變溫載荷汽車散熱器性能測試裝置的試驗研究

聶 飛金子玥秦浩天焦興蓉何奉婷

(1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093)

0 引 言

隨著科技不斷進步，汽車行業快速發展，制造水平日益提高，汽車也越來越普及，人們對于汽車的性能要求也就越來越高。眾所周知，汽車的動力來源于內燃機，而內燃機在運行時，其局部溫度會非常的高，這會對汽車的其他零部件帶來極大的危害，為此需要有一套完整的冷卻系統來使得機內的溫度在正常的工作范圍。而散熱器在汽車發動機冷卻系統中起著極其重要的作用。對于長期運行中的汽車散熱器來說，將會長時間的處于冷熱流體交替沖擊的過程中，而這樣的變溫沖擊也容易使汽車散熱器的扁管出現變形，更為嚴重的情況下會出現斷裂[1]。這樣使得汽車運行的穩定性存在極大的安全隱患，為此需要對其不斷的進行可靠性測試。

我國對于汽車散熱器的研發起步較晚。對于設計出的散熱器，如何在短時間內以最小的成本，最高的精度來測試其性能，是當前散熱器研發人員亟需解決的問題?；谝陨系难芯勘尘?，制造一臺穩定性良好，精確度高的汽車散熱器實驗裝置對于我國汽車散熱器的快速發展，加強我國汽車研發能力有著積極的意義[2]。

在經驗與理論的基礎上，許多研究者對汽車散熱器各方面均做了很多的研究，主要集中在測量方式，實驗方法，縮小誤差和程序編寫上。姜洋[3]等采用試驗的方法對散熱器的疲勞試驗進行了分類，并從散熱器結構等方面分析了散熱器失效的模式。張書義[4]等人采用FLUENT軟件模擬了散熱器內部的冷卻液溫度場和壓力場，使散熱器可進一步進行結構上的改良。周東輝[5]等人采用CFD模擬軟件，對汽車管帶式百葉窗散熱器進行性能分析，建立了散熱器多孔介質模型，為散熱器性能分析提供了新的思路。國外有很多的數據作為分析基礎，Sahnoun.A[6]通過大量數據的計算和吻合，提出許多關于百葉窗式散熱器換熱性能與阻力特性方面的理論分析與數值模擬的方法，并且修正了不少的經驗關聯式。DaverPort.C.J[7]對汽車散熱器模型進行煙氣可視化實驗，通過實驗過程的分析得出，雷諾數與百葉窗的空氣流動狀態緊密相關。Suga.K[8]等采用數值模擬將散熱器翅片作為研究對象。結果顯示：存在最優比例開窗角度，翅片間距與孔間距之間，散熱器可以達到最大換熱性能。

經過大量的查閱文獻，發現國內外對于汽車散熱器的研究主要集中在換熱性能，阻力壓降，流量等方面。但對于散熱器的可靠性方面研究較少。因此設計一臺汽車散熱器溫度交變的實驗裝置，旨在測試散熱器在低溫環境下受到高低溫冷卻液交變載荷時，是否存在扁管變形的現象。

1 試驗測試原理與設備選型

散熱器作為發動機冷卻系統的核心部件，其運行時候的穩定性好壞直接決定著發動機的運行工作性能及壽命。根據設計要求，為散熱器提供一套用于溫度交變試驗定量測量試驗臺，能夠在-10℃環境溫度下，對換熱器各項性能指標進行測試。依據相關規定，合理設計，通過計算，選擇特殊工藝，專業設備及精密的測量儀器，以設計出具有先進自控技術的試驗裝置。

1.1 設計要求

本設計所有參數都符合Volkswagen公司的TL874-2010標準[9]，測試要求如下所示：

(1)冷卻液入口溫度：(130±3)℃；

(2)循環流量：8 L/min；

(3)測試介質：100%冷卻液添加劑(TL774)；

(4)循環壓力：(0.1±0.01)MPa；

(5)停止注入高溫冷卻液翅片溫度：(83±3)℃；

(6)風機冷卻功率：P=80%；

(7)冷卻結束翅片溫度：(-1±3)℃。

1.2 試驗裝置設計原理

通過設計要求可知，本試驗裝置所需要實現的是對散熱器內的溫度進行交變控制，故以此設計要求為基礎設計出如下圖1所示的實驗裝置設計原理圖。整個試驗裝置分為兩個部分，一部分位于測試實驗室內，即設計的待測汽車散熱器，另一部分置于測試實驗室外，即為散熱器提供部分熱負荷的熱源，由集束型法蘭加熱器和恒溫水箱組成的預加熱裝置，兩者之間通過耐高溫水管連接。為了給散熱器提供(130±3)℃的高溫冷卻液，需對冷卻水進行加熱控溫，在預加熱裝置中集束型法蘭加熱器將冷卻液先預熱到(125±5)℃的溫度范圍，再經由高溫溶液泵將已經預熱好的冷卻液泵送至管道式電加熱中加熱控溫，當溫度達到(130±3)℃的范圍內時，經流量計，電磁閥等閥件進入散熱器中，此時旁通閥處于關閉狀態，由于在散熱器布置的翅片上布置了相關的溫度測點，當散熱器的翅片溫度達到指定的冷卻液溫度上限值后，散熱器進出口附近的電磁閥關閉，同時旁通電磁閥打開，使冷卻液直接旁通回恒溫水箱之中，而且散熱器風扇打開，對散熱器中的高溫冷卻液進行快速降溫處理，當溫度快速降至冷卻液溫度的下限值以后，旁通閥關閉，而散熱器進出口處的電磁閥開啟，重新向散熱器中注入高溫的冷卻液，而低溫的冷卻液則回到恒溫水箱中，再次預熱，為下一次溫度交變循環做準備。

1.3 試驗設備選型分析

本性能測試裝置主要有以下設備選型：總加熱量計算，恒溫水箱設計計算，質量流量計選型計算，高溫溶液泵選型計算等。

1.3.1 總加熱量的計算

所需總加熱量P

P=Q1+Q2+Q3

(1)

式中Q1——鋁制散熱器溫升的熱容量/kW；

Q2——升溫時散熱器與環境室自然對流的散熱量/kW；

Q3——每次循環散熱器內剩余冷卻液溫升的熱容量/kW。

1.3.2 恒溫水箱設計計算

恒溫水箱的作用是避免溫度波動，其容量應滿足能夠抵制散熱器內回流的低溫冷卻液帶來的低溫沖擊，根據熱平衡原理，恒溫水箱溫度允許波動5℃的熱量恰好與低溫冷卻液從-1℃升溫到120℃的熱量相等

VρCpΔt=VsρCpΔts

(2)

式中Vs——恒溫水箱容積/m3；

ρ——冷卻液密度/kg·m-3；

Cp——冷卻液比熱容/kJ·(kg·℃)-1;

Δts——恒溫水箱溫度最大允許波動范圍/℃,取值5℃；

V——散熱器容積/L，取值2 L；

在小班化教學條件下，班級規模的縮小給合作學習的組織形式帶來了新的增長空間，其具體的活動形式也應得到豐富，也就是說，學生積極參與學習的熱情可以通過教師設計的多種合作學習的形式，努力使每個學生都能在積極充分參與的活動中不斷發現自我，完善自我。只有在學生獨立思考后，帶著自己的見解與疑問開始合作學習，才會在與小組其他成員探討、在正面交鋒碰撞出更加絢麗的智慧“火花”。而合作的前提就是學生通過獨自思考已經就某一個問題形成了自己的觀點，在這個基礎上帶著對問題的思考、帶著學習的興趣參與到合作小組中去，才能更好地與同伴溝通交流，推動合作學習向良性的方向發展。

Δt——2 L冷卻液防凍劑的-1℃到120℃的溫升/℃。

計算的Vs=50 L?？紤]到試驗結束后需要將散熱器和管路中的冷卻液儲存在水箱，以及水箱水位需要一定余量，最后確定水箱容量為70 L。恒溫水箱做成中間夾層50 mm的兩層，內部填充耐高溫玻璃棉?？紤]到需要布置電加熱、攪拌器以及預留部分水箱液位，最終水箱具體尺寸：600 mm×500 mm×800 mm(長×寬×高)。

1.3.3 高溫水泵設計計算

水泵的選型主要是根據傳送介質、管路阻力損失、介質流量以及噪音等參數。其中需要考慮的首要參數就是管路阻力損失，管路阻力損失包含沿程阻力和局部阻力[10]兩部分

ΔP=ΔPm+ΔPj

(3)

式中 ΔPm——管路沿程阻力總和/Pa；

ΔPj——管路局部阻力總和/Pa。

經計算，得出管路阻力總和為47.3 m?？紤]到傳送介質為高溫冷卻液，最高溫度可達130℃，一般水泵無法耐高溫，因此選用奧克蘭WD-10高溫介質移送循環旋渦泵。具體參數如表1所示。

表1 WD-10具體參數

1.3.4 配件計算選型

其余配件主要還有用來控制散熱器內部壓力的電動調節閥，進行流量控制的質量流量計以及測量散熱器形變程度的應變片。

考慮到本測試裝置的介質具有高溫性以及腐蝕性，同時需要調節散熱器入口的壓力，因此選用巨良閥業的電動三片式內螺紋球閥JLQ911F-16P-DN15。此閥可通過無極調節電動閥的開度來控制散熱器內部壓力。由壓力傳感器采集內部壓力信號傳送至PLC，通過其內部PID自整定模式后將反饋電流輸出至電動調節閥，通過調節開度來控制入口壓力。

對于流量計，本測試裝置選用型號為OPTIMASS6400C-S10的科氏流量計，其利用流體在測量管內流動，與旋轉的管壁之間產生相互作用力，從而測量流量[11]。測量范圍0～12 L/min，供電電壓24 V，輸出信號4～20 mA。

2 試驗裝置控制原理

本性能測試裝置的測控系統主要包括測量與控制兩部分。

測量部分：為了保證采集到的信號及數據具有高精度，高穩定性等特點，使用鉑電阻、熱電偶、壓力傳感器、科氏流量計以及應變片等元件組成測量部分。

控制部分：由PLC、觸摸屏、NIcDAQ以及PC機組成，通過觸摸屏和PLC來控制末端電器設備的啟動與停止，同時NI將采集到的數據顯示在PC機上[12]，方便操作人員實時監控測試數據的正確性，并將試驗的數據進行存儲和處理。同時在PLC上還設有水箱液位高低報警、水箱超溫報警、加熱器超溫報警、泵過載報警、流量斷流報警、電加熱干燒報警、管道高低壓報警等，確保設備安全運行。

2.1 溫度控制

溫度控制主要分為兩部分：冷卻液入口溫度控制以及散熱器翅片溫度控制。

散熱器翅片溫度可以用來控制高溫冷卻液的流向，當散熱器翅片的溫度達到設定的溫度上限時，散熱器進出口處的電磁閥關閉，使高溫冷卻液得以在散熱器中進行散熱操作，同時旁通電磁閥打開，將管路中的高溫冷卻液送回至恒溫水箱，并關閉水泵。散熱器風扇自動開啟進行快速降溫，當散熱器翅片的溫度達到設定的溫度下限時，關閉旁通電磁閥，同時打開水泵以及散熱器進出口處的電磁閥，進入下一個循環。散熱器翅片溫度由熱電偶測得，熱電偶將溫度信號轉換成熱電動勢信號，分兩路，一路傳送至PLC模擬量模塊控制各設備啟停，一路傳送至NI采集模塊進行溫度采集。

冷卻液入口溫度控制即循環冷卻液溫度的控制。若全部采用新冷卻液的外循環，則溫度控制難度較大且能源浪費嚴重，因此在系統中加入一個恒溫水箱，即先利用恒溫水箱對冷卻液進行預加熱，將冷卻液溫度進行粗調，將其溫度控制在120℃左右，再經由管道式電加熱進行精調至130℃。同時單次循環結束后散熱器內的低溫冷卻液回流會對整個冷卻液管路溫度造成較大的波動，而恒溫水箱則減小了這一波動，確保整個冷卻液在管路中循環的溫度在允許的波動范圍以內。恒溫水箱內的水溫由鉑電阻測得，鉑電阻將水箱內實時溫度傳送至PLC模塊，利用PLC內部的PID調節器對設定值與實際值的偏差進行計算，并將運算結果轉換為電流信號傳送至調功儀，從而自動調節電加熱功率來維持恒溫水箱內冷卻液溫度的恒定。對于管道式電加熱的自動調節，原理與恒溫水箱相同，同時為了防止管路中有漏熱等原因造成的熱損失，從而影響冷卻液進入散熱器時的入口溫度，故將其鉑電阻置于散熱器入口。

2.2 壓力控制

壓力控制主要由安裝在散熱器入口處的壓力傳感器、PLC以及電動調節閥控制。由于壓力與冷卻液流量之間會有相互耦合，為了減小這種相互影響，使用處于供液管路上的變頻水泵來控制流量，使用電動調節閥來控制壓力。入口壓力傳感器將實時壓力傳送至PLC模塊,由PLC內部的PID自整定功能對設定值與實際值的偏差進行計算，將反饋電流傳送到電動調節閥，最后通過電動調節閥開度來控制入口壓力值。

2.3 流量控制

流量控制系統主要由PLC、科氏流量計、變頻器以及變頻水泵組成，流量計將實時流量以電流信號傳送至PLC模塊，利用PLC內部的PID自整定功能對設定值與實際值的偏差進行計算，使之穩定在設定值，然后將計算后的電流信號傳送至變頻器，變頻器控制變頻電機轉速來維持管路流量穩定。

3 實驗數據及分析

3.1 散熱器入口壓力和溶液流量隨時間的變化

如圖2所示，為散熱器入口壓力和溶液流量隨時間變化的規律。散熱器的入口壓力隨著時間呈現周期性的變化，其變化范圍為0～0.1 MPa,且在壓力值達到0.1 MPa時，其上下波動的范圍在0.1～0.01 MPa的設計要求允許范圍內，已經達到壓力設計所需的精度要求。且從圖中可以看出五個波動周期的波形相近，循環過程近似一致，更加驗證了試驗裝置運行的穩定性。而散熱器的溶液流量則同樣隨著時間在0～8 L/min的范圍內波動，散熱器入口處的溶液流量隨時間上升和下降的速度都很快，可以快速的達到設計要求所需要的溶液流量，使得散熱器測試的循環時間變短，并且在溶液流量達到峰值時，其波動也很小，進一步說明系統穩定性良好。

3.2 散熱器入口溫度和溶液流量隨時間的變化

如圖3所示，為散熱器入口溫度和溶液流量隨時間的變化規律。從曲線中可以看到散熱器入口的溫度隨時間在0～130℃的范圍內波動，且在溫度達到130℃時，其溫度波動范圍很小，這說明在經過恒溫水箱中的集束型電加熱的粗調節和管道式電加熱的精確控溫后，換熱器入口的溫度已經能夠很好的控制在130±3℃的范圍內，很好的滿足了設計的溫度要求。散熱器溶液流量隨時間在0～10 L/min的范圍內波動,溶液流量是可穩定控制的,從圖中可看出入口溫度的峰值出現和消失，都滯后于溶液流量的變化，這是由于溫差傳熱需要有一定的緩沖時間，而在圖中入口溫度能夠較快的跟隨溶液流量變化，不會出現嚴重滯后現象，也說明了試驗散熱器性能良好。如圖中所示，散熱器入口處的溫度上升速度極快，而在降溫的過程中，降溫速度卻是比較慢的，這是由于散熱器的散熱是由散熱風扇來實現的，而散熱器入口距離散熱風扇的位置較中心翅片處來說距離較遠，從而導致散熱效果變差，其溫度下降的速度也變慢。而且下降溫度的變化趨勢為先快后慢，這是由于在高溫時，散熱器與環境的溫差大，換熱效率高，而在接近低溫時，散熱器內的冷卻液溫度與環境溫度之間的溫差變小，換熱效果也變差，從而導致降溫速率下降。

3.3 散熱器翅片溫度和溶液流量隨時間的變化

如圖4所示，為散熱器翅片溫度和溶液流量隨時間變化的規律。從曲線中可以看出散熱器翅片溫度的上升速度是先快后慢的，這是由于循環的開始，大量的高溫冷卻液的注入帶來的散熱器與環境溫度的高溫差，從而出現溫度快速上升的過程，而隨著高溫冷卻液的注入，由于入口處的電磁閥切斷，使得散熱器的溫差與環境溫差減小，換熱效果變差，因此出現了溫度上升過程中先快后慢的現象。而散熱器溶液流量則隨時間在試驗要求范圍內波動，波動趨勢先增大后減小，當流量最大時達到一個相對穩定的狀態，與實驗要求的溶液流量變化趨勢相符，從圖中可以看出溶液流量和翅片溫度曲線之間變化趨勢基本同步，溫度曲線稍有滯后性與入口溫度曲線類似。當高溫的冷卻液注入散熱器后，由于電磁閥的關閉，導致散熱器內的高溫冷卻液不能得以補充，且散熱風扇的開啟，使得空氣進行強制對流換熱過程，從而出現散熱器內的冷卻液溫度出現快速下降，直到系統中的電磁閥再次開啟，高溫的冷卻液重新注入，從而出現溫度和實驗進程的同步循環。從圖中可以看出散熱器翅片溫度的五次循環周期變化趨勢基本保持一致，且控溫精度也很高，很好的滿足了設計要求。

3.4 散熱器形變隨時間的變化

如圖5所示，為散熱器形變隨時間的變化規律。散熱器的形變由應變片測得，由圖中可以看出，散熱器的形變程度隨時間的變化趨勢在各個測點處基本相同，都是先隨著溫度的升高形變量加大，達到最大形變值后隨著散熱的進行，溫度逐漸降低，形變量逐漸減小，減小的過程先快后慢，最后恢復到初始位置。而在散熱器不同位置處的形變程度卻各不相同，其中測點4處的形變量最大，接近于1 400 μm/m，緊接著是測點1、測點3處的形變程度，形變量最小的測點為測點2，其最大形變量約在350 μm/m左右，與測點4處的最大形變量相差約1 000 μm/m。導致這一現象有如下兩方面的原因。首先是由于散熱器外表面的溫度分布并不均勻，從而導致散熱器上不同測點處的形變程度存在較大差異。其次是由于散熱器內部的結構不均勻導致高溫冷卻液流入時分布不均勻，從而間接的影響了散熱器各部分上的形變量。

4 結 論

根據對溫度交變載荷下的散熱器性能測試試驗裝置的試驗數據分析，可得到如下結論：

(1)散熱器的入口壓力變化范圍為0～0.1 MPa,且在壓力值達到0.1 MPa時，其上下波動的范圍在0.1～0.01 MPa的設計要求允許范圍內，已經達到壓力設計所需的精度要求。

(2)本試驗裝置可以穩定的將散熱器入口處的冷卻液溫度很好的控制在(130±3)℃，散熱器入口處高溫冷卻液的循環量可以控制在8 L/min。

(3)散熱器翅片溫度變化趨勢基本保持一致，很好的滿足了設計要求。

(4)測試循環壓力控制在0.1±0.01 MPa，且測試系統可以長時間穩定自動控制運行，并能夠很好的反應散熱器各處的形變程度，達到測試的目的，無需人為操作干預，減小了測試人員的工作。

雖然經過測試，散熱器的扁管受溫度影響從而產生形變，但是由于散熱器種類較多，其形變程度各不相同，故不能輕易根據形變量來判斷散熱器扁管是否存在折痕或者斷裂，后續需要更進一步的進行散熱器密封性實驗，才能加以驗證其性能是否合格。