中国石油大学（北京）现代远程教育中国石油大学（北京）现代远程教育 毕毕 业业 设设 计（论文）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 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）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 摘摘 要要 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。 关键词关键词：柴油机；热管换热器结构设计；尾气热量排放规律 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） i 目目 录录 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 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 0 第一章第一章 前前 言言 1.1 研究的背景及意义研究的背景及意义 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1。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2。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 57kg，整车重量减少超过 1， 燃油节省达 0.1L/100km3。 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 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 1 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4。 1.2 热管换热器的发展及应用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-565，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 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 2 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。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 3 第二章第二章 热管换热器的性能及其特点热管换热器的性能及其特点 2.1 热热管管换热换热器的器的结结构及特点构及特点 2.1.12.1.1 热管换热器的结构形式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。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 5 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 200550K 范围内工作，工作液有氟里昂、 氨、丙酮、乙醇、水等；中温热管在 550750K 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 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 6 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。 2.1.22.1.2 热管换热器的主要特点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。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 7 2 2.2.2 热管换热器特性与其它换热器的比较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。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 8 第第 3 3 章章 柴油机尾气热量的热管换器结构设计柴油机尾气热量的热管换器结构设计 3 3.1.1 使用柴油尾气热量的热管换器的社会及经济效益分析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 3.2.2 热管换热器在增压柴油机中的应用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5。 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文） 8 3.33.3 柴油机热管换热器热管的选用柴油机热管换热器热管的选用 一般来说，常温热管（