(zhǎng)的帶光滑壁的長(zhǎng)方形翅片，當(dāng)流體在由此形成的流道中流動(dòng)時(shí)、其傳熱特性和流動(dòng)特性與流體在長(zhǎng)的圓管中的傳熱和流動(dòng)特性相似。這種翅片的主要作用是擴(kuò)大傳熱面，但對(duì)于促進(jìn)流體湍動(dòng)的作用很少。相對(duì)于其他翅片，它的特點(diǎn)是換熱系數(shù)和阻力系數(shù)都比較小，所以宜用于要求較小的流體阻力而其自

31、身傳熱性能又較好(如液側(cè)或發(fā)生相變)的場(chǎng)合。此外，翅片的強(qiáng)度要高于其他類型的翅片。故在高原板翅式換熱器中用得較多。鋸齒翅片 它可以看作平直翅片被切成許多短小的片段，相互錯(cuò)開一定的間隔而形成的間斷式翅片(圖2-4(b)。這種翅片對(duì)促進(jìn)流體的湍動(dòng)，破壞熱邊界層十分有效。在壓力損失一樣的條件下，它的傳熱系數(shù)要比平直翅片高30以上，故有“高效能翅片”之稱。鋸齒形翅片傳熱性能隨翅片切開長(zhǎng)度而變化，切開長(zhǎng)度越短，其傳熱性能越好，但壓力降增加。在傳熱量一樣的條件下，其壓力損失比相應(yīng)的平直翅片小。該種翅片普遍用于需要強(qiáng)化傳熱(尤其是氣側(cè))的場(chǎng)合。多孔翅片 它是在平直翅片上沖出許多圓孔或方孔而成的(圖2.4(c

32、)。多孔翅片開孔率一段在510之間，孔徑與孔距無(wú)一定關(guān)系。孔的排列有長(zhǎng)方形、平行四邊形和正三角形二種，我國(guó)目前采用的多孔翅片，孔徑為215、917，孔距為65mm、325mm正三角形排列。翅片上的孔使傳熱邊界層不斷破裂、更新，提高了傳熱效果。它在雷諾數(shù)比較大的圍(10一10)具有比平直翅片高的換熱泵效，但在高雷諾效圍會(huì)出現(xiàn)吸音和振動(dòng)。翅片上開孔能使流體在翅片中分布更加均勻，這對(duì)于流體中雜質(zhì)顆粒的沖刷排除是有利的。多孔翅片主要用于導(dǎo)流片與流體中夾雜顆?；蛳嘧儞Q熱的場(chǎng)合。波紋翅片 它的結(jié)構(gòu)示于團(tuán)2.4(d)上。它是在平直翅片上壓成一定的波形(如人字形，所以又稱人字形翅片)，使得流體在彎曲流道中不斷

33、改變流動(dòng)方向，以促進(jìn)流體的湍動(dòng)，分離或破壞熱邊界層。其效果相當(dāng)于翅片的折斷，波紋愈密，波幅愈大，其傳熱性能就愈好。我國(guó)常用的組片有平直、多孔和鋸齒形翅片三種，并用漢語(yǔ)拼音符號(hào)和數(shù)字統(tǒng)一表示翅片的型式與幾何參數(shù)。如65PZ2103，則表示PZ平直翅片，656.5mm翅高，212.1mm節(jié)距，030.3mm翅厚。如是多孔形，則為DK，鋸齒形則為JC，幾何參數(shù)表示法一樣。(3)封條封條作用是使流體在單元體的流適中流動(dòng)而不向兩側(cè)外流。它的上下面均具有0.15mm的斜度，以便在組成板束時(shí)形成縫隙，利于釬劑滲透。它的結(jié)構(gòu)形式很多最常用的為如圖2-5所示的燕尾形、燕尾槽形、矩形三種. 圖2-5 封條形式圖2

34、-6 導(dǎo)流片與封頭圖2-7 導(dǎo)流片布置的幾種形式(4)導(dǎo)流片和封頭為了便于把流體均勻地引導(dǎo)到翅片的各流道中或匯集到封頭中，一般在翅片的兩端均設(shè)有導(dǎo)流片。導(dǎo)流片也起保護(hù)較薄的翅片在制造時(shí)不受損壞和避免通道被釬劑堵塞的作用。它的結(jié)構(gòu)與多孔翅片一樣，但其翅距、翅厚和小孔直徑比多孔翅片大。封頭的作用就是集聚流體，使板束與工藝管道連接起來(lái)。導(dǎo)流片與封頭的示意圖如圖2-6。根據(jù)各種結(jié)構(gòu)型式的板翅式熱交換器，導(dǎo)流片可布置成如圖2-7所示的幾種型式。圖中I型主要是由于在熱交換器的端部有兩個(gè)以上的封頭，因此要用導(dǎo)流片把流體引導(dǎo)到端部一側(cè)的封頭。型布置是由于在熱交換器端部有三個(gè)以上的封頭，需要把一股流體引導(dǎo)到中間

35、封頭。型布置主要是用于熱交換器端部敞開或僅有一個(gè)封頭情況下。型是為了滿足把封頭布置于兩側(cè)而設(shè)計(jì)的。V型布置是為滿足管路布置需要而采用的。應(yīng)注意到設(shè)置導(dǎo)流片并不一定能完全克服流體在流道分配不均勻的問(wèn)題，因?yàn)榉峙涫欠窬鶆蜻€與流體的狀態(tài)有關(guān)。(5)隔板與蓋板隔板材料是在母體金屬(鋁錳金屬)表面覆蓋一層厚約0.10.4mm，含硅512的釬料合金。所以又稱金屬?gòu)?fù)合板，在釬焊時(shí)合金熔化而使翅片與金屬平板焊接成整體。為了釬焊方便，可將釬料軋制成薄片再用機(jī)械方法布覆于鋁材表面，成為一種釬焊用復(fù)合板即雙金屬?gòu)?fù)合板。隔板厚度一般為l2mm，最簿為0.36mm。板翅式熱交換器板束最外側(cè)的板稱為蓋板，它除承受壓力外還

36、起保護(hù)作用，所以它的厚度一般為56mm。它與翅片的焊接多數(shù)采用板下加焊片的方法，焊片厚度與隔板復(fù)合層一樣。(4)流道的布置形式 按運(yùn)行工況要求可將流體布置成逆流、順流、錯(cuò)流、錯(cuò)逆流(或稱多程流)等多種形式。逆流 在板翅式熱交換器中實(shí)現(xiàn)逆流有三種型式(圖2.8)。其中，逆流1、2型(圖2.8的上、中兩圖)為兩種流體的逆流布置，而3型(下圖)為多達(dá)五種流體的逆流布置。逆流形式用得最普遍。圖2-8逆流布置示意圖順流 如圖2-9所示，這種流動(dòng)形式應(yīng)用較少，主要用在加熱時(shí)需要避免流體被加熱(或冷卻)到高(或低)于某一規(guī)定溫度的場(chǎng)合。錯(cuò)流 如圖2-10所示，也是最基本的一種布置方式。從傳熱上考慮這種布置并

37、無(wú)突出優(yōu)點(diǎn)，但它常能使熱交換器布置合理而被采用?？辗盅b置中將它用于一側(cè)相變或溫度變化很小的場(chǎng)合?；炝?在一個(gè)熱交換器中，某些流體間是錯(cuò)流，而另外一些流體間是逆流它的最大優(yōu)點(diǎn)是能同時(shí)處理幾種流體的熱交換并合理分配各種流體的傳熱面積。采用這種形式可以將幾個(gè)熱交換器并成一個(gè)，使設(shè)備的布置更加緊湊，生產(chǎn)操作更方便，使熱(冷)量損失減少到最小程度但它制造比較困難。在石化、氣體分離設(shè)備中被大量地采用。 圖2-9 順流布置示意圖圖2-10 錯(cuò)流布置示意圖 圖2-11 錯(cuò)逆流布置示意圖2.2柴油機(jī)中冷器的選型原則目前用于車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣-氣中冷器主要有管翅式和板翅式兩種中冷器。其選型原則主要有：1、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

38、單、緊湊；2、 工作可靠、成本低；3、 提高中冷器的換熱能力4、 減少中冷器的流動(dòng)阻力，以減少中冷器的動(dòng)力損失；5、 體積小，重量輕；6、 經(jīng)濟(jì)性好；第三章中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算一般是根據(jù)使用要求,對(duì)于已設(shè)計(jì)好的中冷器進(jìn)行校核計(jì)算，如不能滿足要求,則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算時(shí)根據(jù)所校核的參數(shù)不同分為兩種情況：其一,主要校核散熱面積能否滿足設(shè)計(jì)要求,這種情況下具體計(jì)算時(shí)通常采用對(duì)數(shù)平均溫差法；其二,主要校核增壓空氣和冷卻介質(zhì)在中冷器出口的溫度是否在使用要求的圍,此時(shí)通常采用效率(E)傳熱單元數(shù)(NTU)法以上兩種情況還均需校核增壓空氣和冷卻介質(zhì)的流動(dòng)損失等參數(shù)。3.1 云4102QBZL柴油

39、發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器選型3.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)與環(huán)境參數(shù)本論文以云4102QBZL型增壓中冷柴油機(jī)為設(shè)計(jì)對(duì)象，首先查閱發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)以與工作環(huán)境參數(shù)，為中冷器的選型以與第三節(jié)中冷器的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。參數(shù)見下表：表3-1云4102QBZL型增壓中冷柴油機(jī)基本參數(shù)型式立式、直列、水冷、四沖程、增壓中冷缸數(shù)缸徑X行程(mm)4102X115氣缸套形式濕式燃燒室型式直噴w型燃燒室活塞總排量(L)3.76進(jìn)氣方式渦輪增壓、進(jìn)氣中冷最低空載穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(r/min)750壓縮比17：1標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速(kw/r/min)85/3200最低燃油消耗率(g/kw.h)217最大扭矩/轉(zhuǎn)速(N.m/r/min)320/180020

40、00冷卻方式發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制循環(huán)水冷式中冷器空空冷卻排放歐由發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)通過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)算得到的已知條件和指標(biāo)1，如表3-2所示。表3-2 通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的給定參數(shù)計(jì)算出部分簡(jiǎn)單參數(shù)要計(jì)算的數(shù)據(jù) 計(jì)算結(jié)果標(biāo)定功率 Pe=85 kw 標(biāo)定轉(zhuǎn)速 n=3200 r/min 缸徑 D=0.102m 行程 S=0.115m 平均有效壓力 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 渦輪前排氣溫度 =477 高速柴油機(jī)（400-500 ）設(shè)定增壓柴油機(jī)工作的環(huán)境壓力為一個(gè)大氣壓力，環(huán)境工作溫度為30（假設(shè)時(shí)使增壓柴油機(jī)處于一個(gè)較高的環(huán)境溫度下）渦論的背壓比環(huán)

41、境壓力稍高，中冷后的空氣溫度根據(jù)文獻(xiàn)一般中冷高速四沖程柴油機(jī)進(jìn)氣管溫度為（40-60）。氣缸的空氣充氣系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)增壓高速四沖程柴油機(jī)（0.9-1.0），充氣系數(shù)與掃氣系數(shù)的乘積約為1.0。具體數(shù)據(jù)參看下表3-3表3-3發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境參數(shù) 環(huán)境參數(shù) 結(jié)果與單位 大氣壓力 P=0.101Mpa 大氣溫度 T=303K 渦輪后背壓 P=0.100Mpa 中冷后空氣溫度 T=323K 一般有中冷高速四沖程柴油機(jī)進(jìn)氣管溫度為（40-60） 氣缸充氣系數(shù) =1.00 增壓高速四沖程柴油機(jī) （0.9-1.0） 1.00 高速車用柴油機(jī)一般約1.003.1.2云4102QBZL中冷器的選型對(duì)于中冷器，若采用空-

42、空中冷系統(tǒng)，機(jī)械驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的型式可用于難于得到溫度較低的冷卻水的場(chǎng)合。由于冷卻空氣的溫度較低，故冷卻效果好，增壓空氣的溫度可冷卻到 50-60。但由于空氣的傳熱系數(shù)比水低得多，空-空中冷器的體積要比水-空冷卻器大些。在車輛上布置時(shí)，常將空-空中冷器直接布置在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱的前面。用輪緣空氣渦輪風(fēng)扇冷卻的空-空中冷器與前一種的區(qū)別在于從渦輪增壓器壓氣機(jī)一端引出一部分壓縮空氣流經(jīng)輪緣渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇以冷卻空-空中冷器。引出的空氣量約為流經(jīng)壓氣機(jī)流量的 5-10%。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要額外消耗風(fēng)扇功率且冷卻空氣流量的增加與發(fā)動(dòng)機(jī)流量相適應(yīng)，但卻增加了匹配的復(fù)雜程度。水-空中冷又分為利用發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水和獨(dú)

43、立的循環(huán)水系統(tǒng)兩種。前者的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單，車用發(fā)動(dòng)機(jī)一般只能采用這種系統(tǒng)。缺點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水本身溫度就高（90），故增壓空氣只能冷卻到 100110。而后者正相反，由于可利用溫度較低的冷卻水，故增壓空氣的冷卻效果好，但需要設(shè)置獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，故它只能使用于固定式或船用發(fā)動(dòng)機(jī)。由于采用空-空中冷器發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度低，故相應(yīng)的排氣溫度也低，耗油率和煙度也均比水-空中冷器時(shí)要好得多。但是空-空中冷器的體積、阻力損失和成本都要稍高些。比較起來(lái)，空-空中冷系統(tǒng)具有很大的發(fā)展?jié)摿?，特別對(duì)采用高溫冷卻的車用發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，更應(yīng)優(yōu)先考慮采用空-空中冷器。而空-空中冷器作為一種熱交換器，其結(jié)構(gòu)形式很多。但最常用的是板

44、翅式和管翅式中冷器兩種。二者比較，板翅式中冷器的緊湊型好，即在一樣的體積條件下氣散熱面積大，但其阻力損失要比管翅式中冷器大些。在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上由于對(duì)外形尺寸要求嚴(yán)格，故一般采用板翅式中冷器。但管翅式的結(jié)構(gòu)是在板翅式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其熱氣側(cè)通道是多孔的成型管材。與板翅式相比，它的主要優(yōu)勢(shì)在熱氣側(cè)。由于采用成型管材，簡(jiǎn)化了工藝，避免了翅片和隔板之間的虛焊與工作振動(dòng)中的脫焊所造成的接觸熱阻，提高了傳熱效率和工作可靠性。其缺點(diǎn)是熱氣側(cè)只能是光直的通道，難以采用繞流措施。目前管翅式中冷器已得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。管翅式中冷器為了增強(qiáng)氣流的擾動(dòng)，減小在邊界層中的傳熱阻力以加強(qiáng)放熱，翅片可以制成各種形式，

45、有光直翅片、鋸齒翅片、多空翅片和波紋翅片等。其中光直翅片的傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)都比較小，只用在阻力要求特別嚴(yán)格的情況下；鋸齒翅片對(duì)促進(jìn)流體的湍動(dòng)，破壞熱阻邊界十分有效。據(jù)有關(guān)資料介紹，在一樣壓降條件下，鋸齒型翅片的傳熱系數(shù)比光直翅片高 30%以上。多數(shù)中冷器采用鋸齒型翅片。多孔翅片和波紋翅片是在鋸齒翅片的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)，具有更加突出的傳熱效果。管翅式中冷器大多數(shù)采用銅或鋁合金制造。同具有良好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕和焊接性能，但銅是重要的戰(zhàn)略物資且價(jià)格昂貴，故一般應(yīng)避免采用。鋁由于有良好的物理機(jī)械性能和耐腐性，價(jià)格便宜，來(lái)源充足，作為銅的替代材料是適合的，因此在中冷器上得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于410

46、2QBZL柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，考慮到提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放的要求，且綜合以上中冷器選配要求和具體安裝特點(diǎn)、要求，選擇機(jī)械驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇型空-空中冷系統(tǒng)且中冷器選擇波紋翅片、管翅式中冷器（材料為鋁）最為適合。其合理性如下：(1) 空-空中冷系統(tǒng)的排氣溫度較低，耗油率和煙度也均比水-空氣中冷時(shí)要好得多；(2) 機(jī)械驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的型式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)且不需要消耗柴油機(jī)熱效率；(3) 管翅式中冷器易于滿足車用發(fā)動(dòng)機(jī)安裝空間的需要；(4) 波紋翅片對(duì)促進(jìn)流體的湍動(dòng)，破壞熱阻邊界十分有效。且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于加工生產(chǎn)；(5) 選擇鋁作為材料，既能滿足需要也能降低成本，有利于企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提升；(6) 有利于將中冷器置于發(fā)動(dòng)機(jī)冷

47、卻水箱前端，滿足車用發(fā)動(dòng)機(jī)布置要求；(7) 結(jié)構(gòu)緊湊，冷卻效果好。這種型式的選擇，從長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則上滿足了車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)中冷器的結(jié)構(gòu)、尺寸、換熱效果和經(jīng)濟(jì)性等各項(xiàng)要求，是各種方案中的最優(yōu)解。這種中冷器的散熱單元如圖3-13：圖3-1中冷器散熱芯片3.2 原始數(shù)據(jù)中冷器型式：空-空中冷系統(tǒng)，管翅式中冷器波紋形翅片（材料為鋁）假定中冷器原始參數(shù)：= 1 * GB3增壓空氣流量：qmb=0.22 /s (其中qmb=)中冷器進(jìn)口空氣壓力：pb=0.20 MPa中冷器進(jìn)口空氣溫度：Tb=120=393K中冷器出口空氣溫度：Ts=50=323K冷卻空氣流量：qmw=0.66 /s冷卻空氣進(jìn)口溫度：

48、Twf=30=303K增壓空氣壓力損失容許值8pb=3000 (Pa) 冷卻空氣壓力損失容許值8=3000 (Pa) 增壓空氣比熱容 Cpb=1009 (J/kgK) 冷卻介質(zhì)比熱容 Cpa=1002 (J/kgK) 33 幾何結(jié)構(gòu)尺寸確定和計(jì)算：采用管翅式中冷器，型芯長(zhǎng)寬厚為67041665查閱文獻(xiàn)選用尺寸參數(shù)為以下214：翅片基本參數(shù)（單位：）如表3-4 幾何參數(shù) 冷氣側(cè) 增壓空氣側(cè) H-翅片高 8 61-翅片厚 0.4 0.22-隔板厚度 0.6 0.6 S-翅片間距 4 3.5x-翅距（x=S-1） 3.6 3.3y-翅高（y=H-1） 7.6 5.8 B-單位有效寬度 670 65L

49、e-但未有效長(zhǎng)度 65 670熱氣側(cè)層數(shù)為n，則有：6n+8(n+1)+25=416 得n=28 即：增壓空氣側(cè)為28層，冷氣側(cè)為29層 （其中上下隔板厚度為5毫米）（1）當(dāng)量直徑de： 冷空氣側(cè)：dew=4A/U=4xy/(x+y)=4.886 增壓空氣側(cè)：deb=4.207 （2） 通道的自由流通面積F:對(duì)于每層單元，通道的自由流通面積Fi 冷空氣側(cè)：Fiw=0.0046 增壓空氣側(cè)：Fib=0.00036 對(duì)于n層單元，通道的自由流通面積F 冷空氣側(cè)：Fw=0.1334 增壓空氣側(cè)：Fb=0.01（3） 傳熱面積A: n層通道的總傳熱面積A=2(x+y) 冷氣側(cè)Aw=7.07 增壓空氣側(cè)

50、Ab=6.34 n層通道的第一傳熱面積A1=Ax/(x+y) 冷氣側(cè)： A1w=2.27 增壓空氣側(cè)：A1b=2.3 n層通道的第二傳熱面積A2=Ay/(x+y) 冷氣側(cè)： A2w=4.8 增壓空氣側(cè)：A2b=4.04 （第一次傳熱面積F1:指隔板表面的傳熱面積 第二次傳熱面積F2:指翅片表面的傳熱面積）3.4 傳熱系數(shù)計(jì)算(1) 中冷器換熱量 Q=qmbCpb(Tb-Ts)=0.221.00870=15.52 KJ/S冷卻空氣的出口溫度：Tw2=Tw1+=326 K冷卻空氣的平均溫度：Twm=(Tw1+Tw2)/2=314.5 K增壓空氣的平均溫度：Tbm=(Tb+Ts)/2=358 K增壓

51、空氣和冷卻空氣的對(duì)流平均溫差TnTn =(Tb-Tw2)-(Ts-Tw1)ln(Tb-Tw2)/(Ts-Tw1)=39.2K冷卻效率：78%(2) 平均溫度下冷卻空氣和增壓空氣的熱物理性質(zhì)如表3-6：參數(shù) 密度 熱導(dǎo)率 運(yùn)動(dòng)粘度 普朗特殊Pr 比定壓熱容(/m3) （w/m.k） （/s） Cp(KJ/.K) 冷卻空氣 1.180 2.6510-2 15.810-6 0.702 1.000增壓空氣 0.96 3.0410-2 10.510-6 0.675 1.007(3) 計(jì)算冷卻空氣測(cè)的對(duì)流換熱系數(shù) 冷卻空氣流速：Cw=qmw/Fw=3/0.1339=22.49 m/s冷卻空氣通道當(dāng)量直徑:

52、Dew=(n+1)dew=0.14 m冷卻空氣的雷諾數(shù):ReW=22.490.1415.810-6=1.99105冷卻空氣的努塞爾數(shù):Nuw=0.023Rew0.8Prw0.4=0.0231990000.80.7020.4=28.98 冷卻空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù):hw= Nuww/Dew=28.890.02650.14=65 w/(m2k) (4) 計(jì)算增壓空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)增壓空氣通道當(dāng)量直徑:Deb=ndeb=0.12 m增壓空氣的流速: Cb=qmb/Fb=0.220.01=22 m/s增壓空氣的雷諾數(shù): Rea=CbDeb/b=220.1210.510-6=2.4105增壓空氣的努爾特

53、數(shù):Nub=0.023Rea0.8Pra0.4=0.0232440000.80.6750.3=417.89增壓空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù):hb= Nubb/Deb=417.890.03040.12=106 w/(m2k)(5) 熱阻計(jì)算 增壓空氣側(cè)污垢熱阻 R1=0.00035 K/W 冷卻空氣側(cè)污垢熱阻 R2=0.00035 K/W 散熱片焊接處接觸熱阻 R3=0.0001 K/W 導(dǎo)熱熱阻 R4=Ab2/(Aw)=(6.340.6)（7.07140）=0.0038K/W式中，2為冷熱兩側(cè)間壁厚度；為材料熱導(dǎo)率（此處材料為鋁合金）(6) 中冷器傳熱系數(shù)=+R1+R2+R3+R4+=1106+0.0

54、0035+0.00035+0.0001+0.0038+ (16.34)(657.07) 得K=36 w/(m2k)3.5 用對(duì)數(shù)平均溫差法校核散熱面積(1)增壓空氣和冷卻空氣的對(duì)流平均溫差Tn：Tn =(Tb-Tw2)-(Ts-Tw1)ln(Tb-Tw2)/(Ts-Tw1)=(393-326)-(323-303)ln(393-326)(323-303)=39.2K(2) 所需散熱面積: Ac=Q/(KTn)=15.52（3644.9）=11 因?yàn)?1113.41,即所需散熱面積大于實(shí)際散熱面積，所以所設(shè)計(jì)的中冷器符合使用要求。3.6 用效能()傳熱單元數(shù)(NTU)法校核增壓空氣出口溫度 （1）

55、熱容比為=（qmCp）min/( qmCp)max式中，（qmCp）min為qmbCpb和qmwCpw中的較小者，( qmCp)max為兩者中的較大者。qmbCpb=0.221007=220；qmwCpw=0.661000=660所以 =220660=0.33 （2）傳熱單元數(shù)為 NTU=KAb/( qmCp)min=366.34220=1.037 （3）效能=1-exp-（/n）exp-NTU（n-1）=0.8n=NTU-0.22=0.99 （4）增壓空氣出口溫度 Ts=Tb-（）=321 K 冷卻介質(zhì)出口溫度 Tw2=Tw1+ （qmbCpb）/(qmwCpw) (Tb-TS)=326.7

56、 K 因?yàn)?21 K小于原始參數(shù)323 K,所以在設(shè)計(jì)要求圍。3.7 壓力損失校核熱交換器芯子中的阻力它主要由傳熱面形狀的改變而產(chǎn)生的阻力和摩擦里組成，該阻力損失直接影響增壓柴油機(jī)進(jìn)氣壓力狀況，為了柴油機(jī)正常工作次損失壓力必須小于容許損失的壓力值。 （1）冷卻介質(zhì)的壓力損失pw=w(+1.4)=1.18(+1.4)=420 Pa 因?yàn)?20 Pa小于所選取參數(shù)規(guī)定的3000 Pa，所以冷卻空氣側(cè)壓力損失符合要求 （2）增壓空氣的壓力損失pb=b(+1.4)=0.96(+1.4)=680 Pa 因?yàn)?80 Pa小于所選取參數(shù)規(guī)定的3000 Pa，所以增壓空氣側(cè)壓力損失符合要求。3.8 中冷器外部

57、結(jié)構(gòu)確定3.8.1冷空氣和增壓空氣封條冷空氣與增壓空氣封條上是為了分割，密封流道。截面形狀采用燕尾形，封條上下面向兩側(cè)有0.15mm的斜度，為了與平板組成板束時(shí)，形成楔形縫隙，便于釬焊焊料的滲入。其尺寸分別有冷空氣翅片與增壓空氣翅片決定。冷空氣封條長(zhǎng)65mm厚度8mm寬度10mm。如圖3-2所示。圖3-2 冷空氣封條尺寸增壓空氣封條長(zhǎng)670mm厚度6mm寬度5 mm。如圖3-3所示圖3-3 增壓空氣封條尺寸3.8.2 平板平板的作用在于分割并形成流道同時(shí)承受壓力隔板尚有一次傳熱作用，故其厚度應(yīng)在滿足條件下盡可能的減薄。隔板厚度一般為12mm，最薄的有0.36mm。其長(zhǎng)度與寬度尺寸有翅片和封條決

58、定。翅片長(zhǎng)為670 mm兩邊封條常為10mm，平板的長(zhǎng)為690 mm，翅片寬與封條和為平板寬65 mm。如圖3-4所示。圖3-4 平板尺寸3.8.3 導(dǎo)流片導(dǎo)流片的作用是引導(dǎo)進(jìn)口流經(jīng)板束的流體使之均勻的分布于流道之中。其結(jié)構(gòu)尺寸由中冷器芯子與封頭決定。導(dǎo)流片的長(zhǎng)416 mm，寬65 mm；導(dǎo)流片的高即封頭深15mm；增壓空氣流道5.2mm（增壓流道3.2mm與平板厚之和決定），為了使增壓空氣最大可能流入流道；冷空氣封條上層設(shè)置為直徑6.5mm的半圓（即增壓空氣封條厚度）如圖3-5 所示。圖3-5 導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)尺寸3.8.4 增壓空氣封頭增壓空氣封頭的作用是為了把增壓空氣引導(dǎo)或匯集。其結(jié)構(gòu)尺寸根

59、據(jù)中冷器的工作空間位置決定?？臻g位置決定中冷器封頭不能太高為了能安放到汽車?yán)镞@里選擇其高度為105 mm,部長(zhǎng)寬由中冷器芯子決定65 mm,416 mm。外面的7個(gè)螺栓孔是用于和增壓封頭接管連接的。如圖3-6所示。圖3-6 增壓空氣封頭3.8.5 增壓空氣封頭接管增壓空封頭接管時(shí)連接和密封增壓空氣封頭與中冷器芯子的中介，其結(jié)構(gòu)尺寸有中冷器芯子，封頭與空間位置決定。接管的部尺寸由芯子決定其長(zhǎng)寬分別為65 mm，416 mm,部凸臺(tái)是為了便于連接和密封。側(cè)面的兩個(gè)直徑為6mm的螺栓孔是為了緊固與調(diào)整裝配間隙。圖3-7 增壓空氣封頭接管3.8.6 中冷器芯體圖中冷器芯子是有翅片，平板，封條，釬焊而成

60、。芯子是由29個(gè)冷空氣翅片，28個(gè)增壓空氣翅片與58個(gè)平板釬焊而成。其長(zhǎng)為690mm,寬為416mm。厚度為65mm。如圖3-8所示。圖3-8 芯體圖3.8.7 中冷器連接 芯體，芯體兩側(cè)分別設(shè)有進(jìn)氣室和出氣室，進(jìn)氣室上設(shè)有進(jìn)氣口，出氣室上設(shè)有出氣口；進(jìn)氣室上側(cè)和下側(cè)以與出氣室上下側(cè)各焊有一個(gè)支架，支架上設(shè)有螺栓孔。支架將中冷器總成固定于發(fā)動(dòng)機(jī)上，支架與散熱器通過(guò)螺栓、彈簧墊圈連接固定，然后用兩個(gè)卡箍把進(jìn)氣口和出氣口連接到連接膠管上以實(shí)現(xiàn)可靠連接。第四章CFD技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用CFD 是英文 Computational Fluid Dynamics（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）的簡(jiǎn)稱。它是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)