1、第 卷第 期 年 月 浙 江 大 学 学 报 （工学版 ） （ ） 收稿日期 ： 浙江大学学报 （工学版 ）网址 ： 作者简介 ：颜卫国 （），男 ，浙江台州人 ，博士生 ，从事强化传热和车辆热管理研究 ： 通信联系人 ：俞小莉 ，女 ，教授 ： ： 热管中冷器的传热与阻力特性 颜卫国 ，俞小莉 ，陆国栋 ，周健伟 （ 浙江大学 能源工程学系 ，浙江 杭州 ； 杭州银轮科技有限公司 ，浙江 杭州 ） 摘 要 ：为了研究重力热管在车辆中冷器上的应用可行性 ，设计用于冷却高温增压空气的热管中冷器 选用水作为 工作介质 ，在风洞实验台架上进行热管中冷器的传热和阻力性能实验 测试热管中冷器在不同冷侧空
2、气流速 、冷 热侧空气进口温差 、热侧空气流量下的散热量和压力降 ，比较并分析测试结果 结果表明 ，热管中冷器具有良好的 散热性能 ，在一定范围内可以满足高增压内燃机的散热要求 将实验结果与理论模型计算值进行比较 ，结果表明 ， 实验值与理论计算值变化趋势吻合较好 关键词 ：热管 ；热交换器 ；热虹吸器 ；传热特性 ；中冷器 中图分类号 ： ； 文献标志码 ： 文章编号 ： （ ） ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ） ： ， ： ； ； ； ； 随着汽车节能环保政策法规的深入推行 ，发动 机清洁燃烧与尾气净化技术不断进步 ，其中增压中 冷技术逐渐成为业界的热点 发动机在采用高增压甚至多
3、级增压技术后 ，进 气温度可以达到 ，甚至更高 ，对于中冷器而 言 ，除了要具备优良的传热性能外 ，耐高温性能和结 构强度等都面临新的挑战 热管由于传热性能和等温性能好 ，且具有可变 热流密度等特点 ，已在医院 、宾馆的采暖与空调系 统以及能源 、化工 、冶金等工业领域的废热回收领域 中广泛应用 ，在车辆上也有一些应用 等 研究热管换热器用于汽车尾气采暖的可行性 ， 针对 型大客车设计热管换热器 ，进行实验研 究 ，实验结果显示采暖效果明显 目前 ，计算流体力学 （ ）软件在热管换热器 的数值模拟研究方面存在一定的局限性 ，热管换热 器的传热性能研究以实验研究为主 本文设计一个 热管式中冷器
4、，用于与管翅式中冷器串联冷却高温 增压空气 在风洞实验台架上对热管式中冷器进行 实验研究 ，分析冷侧空气流速 、冷热侧空气进口温 差 、热侧空气流量等对传热性能的影响以及冷却空 气流速对冷侧压降的影响 实验装置及方法 实验装置及热管式中冷器结构特点 本实验是在风洞实验台上进行的 ，实验装置如 图 所示 热管式中冷器的外型如图 所示 排热 管错列布置 ，共 根铜铝复合热管 ，介质为蒸馏水 ， 热管蒸发段长度为 ，冷凝段长度为 ，中 间隔板段长 ，热管总长 ，蒸发段和冷 凝段均为冷轧翅片 ，翅片间距为 ，翅片高 ，翅顶厚 ，翅根厚 空气整流网 ； 实验样件 ； 测压孔 ； 测温网 ； 整流网板 ；
5、 喷嘴组 ； 变频风机 图 实验装置示意图 图 热管式中冷器结构 实验方法 ）热侧空气进出口温度测量 冷却空气进出口 温度采用在试件前后布置热电偶测温网进行测量 ， 进口布置 个热电偶 ，出口布置 个热电偶 ，测定 值取算术平均值 ，热电偶经标定后的精度为 热侧空气进出口温度采用 铂电阻进行测量 ， 精度为 ）冷 、热侧空气进出口压差测量 冷侧压差采用 在试件前后布置测压孔 ，前后各开 个测压孔 ，热 侧压差在进出口管道上布置测压孔 ，压差由压差变 送器测量 ，精度为 ）冷 、热侧空气流量测量 冷侧空气流量采用喷 嘴组测量 ，喷嘴采用国家 标准 喷嘴前 空气压力测量采用精度为 的压力传感器测
6、量 ，压差采用精度为 的压差变送器测量 热 侧空气流量采用精度为 的质量流量计 ）数据采集与控制系统 在实验中冷 、热侧空气 的温度 、压力 、流量信号由数据采集模块来采集 ，采 集的信号通过 总线传输到上位计算机 传热系数和压力降计算 传热系数 热管中冷器散热量可用下式计算 ： （ ） 式中 ： 为中冷器总传热系数 ， 为总的换热面 积 ， 为对数平均温差 （ ） ， （ ） 式中 ： 为冷热流体进口温差和出口温差的最大 值 ， 为冷热流体进口温差和出口温差的最小值 空气到翅片传热的 数由下式给出 ： （ ） 式中 ： 为空气侧传热系数 ， 为水力直径 ， 为空 气的热导率 等 对 多种轧制
7、翅片管管外换热进 行实验研究得出 （ ） （ ） （ ） 式中 ： 为翅片间距 ， 为翅片高度 ， 为翅片厚 度 ， 为雷诺数 ， 为普朗特数 管壁导热热阻为 （ ） （ ） 式中 ： 为管内表面积 ， 为管外径 ， 为管内径 ， 为管壁热导率 ， 为管长 ， 为管内侧传热系数 翅片效率 为 （ ） （ ） 式中 ： （ ） 管外对流换热热阻为 （ ） 式中 ： 为翅片管外表面积 相变热阻为 （ ） 第 期 颜卫国 ，等 ：热管中冷器的传热与阻力特性 式中 ： 为蒸 、冷凝侧传热系数 ， 为管内表面积 总换热系数为 （ ） 式中 ： 为传热总热阻 压力降 等 提出以下公式 ： （ ） 式中 ：
8、 为冷侧压降 ， 为摩擦系数 （ ） （ ） （ ） 式中 ： 为在最小流通截面处的质量流速 ， 为 管间距 ， 为翅根直径 ， 为管子外径 ， 为运动黏 度 ， 为流动方向管排数 ， 为空气平均密度 实验结果与分析 冷侧空气流速和热侧空气温度对散热量的影响 如图 所示为在冷侧空气进口温度为 ，热 侧空气质量流量为 ，热侧空气不同进口温 度 （ 、 、 、 、 ）的条件下热管中冷器 的散热量随冷侧空气流速 的变化曲线 从图 可以看出 ，在冷热侧空气进口温差不变 的情况下 ，热管中冷器的散热量随着冷侧空气流速 的增大而非线性增大 这是由于冷侧空气流速增大 ， 热管总热阻减小 ，热管中冷器总换热系
9、数先增大后 趋缓 ，所以总散热量随之先增大后趋于平缓 在标准 工况 （热侧空气进口温度为 ，冷侧空气流速为 ）下 ，热 管 中 冷 器 的 散 热 功 率 大 约 为 在冷侧空气流速不变的情况下 ，热管中冷 器的散热量随着热侧空气进口温度的增大而增大 从图 可知 ，实验值和基于 公式的计算 值在不同热侧空气进口温度下随冷侧空气流速的变 化趋势基本一致 ，吻合较好 ，但两者之间存在较大误 差 ，计算值比实验值大 ，这可能是由于气流到翅片对 流换热过程的 数预估计算偏差产生的 ，气侧传 热系数对散热器总传热系数的影响很大 热侧空气流量对散热量的影响 如图 所示为在热侧空气进口温度为 ， 冷侧不同空
10、气流速 （ 、 、 、 、 ）的条件下热 管中冷器散热量随热侧空气质量流量 变化的关 系曲线 从图 可以看出 ，在冷侧空气流速不变的情况 下 ，随着热侧空气流量的增大 ，热管中冷器的散热量 图 冷侧空气流速对散热量的影响 图 散热量与热侧空气质量流量的关系 呈非线性增长 ，这是因为 和空气流速 有如下 关系 ： ，当热侧空气流量增大时 ， 先增 大后趋缓 ，因此 ，散热量先增大而后趋于平缓 当热 侧空气质量流量从 到 变化时 ， 散热量几乎成线性变化 图 散热效能与温差的关系 冷侧空气流速和温差对散热效能的影响 如图 所示为在 个不同冷侧空气流速 （ 、 、 、 、 ）的条件下热管中冷器的散热
11、效能 随冷热侧空气进口温差 变化的关系曲线 从图 可以看出 ，在相同冷侧空气流速 、不同冷 热侧空气进口温差下 ，热管中冷器的散热效能基本 不变 ，说明冷热侧空气进口温差对热管中冷器的散 热效能影响很小 热管总热阻主要受冷热侧空气流 浙 江 大 学 学 报 （工学版 ） 第 卷 速的影响 ，冷热侧空气进口温差对它的影响较小 ，因 此热管中冷器的总热阻几乎不变 ，在相同的冷侧空 气流速下 ，热管中冷器散热效能基本不变 同时可以 看出 ，在相同冷热侧空气进口温差和热侧空气质量 流量下 ，随着冷侧空气流速的增大 ，散热效能提高 ， 为 ，散热效能增幅很小 ，约为 这 与普通间壁式换热器的特点相同 冷
12、侧空气流速和热侧空气进口温度对压降 的影响 如图 所示为在冷侧空气进口温度为 ，热 侧空气质量流量为 ，热侧空气不同进口温 度 （ 、 、 、 、 ）的条件下热管中冷器 的冷侧压降随冷侧空气流速的变化曲线 可以看出 ， 冷侧 压 降 随 着 冷 侧 空 气 流 速 的 增 大 而 增 大 ，从 时的 左右增大到 时的 左右 实测冷侧压降随冷侧空气流速的变化关系 与基于 经验公式的压降计算值吻合较好 ， 变化趋势基本一致 ，实测压降比经验公式计算值偏 小 两者的偏差可能主要是由摩擦系数 预估值偏 大造成的 从图 可知 ，在相同冷侧空气流速下热侧 空气进口温度对冷侧压降的影响很小 图 冷侧压降与冷
13、侧空气流速关系曲线 结 论 （ ）针对热管中冷器可能的工况变化范围 ，测试 冷侧空气流速 、热侧空气进口温度和热侧空气流量 等主要因素对热管中冷器传热和阻力特性的影响 结果表明 ，热管中冷器具有良好的散热性能 ，在一定 范围内能够满足发动机增压空气的散热需求 （ ）利用 和 模型来预测计算 散热量和压力降是可行的 ，实验值和模型估算值吻 合较好 ，趋势基本一致 ，可以用来指导工程设计 （ ）热管中冷器在车辆增压中冷系统中应用是 可行的 ，可以减轻传统中冷器的热负荷 ，为前端冷却 模块留出更大空间 （ ）在实际应用中 ，需要考虑在不同热侧空气流 量的情况下蒸发段和冷凝段的长度比 、最佳的工作 介质等 ，这有待于进一步的研究 参考文献 （ ）： ， （ ） ： ， ， ， （ ）： ， （ ） ， ， （ ）： ， ， ， （ ）： ， ， ， （ ）： ， ， ， ， （ ）： ， ， ， ： ， ： ： ， 王春强 热管技术在增压内燃机中的应用 南宁 ：广 西大学 ， ： ， 史美中 ，王中铮 热交换器原理与设计 南京 ：东南 大学出版社 ，： 杨世铭 ，陶文铨 传热学 北京 ：高等教育出版社 ， ： 第 期 颜卫国 ，等 ：热管中冷器的传热与阻力特性
