散热器设计..docVIP

水冷发动机冷却系统 为了保证发动机的工作可靠性，降低其热负荷，必须加强它的冷却散热。发动机 主要依靠其冷却系统来保证自身在工作过程中得到适度的冷却。发动机冷却系统的功 用就是把发动机传出来的热，及时散发到周围环境中去，使发动机具有可靠而有效的 热状态。现代完善的冷却系统，可以使发动机在各种不同环境温度和运转工况下具有 最佳的热状态，既不过热，也不过冷。发动机的冷却系统按照传热介质来分类可以分 为以水为传热介质的水冷型冷却系，以空气为传热介质的风冷型冷却系，以油(如机 油等)为传热介质的油冷型冷却系[z][23][32]。现代汽车发动机，尤其是轿车发动机普遍 采用的是水冷型的冷却系。在水冷型冷却系中，如果按照传热方式来分类，有单相传 热和两相传热两种方式，前者为人们通常所说的水冷型冷却系，后者称为蒸发式冷却 系。 汽车发动机的水冷系统均为强制水冷系统，即利用水泵提高冷却液的压力，强制 冷却液在发动机中循环流动。这种系统的组成主要包括:水泵、散热器、冷却风扇、 节温器、补偿水箱、发动机冷却水套以及附加装置等。 发动机冷却系统冷却液在冷却系统中的循环路径:冷却液经水泵增压后，进入发 动机缸体水套，冷却液从水套壁周围流过并吸热而升温。然后向上流入缸盖水套，从 缸盖水套壁吸热后经节温器(对于该型号发动机，当出水温度低于82℃时，进行小 循环，这时节温器将冷却液流向散热器的通道关闭，使冷却液经水泵入口直接流入缸 体或气缸盖水套，以便使冷却液能够迅速升温。当高于82’C时，水经过散热器而进 行的循环流动，从而使水温降低。)然后回到水泵，如此循环不止(如图2.1.1所示)。 冷却液随发动机的不同而不一样。冷却液用水最好是软水，否则将在发动机水套 中产生水垢，使传热受阻，易造成发动机过热。纯净水在O℃时结冰。如果发动机冷却系统中的水结冰，将使冷却水终止循环引起发动机过热。尤其严重的是水结冰时体 积膨胀，可能将缸体、气缸盖和散热器胀裂。为了适应冬季行车的需要，在水中加入 防冻剂制成冷却液以防止循环冷却水的冻结。最常用的防冻剂是乙二醇。冷却液中水 与乙二醇的比例不同，其冰点也不同。50%的水与50%的乙二醇混合而成的冷却液， 其冰点约为一35.5OC。本文中发动机所用的是复合型三防长效冷却液，沸点不低于107 ℃，冰点不高于一35℃。 因此，发动机冷却系统的设计要求是要保证对冷却液温度的要求，现代发动机的 冷却系统设计趋向于在实现高的冷却能力的同时，使整个冷却系统的结构更紧凑、消 耗功率小、减小系统阻力。 发动机冷却循环示意图 2.2发动机冷却水套的冷却与传热 在发动机的冷却过程中，缸体和缸盖的受热部件的冷却主要靠水套内冷却液的流动带走热量来实现，所以冷却水套的冷却能力是非常关键的，它直接影响到发动机的工作可靠性、动力性以及经济性。发动机冷却水套内的传热，是冷却水套壁面传热给冷却液。水套的水侧壁面的温度对于冷却液与缸体(缸盖)壁面之间的传热起着重要的作用，在一定条件下，决定着放热过程的性质[#]。气缸盖内冷却水套的传热，是冷却水套壁面放热给冷却水，冷却水套壁面温度介对于冷却水与缸盖壁面以及与缸盖火力面之间的传热起着重要的作用;在一定条件 下，决定着放热过程的性质，包括单相流体(冷却水)的自然对流换热和沸腾传热 箱盖水套中温差与热流密度的关系图 由试验发现，随着缸盖内水套壁面温度t二与水套内水的饱和温度t、之差△t(=t二一ts)的变化，水套内可发生自然对流传热·泡态沸腾(或称核态沸腾)传热和膜态沸腾传热，传递的热流密度q与△t的关系曲线，如图2.2.1所示(水套内压1.013、lo5Pa)。由图2.2一可见: 当冷却水的流速较低，水套壁温t二与冷却水的饱和温度t‘之差△t5℃时，由壁面传至冷却水的热流是依靠自然对流换热传输的。见图2.2.1中的A」3段。此时传热速率很低。当t怜=101OC时，。七5x10’W/m，。当水套壁温t二t。(△t5‘C)时，壁面上便开始出现大量气泡;这些气泡离开壁面又消失在水中，在水中产生剧烈扰动，从而使传热显著增强这种现象称为泡态沸腾(或称核态沸腾)传热(图2.2.IBC段)o当t二=125一145℃时，热流密度q达到最大。约为145又lo4w/mZ(图上e点)。当t二125一145℃时，随着温差△t(称为沸腾势)的进一步升高，气泡形成速度更快，气泡数目剧增，并相互汇合而在水侧壁面上形成一层气膜，热量由壁面传至水中必须通过这层气膜。由于较大的气膜热阻而使传热速率降低，这种现象称为过渡沸腾传热(图2.2.1中CD段);在过渡沸腾阶段，开始一段，壁面上形成的气膜层是不稳定的，它不断裂开而形成较大的气泡后离开壁面.然后在原地又形成新的气膜层;当壁面温度t二升高到约250℃时，气膜形成达到稳定状态(图2