散热器计算

CA1030P90配490发动机散热器的计算

一汽红塔云南汽车制造有限公司产品开发部张稳成

摘要：本文介绍了汽车散热器的传热原理、构造以及散热器的计算、校核。

关健词：散热器．计算．校核

1. 概述

散热器是水冷式发动机冷却系统中的一个重要组成部分。发动机工作时，与高温燃气相接触的零件受到强烈加热，散热器散热能力过小将引起发动机过热，使零件的强度和刚度下降，正常的配合间隙被破坏、机油变质、发动机充气系数下将、燃烧不正常，引起发动机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。反之如果散热能力过强，将使发动机过冷，导致经济性变坏，加剧活塞、缸套的磨损、从而导致发动机使用寿命下降。因此发动机冷却系统的功用，一方面要对发动机进行强制冷却，另一方面又要保持适当高的介质温度，以获得较高的发动机经济性能指标。此外，要满足这些要求，除散热器本身以外，还取决于冷却系中其它零部件的性能以及其匹配性能。

2. 散热器的传热原理

汽车散热器是用于两种流体间热交换的，一种流体是空气，另一种流体是冷却液。发动机燃料燃烧时发出的热量有一部份传给冷却液，经由紧贴在水管内壁的冷却边界层（简称液膜）、散热器的金属壁（包括水管和散热片）、紧贴在金属壁外表面的冷却空气边界层（简称气膜），再传到大气中。管片式散热器的传热示意图如图1所示。

散热器的传热途经：冷却液—液膜—散热器的金属壁（包括水管和

散热片）—气膜—大气。以金属导电为例，导电率等于电阻倒数，而串

联的总电阻等于各个电阻之和。散热器的传热情况也一样，全部热阻等

于水管内壁冷却液边界层热阻、金属材料本身热阻及水管外面冷却空气

边界层热阻之和，而热阻的倒数即散热系数。可用下式表示：

总热阻=液侧热阻（液膜热阻）+管壁材料热阻+气侧热阻(气膜热阻

与散热片材料热阻)

根据试验可知，以总热阻为100％，则各项热阻分配约为：液膜热阻

占10％，管壁材料热阻占1％，气膜热阻占80.1％，散热片材料热阻占

8.9％。

因此，热量在由冷却液传到大气的整个过程中，对传热起主要阻碍作用的是散热片表面冷却空气边界层热阻，其次是水管内壁冷却液边界层热阻，而金属材料的热阻由于其绝对数值很小，对散热系数K值影响很小，一般在计算中常略去不计。

3. 散热器的构造

对于强制循环式水冷用散热器分为直流型和横流型。直流型散热器的构造如图2所示。散热器芯子的通水方向是沿水管自上而下。

横流型散热器的构造如图3所示。这种散热器是在六十年代初随小客车的飞速发展而出现的，此散热器用左右两侧水室代替了传统的上下水室结构，使冷却水从右到左流动。横流型散热器可以使发动机罩高度降低，加大视野；芯子正面面积增加10％，从而加大风扇尺寸，增大迎风面积，使气流更为通畅。

为了弥补横流型散热器贮水量不足,特意在上水室附近设置膨胀罐。装有膨胀罐的横流型转子发动机冷却系统如图4。

4. 散热器选型及计算 4．1散热器选型

1999年我单位进行CA1030P90系列车的开发,散热器选用直流型管带式散热器。 4．2 散热器计算

4.2.1 确定冷却系散热量和水循环量。

4.2.1.1 冷却系散热量Q w 受许多因素的影响，很难精确计算。精确的Q w 值应该通过样机的热平衡试验确定，初步估算，可以用经验公式： Q w =qN e (kJ/s)

式中：N e —发动机标定功率，N e =45.6(kW)

q —比散热量(kJ/ kW s)

汽油机q=0.85～1.10

柴油机q=0.6～0.75，直接喷射式可取较小值，预燃室和涡流室可取较大值；增压柴油机q=0.5～0.60。取q=0.675(kJ/ kW s)

则Q w =0.675×45.6≈30.78(kJ/s)

4.2.1 .2 冷却水的循环量V w 可根据散入冷却系统中的热量算出： V w = Q w /Δt w γw c w (m 3/s)

式中：△t w —冷却水在发动机中循环时的容许温升，Δt w =4～12°C ，取Δt w =4°C γw —水的密度，γw =1000(kg/m 3) c w —水的比热，c w =4.187kJ/( kg °C)

则V w = 30.78/(4×1000×4.187) ≈ 1.838×10-3 (m 3/s)

4.2.2 计算冷却空气需要量V a ，一般可根据散热器的散热量确定（散热器的散热量等于冷却系的散热量Q w ）。

V a = Q w /Δt a γa c p (m 3/s)

式中：Δt a —空气进入散热器前与通过散热器后的温度差，Δt a =10～30°C ，取Δt a =20°C γa —空气的密度，γa =1.01(kg/m 3) c p —空气定压比热，c p =1.047kJ/( kg °C) 则 V a = 30.78/(20X1.01X1.047) ≈ 1.485(m 3

/s) 4.2.3 散热器正面积F R F R = V a /υa (m 2)

式中:υa —散热器正面空气流速，矿用车为8 m/s ，载货汽车为8～10 m/s ，轿车10～15 m/s ，取υa =9m/s 。

则F R = 1.485/9 ≈ 0.165(m 2)

即可由总布置确定散热器的外形具体尺寸如图5

4.2.4 散热器的水管数 i= V w /υw f 0

式中:υw —水在散热器水管中的流速为0.6～0.8 m/s ，取υw =0.7m/s f 0—每根水管的横断面积（m 2）

则 i= 1.838×10-3/(0.7×25×10-6)≈105 4.2.5 确定传热系数K R

在选好一定形式散热器后，并从散热器特性曲线（见图7～9）上寻求相应的υw 、υa 条件下的K R 值，通常K R 为0.069～0.117 kJ/( m 2s °C)，取K R =0.093。

4.2.6 计算散热面积

F = Q w / K R Δt （m 2）

式中：Δt —散热器中冷却水与空气的平均温差，Δt= t wm —t am 。冷却水平均温度t wm