发动机散热器的设计与加工.docx

发动机散热器的设计与加工（创新训练4）学院：车辆与能源学院班级：车辆工程（卓越试点）姓名：黄业兴学号：120113050011指导教师：夏怀成李昊发动机散热器的设计与加工摘要：分析了赛车散热器的工艺过程；分析散热面积与冷却风扇功率消耗合理匹配 的重要性，分别对散热面积和风扇功率进行了理论计算、优化设计和匹配研究关键词：工艺过程；大学生方程式赛车；散热器；冷却风扇；优化设计；匹配1 前言大学生方程式赛车采用的是全铝散热器,水室是6系铝，翅片是4系铝，其加工 工艺主要用钎焊工艺其散热面积的大小对冷却能力有很大影响；而风扇功率消耗 作为机车的性能参数，又占辅助功率消耗的大部分散热面积过大，将增加设备投资， 但冷却系统运用功率将会减少，而散热面积过小，冷却系统运用功率将会增加因此, 研究两者之间的匹配关系是十分必要的2 工艺过程2. 1 散热器钎焊工艺钎焊是指当基体金属处于固态时，用熔点比它低的熔化状态的填充金属，将基 体金属连接的过程钎焊的工艺过程1. 将钎焊的基体金属加热，达到钎料熔化的温度2. 钎料焙化3. 钎料沿钎焊金属表面的流动，在毛细管作用下流进接合金属的间隙4. 钎焊缝附近的基体金属熔解到液体钎料中去,液体的钎料元素向基体金属 扩散。

5. 钎料在钎焊缝中冷却和结晶2.2 钎料：是在钎焊时添加的金属.性能1. 润湿基体金属，与之构成牢固，优质的焊缝2. 具有合适的熔点和漫流性，可借毛细管作用扩散和溶解3. 成分均匀稳定4. 能满足强度，耐腐蚀性等使用要求5. 根据需要，产生或避免钎料-基体金属的相互作用分类按熔点和机械性能A. 硬钎料〉450°C,强度达50 kg/mm2B. 软钎料＜450°C,强度不超过2~10 kg/mm2 （主要）2. 2 制管工艺方法散热管的截面多采用扁圆形：相同容积比圆管，具有更大的散热面积，当水冻结膨胀时，可借横断面变形免 于破裂制管方法：咬口钎焊，冷拔成型，高频对焊咬口钎焊制管是在联合制管机上，用薄的铜带料滚压成型、浸渍钎焊热镀锡、 切断加工结合的特殊加工方法该技术基础薄弱，影响因素很多，很多技术问题与 操作经验直接联系3 优化匹配3. 1 散热器散热面积的计算根据参考文献，高温散热器单节个数可以nh用下式表示：rnh=-Q^-(—^—+—s +——.—)⑴t wlh t al K h j h J wi, P C pwh U a J ai,C pa式中：01高温水回路散热量,91818kW；Ah单节高温部分传热系数，Ah = 4815W). 4286a ；f h单节高温散热面积,912m2 ；Ah单节高温通水面积,01001256m2 ；f ah单节高温通风面积,011326m2 ；沛高温水流速,mPs ；Pwh高温水密度,968kgPm3 ；6pwh高温水定压比热,4205JP(kg • °C)；耸a冷却空气定压比热,1004JP(kg • °C)；施通过散热器的风速,kgP(m2 • s)；iwlh单节高温水进口温度，°C；t' al高温散热器单节进风温度，°C。

将以上各参数代入式(1)中,可得：znh =力(施) (2)同理可得：0 (—-—+ + )t wll t al KJ, 2wJwlpwlCpwl 2UJG式中：ml低温散热器单节个数；Q低温水回路散热量，1163kW；f 1单节低温散热面＜ 151 Hm2 ；鬲1单节低温通水面积,01002029m2 ；f al单节低温通风面积，011326m2 ；Al单节低温部分传热系数，A1 =11211/. 1216a ；矿 1低温水流速,mPs ；Pwl低温水密度,978kg/m3 ；4)wl低温水定压比热，4186JP(kg • °C)；iwll单节低温水进口温度，°C；ial低温散热器单节进风温度，°C由式(1)和(3)计算可知：在风速相同的情况下，高低温单节的数量是不同的，两者 之间存在着冲突的现象而实际上，对于双流道散热器单节，因为结构上的原因，所以 式尸=mh =知1是成立的，但每个单节的高低温部分散热面积是不同的综合考 虑机车冷却系统的高低温水回路的冷却能力，在计算过程中，取散热器单节的个数为 r - Q. 6 znh + 0. 4 ml根据式(4),可得散热器散热面积为F = rf= + f\)式中：f双流道散热器单节的散热面Mm2。

在此,散热面积只是风速的函数3. 2 冷却风扇功率的计算风扇消耗的功率可以表示为rf U式中：险 ——单个风扇范围内的通过散热器的空气流量,m3/s ；H 风扇的全压,Pa ；Hi——风扇的效率；Pa——冷却空气密度,kg/m3在内燃机车中，风扇全压主要由散热器单节空气阻力、风道阻力和出口气流动压组成在计算过程中，风道阻力取散热器单节空气阻力的10 %计算散热器单节空气阻力采用试验公式：A pa = 15.422^/^6751 出口气流动压：Ff)式中：任 风扇的旋转截面积,m2由式(2)、⑷、⑸、⑹和⑺可得:(io)n/(l.lxl5.422U：6%；Q(|^)2)Nf =L a f该干线机车米用了两个同样的冷却风扇，因此，风扇消耗的总功率表达式为N = 2Nf （11）3. 3 匹配研究在环境温度和其他结构参数已知的情况下，根据式（2）、（3）、（4）和（10）, 得到图1在图1中,考察了散热器单节个数和单个风扇消耗的功率随风速的变化关 系根据式（5）和（11）,得到图2100 尸 > . 150404 6 8 10 12 14 16风速 /kg-Cm2^）'1图1 单节个数与冷却风扇功率的匹配关系1 一单个冷却风扇消耗功率；2 一散热器单节个数。

由图1和图2可知：当散热器单节个数为48节（散热面fO 1166.88m2）时，风速 11.8kg/（m2-5） ,M = 57.4kW;若散热器单节个数为46节（散热面积为1118.26m2 ） 时,风速为12. 7kgP（m2-5） , M=70. 2kW,但冷却风扇消耗的功率较实际偏大，因为在 计算风扇全压时是按照48节计算的,这样会导致风速偏大，因而单个风扇的实际功 率消耗应修正为6917kWo散热面积F/m2图2 风扇总功率与散热面积的关系 以上各公式的计算是以设计工况为依据的，为了便于比较和扩大应用范围，对其进行 单位化根据式(5)就得到每lOOkW散热量需要的散热面根据式(5)得到每lOOkW散热量需要的散热面 积：片+片 f + f(12)归=100尸 J ° 1 = 100r J』J 1Qh+Qi Qh+Qi其单位为麻/loony再对风扇总功率N进行单位化，得到每 lOOkW散热量下需要的风扇总功率表达式:Nf =1000矿 ”(L1x15.422U：s(矿”U“)2)•牛Ff2球(0+0)(13)其单位为"?2/loony根据式(12)和(13)；得到图3o 图12108642040 50 60 70 80 90 100 110单位散热面积FE/m2-(100kW)_I图3 风扇单位功率与单位散热面积的关系图3在今后的冷却系统散热器散热面积的设计中有一定的指导意义。

3. 4 优化设计在保证该机车散热能力的前提下，为了降低风扇功率消耗,得出最经济的冷却系 统,对其进行优化设计以下式为目标函数：S = a5F + A5N (14)式中：S ——冷却系统的单位成本(单位成本是指每100kW散热量所需要的成本,下同)；5F——散热器的单位成本；5N——风扇功率消耗的单位成本；a——散热器成本的加权系数；b——风扇功率消耗成本的加权系数a和力的确定按照参考相关文献根据式(14),得到图4冷却系数的成本是冷却风扇年功率消耗的费用和散热器年折旧及维修费用之和，其 他的不予以考虑11500110001050010000950090008500800075007000单位散热面积/m2-(100kW)图4 单位成本与单位散热面积的关系由图4可知，S在单位散热面积56〜62m2/100^时变化缓慢，大小不超过100元/100kW根据最低成本论，其最优单位散热面积应为58.4m2 /lOOkW，此时其单位成本为7200元/lOOkWo根据图3可知冷却风扇的单位功率消耗率4. 02m2/100W □ 根据式(3)计算得风扇总功率为30kW参考文献：[1] 汽车理论，汽车设计，发动机原理。

[2] 亢文祥.散热器散热面积与冷却风扇功率的匹配.[3] 徐磊.内燃机车冷却系统优化设计及匹配研究(D).中南大学 硕士学位论文.2002.。