散熱器和中冷器迎風面積不相同的冷卻模塊選型校核計算

聶文福（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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散熱器和中冷器迎風面積不相同的冷卻模塊選型校核計算

聶文福
（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

介紹一種散熱器和中冷器迎風面積不相同的冷卻模塊的總風阻計算方法，以此做好其與風扇、水泵的性能匹配，做好其冷卻性能的校核計算。

冷卻模塊；總風阻；風扇；水泵

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.028

CLC NO.: U464.135Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-91-03

前言

重型卡車都普遍配備了空空中冷器和水冷散熱器組成的冷卻模塊，由發動機風扇產生流動空氣帶走高溫壓縮空氣和冷卻液傳遞的熱量，風扇氣流方向一般為吸風式。冷卻系的選型計算實質是確立風扇與冷卻模塊的正確組合，使散熱器上水室冷卻液溫度twa和中冷器出口增壓空氣溫度tge達到設計要求。散熱器和中冷器迎風面積相同時計算比較簡單，本文以我公司生產的SX2255型機場消防車為例，介紹不相同情況的選型校核計算方法。

1、冷卻模塊初步計算

1.1初設散熱器迎風面積

根據經驗，散熱器的迎風面積 Fks可按 0.31-0.37（m2/100kW），散熱器迎風面積初定后，按照以下步驟計算冷卻液的流速Vw：

（1）根據空間要求，確定散熱器芯子的迎風面積尺寸，即寬（Bs）×高（Hs）；

（2）根據供應商提供的散熱器冷卻扁管寬度 Bs和管距Ss，計算每一排水管的數量ns，計算結果四舍五入取整數。

（3）ΣAs=ns·As

As散熱器扁管的橫截面積，由供應商提供。

（4）根據冷卻水管的總流通面積ΣAs，匹配散熱器和水泵配合性能，見圖1。圖中交點A對應的橫坐標值就是柴油機校核工況的水泵流量Gw。

（5）計算冷卻水流速Vw

1.2中冷器迎風面積Fkz的估算

（1）利用中冷器的增壓空氣側阻力曲線，見圖2，預設中冷器增壓空氣的壓力損失限值為 800Pa，初步確定最大的增壓空氣流速Vgmax；

（2）計算增壓空氣的重量流量Gg

其中α過量空氣系數

ψ掃氣系數

Ne校核工況功率

ge校核工況燃油消耗率

（3）計算中冷器的最小寬度尺寸Bzmin

nzmin=Gg/（Az·Vgmax），nzmin四舍五入后代人下式計算。

其中bz為中冷器冷卻管的寬度。

中冷器迎風面積的高度Hz與散熱器芯子的迎風面積高度Hs一致，即Hz=Hs。

（4）中冷器最小迎風面積的估算

（5）計算增壓空氣流速

2、迎風面積不相同時的風阻計算

初步估算，中冷器的迎風散熱面積Fzmin=0.398 m2遠小于散熱器的迎風散熱面積Fsmin=0.534m2。根據流體力學原理，冷卻空氣在散熱器和中冷器組成的冷卻模塊，在中冷器進口截面和散熱器出口截面之間的各個部分的壓降是相同的，冷卻空氣流過重疊部分和非重疊部分的流速是不同的，利用該原理計算冷卻模塊的總風阻，即Ga=（Ga1·FKZ+ Ga2·（FKS-FKZ））/ FKS，通過預設不同的風阻值，計算出對應的Ga，繪制出完整的總風阻曲線，見圖3。

3、風扇與冷卻模塊的性能匹配

3.1理論冷卻空氣流量計算

根據風扇在對應工況下性能曲線和冷卻模塊總風阻曲線進行性能匹配，交點A就是配合運行點，該點對應橫坐標即為風扇的理論冷卻空氣體積流量Va'。

3.2實際冷卻空氣流量計算

對于平頭汽車直列發動機額定工況時風扇效率約為0.55-0.60，最大扭矩工況時約為0.50-0.55，即風扇冷卻空氣實際體積流量：

3.3冷卻模塊總成單位面積重量流量

4、冷卻模塊冷卻能力校核計算

4.1計算冷卻空氣流量

根據實際計算的Ga，在圖3上作垂線與總風阻相交于A點，過A點作水平線分別相交于串聯總風阻的B點和散熱器風阻曲線的C點，其對應的橫坐標Ga1和Ga2即為該工況下實際的冷卻空氣的單位面積重量流量。

4.2比冷卻能力確定

根據Ga1、Ga2、Vw、Vg，在比冷卻能力（單位面積、單位溫差的散熱能力，取決于冷卻單元的結構和冷卻空氣的流速，由生產廠通過試驗測定）曲線圖中很容易查得散熱器和中冷去的比冷卻能力qs和qz。根據散熱量和比冷卻能力很容易計算迎風面積［2］。

4.3中冷器出口處冷卻空氣溫度

（1）冷卻空氣溫升

（2）中冷器出口冷卻空氣溫度

t2=t1+Δt，其中，t1為中冷器進口冷卻空氣。溫度，近似等于環境溫度。一般是按照30℃環境溫度下通過試驗獲得的。環境溫度高于38℃時，散熱量需要修正，環境溫度每升高5.5℃，散熱量應增加1%。

（3）計算散熱器上水室冷卻水溫度

式中：

A傳給冷卻系統的熱量占燃料熱能的百分比，A=0.18～0.25，取A=0.18；

ge內燃機燃料消耗率，kg/kW.h；ge=0.1977kg/kW.hNe內燃機功率，kW；Ne=334kW

hn燃料低熱值，可近似取hn=41870kJ/kg；

twa散熱器上水室溫度，

twe散熱器出水口溫度，

Qw1非重疊部分散熱器散熱量，

Qw2重疊部分散熱量

4.4計算中冷器出口空氣溫度

（1）中冷器中增壓空氣的平均溫度

（2）增壓空氣溫度降

（3）中冷器出口增壓空氣溫度

此時，經計算散熱器上水室冷卻水溫度twa為90℃，增壓器出口增壓空氣溫度tge為98℃（90℃最佳），略高，但也達到了設計要求。

其中還需校核其他車輛行駛的工況，如額定功率工況，計算步驟相同。

5、CFD驗證分析

散熱器進口平均靜壓為-94.8Pa，出口靜壓為-813.1Pa，通過中冷器的壓降為718.3Pa，與預設800Pa接近。

中冷器中間截面速度分布較均勻，最大流速為6.1m/s，平均流速為4.2m/s。散熱器中間截面速度分布較均勻，最大流速為6.3m/s，平均流速為4.6m/s，與計算值比較接近。

6、結論

（1）在高速行駛的平頭車輛的冷卻模塊設計中，一般中冷器的迎風面積是要小于散熱器的迎風面積，一般情況下雖然可通過增大中冷器的扁管管距減小進風阻力使其重合，但在布置空間受限散熱器的散熱能力不足時，還是依照計算結果將二者迎風面積做得不相同，變相增大散熱器散熱面積。

（2）冷卻模塊與水泵、風扇是需要性能匹配的，而不是單純依靠傳動比的對應的風扇轉速和水泵流量來校核。

（3）對于在冷卻模塊前增加自動變速器、空調冷卻裝置的計算也可以參照此方法進行。

[1]李光琛，某噴水推進柴油主機冷卻系統設計與優化.江蘇科技大學學報[N].2013.

[2]H梅梯格,袁高宗英等譯.高速內燃機設計[M].北京院機械工業出版社.1981.

[3]毛亮等，重型汽車冷卻系統計算分析.汽車實用技術雜志社[J].2012.

The radiator and inter-cooled windward area is not the same cooling module selection and checking calculation

Nie Wenfu
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.,Ltd,Shaanxi Xi'an 710200）

Describing a method for the calculation of the cooling module's total air resistancewhen the frontal area of radiator and intercooler is not same,matching the performance of cooling module and fan and pump based on this,checking and calculating the cooling performance of cooling module.

cooling; module; total air resistance; fan; pump

U464.135

A

1671-7988（2016）08-91-03

聶文福（1977-），男，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事汽車整車設計。