变温载荷汽车散热器性能测试装置的试验研究

2019-12-13飞金子玥秦浩天焦兴蓉何奉婷

节能技术 2019年6期

聂飞金子玥秦浩天焦兴蓉何奉婷

(1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093)

0 引言

随着科技不断进步，汽车行业快速发展，制造水平日益提高，汽车也越来越普及，人们对于汽车的性能要求也就越来越高。众所周知，汽车的动力来源于内燃机，而内燃机在运行时，其局部温度会非常的高，这会对汽车的其他零部件带来极大的危害，为此需要有一套完整的冷却系统来使得机内的温度在正常的工作范围。而散热器在汽车发动机冷却系统中起着极其重要的作用。对于长期运行中的汽车散热器来说，将会长时间的处于冷热流体交替冲击的过程中，而这样的变温冲击也容易使汽车散热器的扁管出现变形，更为严重的情况下会出现断裂[1]。这样使得汽车运行的稳定性存在极大的安全隐患，为此需要对其不断的进行可靠性测试。

我国对于汽车散热器的研发起步较晚。对于设计出的散热器，如何在短时间内以最小的成本，最高的精度来测试其性能，是当前散热器研发人员亟需解决的问题。基于以上的研究背景，制造一台稳定性良好，精确度高的汽车散热器实验装置对于我国汽车散热器的快速发展，加强我国汽车研发能力有着积极的意义[2]。

在经验与理论的基础上，许多研究者对汽车散热器各方面均做了很多的研究，主要集中在测量方式，实验方法，缩小误差和程序编写上。姜洋[3]等采用试验的方法对散热器的疲劳试验进行了分类，并从散热器结构等方面分析了散热器失效的模式。张书义[4]等人采用FLUENT软件模拟了散热器内部的冷却液温度场和压力场，使散热器可进一步进行结构上的改良。周东辉[5]等人采用CFD模拟软件，对汽车管带式百叶窗散热器进行性能分析，建立了散热器多孔介质模型，为散热器性能分析提供了新的思路。国外有很多的数据作为分析基础，Sahnoun.A[6]通过大量数据的计算和吻合，提出许多关于百叶窗式散热器换热性能与阻力特性方面的理论分析与数值模拟的方法，并且修正了不少的经验关联式。DaverPort.C.J[7]对汽车散热器模型进行烟气可视化实验，通过实验过程的分析得出，雷诺数与百叶窗的空气流动状态紧密相关。Suga.K[8]等采用数值模拟将散热器翅片作为研究对象。结果显示：存在最优比例开窗角度，翅片间距与孔间距之间，散热器可以达到最大换热性能。

经过大量的查阅文献，发现国内外对于汽车散热器的研究主要集中在换热性能，阻力压降，流量等方面。但对于散热器的可靠性方面研究较少。因此设计一台汽车散热器温度交变的实验装置，旨在测试散热器在低温环境下受到高低温冷却液交变载荷时，是否存在扁管变形的现象。

1 试验测试原理与设备选型

散热器作为发动机冷却系统的核心部件，其运行时候的稳定性好坏直接决定着发动机的运行工作性能及寿命。根据设计要求，为散热器提供一套用于温度交变试验定量测量试验台，能够在-10℃环境温度下，对换热器各项性能指标进行测试。依据相关规定，合理设计，通过计算，选择特殊工艺，专业设备及精密的测量仪器，以设计出具有先进自控技术的试验装置。

1.1 设计要求

本设计所有参数都符合Volkswagen公司的TL874-2010标准[9]，测试要求如下所示：

(1)冷却液入口温度：(130±3)℃；

(2)循环流量：8 L/min；

(3)测试介质：100%冷却液添加剂(TL774)；

(4)循环压力：(0.1±0.01)MPa；

(5)停止注入高温冷却液翅片温度：(83±3)℃；

(6)风机冷却功率：P=80%；

(7)冷却结束翅片温度：(-1±3)℃。

1.2 试验装置设计原理

通过设计要求可知，本试验装置所需要实现的是对散热器内的温度进行交变控制，故以此设计要求为基础设计出如下图1所示的实验装置设计原理图。整个试验装置分为两个部分，一部分位于测试实验室内，即设计的待测汽车散热器，另一部分置于测试实验室外，即为散热器提供部分热负荷的热源，由集束型法兰加热器和恒温水箱组成的预加热装置，两者之间通过耐高温水管连接。为了给散热器提供(130±3)℃的高温冷却液，需对冷却水进行加热控温，在预加热装置中集束型法兰加热器将冷却液先预热到(125±5)℃的温度范围，再经由高温溶液泵将已经预热好的冷却液泵送至管道式电加热中加热控温，当温度达到(130±3)℃的范围内时，经流量计，电磁阀等阀件进入散热器中，此时旁通阀处于关闭状态，由于在散热器布置的翅片上布置了相关的温度测点，当散热器的翅片温度达到指定的冷却液温度上限值后，散热器进出口附近的电磁阀关闭，同时旁通电磁阀打开，使冷却液直接旁通回恒温水箱之中，而且散热器风扇打开，对散热器中的高温冷却液进行快速降温处理，当温度快速降至冷却液温度的下限值以后，旁通阀关闭，而散热器进出口处的电磁阀开启，重新向散热器中注入高温的冷却液，而低温的冷却液则回到恒温水箱中，再次预热，为下一次温度交变循环做准备。

1.3 试验设备选型分析

本性能测试装置主要有以下设备选型：总加热量计算，恒温水箱设计计算，质量流量计选型计算，高温溶液泵选型计算等。

1.3.1 总加热量的计算

所需总加热量P

P=Q1+Q2+Q3

(1)

式中Q1——铝制散热器温升的热容量/kW；

Q2——升温时散热器与环境室自然对流的散热量/kW；

Q3——每次循环散热器内剩余冷却液温升的热容量/kW。

1.3.2 恒温水箱设计计算

恒温水箱的作用是避免温度波动，其容量应满足能够抵制散热器内回流的低温冷却液带来的低温冲击，根据热平衡原理，恒温水箱温度允许波动5℃的热量恰好与低温冷却液从-1℃升温到120℃的热量相等

VρCpΔt=VsρCpΔts

(2)

式中Vs——恒温水箱容积/m3；

ρ——冷却液密度/kg·m-3；

Cp——冷却液比热容/kJ·(kg·℃)-1;

Δts——恒温水箱温度最大允许波动范围/℃,取值5℃；

V——散热器容积/L，取值2 L；

在小班化教学条件下，班级规模的缩小给合作学习的组织形式带来了新的增长空间，其具体的活动形式也应得到丰富，也就是说，学生积极参与学习的热情可以通过教师设计的多种合作学习的形式，努力使每个学生都能在积极充分参与的活动中不断发现自我，完善自我。只有在学生独立思考后，带着自己的见解与疑问开始合作学习，才会在与小组其他成员探讨、在正面交锋碰撞出更加绚丽的智慧“火花”。而合作的前提就是学生通过独自思考已经就某一个问题形成了自己的观点，在这个基础上带着对问题的思考、带着学习的兴趣参与到合作小组中去，才能更好地与同伴沟通交流，推动合作学习向良性的方向发展。

Δt——2 L冷却液防冻剂的-1℃到120℃的温升/℃。

计算的Vs=50 L。考虑到试验结束后需要将散热器和管路中的冷却液储存在水箱，以及水箱水位需要一定余量，最后确定水箱容量为70 L。恒温水箱做成中间夹层50 mm的两层，内部填充耐高温玻璃棉。考虑到需要布置电加热、搅拌器以及预留部分水箱液位，最终水箱具体尺寸：600 mm×500 mm×800 mm(长×宽×高)。

1.3.3 高温水泵设计计算

水泵的选型主要是根据传送介质、管路阻力损失、介质流量以及噪音等参数。其中需要考虑的首要参数就是管路阻力损失，管路阻力损失包含沿程阻力和局部阻力[10]两部分

ΔP=ΔPm+ΔPj

(3)

式中 ΔPm——管路沿程阻力总和/Pa；

ΔPj——管路局部阻力总和/Pa。

经计算，得出管路阻力总和为47.3 m。考虑到传送介质为高温冷却液，最高温度可达130℃，一般水泵无法耐高温，因此选用奥克兰WD-10高温介质移送循环旋涡泵。具体参数如表1所示。

表1 WD-10具体参数

1.3.4 配件计算选型

其余配件主要还有用来控制散热器内部压力的电动调节阀，进行流量控制的质量流量计以及测量散热器形变程度的应变片。

考虑到本测试装置的介质具有高温性以及腐蚀性，同时需要调节散热器入口的压力，因此选用巨良阀业的电动三片式内螺纹球阀JLQ911F-16P-DN15。此阀可通过无极调节电动阀的开度来控制散热器内部压力。由压力传感器采集内部压力信号传送至PLC，通过其内部PID自整定模式后将反馈电流输出至电动调节阀，通过调节开度来控制入口压力。

对于流量计，本测试装置选用型号为OPTIMASS6400C-S10的科氏流量计，其利用流体在测量管内流动，与旋转的管壁之间产生相互作用力，从而测量流量[11]。测量范围0～12 L/min，供电电压24 V，输出信号4～20 mA。

2 试验装置控制原理

本性能测试装置的测控系统主要包括测量与控制两部分。

测量部分：为了保证采集到的信号及数据具有高精度，高稳定性等特点，使用铂电阻、热电偶、压力传感器、科氏流量计以及应变片等元件组成测量部分。

控制部分：由PLC、触摸屏、NIcDAQ以及PC机组成，通过触摸屏和PLC来控制末端电器设备的启动与停止，同时NI将采集到的数据显示在PC机上[12]，方便操作人员实时监控测试数据的正确性，并将试验的数据进行存储和处理。同时在PLC上还设有水箱液位高低报警、水箱超温报警、加热器超温报警、泵过载报警、流量断流报警、电加热干烧报警、管道高低压报警等，确保设备安全运行。

2.1 温度控制

温度控制主要分为两部分：冷却液入口温度控制以及散热器翅片温度控制。

散热器翅片温度可以用来控制高温冷却液的流向，当散热器翅片的温度达到设定的温度上限时，散热器进出口处的电磁阀关闭，使高温冷却液得以在散热器中进行散热操作，同时旁通电磁阀打开，将管路中的高温冷却液送回至恒温水箱，并关闭水泵。散热器风扇自动开启进行快速降温，当散热器翅片的温度达到设定的温度下限时，关闭旁通电磁阀，同时打开水泵以及散热器进出口处的电磁阀，进入下一个循环。散热器翅片温度由热电偶测得，热电偶将温度信号转换成热电动势信号，分两路，一路传送至PLC模拟量模块控制各设备启停，一路传送至NI采集模块进行温度采集。

冷却液入口温度控制即循环冷却液温度的控制。若全部采用新冷却液的外循环，则温度控制难度较大且能源浪费严重，因此在系统中加入一个恒温水箱，即先利用恒温水箱对冷却液进行预加热，将冷却液温度进行粗调，将其温度控制在120℃左右，再经由管道式电加热进行精调至130℃。同时单次循环结束后散热器内的低温冷却液回流会对整个冷却液管路温度造成较大的波动，而恒温水箱则减小了这一波动，确保整个冷却液在管路中循环的温度在允许的波动范围以内。恒温水箱内的水温由铂电阻测得，铂电阻将水箱内实时温度传送至PLC模块，利用PLC内部的PID调节器对设定值与实际值的偏差进行计算，并将运算结果转换为电流信号传送至调功仪，从而自动调节电加热功率来维持恒温水箱内冷却液温度的恒定。对于管道式电加热的自动调节，原理与恒温水箱相同，同时为了防止管路中有漏热等原因造成的热损失，从而影响冷却液进入散热器时的入口温度，故将其铂电阻置于散热器入口。

2.2 压力控制

压力控制主要由安装在散热器入口处的压力传感器、PLC以及电动调节阀控制。由于压力与冷却液流量之间会有相互耦合，为了减小这种相互影响，使用处于供液管路上的变频水泵来控制流量，使用电动调节阀来控制压力。入口压力传感器将实时压力传送至PLC模块,由PLC内部的PID自整定功能对设定值与实际值的偏差进行计算，将反馈电流传送到电动调节阀，最后通过电动调节阀开度来控制入口压力值。

2.3 流量控制

流量控制系统主要由PLC、科氏流量计、变频器以及变频水泵组成，流量计将实时流量以电流信号传送至PLC模块，利用PLC内部的PID自整定功能对设定值与实际值的偏差进行计算，使之稳定在设定值，然后将计算后的电流信号传送至变频器，变频器控制变频电机转速来维持管路流量稳定。

3 实验数据及分析

3.1 散热器入口压力和溶液流量随时间的变化

如图2所示，为散热器入口压力和溶液流量随时间变化的规律。散热器的入口压力随着时间呈现周期性的变化，其变化范围为0～0.1 MPa,且在压力值达到0.1 MPa时，其上下波动的范围在0.1～0.01 MPa的设计要求允许范围内，已经达到压力设计所需的精度要求。且从图中可以看出五个波动周期的波形相近，循环过程近似一致，更加验证了试验装置运行的稳定性。而散热器的溶液流量则同样随着时间在0～8 L/min的范围内波动，散热器入口处的溶液流量随时间上升和下降的速度都很快，可以快速的达到设计要求所需要的溶液流量，使得散热器测试的循环时间变短，并且在溶液流量达到峰值时，其波动也很小，进一步说明系统稳定性良好。

3.2 散热器入口温度和溶液流量随时间的变化

如图3所示，为散热器入口温度和溶液流量随时间的变化规律。从曲线中可以看到散热器入口的温度随时间在0～130℃的范围内波动，且在温度达到130℃时，其温度波动范围很小，这说明在经过恒温水箱中的集束型电加热的粗调节和管道式电加热的精确控温后，换热器入口的温度已经能够很好的控制在130±3℃的范围内，很好的满足了设计的温度要求。散热器溶液流量随时间在0～10 L/min的范围内波动,溶液流量是可稳定控制的,从图中可看出入口温度的峰值出现和消失，都滞后于溶液流量的变化，这是由于温差传热需要有一定的缓冲时间，而在图中入口温度能够较快的跟随溶液流量变化，不会出现严重滞后现象，也说明了试验散热器性能良好。如图中所示，散热器入口处的温度上升速度极快，而在降温的过程中，降温速度却是比较慢的，这是由于散热器的散热是由散热风扇来实现的，而散热器入口距离散热风扇的位置较中心翅片处来说距离较远，从而导致散热效果变差，其温度下降的速度也变慢。而且下降温度的变化趋势为先快后慢，这是由于在高温时，散热器与环境的温差大，换热效率高，而在接近低温时，散热器内的冷却液温度与环境温度之间的温差变小，换热效果也变差，从而导致降温速率下降。

3.3 散热器翅片温度和溶液流量随时间的变化

如图4所示，为散热器翅片温度和溶液流量随时间变化的规律。从曲线中可以看出散热器翅片温度的上升速度是先快后慢的，这是由于循环的开始，大量的高温冷却液的注入带来的散热器与环境温度的高温差，从而出现温度快速上升的过程，而随着高温冷却液的注入，由于入口处的电磁阀切断，使得散热器的温差与环境温差减小，换热效果变差，因此出现了温度上升过程中先快后慢的现象。而散热器溶液流量则随时间在试验要求范围内波动，波动趋势先增大后减小，当流量最大时达到一个相对稳定的状态，与实验要求的溶液流量变化趋势相符，从图中可以看出溶液流量和翅片温度曲线之间变化趋势基本同步，温度曲线稍有滞后性与入口温度曲线类似。当高温的冷却液注入散热器后，由于电磁阀的关闭，导致散热器内的高温冷却液不能得以补充，且散热风扇的开启，使得空气进行强制对流换热过程，从而出现散热器内的冷却液温度出现快速下降，直到系统中的电磁阀再次开启，高温的冷却液重新注入，从而出现温度和实验进程的同步循环。从图中可以看出散热器翅片温度的五次循环周期变化趋势基本保持一致，且控温精度也很高，很好的满足了设计要求。

3.4 散热器形变随时间的变化

如图5所示，为散热器形变随时间的变化规律。散热器的形变由应变片测得，由图中可以看出，散热器的形变程度随时间的变化趋势在各个测点处基本相同，都是先随着温度的升高形变量加大，达到最大形变值后随着散热的进行，温度逐渐降低，形变量逐渐减小，减小的过程先快后慢，最后恢复到初始位置。而在散热器不同位置处的形变程度却各不相同，其中测点4处的形变量最大，接近于1 400 μm/m，紧接着是测点1、测点3处的形变程度，形变量最小的测点为测点2，其最大形变量约在350 μm/m左右，与测点4处的最大形变量相差约1 000 μm/m。导致这一现象有如下两方面的原因。首先是由于散热器外表面的温度分布并不均匀，从而导致散热器上不同测点处的形变程度存在较大差异。其次是由于散热器内部的结构不均匀导致高温冷却液流入时分布不均匀，从而间接的影响了散热器各部分上的形变量。