散热器和中冷器迎风面积不相同的冷却模块选型校核计算

聂文福（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）



散热器和中冷器迎风面积不相同的冷却模块选型校核计算

聂文福
（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

介绍一种散热器和中冷器迎风面积不相同的冷却模块的总风阻计算方法，以此做好其与风扇、水泵的性能匹配，做好其冷却性能的校核计算。

冷却模块；总风阻；风扇；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

重型卡车都普遍配备了空空中冷器和水冷散热器组成的冷却模块，由发动机风扇产生流动空气带走高温压缩空气和冷却液传递的热量，风扇气流方向一般为吸风式。冷却系的选型计算实质是确立风扇与冷却模块的正确组合，使散热器上水室冷却液温度twa和中冷器出口增压空气温度tge达到设计要求。散热器和中冷器迎风面积相同时计算比较简单，本文以我公司生产的SX2255型机场消防车为例，介绍不相同情况的选型校核计算方法。

1、冷却模块初步计算

1.1初设散热器迎风面积

根据经验，散热器的迎风面积 Fks可按 0.31-0.37（m2/100kW），散热器迎风面积初定后，按照以下步骤计算冷却液的流速Vw：

（1）根据空间要求，确定散热器芯子的迎风面积尺寸，即宽（Bs）×高（Hs）；

（2）根据供应商提供的散热器冷却扁管宽度 Bs和管距Ss，计算每一排水管的数量ns，计算结果四舍五入取整数。

（3）ΣAs=ns·As

As散热器扁管的横截面积，由供应商提供。

（4）根据冷却水管的总流通面积ΣAs，匹配散热器和水泵配合性能，见图1。图中交点A对应的横坐标值就是柴油机校核工况的水泵流量Gw。

（5）计算冷却水流速Vw

1.2中冷器迎风面积Fkz的估算

（1）利用中冷器的增压空气侧阻力曲线，见图2，预设中冷器增压空气的压力损失限值为 800Pa，初步确定最大的增压空气流速Vgmax；

（2）计算增压空气的重量流量Gg

其中α过量空气系数

ψ扫气系数

Ne校核工况功率

ge校核工况燃油消耗率

（3）计算中冷器的最小宽度尺寸Bzmin

nzmin=Gg/（Az·Vgmax），nzmin四舍五入后代人下式计算。

其中bz为中冷器冷却管的宽度。

中冷器迎风面积的高度Hz与散热器芯子的迎风面积高度Hs一致，即Hz=Hs。

（4）中冷器最小迎风面积的估算

（5）计算增压空气流速

2、迎风面积不相同时的风阻计算

初步估算，中冷器的迎风散热面积Fzmin=0.398 m2远小于散热器的迎风散热面积Fsmin=0.534m2。根据流体力学原理，冷却空气在散热器和中冷器组成的冷却模块，在中冷器进口截面和散热器出口截面之间的各个部分的压降是相同的，冷却空气流过重叠部分和非重叠部分的流速是不同的，利用该原理计算冷却模块的总风阻，即Ga=（Ga1·FKZ+ Ga2·（FKS-FKZ））/ FKS，通过预设不同的风阻值，计算出对应的Ga，绘制出完整的总风阻曲线，见图3。

3、风扇与冷却模块的性能匹配

3.1理论冷却空气流量计算

根据风扇在对应工况下性能曲线和冷却模块总风阻曲线进行性能匹配，交点A就是配合运行点，该点对应横坐标即为风扇的理论冷却空气体积流量Va'。

3.2实际冷却空气流量计算

对于平头汽车直列发动机额定工况时风扇效率约为0.55-0.60，最大扭矩工况时约为0.50-0.55，即风扇冷却空气实际体积流量：

3.3冷却模块总成单位面积重量流量

4、冷却模块冷却能力校核计算

4.1计算冷却空气流量

根据实际计算的Ga，在图3上作垂线与总风阻相交于A点，过A点作水平线分别相交于串联总风阻的B点和散热器风阻曲线的C点，其对应的横坐标Ga1和Ga2即为该工况下实际的冷却空气的单位面积重量流量。

4.2比冷却能力确定

根据Ga1、Ga2、Vw、Vg，在比冷却能力（单位面积、单位温差的散热能力，取决于冷却单元的结构和冷却空气的流速，由生产厂通过试验测定）曲线图中很容易查得散热器和中冷去的比冷却能力qs和qz。根据散热量和比冷却能力很容易计算迎风面积［2］。

4.3中冷器出口处冷却空气温度

（1）冷却空气温升

（2）中冷器出口冷却空气温度

t2=t1+Δt，其中，t1为中冷器进口冷却空气。温度，近似等于环境温度。一般是按照30℃环境温度下通过试验获得的。环境温度高于38℃时，散热量需要修正，环境温度每升高5.5℃，散热量应增加1%。

（3）计算散热器上水室冷却水温度

式中：

A传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，A=0.18～0.25，取A=0.18；

ge内燃机燃料消耗率，kg/kW.h；ge=0.1977kg/kW.hNe内燃机功率，kW；Ne=334kW

hn燃料低热值，可近似取hn=41870kJ/kg；

twa散热器上水室温度，

twe散热器出水口温度，

Qw1非重叠部分散热器散热量，

Qw2重叠部分散热量

4.4计算中冷器出口空气温度

（1）中冷器中增压空气的平均温度

（2）增压空气温度降

（3）中冷器出口增压空气温度

此时，经计算散热器上水室冷却水温度twa为90℃，增压器出口增压空气温度tge为98℃（90℃最佳），略高，但也达到了设计要求。

其中还需校核其他车辆行驶的工况，如额定功率工况，计算步骤相同。

5、CFD验证分析

散热器进口平均静压为-94.8Pa，出口静压为-813.1Pa，通过中冷器的压降为718.3Pa，与预设800Pa接近。

中冷器中间截面速度分布较均匀，最大流速为6.1m/s，平均流速为4.2m/s。散热器中间截面速度分布较均匀，最大流速为6.3m/s，平均流速为4.6m/s，与计算值比较接近。

6、结论

（1）在高速行驶的平头车辆的冷却模块设计中，一般中冷器的迎风面积是要小于散热器的迎风面积，一般情况下虽然可通过增大中冷器的扁管管距减小进风阻力使其重合，但在布置空间受限散热器的散热能力不足时，还是依照计算结果将二者迎风面积做得不相同，变相增大散热器散热面积。

（2）冷却模块与水泵、风扇是需要性能匹配的，而不是单纯依靠传动比的对应的风扇转速和水泵流量来校核。

（3）对于在冷却模块前增加自动变速器、空调冷却装置的计算也可以参照此方法进行。

[1]李光琛，某喷水推进柴油主机冷却系统设计与优化.江苏科技大学学报[N].2013.

[2]H梅梯格,袁高宗英等译.高速内燃机设计[M].北京院机械工业出版社.1981.

[3]毛亮等，重型汽车冷却系统计算分析.汽车实用技术杂志社[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

聂文福（1977-），男，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，从事汽车整车设计。