燃料電池發(fā)動機散熱器傳熱與流阻特性分析

丁琰，常國峰，許思傳

(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804)

新書介紹

燃料電池發(fā)動機散熱器傳熱與流阻特性分析

丁琰1,2，常國峰1,2，許思傳1,2

(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804)

燃料電池發(fā)動機(FCE)需求散熱量大且散熱條件惡劣，需對其冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化，特別是對散熱器散熱能力進行校核以保證FCE處于合理的工作溫度。針對汽車中常用的帶百葉窗管帶式散熱器，在熱力分析計算的基礎(chǔ)上，基于Matlab建立了散熱器傳熱及流阻特性的計算模型，并通過實驗驗證了該模型的精度，對不同工況下燃料電池發(fā)動機散熱器的散熱效果進行了比較。

燃料電池發(fā)動機；散熱器；傳熱；流阻

能源短缺、環(huán)境污染等因素使燃料電池汽車為代表的新能源汽車成為研發(fā)的熱點。質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的效率通常低于50%，其損耗能量中絕大部分為以電化學(xué)反應(yīng)和水凝結(jié)生成的熱量，其中約有95%的熱量需要通過冷卻系統(tǒng)散失，而內(nèi)燃機需要通過冷卻系統(tǒng)散失的熱量約為30%。燃料電池理想工作溫度遠低于內(nèi)燃機汽車(燃料電池為60～80℃，內(nèi)燃機汽車為90～105℃)，與環(huán)境溫度間相對較小的溫差使散熱器散熱能力顯著降低，特別是在夏季高溫環(huán)境下，燃料電池電堆散熱器換熱溫差僅為20～40℃，散熱工況惡劣。因此，燃料電池汽車設(shè)計時應(yīng)重新校核其冷卻系統(tǒng)的散熱能力，保證其在極端工況下的散熱能力。

汽車管帶式散熱器由波紋狀散熱帶和冷卻管相間排列經(jīng)焊接而成，散熱面積比管片式散熱器增加12%左右。另外，散熱帶上開有擾動氣流的類似百葉窗的孔，可以減小邊界層厚度，提高散熱能力。開百葉窗波狀帶的散熱器傳熱效率同普通平片散熱片相比可提高160%[1]。帶百葉窗翅片散熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其散熱量通常根據(jù)實驗測得，成本高、適應(yīng)性差、測試和調(diào)節(jié)難度大。通過經(jīng)驗公式可以計算在一定精度內(nèi)預(yù)測散熱器散熱量，成本低且可以縮短開發(fā)周期，已成為散熱器設(shè)計中的重要手段。

1 散熱器傳熱性能分析計算

散熱器熱計算的基本公式為傳熱方程式及熱平衡方程式：

換熱器的兩種熱設(shè)計方法——平均溫差法與傳熱單元數(shù)法所依據(jù)的基本方程都是熱平衡方程以及用傳熱系數(shù)表征傳熱過程強弱的思想[2]。本文利用平均溫差法對散熱器散熱和阻力特性進行校核計算，其具體計算流程如圖1所示。用平均溫差法進行校核計算時，所假定的出口溫度的大小對于熱平衡熱量和傳熱量是否相符有很顯著的影響，通常需要多次迭代，而利用計算機進行編程可以使該過程大為簡化。

圖1 散熱器散熱量平均溫差法計算流程圖

1.1 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

1.1.2 水側(cè)

由于散熱器工作時水管里的流體一般處于過渡或紊流狀態(tài)，換熱率太低，故在計算中不對層流狀態(tài)進行討論。當(dāng)流體處于過渡或紊流狀態(tài)，即≥2 300時，采用Gnielinski公式[4]計算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

圖2 波紋式百葉窗幾何參數(shù)的定義

1.2 換熱面積

管子內(nèi)部一般為光滑管，其換熱面積容易得出。外部空氣流經(jīng)管道和翅片表面，其熱交換大部分通過翅片，小部分直接通過扁管發(fā)生，而翅片中沿導(dǎo)熱熱流傳遞的方向上熱流量是不斷變化的，因此需引進翅片效率這一概念對翅片表面的散熱面積進行折算表征翅片散熱的有效程度。

對于管帶式散熱器，其肋效率為：

2 散熱器阻力特性計算

換熱器的目的是將熱量從一種流體傳到另一種流體，基于此目的，需要壓差(以及流體泵功)來強迫流體流經(jīng)換熱器的換熱表面。與換熱器相關(guān)的壓降主要有兩個重要部分：與內(nèi)部或基體有關(guān)的壓降；與流體分布裝置有關(guān)的壓降，如進出口管箱、多支管、罐、管嘴、導(dǎo)管等[5]。

2.1 空氣側(cè)阻力

在空氣側(cè)，管帶式散熱器的壓降可由式(10)給出：

式(10)中括號內(nèi)四項分別表示入口影響、動量影響、內(nèi)部摩擦和出口影響，其中內(nèi)部摩擦壓降占主要部分。

1.3 觀察指標(biāo) 觀察3組受試者血清IL-6、IL-8、IL-10及TNF-α水平，對比輕度組和重度組化療前后血清IL-6、IL-8、IL-10及TNF-α水平。

2.2 水側(cè)阻力

水在管內(nèi)的阻力：

3 散熱器性能預(yù)測

3.1 參數(shù)設(shè)置與計算

根據(jù)平均溫差法計算流程和散熱器計算公式，采用Matlab軟件建立了計算帶百葉窗翅片散熱器散熱量的數(shù)學(xué)模型，并利用GUI優(yōu)化數(shù)據(jù)的輸入輸出。表1列出了某款應(yīng)用于燃料電池汽車上的散熱器芯子的幾何尺寸，其結(jié)構(gòu)型式與內(nèi)燃機汽車中散熱器相同，均為帶百葉窗管帶式散熱器，表中各符號定義如圖2所示，表2為根據(jù)該款散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)計算得到的空氣側(cè)和水側(cè)的幾何參數(shù)值。表3為不同流量下散熱器傳熱與阻力特性參數(shù)。

表1 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 散熱器幾何參數(shù)計算

表3 不同流量下散熱器傳熱與阻力特性參數(shù)(水側(cè)和空氣側(cè)進口溫度分別為70和25 ℃)

圖3為依據(jù)電堆冷卻系統(tǒng)布置搭建的熱管理平臺，用以測量散熱器的實際散熱特性。根據(jù)散熱器實際工作條件設(shè)置其兩側(cè)流體的溫度和流量，可測量散熱器散熱能力，并與計算值進行比較。圖4為散熱器進口水溫70℃，進口風(fēng)溫25℃，不同冷卻水和空氣流量下該款散熱器散熱量實驗值與計算值。由圖4可見該款散熱器的散熱量計算值與實驗值誤差大部分在10%以內(nèi)，最大誤差在15%以內(nèi)，說明該計算值具有較高的精度，可用于散熱器的前期開發(fā)。圖5為水流量57 L/min，進口溫度與圖4相同時的風(fēng)阻計算值。

圖4 不同流量下散熱器散熱量計算值

圖3 燃料電池散熱器實驗平臺

3.2 散熱器校核

燃料電池電堆總發(fā)熱功率計算如下[9]:

圖5 不同風(fēng)速下散熱器風(fēng)阻計算值

燃料電池的廢熱散失主要是依靠冷卻系統(tǒng)中的冷卻液循環(huán)散熱，約占總量的90%～95%左右。由于在設(shè)計時要留出散熱裕度，故可認(rèn)為燃料電池的廢熱全部通過冷卻液由散熱器散失。由此可計算出各工況下燃料電池電堆所需散熱量(表4)。

圖6 散熱器流通風(fēng)速與車速關(guān)系圖

表4 各工況下燃料電池電堆所需散熱量

由圖4可知，無論在汽車高速行駛(120 km/h)或中速爬坡(30 km/h，坡度20°)情況下，進風(fēng)溫度25℃時該款燃料電池汽車散熱器能提供的最大散熱量均不能達到燃料電池汽車散熱的需求。環(huán)境溫度越高，散熱器所能提供的散熱量越低，需求散熱量與實際散熱量差距越大。考慮到艙內(nèi)布置的局限性，在電堆冷卻系統(tǒng)設(shè)計時通過增大散熱器的迎風(fēng)尺寸增加散熱量并不可行，可通過增加二級散熱器等措施以增大電堆散熱量。

4 結(jié)論

(1)建立了基于實驗關(guān)聯(lián)式的散熱器傳熱及風(fēng)阻模型，通過臺架實驗證明該模型具有較高的準(zhǔn)確度，可用于散熱器前期開發(fā)；

(2)相對于內(nèi)燃機汽車，燃料電池汽車中需求散熱量大，燃料電池冷卻液工作溫度低使得散熱器對數(shù)平均溫差較小，這兩個因素使在現(xiàn)有設(shè)計下該款散熱器不能滿足燃料電池在一些極端工況下的散熱需求，需對其冷卻系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化設(shè)計。

[1]潘偉東，巫江虹.基于Fluent軟件的汽車散熱器雙側(cè)三維數(shù)值模擬[J].制冷，2007，26(1)：78-82.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]CHANG Y J,WANG C C.A generalized heat transfer correlation for louver fin geometry[J].Heat and Mass Transfer,1997,40: 533-544.

[4]GNIELINSKI V.New equations for heat mass transfer in turbulent pipe and channel flows[J].Int Chem Eng,1976,16:359-368.

[5]AHAH R K,SEKULIC D P.Fundamental of heat exchange design [M].Hoboken:John Wiley&Sons,2003.

[6]KAYS W M,LONDON A L.Compact Heat Exchangers[M].Malabar:Krieger Publishing,1998.

[7]于海群.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計及動態(tài)特性仿真[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007.

[8]ZONG Y,ZHOU B.Water and thermal management in a single PEM fuel cell with non-uniform stack temperature[J].Journal of Power Sources,2006,161:143-159.

[9]SPIEGEL C S.Designing and building fuel cells[M].America:Mc Graw Companies,2008.

Characteristic analysis of heat transfer and pressure drop on fuel cell engine radiator

DING Yan1,2,CHANG Guo-feng1,2,XU Si-chuan1,2

The cooling system,especially radiator's heat dissipation in fuel cell engine(FCE)，were needed to insure FCE in the moderate working temperature for its large amount and bad condition of heat dissipation.Thermal analysis and calculation of automotive louver-radiator were presented.A computing model for characteristic of heat transfer and fluid resistance was developed by Matlab,and the accuracy of this model was verified by the bench test. The heat dissipation effect of FCE radiator in different motor condition was also compared finally.

fuel cell engine;radiator；heat transfer;flow resistance

TM 911

A

1002-087 X(2014)02-0262-03

2013-06-12

國家“863”高科技資助項目(2011AA11A265)

丁琰(1987—)，男，浙江省人，碩士生，主要研究方向為新能源汽車熱管理。