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车队长金博在线 - 小知识--沸腾传热优势及现状
发布时间:2015-02-02 11:30:19   点击: 271

车队长金博在线小知识--沸腾传热优势及现状


最近几十年,在核能、微电子冷却、生物工程和航空航天等领域中,很多发热装置的热通量已经远超1MW.m-2。目前,发动机向着小型化、高动力、高转速的方向发展,发动机及其零件的热负荷越来越高。在这样的发展趋势下,发动机对冷却系统的要求也越来越高,不仅要求更高的传热效率,还需要更小的体积。在这样的背景下,对流传热的换热能力己经不能满足设备冷却的需要,沸腾传热由于其极高的换热能力,再次引起人们重视,有望成为解决这一问题的关键技术。

发动机沸腾冷却的思想就是在这样的一种背景环境下产生的。国外的专家学者认为:1L水由液相变为汽相会吸收2260KJ的热量。如果能够利用相变转换的原理运送发动机内多余的热量,冷却系统的性能必将显著提高。同时还可使发动机的工作温度升高,提高发动机的效率,减小冷却系统的体积进而减小发动机整体体积,符合发动机小型化高效化的发展趋势。相关资料表明,沸腾冷却不仅能提升冷却效果,而且还能使机体内温度差异降低;发动机的制造成本降低10%-15%,机体的金属材料消耗减少20%-25%,水套容积减少20%-25%,发动机的燃烧更加充分,经济性提高3%-5%,污染物的排放也减少25%。

沸腾换热可显著提高换热效率,其过程有三个阶段:核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾,其中核态沸腾有温差小、换热强的特点,所以一般工业应用都设计在这个范围,在车用发动机技术方面的应用也不例外。

通过理论分析与实验验证可知:利用核态沸腾的高换热能力对内燃机进行高温冷却,不仅可以减小冷却水腔的工作容积,提高发动机的动力性、经济性和排放性,较小的温度梯度还可以减小缸盖热应力,从而使其可靠性得以提高。众所周知,液体发生相变,转化为相同温度的气体需要吸收大量的热。如果把这种原理应用到发动机冷却系统中,使冷却液在流动过程中吸热沸腾,然后流经散热器散发热量后冷凝成液体。这种方法的好处是:其一,由于冷却效率的提高,水泵所消耗的功率减小,有利于节能;其二,有利于发动机进一步强化;其三,缩小体积,减轻重量,有利于减少成本控制。

在车辆高速行驶的过程中,大约发动机输出总能量的65%用于克服空气阻力。这其中一个重要的原因是由于为了强化冷却效果而增大了散热器的表面积。在克服空气阻力方面节能研究对卡车更具实用价值,在这一节能领域,实用至上的美国卡车巨头纳威司达公司(Navistar)运用其在空气动力学方面丰富研究成果,在国际上取得领先地位。另一方面,如果采用高沸点冷却液作为冷却介质时,其高效的沸腾传热效率可以减少冷却液的用量,减小散热器面积,优化散热器的布置,就能进一步实现显著节能功效;而客车可以腾出更大空间,增加乘员,提高经济效益。

沸腾换热技术可给车用发动机冷却系统设计带来的利好是毋庸置疑的,其付诸实施的关键是将沸腾水平控制在核态沸腾的合理区域,尤其是过冷沸腾区域,避免膜态沸腾的发生。在此过程中,温度与沸点是重要影响因素。采用沸点高、过冷度大的高沸点冷却液,就保证了距离膜态沸腾足够的安全距离而轻易做到过冷沸腾传热;如果用水基冷却液,由于沸点与正常出水温度很接近,要实现过冷沸腾传热要求极高的热管理技术配合才能实现,如:用电子水泵实现冷却液流量的可控,从而实现流量与壁温之间的协同控制,并采用可靠的控制策略与监测手段便成为必要途径,否则一旦失控非但不能加强换热,反而会加速发动机受热部件的失效。

在汽车及发动机技术领域有关沸腾换热现象及应用的研究屡见不鲜,最有代表性的是VALEO公司于1993年开始研究的“REROM”冷却系统,该系统先期被称作"Newcool”系统,该系统用一个功率只有30-60W的小型电子水泵替代了功率达1-2kW的传统机械水泵,在高速或爬坡等高负荷工况实现核态沸腾换热以加强发动机的冷却。相比传统冷却系统,该系统可使冷却系统减重20%,成本节约5-10%,在120-150km/h的较高车速下,油耗下降2%。

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