热能与动力工程专业毕业论文

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1、 本科毕业设计说明书（题 目：200KW发电机组散热器设计 专 业：热能与动力工程 摘要 该设计主要给移动式发电机组提供一种新型散热器管芯式散热器。这种结构的散热器互换性好，可以以单根散热管芯为单元进行更换，因而避免了因部分散热面损坏而需要更换新散热器，从而节约了成本，也提高了工作可靠性。设计中为了好的传热性和工艺性选铜C15710为散热管芯材料，铝合金3004为壳体材料，采用了闭式强制冷却循环系统，增强了运行可靠性；该产品能避免零件因过热引起的膨胀、变形、开裂，保证润滑油温不至过高，为发电机组正常工作提供良好的条件；设计中在保证散热量的前提下，尽量使其结构布置紧凑，使用方便；运用MATLAB

2、软件进行了结构优化，在保证散热量的条件下减小了散热器体积，节约了原料；最终使设计的散热器达到了散热性能好，体积小，互换性程度高，寿命长和运行可靠性高的目标。本设计为今后管芯式散热器设计提供了实例，对管芯式散热器进行了推广和技术储备。关键词：移动式发电机组；管芯式散热器；优化设计。Abstract The topic provides a new tube-core radiator for the transportable generator. Theradiatorwith this structurehas good interchangeability, and it canbe re

3、placedas a unit with a singleheat.So, it avoids replacing a new heat sink due to part cooling surfaces damage, which not only saves the cost, but also improves the workreliability. The design usescopperfor theheatmaterial and aluminum alloyfor theshell material because of their good thermal conducti

4、vity and process. And it adoptees closed forced cooling circulatory system to enhance the operation reliability. The product canpreventthe expansion, deformation and cracking of parts causedbyoverheating, ensure that theoiltemperatureis nottoo high, and provide good workingconditions for thegenerato

5、r. According to the empirical formulainthe premise ofensuring heat dissipation; the article tries to make its structural layout compact and easy to use. Besides, it uses MATLAB software to optimize the structure. Thus, it reduces the radiators volume, and saves the raw materials inthe premise ofensu

6、ring heat dissipation. The design finally achieves high goals that the radiator is good in the performance of heat dissipation, small size, high degree of interchangeability, long life and high operation reliability. This design provides examples for tube core type radiators design in future and mak

7、es promotion and technical reserves for the core type radiator.Key words: movable generator set; tube-core radiator; optimization design.目录第一章引言21.1 概论21.2 散热器类型21.3 散热器功能21.4 国内外发展概况21.5 设计的目的及意义21.6 任务2第二章 散热器选择22.1 散热器材料选择22.2 散热器型式选择2第三章 散热器设计计算23.1 原始参数计算23.1.1 冷却系统散出的热量23.1.2 冷却水循环量23.1.3 冷却空气

8、需要量23.2 散热器结构计算23.2.1 散热器正面积23.2.2 散热器芯部尺寸23.2.3 散热器水管数23.3 传热系数23.3.1 水侧换热系数23.3.2 空气侧换热系数23.3.3 散热器传热系数23.4 散热器散热表面积23.4.1 估算散热器散热总面积23.4.2 散热器散热总面积23.4.3 单根散热管芯表面积23.5 校核计算23.5.1 校核散热管数23.5.2 散热器实际散热面积23.6 结构优化设计23.6.1 MATLAB简介23.6.2 设计程序23.6.3 处理结果23.6.4 比较分析23.7 二次校核23.7.1 实际散热管芯数23.7.2 实际散热表面积

9、23.7.3 传热系数校核23.7.4 校核实际散热量23.8 流动阻力计算23.8.1 空气流动阻力23.8.2 水流阻力2第四章 散热器结构设计24.1 散热管芯24.2 主板24.3 水室24.3.1 水室容积计算24.3.2 水室尺寸24.3.3 水室结构24.4 挡风板24.5 其他部件24.6 散热器2第五章 散热器工艺与运行25.1 制造25.2 装配25.3 储运25.4 运行与操作2第六章 总结26.1 设计成果26.2 设计中存在的问题26.3 今后发展方向26.4 体会2参考文献2附录2致 谢2第一章 引言1.1 概论目前移动式发电机组被广泛地应用于高速铁路、高速公路、桥

10、梁、矿山、隧道、水利电力、船厂、码头、港口、油田、市政建设等建设工程。近年来，由于经济的迅猛发展，许多地区特别是沿海地区电力紧缺现象的突出，使移动式发电机组在国民经济发展中起到了不可或缺的作用。随着新技术、新成果的应用使得现代的移动式发电机组具有更高的强化性、可靠性、经济性及良好的排放特性等，本课题所设计的散热器不仅具有以上性能，而且大大提高了移动式发电机组的互换性，延长了其寿命，更适合在恶劣的环境中工作。移动式发电机组在工作中出现的故障有一半是由于散热不良而造成的，主要原因在于传统的散热器在矿山等恶劣环境中工作时，难免会被石头等硬物砸中，当散热面积损坏程度超过20%时，就需被迫停机更换散热器

11、，这样既浪费了工时，也增加了成本。为了使散热器替换容易，维修方便，本课题设计了一种新式散热器管芯式散热器。它具有以下优点：工作可靠，寿命长；通用性好，改变散热管的长度尺寸和数量就能够满足不同机型的需要；互换性好，便于维修；加工工艺性好。在实践中证明这种散热器质量可靠，经济效益显著，在国民发展中需求量大，有巨大的发展空间。1.2 散热器类型散热器就是用来传导和释放热量的装置，其作用就是将冷却水在水套中吸收的热量通过散热管带传递给大气，从而使冷却水温下降。按照管芯结构型式分类，主要有以下三种散热器： （1） 管片式。其管芯是由若干扁平形或圆形的冷却管构成，散热片套在冷却管周围用来增大散热面积和增加

12、整个散热器的刚度与强度。这种管片式散热器的特点是散热面积大，空气流动阻力小，结构刚度强；但制造工艺复杂，成本较高，且不便维修，多用于小型轿车。（2） 管带式。这种散热器管芯是由扁平形冷却管及波纹状薄金属带焊接成蜂窝状，其水管和散热带相间布置，在散热带上常开有类似百叶窗的小孔，用来破坏介质在散热带表面上形成的膜，从而提高散热性能。这种管带式散热器的特点是散热能力强，制造工艺简单，重量轻，成本低，但刚度和强度较差，一般用于载重汽车等。 （3） 管芯式。此散热器是由管带式散热器演变而来，它的芯部由一根根的散热管芯组合而成，每根散热管芯是由一根扁平的冷却管和两侧的翅片构成，通常扁管和翅片是通过锡钎焊而

13、成为一体的，翅片采用波纹状散热带，在其宽度方向上开有许多百叶窗，以减少边界层厚度，增加热传导效率。扁管的上下端是圆柱状的，通过橡胶密封座圈各自独立的连接到水室上。散热管芯有序地排列在一起构成了散热器的主体。这种管芯式散热器的优越性在于它能够很好的适应恶劣环境下的工作，而且出了故障时，也可当场在不拆卸散热器的情况下，就能进行单管更换，如果没有现场没有同型号散热管芯，可将散热器主板上的孔堵上而不影响正常工作，这样就可以大大降低用户的使用成本并且缩短了维修周期，延长了散热器寿命。1.3 散热器功能 在内燃机冷却系中，机体热量有85%以上是靠散热器释放到了大气中的，且散热器在冷却系中所占比重约为一半，

14、故散热器是冷却系中最重要的组成部分。散热器的作用是把受热部件的热量及时释放出去，从而使整个机组在最适宜的温度范围内工作。发电机组工作时，其气缸内燃烧气体的温度可高达，而燃烧放出的热量只有约三分之一转化成了有用功，其余的热量一部分随废气排出，还有约三分之一的热量传递给了机体的零部件。因此，必须给发动机组增加冷却系统保证机组正常工作。发动机组的冷却要适度，若冷却不足，会导致发动机过热，造成充气效率下降，早燃、爆燃等不利现象出现的几率增大，从而使整个发电机组工作效率下降；此外，由于零部件受热膨胀，会让运动部件间正常的间隙遭到破坏，使机器不能正常运转，甚至卡死；零件也因过热使其力学性能下降进而导致变形

15、甚至破坏；而且由于机体内温度过高，会使润滑油粘度下降，从而致使零部件表面形成的润滑油油膜破裂进而加剧零部件的磨损。反之，如若冷却量过大，会导致发电机组过冷，进入气缸的可燃混合气体因温度过低而导致点火困难和着火延迟，从而使发电机组效率下降，油耗增加，寿命缩短；另外，润滑油会因机体温度过低而使粘度增大，进而增大了运动部件间的摩擦阻力，加剧了零部件的磨损，增大了无用功。1.4 国内外发展概况 散热器诞生以来，有很长一段时间散热器一直停留在管片式结构上。由于汽车行业的迅速发展，传统的散热器已不能很好的满足需求。就在上世纪六十年代以后，日本和美国相继成功研制出了管带式散热器，使得制造工艺简单，散热性能大

16、大提高，也是散热器变得更加轻巧。管带式散热器推动了散热器的发展，在散热器发展史上具有重要意义。此后，日本又成功研发了一款超轻型单列水管式散热器，它具有重量轻、体积小、换热系数高等显著优点。随着社会的发展进步，越来越多的厂矿和民生领域需要一种可以在恶劣工作环境中长时间工作的散热器以便保证移动机组正常运行，这就要求散热器便于维修，结构强度和刚度好，于是美国在上世纪八十年代，结合了管片式散热器较强的刚度和管带式散热器的散热好、制造工艺简单、成本低、质量轻、体积小等优点，成功研制了管芯式散热器，这种散热器的强度和维修性能较好，特别适合工作条件恶劣的发电机组和重型汽车，现如今已广泛应用于各行各业。 我国

17、汽车行业起步晚，初期发展较慢；散热器是从上世纪五十年代中期开始研发的，七十年代后期才开始研制管带式散热器，主要以铜材作为散热器材料。目前我国在管带式铜散热器上主要存在的问题是：散热器生产中主要采用铅锡焊，导致传热热阻增大，泄漏问题严重。当前汽车行业的发展趋势是轻型、节能、环保、安全、可靠、高速、寿命长、美观和舒适，做到了轻型才能节能和环保，而高速就要提高发动机的额定功率，必然也会使热负荷增加，这就需要冷却系统在同一时间段提供更多的冷却量，从而迫使散热器重量轻、散热效率高、使用寿命长和较高的工作可靠性。为了我国民生行业有较好较快的发展，我国将散热器标准化，加强了质量检测管理，为散热器批量生产和今

18、后的发展打好了基础。1.5 设计的目的及意义 随着我国经济的迅速发展，目前的散热器性能已经不能满足各个领域的需求，本课题主要研究如何在保证发电机组正常工作时散热器有足够的换热量并降低换热流体的流动阻力进而降低内燃机功耗。所以我们把提高散热器性能，减小散热器体积，降低散热器功耗，提高散热器互换性进而提高寿命作为研究的主要目标。 随着大型矿山的建设开发，移动机组的使用日益增多，为了改进目前散热器不便维修的结构缺点，目前研制发展了一种新型散热器-管芯式散热器，这种散热器不仅具有管带式散热器的优点，而且弥补了管片式散热器的不足，具有较强的刚度和较佳的维修性能。本课题依据目前现有的新型管芯式散热器，在保

19、证换热量的前提下，尽量使散热器体积缩小，结构更加紧凑，以求在发电机组上的实际应用而进行设计，从而为这种具有独特优势的散热器的广泛应用提供实例与推广依据及技术储备。1.6 任务 根据实际需求，为200KW发电机组设计管芯式散热器，主要有热工计算、结构设计、加工图纸，说明书尽可能详细，最终可以直接用于设计产品的加工。第二章 散热器选择2.1 散热器材料选择 散热器的工作恶劣，它一般位于发电机组前端迎风处，不仅要经受石屑撞击和风吹雨淋等不利的外界条件以及油污等表面附着物，而且还得承受反复的热循环与周期性的机械振动。此外，由于散热器内长期循环流动着冷却液，故对散热器有较强的腐蚀作用。因此，为了保证散热

20、器能够正常地发挥其散热作用，对散热器所需材料性能主要有以下几点要求：a. 热传系数高；b. 较高的强度和较强的耐腐蚀性；c. 工艺性能好；d. 较佳的钎焊性能；e. 较好的经济性。为了满足以上性能，目前常用的散热器材料主要有铜、铝及工程塑料等。本设计在选材过程中，考虑到了铝的钎焊性能差，而铜材具有好的成型加工性、可钎焊性和耐腐蚀性，故选铜C15710作为散热管芯材料；引风板用碳素钢Q235；此外，由于我国铜资源较少，而铝资源丰富，重量约为铜的1/3，故散热器其它部件选用铝合金3004。2.2 散热器型式选择 由于移动式发电机组大多在恶劣的环境条件下工作，且为了较高的经济效益，理想的散热器应具有

21、尺寸小，重量轻，加工工艺简单，结构强度好，散热性能佳，使用寿命长等优点。根据实际需要本设计中选择了管芯式散热器。第三章 散热器设计计算3.1 原始参数计算3.1.1 冷却系统散出的热量 冷却系统散出的热量主要受导热材料的热物性和管内外介质流速等因素的影响，难以精确计算，用以下公式做初步估算： （3-1）式中 A燃料释放能量传给冷却系统热量的百分比，对柴油机，对于汽油机，此移动式发电机组用柴油机发电，故A选取； 内燃机燃料消耗率(kg/kwh),在额定工况下，由设计任务书给定0.24 kg/kwh； 柴油机额定功率（kw）,由设计任务书给出=235kw; 燃料低热值（kJ/kg）,根据参考文献可

22、得，柴油的低热值可取41870kJ/kg。代入公式得3.1.2 冷却水循环量 根据冷却系统中的热量来确定冷却水循环量 （3-2） 式中 内燃机中冷却水循环时的允许温升，对于强制循环冷却系统，可取,本设计选取； 水的比重，取近似值=1000kg/m； 水的比热容，取近似值=4.187kJ/(kgk)。计算得3.1.3 冷却空气需要量冷却空气需要量根据散热器的散热量来确定。一般说，散热器的散热量等于冷却系统的散热量。 （3-3）式中 空气流过散热器时的温度差，通常；本设计取； 空气的比重，近似取=1.01 kg/m； 空气的定压比热容，取。计算得3.2 散热器结构计算3.2.1 散热器正面积 根据

23、冷却空气需要量计算散热器芯部的正面积： （3-4）式中 空气流速，一般选取，本设计产品为移动式发电机组，取。代入数据得3.2.2 散热器芯部尺寸为了与风扇送风流过的面积相匹配，以便提高散热器效率，一般将散热器芯部设计成正方形。设芯部高度和宽度分别为h,b；则有： （3-5）代入数据有3.2.3 散热器水管数 根据冷却水循环量，由经验公式计算冷却水管数i： （3-6）式中 水在散热管中的流速(m/s)，一般取,本设计中选取; 每根散热水管芯部的横截面积，单位m。3.2.3.1 单根散热管芯部的横截面积单根散热管的截面形状如图3-1所示：根据知扁管的高度是，宽度为18mm，壁厚；可得每根水管的横断

24、面积： (3-7)把代入（3-6）式得3.3 传热系数3.3.1 水侧换热系数取冷却水平均温度，查附表1得散热水管当量直径为；查附表4得，；将数据代入下式得：水侧雷诺数 (3-8)水侧普兰特数 (3-9)对于三排管管道内的强制对流传热，水侧的努契儿准则数由参考文献中经验公式得： (3-10)由可得水侧换热系数： (3-11)式中 水的热物性参数，查附表4得； 水管当量直径，查附表1得。3.3.2 空气侧换热系数取空气流过散热器的平均温度，在附表3中查得，；将数据代入下式得：空气侧的雷诺数 (3-12)式中 翅片当量直径，查得。由参考文献得翅片当量直径De1 = = 式中 翅片内间距，由附表1得

25、； 翅片内高，由附表1得。空气侧的普兰特数 （3-13）对于三排管管道内的强制对流传热，空气侧的努契儿准则数由参考文献中的经验公式得： （3-14）由经验公式可导出空气侧换热系数： (3-15)式中 水的热物性参数，查附表4得； 水管当量直径，查附表1得。3.3.3 散热器传热系数 由公式 (3-16)式中 空气侧换热系数，由式（3-15）知； 散热管壁厚，由附表一查得； 铜C15710的导热系数，查参考文献得； 水侧换热系数，由式（3-11）知。代入数据得 3.4 散热器散热表面积3.4.1 估算散热器散热总面积参考散热器设计手册，散热表面积可根据参考文献中经验公式初步估算： (3-17)

26、式中 散热器内冷却水与冷却空气的平均温差，； 式中 冷却水平均温度， ； 冷却空气平均温度，；式中 散热器进水温度，对于开式的内燃机冷却系统取值范围，对于闭式强制循环冷却系统，可取；本设计采用了闭式强制循环冷却系统，取； Ta1散热器冷却空气进口温度，一般取左右，此次设计的产 品主要用于恶劣的甚至高温的环境中，根据近年全国的气温 在本设计中取； 散热器冷却水进出口温度差，一般选取，本设计中选取； 散热器冷却空气进出口温度差，一般选取，本设计中选取；计算得：3.4.2 散热器散热总面积 由于通过散热器的冷却水和冷却空气流速都不可能均匀；而且散热器散热表面会附着上油污，蒙上尘土，或是部分散热面损坏

27、，这些都会降低散热器的散热性能，所以实际选取散热器面积F0时，要比计算结果大些，一般选取 (3-18)式中 储备系数，通常取值；本设计中取。可得3.4.3 单根散热管芯表面积如图3-2所示为散热管芯单侧的示意图。由图可知，单根散热管芯表面积是由散热翅片外侧表面积S1，散热翅片内侧表面积S2（翅片与铜管焊接部分可忽略不计），散热管外侧扁平面未焊接部分的面积S3和散热管外侧圆弧面的面积S4之和。3.4.3.1 单元体数目n 为了方便计算，我把翅片两个波谷点之间的一段设为一个单元体，那么一条翅片所含有的单元体数目为： （3-19）式中 散热器芯部高度，由式3-5知； 一个单元体的波长，；式中 翅片间

28、距，由附表1得知。3.4.3.2 单根散热翅片外侧表面积S1一个单元体的外侧表面积：散热翅片外侧表面积：3.4.3.3 单根散热翅片内侧表面积S2一个单元体的内侧表面积：散热翅片内侧表面积：3.4.3.4 单根散热管外侧扁平面未焊接部分的面积S3一个单元体内未焊接部分的面积：散热管外侧扁平面未焊接部分的面积3.4.3.5 散热管外侧圆弧面的面积S43.4.3.6 单根散热管芯表面积S3.5 校核计算3.5.1 校核散热管数管芯式散热器实际需要散热管数等于估算散热总面积与单根散热管芯表面积之比；故实际需要管数： (3-20)3.5.2 散热器实际散热面积 确定管数和每根管芯的散热表面积后就可精确

29、计算出散热器实际散热面积，固有 (3-21)代入数据得3.6 结构优化设计 为了使设计的管芯式散热器在结构上更加合理紧凑，本设计运用计算机模拟软件对散热器结构进行了优化。 在设计过程中，影响散热器芯部面积的因素有散热量、冷却水流速、冷却水进出口温度差、空气侧流速、空气侧进出口温度差、储备系数等，在此次设计中，在给定散热量的前提下，要想改变散热器芯部面积就需要调整其它因素，在软件优化过程中，如果将全部因素都当做变量来处理，将大大增加编程难度，超出了我的能力范围，也没有足够的时间去深究，故此次结构优化中，将对散热器芯部正面积变化影响小的因素作为定量处理，仅将对散热器芯部影响较大的几个因素作为变量来

30、优化，编程中将管内冷却水流速、冷却空气流速、储备系数三者作为自变量，优化目标是在两散热管芯安装不干涉的情况下尽量使散热器芯部面积取得最小值。3.6.1 MATLAB简介 MATLAB是一款编程简单、编程效率高、容易学习的科学软件，是从事众多工业、科研领域的必备工具。1984年，MATLAB诞生于MathWorks公司，当时主要用于矩阵运算，后来随着科技的发展进步，MATLAB已广泛应用于数字信号处理、科学可视化和系统仿真等方面。 本设计中主要用该软件进行数字信号处理，最终使散热器结构性能得到优化。3.6.2 设计程序设计程序如下：Qw=150870;ra=1.01;Cv=1047;for da

31、ta=10:1:30 for va=8:0.01:12 Va=Qw/(data*ra*Cv);i=0.0036/(Vw*4.45e-5);t1=ceil(i);FR=Va/va;h=sqrt(FR);Re1=Vw*4.92e-3/0.326e-6;Pr1=1.94;Nu1=0.031*(Re10.77)*(Pr10.33);ha=Nu1*0.68/4.92e-3;Re2=va*2.22e-3/18.46e-6;Pr2=0.7;Nu2=0.56*(Re20.39)*(Pr20.4);hw=Nu2*0.0287/2.22e-3;KR=1/(1/ha+1/5.3e5+1/hw);F=Qw/(KR*3

32、5);F0=b*F;S=2*(h/3e-3)*(5.0456e-4+4.02596e-4+17.81e-6)+h*6.751e-6);i0=F0/S;t2=ceil(i0);t3=ceil(3000*h/t2); end endend if t1=t2&t322 break endend3.6.3 处理结果 通过多次循环，在多组数据中选了一组最可行的数据。然后通过自己将处理好的数据整理出来，方便后面的设计。3.6.3.1 计算机处理结果 通过多次修改程序后循环运行下，最终得到了如下较为满意的结果：3.6.3.2 整理数据(1) 冷却系统散出的热量 (2) 冷却水循环量 (3) 冷却空气需要量

33、(4) 水侧雷诺数 (5) 水侧换热系数 (6) 空气侧的雷诺数 (7) 空气侧换热系数 (8) 散热器传热系数 (9) 估算散热器表面积 (10)设计散热器表面积 (11)单根散热管芯表面积 (12)估算散热管数 (13)实际散热管数 (14)实际散热器表面积 (15)空气流速 (16)水流速度 =0.8(m/s)(17)储备系数 (18)空气进出口温度差 (19)水侧努契儿准则数 (20)空气侧努契儿准则数 3.6.4 比较分析通过计算机软件MATLAB优化处理，散热器在满足散热性能的情况下，在结构上得到了优化，节约了原材料，降低了成本，使设计出的散热器达到了理想状态。3.6.4.1 面积

34、 在面积上单就散热器芯部正面积比原来缩小了3.6.4.2 高度 单就散热器芯部高度比原来减小了3.7 二次校核 由于经过结构优化设计以后，散热器原有数据大都发生了改变，为了争取设计的准确性和可行性，对管数和散热面积重新进行校核。3.7.1 实际散热管芯数3.7.2 实际散热表面积3.7.3 传热系数校核3.7.3.1 翅片效率 由于本次设计中采用的散热翅片是由纯铜制成，其厚度极薄，仅为厚度，相对于翅片的高度和沿气流方向长度来说要小许多，而且铜C15710的导热系数大，所以完全可以忽略翅片两端面的散热量；故翅片效率为： （3-22）式中 m结构系数，在散热器的实际结构设计中，如果忽略气体侧很小的

35、污垢系数时，m可由下式计算求得： H翅片高度，查表得H=6mm；式中 翅片导热系数，由参考文献查得； 空气侧对流换热系数，从整理后的数据查。计算3.7.3.2 传热系数表达式 假使按照刚出厂的管芯式散热器处理，即按理想状态处理，那么在设计中就可忽略散热管两侧污垢的传热热阻，就可将传热系数表达式写为： （3-23）式中 水侧对流换热系数； 空气侧对流换热系数； 单管水侧传热面积， ； 单管空气侧传热面积，； 单管空气侧光滑壁面部分的面积，； 单管空气侧翅片部分的面积，； 水管壁导热系数，铜C15710的导热系数，查参考文献得； 水管壁厚，散热管壁厚，由附表一查得； 翅片效率；由式（3-22）得；

36、 根据散热器水管数据确定，；式中 单根水管壁扁平部分的面积， ； 单根水管壁圆环部分的对数平均面积， ；计算把以上数据代入传热系数表达式3.7.4 校核实际散热量 （3-24）代入数据得因为，其中为初始值， 为优化结果。由于所以设计结果满足国家行业设计标准，故设计的产品合格。3.8 流动阻力计算一切流体都具有黏性，黏性是流体的一种固有的物理属性，在运动状态下，这种物理属性就会显现出来。当流体介质流经物体表面时，会由于这种黏性而产生较大摩擦阻力，此为由于流速，也会产生压差阻力，这些阻力都会消耗流体的一部分能量，所以为了设计结果的可行性和准确性，需对其进行阻力计算。3.8.1 空气流动阻力 流体通

37、过散热器时，会受到摩擦阻力和压差阻力，由于目前还没有流体绕流管芯式散热器方面的传热经验公式，故引用参考文献中依据实验得来的公式，管芯式散热器中空气流过散热器芯部时的阻力系数的准则方程为： （3-25） 在此次设计中，散热管带采用了三排错列布置，故 空气流过散热器芯部的压力损失为 (3-26)式中 最小自由流通截面积与来流迎面面积之比； 最小自由流通面积，来流迎面面积，；kc进口压力损失系数,可由文献查得；ke出口压力损失系数,可由文献查得；芯部的摩擦阻力系数；u管间流速；d0水管的外径，此处取水管的当量直径，；其中、可从附表一种查得。注： 下标“1” “2”分别表示进、出口，“m”表示进出口算

38、术平均值； 查附表得，； 。把数据代入(3-27)式得： =6862.9(Pa)3.8.2 水流阻力 冷却水流过散热器管道时，会由于流体自身的粘性而阻碍流体运动，冷却水克服因粘性产生的内部切应力以及管壁的摩擦阻力而会造成部分能量损失，能量损失的大小通常用压力损失表示，压力损失的大小可以由阻力系数反应。3.8.2.1 沿程阻力损失 在强制循环冷却系统中，水在管中的运动属于受迫运动，又有水的雷诺数，处于紊流区，所以冷却水在管中流动时，出了克服粘性阻力，还存在流体内部质点相互碰撞造成的惯性阻力。所以水在散热水管中流动时的沿程阻力可用下式求得： (3-27)式中 水流的沿程阻力系数，； 冷却水密度，查

39、附表四知； 冷却水流动速度，和前面取相同值； 散热器芯部厚度，查附表一知； 散热管当量直径，和式（3-26）取相同值。代入数据得3.8.2.2 局部阻力损失 冷却水流经散热管时，由于散热管有渐缩和渐扩部分，所以冷却水所受的局部阻力主要是管道截面的收缩和扩大造成的，故冷却水流过散热器管时的局部阻力损失可由以下公式计算： （3-28）式中 冷却水流动速度，和前面取相同值； 冷却水密度，查附表四知； 渐缩渐扩管的局部损失系数，查相关文献得。将数据代入上式得冷却水的局部阻力损失为：第四章 散热器结构设计散热器主要由散热管芯、主板、上下水室和挡板组成，为了让设计的产品结构紧凑，散热效率高，成本低廉，在设

40、计过程中，通常会构想几种方案，通过对比，最后确定方案；为此，在结构设计中，还要考虑产品的工艺性，尽量使设计的结构尺寸在满足使用性能的情况下，制造方便，加工工序少，装配维修方便。4.1 散热管芯散热管芯由两部分组成：散热管和散热带。由直径13mm，壁厚的铜管制成。散热管两端为圆管，中间通过挤压制成扁平管，散热管两端都加工倒角，以便于插入上下主板；散热带用滚片机直接制成，散热带和散热管通过铅锡焊焊在一起，注意保证管带没有裂纹。本设计中共需102根散热管芯，具体结构见零件图SRQ-002,SRQ-005,SRQ-006。4.2 主板主板主要功能安装散热管，还有就是连接固定水室、挡风板和引风板。主板用

41、铝合金板制成，主板厚10mm，边缘突起，用于嵌入石棉垫和水室底面，这样做密封性好，可以减少螺栓数目。上主板边缘凸起4mm,下水室边缘凸起6mm，主板中部平行错列三排插散热管孔，孔数为102，每排34根，管中心距；边缘设有螺栓孔，共有42个孔；在设计中，螺栓连接孔在不与水室壁面干涉的情况下，尽量靠近中心线，以便使布置结构紧凑，节省板材；主板采用铣削加工，所有孔以中心线为加工基准，采用钻孔。表面无需进行精加工，只须简单处理即可。具体结构见零件图SRQ-003。4.3 水室水室的主要功能就是向散热管布，设计水室大小需先估算水室容积。4.3.1 水室容积计算通常设计时水室容积约为所有散热管容量的2倍以

42、上，这样就能保证冷却水循环正常进行。所有水管容积 (4-1)式中 ，代入得故水室容积4.3.2 水室尺寸在保证水管插口不被水室底面挡上的情况下，尽量使水室加工制造方便，外形美观。由于散热器芯部尺寸为86753mm，为了零部件相互之间不干涉，取水室腔部底面尺寸为100803mm，则水室高度4.3.3 水室结构水室用铝合金3004铸造而成，上水室有进水管和空气阀连接孔，为了加工方便，将它们置于顶部同一中心线上。此外，水室内压强较小所以水室壁不需太厚，能储水即可，下水室厚度是上水室两倍，这是因为下水室在移动装配过程中容易与地面或其他硬物碰撞变形。安装面的尺寸根据主板尺寸确定，为了减小加工难度，安装面

43、各边要比主板槽面小1mm，具体结构见零件图SRQ-004。4.4 挡风板挡板位于散热器两侧，主要防止冷却空气从散热器两侧流出，降低散热效率，此外，还有支撑固定散热器作用。挡板用铸铝合金3004铸造而成，形状呈槽型，板厚10mm，整体关于中心对称，其尺寸根据散热管长度和主板宽度确定，固定端板侧为连续圆弧状，为了减轻重量，美化外形，节省材料；具体结构尺寸见零件图SRQ-007。4.5 其他部件除了上述零部件外，散热器包括引风板、泡沫塑料填充物、空气阀。引风板呈法兰形，用2mm厚碳素钢Q235制成，主要用作引风，此为还起拉紧固定边框的作用，大小由散热器正面结构尺寸确定，具体结构见零件图SRQ-008

44、。填充物可以利用工业用纸，废旧泡沫塑料等。设计中，在保证排气顺畅的情况下，选择市场价格最低的排气阀来确定孔径的大小。上下水室密封垫圈用耐热橡胶制成，具体结构见SRQ-009,SRQ-010。4.6 散热器该散热器可以给200KW发电机组提供散热，型式为管芯式散热器，通过结构优化设计使得散热器芯部面积减少了，故结构布置紧凑；能用轻质材料代替的零件全部使用铝合金材料，减少了散热器自重，所以重量比其它相同功率的要轻；在设计中，只有散热管和散热带需要用锡钎焊焊接在一起，其它都独立成件，适用于大批量生产，故成本低；该产品中的任一零部件都可替换，运行时各散热管之间互不影响，故使用寿命长；每个零部件均可拆卸

45、，所以维修方便；通过热工计算能知其散热性能好。散热器管芯用铜C15710作为原材料，引风板用碳素钢Q235制成，其余部件为了减轻散热器自重全部使用铝合金3004。散热器整体高度1108mm，宽180mm，长903mm，所有外部圆角半径均为5mm，所有棱边全部打磨光洁。具体结构见装配图SRQ-001。第五章 散热器工艺与运行在本设计中，管芯式散热器加工工艺性能好，零件互换程度高，可用于大批量生产，安装简单，可采用流水线生产；运行可靠，使用范围广。5.1 制造水室、主板和引风板采用冷加工成型，侧面挡板铸造而成，散热管挤压成型，散热带用滚片机滚压而成，散热管和散热带采用锡钎焊焊接在一起。由于引风板和

46、水室较薄，适合冲孔，这样可以提高工作效率，其余零部件较厚无法将孔直接冲出，故其它所有零部件的孔均采用钻孔工艺。所有表面均需打磨表面毛刺，所有边角均圆滑过渡。此外，因特别注意保证水室、主板和挡风板的连接孔的同轴度，装配平面应保证其平面度。5.2 装配先水室，后框架，最后装入散热管芯，引风板。可以先装配好主板、水室和侧面挡风板，让后插入散热管芯，最后装入引风板。装配完毕后，对散热器进行密封性检测，可用肥皂泡法和注水法，这两种方法成本低，而且方便有效。肥皂泡法：将肥皂泡沫涂于可能漏气的边缘处，从进水管通入空气气压为，在三分钟内肥皂泡沫涂抹处若无气泡冒出，则认为合格。注水法：将出水管堵上，从进水管注水

47、，直到注满，将散热器竖立放置半小时无滴水、渗漏现象，认为产品合格。但由于结构限制，本设计产品一般采用肥皂泡法。5.3 储运散热器水平放置，固定散热器端靠近地面。可堆叠放置，但不得超过十片，以防最底层损坏变形。运输时需要在两个散热器间垫入5mm左右厚纸片或泡沫塑料，防止相互碰撞。也可侧立放置，但不得堆叠。特别注意，不能让上下水室受较大作用力，更不能将进出水管当做手柄搬运散热器。搬运时最好两人同时搬，在挡风板上着力；也可一人搬用，将双手搭于挡风板与主板连接处竖立提起搬运。5.4 运行与操作在运行过程中，当散热管芯翅片倒伏率超过10%时，应将其修复以保证散热量，或者替换后将旧管芯保存，以备以后散热管

48、漏水时，而手头没有新的散热管芯是顶替使用。此为如果当某根管坏掉，现场又没有其他同型号水管时，可将上下主板上的孔拿碎布堵死，当有了新的管再换上。由于散热器结构简单，作用单一，所以操作也很容易，只须将散热器固定在内燃机前端，固定时，可使用其中四孔固定、六孔固定、八孔固定、十孔固定等，且务必使各孔所受剪切应力尽量均匀；但最好用全部孔固定。然后根据空气流速和流量配备风扇，根据水流速度和阻力损失配备水泵，并将水管道连接好，检查连接处密封性。一切正常后就可运行。第六章 总结6.1 设计成果 成功设计了200KW移动式发电机组的管芯式散热器，热工计算部分，为了得到较满意的结果我反复修正所选数据，并用软件优化

49、得到了一组准确而满意的数据，为今后管芯式散热器设计提供了可靠数据。学习了MATLAB软件，运用C语言参考MATLAB语言，编写了程序，通过反复修改运行程序，在多次循环成功对散热器结构参数进行了优化，其程序语言可用于同类设计参考；也为今后散热器结构优化设计提供了途径。通过热工计算保证了产品的散热性能满足设计要求；通过结构优化设计缩小了散热器体积；整个散热器采用组装式结构，所有零件均可互换，提高了产品的互换性，为了加工和安装方便，设计中在需要加工安装的部位都预留了合理的空间，使得设计产品便于安装和维修；在可能会承受较大应力的地方都圆滑过渡，在可能碰撞的部位加厚板料，加上其互换程度高，延长了产品的使

50、用寿命；在结构设计中，在易漏水的主板上加槽，增强了密封性，提高了运行可靠性；在选材上，选用了较便宜的铝材作为主材，设计中精简了散热器结构，在保证了散热量的情况下，节约了成本，提高了产品经济性和轻巧性，设计中，尽量优化结构减少工序，提高了产品工艺性。 设计图中有详细尺寸标注，设计说明书中详细的阐述了设计思路，以及各零部件具体的加工工艺，故本产品可直接用于加工。6.2 设计中存在的问题 由于目前还少有管芯式散热器的研究，所以设计中所用公式和经验数据均是依据文献和管带式散热器而来的，可能存在数据误差，但不至于影响设计产品使用性能。 由于我的计算机语言编程能力有限，所以只用MATLAB软件处理了部分结

51、构数据，如果能很好的运用软件，应该处理所有数据，并生成图表，会使设计的产品结构更加合理紧凑。 设计中我自学了计算机辅助设计软件，但时间有限，学艺不精，不能把散热器整体结构图绘制出来，希望以后可以运用三维软件设计产品，如此，可以增强产品的设计可靠性和成品的审视效果。 设计所用材料方面存在缺陷，本设计中，为了备料简单，所选材料单一，可以根据经济性对部分结构材料进行调整。6.3 今后发展方向 管芯式散热器设计中，缺乏有力的理论依据，今后应在管芯式散热器传热和阻力方面多做研究。 研究水管间距变化、翅片结构尺寸改变等对散热器散热效率的影响规律。 在散热器设计上，提出更好的优化方案。6.4 体会本次设计花

52、费了约三个月时间，在此过程中，我会因为自己的点点成功而高兴；也会为遇到的问题而烦恼。设计让我懂得了如何用运所学知识，让我感受到了四年的大学没有白学，我可以轻松的去运用我所学知识；设计对我也是一种历练，以后遇到设计我也不再束手无策，感谢老师，感恩学校，感激国家，让我变成一个能自食其力的人，让我可以无悔大学生活，让我无愧于良心。我所拥有的是老师和学校给予的，其恩德犹如滔滔江水，源远流长，滋润我生命中的每一秒，我无以为报，只能尽心的运用老师教我的知识做好大学里的最后一课。参考文献1 杨家骐. 汽车散热器. 第一版. 人民交通出版社. 19822 杨连生. 内燃机设计. 第一版. 中国农业机械出版社.

53、 19813 关颖.管芯式散热器热力特性试验研究.内蒙古工业大学研究生学位论文.20034 张忠伟.管芯式汽车散热器的特性分析与仿真. 内蒙古工业大学研究生学位论文.20075 杨世铭. 传热学. 第四版. 高等教育出版社. 20076 Ramesh K.Shah Dusan P.Sekulic. 换热器设计技术.第一版.机械工业出版社.20107 杜广生.工程流体力学.第一版.中国电力出版社.20078 胡志勇 张志毅.计算机辅助设计基础.内蒙古大学出版社.20049 王建国 安娜.机械制图.第一版.内蒙古大学出版社.200510 贾耀卿.常用金属材料手册.中国标准出版社.199911 李迎

54、春.管芯式散热器热力性能参数优化.内蒙古工业大学研究生学位论文.200512 Kays W and London A. 紧凑式换热器. 科学出版社. 1997 附录附表1 散热器结构参数名称符号单位尺寸芯部正面面积FRm2芯部高度/宽度h/bmm753/753芯部厚度W0mm86水管排数Z排3水管总数根102水管壁厚mm水管扁平部分横截面尺寸amm水管当量直径mm水管扁平部分横截面尺寸bmm18水管圆管部分外径d1mm13水管圆管部分内径d2mm每条散热带所含单元体数目Mmm251散热带总数Nmm204气流方向翅片长度lmm28翅片厚度mm翅片内间距xmm翅片当量直径De1mm翅片内高ymm翅

55、片高度Hmm6翅片间距Wmm单根散热管空气侧散热面积Sm2单根散热管水侧散热面积A1m2单根散热带散热面积sm2单管空气侧光滑壁面部分的面积，Am2单管空气侧翅片部分的面积Am2附表2 压力损失系数有突缩段入口和突扩段出口的多管式扁平通道热交换器芯体入口和出口压力损失系数附表3干空气的热物理性质附表4饱和水的热物理性质致 谢 本设计是在席明智教授的悉心指导下完成的，衷心的感谢席老师在资料上的给予，设计思路上的指引，设计问题上的仔细讲解。此外，还要感谢黄盈光和澈力格尔给的帮助，当然还要感谢四年来教过我的老师以及给我创造良好学习氛围的学校，是你们大家让我顺利的做完了毕业设计。在这里我向所有给我帮助的人诚心的说一声：“谢谢”！