基于柴油机尾气热量的热管换热器结构设计全解.docx

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基于柴油机尾气热量的热管换热器结构设计全解

中国石油大学（北京）现代远程教育

毕业设计（论文）

基于柴油机尾气热量的热管换热器结构设计

姓名：

王天罡

学号：

069938

性别：

男

专业:

机械设计制造及其自动化

批次：

学习中心：

天津学习中心

指导教师：

丁矿

2015年8月31日

基于柴油机尾气热量的热管换热器结构设计

摘要

本论文以4115T柴油机为研究对象，对其尾气热量排放规律及其应用进行了试验研究。

通过进行柴油机尾气热量排放规律的试验，得出各工况下尾气热量与柴油机转速、负荷、轴距之间的数学模型，为尾气热量的利用提供了理论依据。

通过对试验结果的分析，得出如下结论：

尾气热量随负荷、转速的增大而增大，随轴距的增大而减小。

总的来说对尾气热量影响最大的是轴距、其次是转速、再次是负荷。

试验结果表明4115T尾气热量的最大值为36.48J/s。

说明柴油机尾气热量的利用潜力很大。

所以为了更好地利用柴油尾气需要对现有热管换热器的结构重新设计，以达到能够更好的在柴油机上更好地工作，使柴油机尾气热量能够最大限度的被重新利用。

关键词：

柴油机；热管换热器结构设计；尾气热量排放规律

目录

第一章前言1

1.1研究的背景及意义1

1.2热管换热器的发展及应用2

第二章热管换热器4

2.1热管换热器的结构及特点4

2.1.1如管换热器的结构形式4

2.1.2热管换热器的主要特点6

2.2热管换热器特性与其它换热器的比较7

第三章柴油机尾气热量的热管换器结构设计8

3.1使用柴油尾气热量的热管换器的社会及经济效益分析8

3.2热管换热器在增压柴油机中的应用8

3.3柴油机热管换热器热管的选用8

3.4柴油机热管换热器热管的排列形式8

第四章结论9

参考文献10

致谢11

第一章前言

1.1研究的背景及意义

车辆散热系统技术是动力辅助系统的核心技术之一，是动力、传动装置正常工作的重要技术保证。

车用换热器（包括水散热器、油冷器和中冷器等）使车辆冷却传热的重要设备，其散热性的好坏直接影响发动机的散热效果及其动力性、经济性和可靠性，乃至正常姓氏和安全行驶问题[]。

目前，车辆散热系统向高效，低能耗方向发展，冷却装置有体积变小，结构转化的趋势[]。

自20世纪70年代以来，欧洲中档轿车散热系统的重量减少超过50％，接近5～7kg，整车重量减少超过1％，燃油节省达0.1L/100km[]。

在众多换热元件中，热管是人们所知的最有效的换热元件之一，它可将大量热量通过很小的截面积通道远距离传输而无需外加动力，热管作为一种新型的高效传热元件，逐渐被人们所认识，并在各种换热设备中发挥越来越重要的作用。

在已有的各种换热设备中，热管换热器的主要优点有：

结构简单，换热效率高，在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器；换热流体通过换热器时的压力损失较其他换热器小，因而动力消耗也小；由于冷、热流提示通过热管换热器不同部位换热的，而热管元件有时相互独立的，因此即使有某根热管失效或者损坏也不会对冷、热刘体检的隔离与换热造成大的影响；此外，热管换热器可以方便的调整冷、热侧的换热面积比，从而有效的控制热管壁温，避免有腐蚀性气体的露点腐蚀，即热管换热器较常规换热器更为安全、可靠[]。

1.2热管换热器的发展及应用

热管换热器是一种心形的高效换热装置，具有传热效率高、重量轻、体积小、结构简单、无运动部件、冷流体和热体无相互污染等优点。

热管换热器在很多方面都得到了广泛的应用。

1）在航天飞行技术上的应用

热管是应用航天技术的发展要求而发展起来的，所以首先在航天技术方面得到了许多非常重要的应用。

在航天飞行技术方面用于：

航天飞行器密闭舱内部仪器设备之间的热均衡、用热管散热器将飞行器密封舱内部的某些仪器发出的热量导向舱外和保障飞行棋壳体材料的散热冷却及均温等。

2）电子元件和仪器的散热

在影响电力电子元件可靠性的众多因素中，冷却散热是至关重要的一个。

电子器件的正常工作温度范围一般为-5～65℃，超过这个温度，元件的性能将显著下降。

电力电子元件发热功率大而且体积小，热管散热器满足电子元件散热所要求的紧凑性、可靠性、高散热效率、灵活性和不需维修等条件，对电力电子元件具有很强的适应性，因此，热管散热器在这一领域得到了广泛的应用。

热管散热器在电子元件散热方面的主要应用有：

密闭壳体中电子器件的散热、计算机CPU的散热和大功率电子元件的散热。

3）余热回收

工业废气温度往往高达数百摄氏度，采用热管余热回收系统能吉大的提高能源的利用效率，大量节省能源且安全环保。

热管换热器在石油化工、建材、轻纺工业、冶金工业和动力工程中座位余热回收装置有广泛的应用。

此外，作为高温热能回收的高温热管换热器也是近年来颇有应用前途的一项。

4）热管换热器在其它领域中的应用

由于热管换热器本身众多的优点，如均温性、热流密度可变化性等，使其在太阳能、地热资源的应用中有广泛的前景。

现已开发的有太阳能集热器。

太阳能发电设备等。

第二章热管换热器的性能及其特点

2.1热管换热器的结构及特点

2.1.1热管换热器的结构形式

以热管为传热单元的热管换热器是一种新型高效换热器，其结构如图片4-50、图片4-51所示，它是由壳体、热管和隔板组成的。

热管作为主要的传热元件，是一种具有高导热性能的传热装置。

它是一种真空容器，其基本组成部件为壳体、吸液芯和工作液。

将壳体抽真空后充入适量的工作液，密闭壳体便构成一只热管。

当热源对其一端供热时，工作液自热源吸收热量而蒸发汽化，携带潜热的蒸汽在压差作用下，高速传输至壳体的另一端，向冷源放出潜热而凝结，冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。

如此反复循环，热量乃不断从热端传至冷端。

热管按冷凝液循环方式分为吸液芯热管、重力热管和离心热管三种。

吸液芯热管的冷凝液依靠毛细管的作用回到热端，这种热管可以在失重情况下工作；重力热管的冷凝液是依靠重力流回热端，它的传热具有单向性，一般为垂直放置离心热管是靠离心力使冷凝液回到热端，通常用于旋转部件的冷却。

热管按工作液的工作温度分为深冷热管、低温热管、中温热管和高温热管四种。

深冷热管在200K以下工作，工作液有氮、氢、氖、氧、甲烷、乙烷等；低温热管在200～550K范围内工作，工作液有氟里昂、氨、丙酮、乙醇、水等；中温热管在550~750K范围内工作，工作液有导热姆A、水银、铯、水及钾─钠混合液等；高温热管在750K以上工作，工作液有液态金属钾、钠、锂、银等。

热管的传热特点是热管中的热量传递通过沸腾汽化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三步进行，由于沸腾和冷凝的对流传热强度都很大，而蒸汽流动阻力损失又较小，因此热管两端温度差可以很小，即能在很小的温差下

传递很大的热流量。

因此，它特别适用于低温差传热及某些等温性要求较高的场合。

热管换热器具有结构简单、使用寿命长、工作可靠、应用范围广等优点，可用于气～气、气～液和液～液之间的换热过程。

2.1.2热管换热器的主要特点

a.热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏，也只是单根热管失效，而不会发生冷热流体的掺杂。

所以热管换热器用于易然、易爆、腐蚀等流体的换热场合具有很高的可靠性。

b.热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的完全逆流换热；同时冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，且两侧受热面均可采用扩展受热面。

用于品位较低的热能的回收非常经济。

c.对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过热管结构尺寸，扩展受热面形式，以解决换热器的磨损堵灰问题。

d.热管换热器用于带有腐蚀性的烟气的余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。

2.2热管换热器特性与其它换热器的比较

热管换热器与常规换热器相比有很多优点：

（1）传热性能好

1　如果在蒸发段及冷凝段外壁增加了翅片，可以增大冷热流体的热交换面积，强化了整个传热过程；

2　把传统换热器的交叉流型改为纯逆流，在不改变冷、热流体入口温度的条件下，增大了传热过程中冷热流体交换热的平均温度；

3　把管内流动改为垂直外掠流动，可使该管束的平均换热系数提高约30%。

由此可见，热管换热器与其他形式的换热器，热别是与常规管壳换热器相比，其传热性能要高得多。

（2）结构紧凑、重量小

采用翅片使其传热密度增大，传热性能优良，故可以减少传热面积，使设备的重量减少。

（3）可调整的冷热比

由于能很方便的调整冷热侧换热面积比，从而可有效地避免有腐蚀性气体的露点腐蚀。

例如烟气中含有的硫，当温度过低时，通过调整冷热侧换热比可避免由此引起的硫腐蚀。

第3章柴油机尾气热量的热管换器结构设计

3.1使用柴油尾气热量的热管换器的社会及经济效益分析

由于能源消耗的加剧，汽车节能问题备受人们的关注。

目前我国柴油发动机燃料的大部分热值被废气和冷却水带走，大量余热能源基本上白白浪费掉。

随着能源供应日益紧张，发动机余热的利用是必然趋势，因而换热器的应用于开发与节约紧密相连，用于对发动机的尾气进行回收，将大大提高对能源的利用率。

由于在相变过程中进行的是以前热为主全热交换，与无相变的传递过程相比，具有高的多的热质交换强度也可以说相变过程本身就是对传递过程的一种强化。

3.2热管换热器在增压柴油机中的应用

今年来，随着车用柴油机的发展，采用排气涡轮增压技术日益增多，而此技术就是通过提高进气压力使进入气缸的空气密度增加，从而增加充气量，提升功率。

还可通过进气冷却进一步增加空气密度提高发动机的动力性和经济性，同时对排气净化也有很好的作用。

因此热管换热器在增压柴油机中多用于中冷器当中。

因此对中冷器的要求是：

冷却效果明显、结构紧凑、流动阻力小[]。

3.3柴油机热管换热器热管的选用

一般来说，常温热管（工作温度在0～250℃）的工作液体可用氟利昂、氨、酒精丙酮、水和某些有机化合物，这类热管最广泛使用的是水和氨，它们具有良好的热物理性能；中温热管（工作温度在250～450℃）常用水银、硫磺、碱金属、导热姆等；高温热管（工作温度450～1000℃）用钾钠、锂、铅银及其他熔点高的金属。

表3-1列出了几种工质的运输系数，表3-2列出了热管常用工质的工作温度及与工质相容的壳体材料。

热管是靠课题内工作流体（工质）的相变和流动过程中质量的转移传送热量的。

公职的各种理化性能必然对热管的工作特性有着重要的影响。

公职的选择除考虑工作温度的适应范围外，还应考虑下面几个问题[]：

（1）工质与热管材质见得相容性及工质的热稳定性。

工质与材质间一旦发生不相容将导致热管的性能变坏或失效。

因此，要求工质在工作温度范围内必须具有良好的热稳定性，即不变质、不发生化学反应和分解反应，不产生不凝结气体和沉淀物等。

（2）工质的热物理性质。

包括：

汽化潜热高；导热系数大；粘度低；表面张力系数大；润湿能力高；沸点适当。

（3）安全及经济性。

对于以传热为主的热管，尽量不采用易燃、易爆和有毒的工质，否则一旦管壳烧坏或发生泄露将会造成严重后果。

热管的成本也是考虑的重要因素，尽管热管中所用工质数量较少，单由它所确定的管壳及管芯对热管的成本影响很大。

构成热管管壳、管芯材质的选择与热管的工作温度范围、管内工质的工作压力有很大联系。

管壳要承受一定的压力，工作压力为工质温度对应的饱和压力。

例如，以水为工质的热管，当管内温度为250℃时，相对应的压力达4MPa。

此外要求管壳的热阻小，价格便宜。

再者，管芯材料的选择，也要考虑到与工质相容，热阻小，液体渗透性好，一般与管壳采用相同材料。

铜材料除了在低温下不能与氨组合，在高温下不能与液态金属组合外，对几乎所有的工作液都适合，铜的导热性能和加工性能都很好，所以铜材料广泛用于热管的管壳和管芯。

热管换热元件的选型根据输入的冷、热介质的进口温度来确定，如在设计中取冷、热介质的进口温度分别为100℃和130℃，则工作介质的工作温度在100～130℃之间，可以选择甲苯或水作为工作液体，然后，根据工作液体确定与其相容的壳体材料，如果选择用水作为介质，则与其相容的壳体材料为铜或碳钢；如果选择用甲苯作为工作介质，则与其相容的壳体材料为低碳钢或低合金钢。

表3-1工质的运输系数

表3-2热管常用工质的工作温度及与工质相容的壳体材料

3.4柴油机热管换热器热管的排列形式

换热管的排列形式主要有一下四种：

图5-1换热管的排列形式

等边三角形排列用的最为普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列的管子数最多，便于管板的划线和钻孔。

但管间不易清洗，适用于不结垢或可用化学方法清洗污垢以及允许压强较高的工况。

TEMA标准规定，当壳需要机械清洗时，不得采用三角形形式。

在壳需要进行机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，而且要保证6mm的清洗通道。

图5-1中（a）和（d）两种排列方式，在折流板间距相同的情况下，其流通截面要比（b）和（c）两种小，有利于提高流速，因此该设计中的热管采用（a）排列方式。

第4章结论

在现如今能源如此紧张的情况下通过热管换热器把尾气热量重新利用起来以达到节能的目的，通过对柴油机热管换热器的重新设计能够做到空间最大利用从而能够使维修变得更加容易方便，也能够做到经济利益的最大化。

参考文献

[1]王钟柱，车用散热器行业现状发展及趋势[J].汽车与配件，2007

（1）:

28～29

[2]卢光峰，郭新民，孙运柱，尹克荣，牟晓玉.汽车发动机冷却系统的发展与现状[J].农机化研究，2002

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24～27

[4]黄问盈.热管热管换热器设计基础[M]，北京：

中国铁道出版社，1995

[5]张力，中冷技术与柴油机的发展[[J].汽车与配件，1996，（36）

[6]秦叔经，叶文邦.换热器[M].背景：

化学工业出版社，2003:

364-364.

引用参考文献类型及其标识说明如下：

参考文献类型

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