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间距对轮式装载机冷却组性能影响的风洞试验
陆国栋1,2,俞小莉1,张 毅1,夏立峰2
(1.浙江大学动力机械与车辆工程研究所,浙江杭州310027;2.浙江银轮机械股份有限公司,浙江天台317200
摘 要:为了研究换热器间距对冷却组性能的影响,将某轮式装载机后置冷却组放在风洞试验台上进行测试.该冷却组由中冷器、液压油冷却器、水散热器和变矩器油冷器组成,分成三排布置.通过改变换热器排与排之间的距离进行测试.研究结果表明,冷却单元的间距对冷却组的性能有着积极的影响.与间距10 mm相比,冷却空气风速在1.8~10.0 m·s-1下,间距100 mm时冷却组换热能力提高3.1%~7.4%,压降降低1.8%~7.4%;间距200 mm时冷却组换热能力提高5.1%~10.9%,压降降低8.1%~20.5%.在空间允许的前提下,适当增大冷却组换热单元的间距,不但可以提高冷却组的散热能力,而且有利于节能.
关键词:轮式装载机;冷却组;间距;换热能力;压降;风洞
中图分类号:TK424.2 文献标识码:A 文章编号:1008-973X(2007)04-0574-03
在绝大多数车辆中,由于空间有限,冷却组多呈紧凑式布置,在换热器之间的间距对冷却组性能的影响方面研究较少.Taylor等人[1]在风洞中对车辆冷却系统的一些安装参数对系统性能的影响进行了研究;Chiou[2]从冷却空气流动的均匀性方面对散热器的性能进行了研究;Williams[3]从车头的设计方面来提高空气动力学性能和冷却性能.但在工程机械中,冷却组布置空间的要求相对宽松了许多,这就为深入研究不同间距产生的影响提供了可能性.在这种背景下本文针对某型装载机冷却组间距的影响展开了一系列研究,为节能以及将提高装载机等工程机械冷却组性能提供重要参考价值.
1 风洞测试系统介绍
如图1所示,风洞为开路式系统,由进风口、蜂窝器、纱网、稳定段、试验段、稳定段、蜂窝器、测速段、风机等部分组成.为了减少热量散失,试验段与其前后的稳定段均采用细木工板为材料,在前稳定段的前面和后稳定段的后面布置了测温网.测速段采用毕托管在圆管截面上按等环面积原则布置了5个测点.图2是铜-康铜热电偶制作示意图.试验所用热电偶在使用前均用Pt25热电偶进行了标定,标定后精度等同于Pt25热电偶.表1列出了主要测试设备和仪表的测试精度.
2 冷却组的布置与测试方法
以某型装载机冷却组为例.图3所示的冷却系统是文献[4]经过相对位置优化后的布置方式.冷却系统中,中冷器与液压油冷却器位于风扇后第一排,水散热器位于第二排,变矩器油冷器在第三排.中冷器为管带式结构,液压油冷却器和变矩器油冷器为封条式结构,水散热器为管片式结构,冷却组采用空气冷却方式.
试验时调整每排的间距,共选取10、100和200mm等3个参数来考察间距对冷却组换热及压降的影响.冷却组有效迎风面尺寸为880 mm×815 mm,无间距芯厚316 mm.表2列出了不同间距下冷却组芯厚的相应尺寸及与无间距芯厚的相对增量.最小间距取10 mm,是为了在冷却组每排散热器之间布置测压孔与热电偶,因此间距的影响比较都以10 mm为基础进行.
试验时,除了在热侧介质进出口布置热电偶和压力传感器外,还在冷风侧每排换热器之间测温面上均匀布置25个测温点,另外在每排换热器之间的通道壁面上布置10个测压孔.
冷热介质流量均采用高精度质量流量计进行测量,避免了体积流量转化成质量流量过程中产生的误差,大大提高了测试精度和准确程度.
3 试验结果与分析
3.1 试验结果
1)间距对冷却组换热能力的影响.为研究对象,热侧介质温度、压力、流量调整到发动机最大功率点时的参数,改变冷却空气风速,对不同间距产生的影响进行风洞试验.结果如图4所示,随着间距的增大,换热能力呈增强趋势.
2)间距对冷却组压降的影响.由图5可以看出,换热单元之间的距离对冷却组的压降也有较大影响.随着间距的增大,冷却组压降随间距的增加而降低.
3.2 结果分析
作者曾对多种风冷式散热器进行过热平衡测试,结果发现在散热器下风侧进行温度测量时,如果测温点距离散热器较近,则测温面测得的气温很不均匀,变化较大,热平衡偏差超过50%甚至达到数倍之多;而将测温面远离散热器一定距离后,测温面上各点的温度数值比较接近,热平衡可以控制在±5%以内.这说明在风速较快时,空气横掠散热带,靠近散热带表面的空气被加热,远离散热带表面的空气温度则相对较低,空气在流通截面上温度呈高低交错状态分布;又由于冷却组散热器间距大都较小,空气在经过前排散热器后尚未充分混合均匀,就进入后排散热器的散热带,这时如果低温部分空气流经散热带表面,则经过第二排散热器后流通截面冷却空气温度会变得比较均匀;若是高温部分气体再次掠过散热带表面,则会导致流通截面上温差的进一步拉大.由于高温气体相对低温气体冷却能力较差,这种状况会大大降低空气的冷却效果.但随着散热器间距的加大,经过前排散热器的空气就有一定的空间进行混合,间距越大,混合得越均匀,也就越有利于与后排散热器进行热交换.
从压降角度来看,散热器间距较小时,经过前排散热器的空气在流通截面上速度分布也是不均匀的.靠近散热带表面的部分由于边界层黏性阻力作用,速度相对较低;远离散热带部分空气速度相对较快.如果速度较快部分空气直接冲击后排散热器,会产生很大阻力.而当散热器间距加大后,空气在流通截面上不但温度变得均匀,速度也会变得均匀,因而在经过后排散热器时压降就会降低.这就是随着间距加大,冷却组压降会降低的原因.
当然,间距也不可能无限增大,一是因为间距大到一定程度,冷却空气的温度与速度均达到了均匀状态,距离继续增大也不再产生积极作用;另外空间的局限性也使得间距的增大只有在一定限度内才具有可行性.
4 结 语
以某型装载机冷却组为研究对象,通过大量风洞试验,研究了换热单元间距对冷却组换热与阻力的影响.结果表明,冷却组间距的适当增大对于节能降耗效果将十分显著,这对空间布置相对宽松的工程机械来说具有很强的操作性和很高的实用价值.这虽然是对某一型号装载机冷却组进行研究的结果,用于其他型号装载机冷却组时在数值上会有差别,但从定性角度而言,间距的增大均会产生节能效果.
参考文献(References):
[1] TAYLOR D O, CHU A C. Wind tunnel investigation othe effects of
installation parameters on truck coolingsystem performance [J].SAE
Transactions,1976,85(4):2670-2682.
[2] CHIOU J P. The effect of the flow nonuniformity on thesizing of
the engine radiator [J].SAE Transactions,1980, 89(1):223-230.
[3] WILLIAMS J. An automotive front-end design approachfor improved
aerodynamics and cooling [J].SAE Trans-actions,1985,94(2):662-685.
[4]陆国栋,俞小莉,张毅,等.装载机冷却组优化匹配的试验研究[J].内燃机工程,2005,26(2):47-49.
[5]陆国栋.顺列螺旋槽管换热及光管颗粒撞击特性的研究[D].南京:东南大学, 2004.
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