車用整體式散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：整體式無接觸熱阻翅片管傳熱元件的翅片與水管一體成型，從根本上消除了翅片與水管間的接觸熱阻，傳熱性能較高，是理想的傳熱元件。采用FLUENT流體計(jì)算軟件對無接觸熱阻翅片管翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對翅片高度、翅片寬度為、翅片厚度和翅片間距等幾組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬，結(jié)合工藝和翅片強(qiáng)度等因素，得出整體式無接觸熱阻翅片管翅片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)為：翅片高度為7 mm，翅片寬度為5 mm，翅片厚度為0.2 mm，翅片間距為1.8 mm。

關(guān)鍵詞：無接觸熱阻；散熱器；翅片管；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言：在世界各國生產(chǎn)的各類車輛總數(shù)中，汽車所占的比例為最大[1]。用于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的各種換熱器的發(fā)展趨勢，很大程度上反映了車輛用換熱器的發(fā)展趨勢。為了節(jié)約資源，節(jié)省能源消耗，在汽車工業(yè)中掀起汽車輕量化的巨大技術(shù)革命，強(qiáng)烈地要求其產(chǎn)品重量要輕[2]。對于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的各種換熱器，從體積和重量上來說，以水散熱器為最大[3]。因此，水散熱器的改進(jìn)研究使之更小更輕，就成為當(dāng)務(wù)之急。汽車的產(chǎn)銷量近年來飛速增長，因此有必要對換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便獲得結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱性能良好的換熱器。

1.基本假設(shè)與數(shù)學(xué)模型

對換熱器能量的供給有兩種假設(shè)：一是恒定的熱流密度，二是恒壁溫[4]。本文研究的換熱器我們采用恒壁溫來進(jìn)行計(jì)算，由1圖可知換熱器結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)選取圖2所示的結(jié)構(gòu)作為計(jì)算單元。

空氣在散熱器翅片中吹過時(shí)過高的風(fēng)速往往會導(dǎo)致壓力損失過大和動力消耗的急劇增加，而風(fēng)速過低時(shí)由于制冷時(shí)空氣在散熱器表面的析濕導(dǎo)致空氣側(cè)的換熱系數(shù)降低，換熱器的換熱能力得不到充分發(fā)揮達(dá)不到制冷要求，因此散熱器的進(jìn)風(fēng)速度一般取在10-20m/s之間[5]。故本文數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)選取迎面風(fēng)速為15m/s。

2.數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1翅片高度影響

通過數(shù)值模擬計(jì)算，可知在5mm、7mm、9mm三種翅片高度中7mm高的翅片傳熱性能最好，分析認(rèn)為：翅片高度小，傳熱面積小，翅片高度高，雖然傳熱面積也增大，但散熱效率低，整體性能并不是最好。增加翅片高度可以使翅片表面積增加，但是卻使翅片效率下降，因而使有效表面積（即翅片表面積乘以翅片效率）的增加漸趨緩慢，所以整體表現(xiàn)出來的傳熱性能影響并不大。

2.2翅片厚度影響

通過數(shù)值模擬計(jì)算，可知在0.4mm、0.6mm、0.8mm三種翅片厚度中0.4mm厚度的翅片傳熱性能最好，分析認(rèn)為：翅片厚度越薄，翅片傳熱效率越高，翅片的傳熱性能越好，但翅片薄，要求加工工藝高，且翅片根部強(qiáng)度小，影響翅片根部的可靠性。國產(chǎn)的翅片管的鋁翅片一般選用的是0.5～1.2mm。

2.3翅片寬度影響

通過數(shù)值模擬計(jì)算，可知在3mm、5mm、7mm三種翅片寬度中3mm寬的翅片傳熱性能最好，分析認(rèn)為：翅片寬度小，邊界層厚度薄，平均對流換熱系數(shù)大，在傳熱面積不變的條件下，翅片整體傳熱性能好，但翅片過窄，會影響實(shí)際翅片根部強(qiáng)度。

2.4翅片間距

通過數(shù)值模擬計(jì)算，可知在1.8mm、2.3mm、2.8mm三種翅片間距中1.8mm間距的傳熱性能好，而且間距越小越好，分析認(rèn)為：翅片間距越小，翅片的片數(shù)越多，總體傳熱面積大，翅片整體傳熱性能好，但翅片間距越小，風(fēng)阻越大，風(fēng)機(jī)功率消耗越大，翅片間距的選擇要兼顧考慮傳熱和阻力兩者性能。

3.結(jié)論

數(shù)值模擬是為了使散熱器的散熱能力與翅片間空氣的流動達(dá)到最優(yōu)化。因此，有理由認(rèn)為這種依次改變散熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算的做法對于散熱器的翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有利的。整個(gè)數(shù)值模擬過程為散熱器翅片結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)、翅片排布的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)以及整體式無接觸熱阻散熱器散熱性能的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)，具有一定的借鑒意義。

綜合以上得出的翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬結(jié)果，并結(jié)合工藝和翅片強(qiáng)度等因素，優(yōu)選出整體式無接觸熱阻散熱器的翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)為：翅片高度為7 mm，翅片寬度為5 mm，翅片厚度為0.2mm，翅片間距為1.8 mm。

參考文獻(xiàn)

[1] 史美中、王中錚，熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M]。南京，東南大學(xué)出版社，1996，1-6.

[2] 張國正、高學(xué)良、陸應(yīng)生、汪雙鳳，家用及商用空調(diào)換熱器的銅材替代[N]。日用電器，2006，44-45.

[3] 陳基鏞、梁榮光等，汽車空調(diào)平行流式冷凝器優(yōu)化換熱的研究[J]。機(jī)電工程技術(shù)，2008，37(05).

[4] 羅春輝、甘衛(wèi)平、肖亞慶，鋁質(zhì)汽車散熱器及其材料[J] 。輕合金加工技術(shù)，1996 ，24(4)：3－10

[5] 陳吉安、王登峰，鄭聯(lián)珠等，管帶式車用散熱器特性的試驗(yàn)研究[J]。農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000 (3)：84－87

作者介紹

賀玉斌男工程師現(xiàn)就職于神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心調(diào)度指揮中心