熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)論文

本科畢業(yè)設計說明書（題題目：200KW發(fā)電機組散熱器設計專業(yè)：熱能與動力工程摘要該設計主要給移動式發(fā)電機組提供一種新型散熱器——管芯式散熱器。這種結構的散熱器互換性好，可以以單根散熱管芯為單元進行更換，因而避免了因部分散熱面損壞而需要更換新散熱器，從而節(jié)約了成本，也提高了工作可靠性。設計中為了好的傳熱性和工藝性選銅C15710為散熱管芯材料，鋁合金3004為殼體材料，采用了閉式強制冷卻循環(huán)系統(tǒng)，增強了運行可靠性；該產品能避免零件因過熱引起的膨脹、變形、開裂，保證潤滑油溫不至過高，為發(fā)電機組正常工作提供良好的條件；設計中在保證散熱量的前提下，盡量使其結構布置緊湊，使用方便；運用MATLAB軟件進行了結構優(yōu)化，在保證散熱量的條件下減小了散熱器體積，節(jié)約了原料；最終使設計的散熱器達到了散熱性能好，體積小，互換性程度高，壽命長和運行可靠性高的目標。本設計為今后管芯式散熱器設計提供了實例，對管芯式散熱器進行了推廣和技術儲備。關鍵詞：移動式發(fā)電機組；管芯式散熱器；優(yōu)化設計。AbstractThetopicprovidesanewtube-coreradiatorforthetransportablegenerator.The

radiator

withthisstructure

hasgoodinterchangeability,anditcan

bereplaced

asaunitwithasingle

heat

.So,itavoidsreplacinganewheatsinkduetopartcoolingsurface’sdamage,whichnotonlysavesthecost,butalsoimprovesthework

reliability.Thedesignuses

copper

forthe

heat

materialandaluminumalloy

forthe

shellmaterialbecauseoftheirgoodthermalconductivityandprocess.Anditadopteesclosedforcedcoolingcirculatorysystemtoenhancetheoperationreliability.Theproductcan

prevent

theexpansion,deformationandcrackingofpartscaused

by

overheating,ensurethatthe

oil

temperature

isnot

toohigh,andprovidegoodworking

conditionsforthe

generator.Accordingtotheempiricalformula

in

thepremiseof

ensuringheatdissipation;thearticletriestomakeitsstructurallayoutcompactandeasytouse.Besides,itusesMATLABsoftwaretooptimizethestructure.Thus,itreducestheradiator’svolume,andsavestherawmaterialsin

thepremiseof

ensuringheatdissipation.Thedesignfinallyachieveshighgoalsthattheradiatorisgoodintheperformanceofheatdissipation,smallsize,highdegreeofinterchangeability,longlifeandhighoperationreliability.Thisdesignprovidesexamplesfortubecoretyperadiator’sdesigninfutureandmakespromotionandtechnicalreservesforthecoretyperadiator.Keywords:movablegeneratorset;tube-coreradiator;optimizationdesign.目錄第一章 引言 21.1概論 21.2散熱器類型 21.3散熱器功能 21.4國內外發(fā)展概況 21.5設計的目的及意義 21.6任務 2第二章散熱器選擇 22.1散熱器材料選擇 22.2散熱器型式選擇 2第三章散熱器設計計算 23.1原始參數計算 23.1.1冷卻系統(tǒng)散出的熱量 23.1.2冷卻水循環(huán)量 23.1.3冷卻空氣需要量 23.2散熱器結構計算 23.2.1散熱器正面積 23.2.2散熱器芯部尺寸 23.2.3散熱器水管數 23.3傳熱系數 23.3.1水側換熱系數 23.3.2空氣側換熱系數 23.3.3散熱器傳熱系數 23.4散熱器散熱表面積 23.4.1估算散熱器散熱總面積 23.4.2散熱器散熱總面積 23.4.3單根散熱管芯表面積 23.5校核計算 23.5.1校核散熱管數 23.5.2散熱器實際散熱面積 23.6結構優(yōu)化設計 23.6.1MATLAB簡介 23.6.2設計程序 23.6.3處理結果 23.6.4比較分析 23.7二次校核 23.7.1實際散熱管芯數 23.7.2實際散熱表面積 23.7.3傳熱系數校核 23.7.4校核實際散熱量 23.8流動阻力計算 23.8.1空氣流動阻力 23.8.2水流阻力 2第四章散熱器結構設計 24.1散熱管芯 24.2主板 24.3水室 24.3.1水室容積計算 24.3.2水室尺寸 24.3.3水室結構 24.4擋風板 24.5其他部件 24.6散熱器 2第五章散熱器工藝與運行 25.1制造 25.2裝配 25.3儲運 25.4運行與操作 2第六章總結 26.1設計成果 26.2設計中存在的問題 26.3今后發(fā)展方向 26.4體會 2參考文獻 2附錄 2致謝 2引言1.1概論目前移動式發(fā)電機組被廣泛地應用于高速鐵路、高速公路、橋梁、礦山、隧道、水利電力、船廠、碼頭、港口、油田、市政建設等建設工程。近年來，由于經濟的迅猛發(fā)展，許多地區(qū)特別是沿海地區(qū)電力緊缺現象的突出，使移動式發(fā)電機組在國民經濟發(fā)展中起到了不可或缺的作用。隨著新技術、新成果的應用使得現代的移動式發(fā)電機組具有更高的強化性、可靠性、經濟性及良好的排放特性等，本課題所設計的散熱器不僅具有以上性能，而且大大提高了移動式發(fā)電機組的互換性，延長了其壽命，更適合在惡劣的環(huán)境中工作。移動式發(fā)電機組在工作中出現的故障有一半是由于散熱不良而造成的，主要原因在于傳統(tǒng)的散熱器在礦山等惡劣環(huán)境中工作時，難免會被石頭等硬物砸中，當散熱面積損壞程度超過20%時，就需被迫停機更換散熱器，這樣既浪費了工時，也增加了成本。為了使散熱器替換容易，維修方便，本課題設計了一種新式散熱器——管芯式散熱器。它具有以下優(yōu)點：工作可靠，壽命長；通用性好，改變散熱管的長度尺寸和數量就能夠滿足不同機型的需要；互換性好，便于維修；加工工藝性好。在實踐中證明這種散熱器質量可靠，經濟效益顯著，在國民發(fā)展中需求量大，有巨大的發(fā)展空間。1.2散熱器類型散熱器就是用來傳導和釋放熱量的裝置，其作用就是將冷卻水在水套中吸收的熱量通過散熱管帶傳遞給大氣，從而使冷卻水溫下降。按照管芯結構型式分類，主要有以下三種散熱器：（1）管片式。其管芯是由若干扁平形或圓形的冷卻管構成，散熱片套在冷卻管周圍用來增大散熱面積和增加整個散熱器的剛度與強度。這種管片式散熱器的特點是散熱面積大，空氣流動阻力小，結構剛度強；但制造工藝復雜，成本較高，且不便維修，多用于小型轎車。（2）管帶式。這種散熱器管芯是由扁平形冷卻管及波紋狀薄金屬帶焊接成蜂窩狀，其水管和散熱帶相間布置，在散熱帶上常開有類似百葉窗的小孔，用來破壞介質在散熱帶表面上形成的膜，從而提高散熱性能。這種管帶式散熱器的特點是散熱能力強，制造工藝簡單，重量輕，成本低，但剛度和強度較差，一般用于載重汽車等。（3）管芯式。此散熱器是由管帶式散熱器演變而來，它的芯部由一根根的散熱管芯組合而成，每根散熱管芯是由一根扁平的冷卻管和兩側的翅片構成，通常扁管和翅片是通過錫釬焊而成為一體的，翅片采用波紋狀散熱帶，在其寬度方向上開有許多百葉窗，以減少邊界層厚度，增加熱傳導效率。扁管的上下端是圓柱狀的，通過橡膠密封座圈各自獨立的連接到水室上。散熱管芯有序地排列在一起構成了散熱器的主體。這種管芯式散熱器的優(yōu)越性在于它能夠很好的適應惡劣環(huán)境下的工作，而且出了故障時，也可當場在不拆卸散熱器的情況下，就能進行單管更換，如果沒有現場沒有同型號散熱管芯，可將散熱器主板上的孔堵上而不影響正常工作，這樣就可以大大降低用戶的使用成本并且縮短了維修周期，延長了散熱器壽命。1.3散熱器功能在內燃機冷卻系中，機體熱量有85%以上是靠散熱器釋放到了大氣中的，且散熱器在冷卻系中所占比重約為一半，故散熱器是冷卻系中最重要的組成部分。散熱器的作用是把受熱部件的熱量及時釋放出去，從而使整個機組在最適宜的溫度范圍內工作。發(fā)電機組工作時，其氣缸內燃燒氣體的溫度可高達，而燃燒放出的熱量只有約三分之一轉化成了有用功，其余的熱量一部分隨廢氣排出，還有約三分之一的熱量傳遞給了機體的零部件。因此，必須給發(fā)動機組增加冷卻系統(tǒng)保證機組正常工作。發(fā)動機組的冷卻要適度，若冷卻不足，會導致發(fā)動機過熱，造成充氣效率下降，早燃、爆燃等不利現象出現的幾率增大，從而使整個發(fā)電機組工作效率下降；此外，由于零部件受熱膨脹，會讓運動部件間正常的間隙遭到破壞，使機器不能正常運轉，甚至卡死；零件也因過熱使其力學性能下降進而導致變形甚至破壞；而且由于機體內溫度過高，會使?jié)櫥驼扯认陆担瑥亩率沽悴考砻嫘纬傻臐櫥陀湍て屏堰M而加劇零部件的磨損。反之，如若冷卻量過大，會導致發(fā)電機組過冷，進入氣缸的可燃混合氣體因溫度過低而導致點火困難和著火延遲，從而使發(fā)電機組效率下降，油耗增加，壽命縮短；另外，潤滑油會因機體溫度過低而使粘度增大，進而增大了運動部件間的摩擦阻力，加劇了零部件的磨損，增大了無用功。1.4國內外發(fā)展概況散熱器誕生以來，有很長一段時間散熱器一直停留在管片式結構上。由于汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的散熱器已不能很好的滿足需求。就在上世紀六十年代以后，日本和美國相繼成功研制出了管帶式散熱器，使得制造工藝簡單，散熱性能大大提高，也是散熱器變得更加輕巧。管帶式散熱器推動了散熱器的發(fā)展，在散熱器發(fā)展史上具有重要意義。此后，日本又成功研發(fā)了一款超輕型單列水管式散熱器，它具有重量輕、體積小、換熱系數高等顯著優(yōu)點。隨著社會的發(fā)展進步，越來越多的廠礦和民生領域需要一種可以在惡劣工作環(huán)境中長時間工作的散熱器以便保證移動機組正常運行，這就要求散熱器便于維修，結構強度和剛度好，于是美國在上世紀八十年代，結合了管片式散熱器較強的剛度和管帶式散熱器的散熱好、制造工藝簡單、成本低、質量輕、體積小等優(yōu)點，成功研制了管芯式散熱器，這種散熱器的強度和維修性能較好，特別適合工作條件惡劣的發(fā)電機組和重型汽車，現如今已廣泛應用于各行各業(yè)。我國汽車行業(yè)起步晚，初期發(fā)展較慢；散熱器是從上世紀五十年代中期開始研發(fā)的，七十年代后期才開始研制管帶式散熱器，主要以銅材作為散熱器材料。目前我國在管帶式銅散熱器上主要存在的問題是：散熱器生產中主要采用鉛錫焊，導致傳熱熱阻增大，泄漏問題嚴重。當前汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢是輕型、節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠、高速、壽命長、美觀和舒適，做到了輕型才能節(jié)能和環(huán)保，而高速就要提高發(fā)動機的額定功率，必然也會使熱負荷增加，這就需要冷卻系統(tǒng)在同一時間段提供更多的冷卻量，從而迫使散熱器重量輕、散熱效率高、使用壽命長和較高的工作可靠性。為了我國民生行業(yè)有較好較快的發(fā)展，我國將散熱器標準化，加強了質量檢測管理，為散熱器批量生產和今后的發(fā)展打好了基礎。1.5設計的目的及意義隨著我國經濟的迅速發(fā)展，目前的散熱器性能已經不能滿足各個領域的需求，本課題主要研究如何在保證發(fā)電機組正常工作時散熱器有足夠的換熱量并降低換熱流體的流動阻力進而降低內燃機功耗。所以我們把提高散熱器性能，減小散熱器體積，降低散熱器功耗，提高散熱器互換性進而提高壽命作為研究的主要目標。隨著大型礦山的建設開發(fā)，移動機組的使用日益增多，為了改進目前散熱器不便維修的結構缺點，目前研制發(fā)展了一種新型散熱器管芯式散熱器，這種散熱器不僅具有管帶式散熱器的優(yōu)點，而且彌補了管片式散熱器的不足，具有較強的剛度和較佳的維修性能。本課題依據目前現有的新型管芯式散熱器，在保證換熱量的前提下，盡量使散熱器體積縮小，結構更加緊湊，以求在發(fā)電機組上的實際應用而進行設計，從而為這種具有獨特優(yōu)勢的散熱器的廣泛應用提供實例與推廣依據及技術儲備。1.6任務根據實際需求，為200KW發(fā)電機組設計管芯式散熱器，主要有熱工計算、結構設計、加工圖紙，說明書盡可能詳細，最終可以直接用于設計產品的加工。第二章散熱器選擇2.1散熱器材料選擇散熱器的工作惡劣，它一般位于發(fā)電機組前端迎風處，不僅要經受石屑撞擊和風吹雨淋等不利的外界條件以及油污等表面附著物，而且還得承受反復的熱循環(huán)與周期性的機械振動。此外，由于散熱器內長期循環(huán)流動著冷卻液，故對散熱器有較強的腐蝕作用。因此，為了保證散熱器能夠正常地發(fā)揮其散熱作用，對散熱器所需材料性能主要有以下幾點要求：熱傳系數高；較高的強度和較強的耐腐蝕性；工藝性能好；較佳的釬焊性能；較好的經濟性。為了滿足以上性能，目前常用的散熱器材料主要有銅、鋁及工程塑料等。本設計在選材過程中，考慮到了鋁的釬焊性能差，而銅材具有好的成型加工性、可釬焊性和耐腐蝕性，故選銅C15710作為散熱管芯材料；引風板用碳素鋼Q235；此外，由于我國銅資源較少，而鋁資源豐富，重量約為銅的1/3，故散熱器其它部件選用鋁合金3004。2.2散熱器型式選擇由于移動式發(fā)電機組大多在惡劣的環(huán)境條件下工作，且為了較高的經濟效益，理想的散熱器應具有尺寸小，重量輕，加工工藝簡單，結構強度好，散熱性能佳，使用壽命長等優(yōu)點。根據實際需要本設計中選擇了管芯式散熱器。第三章散熱器設計計算3.1原始參數計算3.1.1冷卻系統(tǒng)散出的熱量冷卻系統(tǒng)散出的熱量主要受導熱材料的熱物性和管內外介質流速等因素的影響，難以精確計算，用以下公式做初步估算：（3-1）式中A——燃料釋放能量傳給冷卻系統(tǒng)熱量的百分比，對柴油機，對于汽油機，此移動式發(fā)電機組用柴油機發(fā)電，故A選??；——內燃機燃料消耗率(kg/kwh),在額定工況下，由設計任務書給定0.24kg/kwh；——柴油機額定功率（kw）,由設計任務書給出=235kw;——燃料低熱值（kJ/kg）,根據參考文獻可得，柴油的低熱值可取41870kJ/kg。代入公式得3.1.2冷卻水循環(huán)量根據冷卻系統(tǒng)中的熱量來確定冷卻水循環(huán)量（3-2）式中——內燃機中冷卻水循環(huán)時的允許溫升，對于強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可取,本設計選??；——水的比重，取近似值=1000kg/m；——水的比熱容，取近似值=4.187kJ/(kgk)。計算得3.1.3冷卻空氣需要量冷卻空氣需要量根據散熱器的散熱量來確定。一般說，散熱器的散熱量等于冷卻系統(tǒng)的散熱量。（3-3）式中——空氣流過散熱器時的溫度差，通常；本設計?。弧諝獾谋戎?，近似取=1.01kg/m；——空氣的定壓比熱容，取。計算得3.2散熱器結構計算3.2.1散熱器正面積根據冷卻空氣需要量計算散熱器芯部的正面積：（3-4）式中——空氣流速，一般選取，本設計產品為移動式發(fā)電機組，取。代入數據得3.2.2散熱器芯部尺寸為了與風扇送風流過的面積相匹配，以便提高散熱器效率，一般將散熱器芯部設計成正方形。設芯部高度和寬度分別為h,b；則有：（3-5）代入數據有3.2.3散熱器水管數根據冷卻水循環(huán)量，由經驗公式計算冷卻水管數i：（3-6）式中——水在散熱管中的流速(m/s)，一般取,本設計中選取;——每根散熱水管芯部的橫截面積，單位m。3.2.3.1單根散熱管芯部的橫截面積單根散熱管的截面形狀如圖3-1所示：根據知扁管的高度是，寬度為18mm，壁厚；可得每根水管的橫斷面積：(3-7)把代入（3-6）式得3.3傳熱系數3.3.1水側換熱系數取冷卻水平均溫度，查附表1得散熱水管當量直徑為；查附表4得，；將數據代入下式得：水側雷諾數(3-8)水側普蘭特數(3-9)對于三排管管道內的強制對流傳熱，水側的努契兒準則數由參考文獻中經驗公式得：(3-10)由可得水側換熱系數：(3-11)式中——水的熱物性參數，查附表4得；——水管當量直徑，查附表1得。3.3.2空氣側換熱系數取空氣流過散熱器的平均溫度，在附表3中查得，；將數據代入下式得：空氣側的雷諾數(3-12)式中——翅片當量直徑，查得。由參考文獻得翅片當量直徑De1==式中——翅片內間距，由附表1得；——翅片內高，由附表1得?？諝鈧鹊钠仗m特數（3-13）對于三排管管道內的強制對流傳熱，空氣側的努契兒準則數由參考文獻中的經驗公式得：（3-14）由經驗公式可導出空氣側換熱系數：(3-15)式中——水的熱物性參數，查附表4得；——水管當量直徑，查附表1得。3.3.3散熱器傳熱系數由公式(3-16)式中——空氣側換熱系數，由式（3-15）知；——散熱管壁厚，由附表一查得；——銅C15710的導熱系數，查參考文獻得；——水側換熱系數，由式（3-11）知。代入數據得3.4散熱器散熱表面積3.4.1估算散熱器散熱總面積參考散熱器設計手冊，散熱表面積可根據參考文獻中經驗公式初步估算：(3-17)式中——散熱器內冷卻水與冷卻空氣的平均溫差，；式中——冷卻水平均溫度，；——冷卻空氣平均溫度，；式中——散熱器進水溫度，對于開式的內燃機冷卻系統(tǒng)取值范圍，對于閉式強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可?。槐驹O計采用了閉式強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，取；Ta1——散熱器冷卻空氣進口溫度，一般取左右，此次設計的產品主要用于惡劣的甚至高溫的環(huán)境中，根據近年全國的氣溫在本設計中??；——散熱器冷卻水進出口溫度差，一般選取，本設計中選??；——散熱器冷卻空氣進出口溫度差，一般選取，本設計中選?。挥嬎愕茫?.4.2散熱器散熱總面積由于通過散熱器的冷卻水和冷卻空氣流速都不可能均勻；而且散熱器散熱表面會附著上油污，蒙上塵土，或是部分散熱面損壞，這些都會降低散熱器的散熱性能，所以實際選取散熱器面積F0時，要比計算結果大些，一般選取(3-18)式中——儲備系數，通常取值；本設計中取?？傻?.4.3單根散熱管芯表面積如圖3-2所示為散熱管芯單側的示意圖。由圖可知，單根散熱管芯表面積是由散熱翅片外側表面積S1，散熱翅片內側表面積S2（翅片與銅管焊接部分可忽略不計），散熱管外側扁平面未焊接部分的面積S3和散熱管外側圓弧面的面積S4之和。3.4.3.1單元體數目n為了方便計算，我把翅片兩個波谷點之間的一段設為一個單元體，那么一條翅片所含有的單元體數目為：（3-19）式中——散熱器芯部高度，由式3-5知；——一個單元體的波長，；式中——翅片間距，由附表1得知。3.4.3.2單根散熱翅片外側表面積S1一個單元體的外側表面積：散熱翅片外側表面積：3.4.3.3單根散熱翅片內側表面積S2一個單元體的內側表面積：散熱翅片內側表面積：3.4.3.4單根散熱管外側扁平面未焊接部分的面積S3一個單元體內未焊接部分的面積：散熱管外側扁平面未焊接部分的面積3.4.3.5散熱管外側圓弧面的面積S43.4.3.6單根散熱管芯表面積S3.5校核計算3.5.1校核散熱管數管芯式散熱器實際需要散熱管數等于估算散熱總面積與單根散熱管芯表面積之比；故實際需要管數：(3-20)3.5.2散熱器實際散熱面積確定管數和每根管芯的散熱表面積后就可精確計算出散熱器實際散熱面積，固有(3-21)代入數據得3.6結構優(yōu)化設計為了使設計的管芯式散熱器在結構上更加合理緊湊，本設計運用計算機模擬軟件對散熱器結構進行了優(yōu)化。在設計過程中，影響散熱器芯部面積的因素有散熱量、冷卻水流速、冷卻水進出口溫度差、空氣側流速、空氣側進出口溫度差、儲備系數等，在此次設計中，在給定散熱量的前提下，要想改變散熱器芯部面積就需要調整其它因素，在軟件優(yōu)化過程中，如果將全部因素都當做變量來處理，將大大增加編程難度，超出了我的能力范圍，也沒有足夠的時間去深究，故此次結構優(yōu)化中，將對散熱器芯部正面積變化影響小的因素作為定量處理，僅將對散熱器芯部影響較大的幾個因素作為變量來優(yōu)化，編程中將管內冷卻水流速、冷卻空氣流速、儲備系數三者作為自變量，優(yōu)化目標是在兩散熱管芯安裝不干涉的情況下盡量使散熱器芯部面積取得最小值。3.6.1MATLAB簡介MATLAB是一款編程簡單、編程效率高、容易學習的科學軟件，是從事眾多工業(yè)、科研領域的必備工具。1984年，MATLAB誕生于MathWorks公司，當時主要用于矩陣運算，后來隨著科技的發(fā)展進步，MATLAB已廣泛應用于數字信號處理、科學可視化和系統(tǒng)仿真等方面。本設計中主要用該軟件進行數字信號處理，最終使散熱器結構性能得到優(yōu)化。3.6.2設計程序設計程序如下：Qw=150870;ra=1.01;Cv=1047;fordata=10:1:30forva=8:0.01:12Va=Qw/(data*ra*Cv);i=0.0036/(Vw*4.45e-5);t1=ceil(i);FR=Va/va;h=sqrt(FR);Re1=Vw*4.92e-3/0.326e-6;Pr1=1.94;Nu1=0.031*(Re1^0.77)*(Pr1^0.33);ha=Nu1*0.68/4.92e-3;Re2=va*2.22e-3/18.46e-6;Pr2=0.7;Nu2=0.56*(Re2^0.39)*(Pr2^0.4);hw=Nu2*0.0287/2.22e-3;KR=1/(1/ha+1/5.3e5+1/hw);F=Qw/(KR*35);F0=b*F;S=2*(((h/3e-3)*(5.0456e-4+4.02596e-4+17.81e-6))+h*6.751e-6);i0=F0/S;t2=ceil(i0);t3=ceil(3000*h/t2);endendendift1==t2&t3>22breakendend3.6.3處理結果通過多次循環(huán)，在多組數據中選了一組最可行的數據。然后通過自己將處理好的數據整理出來，方便后面的設計。3.6.3.1計算機處理結果通過多次修改程序后循環(huán)運行下，最終得到了如下較為滿意的結果：3.6.3.2整理數據(1)冷卻系統(tǒng)散出的熱量(2)冷卻水循環(huán)量(3)冷卻空氣需要量(4)水側雷諾數(5)水側換熱系數(6)空氣側的雷諾數(7)空氣側換熱系數(8)散熱器傳熱系數(9)估算散熱器表面積(10)設計散熱器表面積(11)單根散熱管芯表面積(12)估算散熱管數(13)實際散熱管數(14)實際散熱器表面積(15)空氣流速(16)水流速度=0.8(m/s)(17)儲備系數(18)空氣進出口溫度差(19)水側努契兒準則數(20)空氣側努契兒準則數3.6.4比較分析通過計算機軟件MATLAB優(yōu)化處理，散熱器在滿足散熱性能的情況下，在結構上得到了優(yōu)化，節(jié)約了原材料，降低了成本，使設計出的散熱器達到了理想狀態(tài)。3.6.4.1面積在面積上單就散熱器芯部正面積比原來縮小了3.6.4.2高度單就散熱器芯部高度比原來減小了3.7二次校核由于經過結構優(yōu)化設計以后，散熱器原有數據大都發(fā)生了改變，為了爭取設計的準確性和可行性，對管數和散熱面積重新進行校核。3.7.1實際散熱管芯數3.7.2實際散熱表面積3.7.3傳熱系數校核3.7.3.1翅片效率由于本次設計中采用的散熱翅片是由純銅制成，其厚度極薄，僅為厚度，相對于翅片的高度和沿氣流方向長度來說要小許多，而且銅C15710的導熱系數大，所以完全可以忽略翅片兩端面的散熱量；故翅片效率為：（3-22）式中m——結構系數，在散熱器的實際結構設計中，如果忽略氣體側很小的污垢系數時，m可由下式計算求得：H——翅片高度，查表得H=6mm；式中——翅片導熱系數，由參考文獻查得；——空氣側對流換熱系數，從整理后的數據查。計算3.7.3.2傳熱系數表達式假使按照剛出廠的管芯式散熱器處理，即按理想狀態(tài)處理，那么在設計中就可忽略散熱管兩側污垢的傳熱熱阻，就可將傳熱系數表達式寫為：（3-23）式中——水側對流換熱系數；——空氣側對流換熱系數；——單管水側傳熱面積，；——單管空氣側傳熱面積，；——單管空氣側光滑壁面部分的面積，；——單管空氣側翅片部分的面積，；——水管壁導熱系數，銅C15710的導熱系數，查參考文獻得；——水管壁厚，散熱管壁厚，由附表一查得；——翅片效率；由式（3-22）得；——根據散熱器水管數據確定，；式中——單根水管壁扁平部分的面積，；——單根水管壁圓環(huán)部分的對數平均面積，；計算把以上數據代入傳熱系數表達式3.7.4校核實際散熱量（3-24）代入數據得因為，其中為初始值，為優(yōu)化結果。由于所以設計結果滿足國家行業(yè)設計標準，故設計的產品合格。3.8流動阻力計算一切流體都具有黏性，黏性是流體的一種固有的物理屬性，在運動狀態(tài)下，這種物理屬性就會顯現出來。當流體介質流經物體表面時，會由于這種黏性而產生較大摩擦阻力，此為由于流速，也會產生壓差阻力，這些阻力都會消耗流體的一部分能量，所以為了設計結果的可行性和準確性，需對其進行阻力計算。3.8.1空氣流動阻力流體通過散熱器時，會受到摩擦阻力和壓差阻力，由于目前還沒有流體繞流管芯式散熱器方面的傳熱經驗公式，故引用參考文獻中依據實驗得來的公式，管芯式散熱器中空氣流過散熱器芯部時的阻力系數的準則方程為：（3-25）在此次設計中，散熱管帶采用了三排錯列布置，故空氣流過散熱器芯部的壓力損失為(3-26)式中σ——最小自由流通截面積與來流迎面面積之比；最小自由流通面積，來流迎面面積，；kc——進口壓力損失系數,可由文獻查得；ke——出口壓力損失系數,可由文獻查得；——芯部的摩擦阻力系數；u——管間流速；；d0——水管的外徑，此處取水管的當量直徑，；其中、可從附表一種查得。注：下標“1”“2”分別表示進、出口，“m”表示進出口算術平均值；查附表得，；；；；。把數據代入(3-27)式得：=6862.9(Pa)3.8.2水流阻力冷卻水流過散熱器管道時，會由于流體自身的粘性而阻礙流體運動，冷卻水克服因粘性產生的內部切應力以及管壁的摩擦阻力而會造成部分能量損失，能量損失的大小通常用壓力損失表示，壓力損失的大小可以由阻力系數反應。3.8.2.1沿程阻力損失在強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，水在管中的運動屬于受迫運動，又有水的雷諾數，處于紊流區(qū)，所以冷卻水在管中流動時，出了克服粘性阻力，還存在流體內部質點相互碰撞造成的慣性阻力。所以水在散熱水管中流動時的沿程阻力可用下式求得：(3-27)式中——水流的沿程阻力系數，；——冷卻水密度，查附表四知；——冷卻水流動速度，和前面取相同值；——散熱器芯部厚度，查附表一知；——散熱管當量直徑，和式（3-26）取相同值。代入數據得3.8.2.2局部阻力損失冷卻水流經散熱管時，由于散熱管有漸縮和漸擴部分，所以冷卻水所受的局部阻力主要是管道截面的收縮和擴大造成的，故冷卻水流過散熱器管時的局部阻力損失可由以下公式計算：（3-28）式中——冷卻水流動速度，和前面取相同值；——冷卻水密度，查附表四知；——漸縮漸擴管的局部損失系數，查相關文獻得。將數據代入上式得冷卻水的局部阻力損失為：第四章散熱器結構設計散熱器主要由散熱管芯、主板、上下水室和擋板組成，為了讓設計的產品結構緊湊，散熱效率高，成本低廉，在設計過程中，通常會構想幾種方案，通過對比，最后確定方案；為此，在結構設計中，還要考慮產品的工藝性，盡量使設計的結構尺寸在滿足使用性能的情況下，制造方便，加工工序少，裝配維修方便。4.1散熱管芯散熱管芯由兩部分組成：散熱管和散熱帶。由直徑13mm，壁厚的銅管制成。散熱管兩端為圓管，中間通過擠壓制成扁平管，散熱管兩端都加工倒角，以便于插入上下主板；散熱帶用滾片機直接制成，散熱帶和散熱管通過鉛錫焊焊在一起，注意保證管帶沒有裂紋。本設計中共需102根散熱管芯，具體結構見零件圖SRQ-002,SRQ-005,SRQ-006。4.2主板主板主要功能安裝散熱管，還有就是連接固定水室、擋風板和引風板。主板用鋁合金板制成，主板厚10mm，邊緣突起，用于嵌入石棉墊和水室底面，這樣做密封性好，可以減少螺栓數目。上主板邊緣凸起4mm,下水室邊緣凸起6mm，主板中部平行錯列三排插散熱管孔，孔數為102，每排34根，管中心距；邊緣設有螺栓孔，共有42個孔；在設計中，螺栓連接孔在不與水室壁面干涉的情況下，盡量靠近中心線，以便使布置結構緊湊，節(jié)省板材；主板采用銑削加工，所有孔以中心線為加工基準，采用鉆孔。表面無需進行精加工，只須簡單處理即可。具體結構見零件圖SRQ-003。4.3水室水室的主要功能就是向散熱管布，設計水室大小需先估算水室容積。4.3.1水室容積計算通常設計時水室容積約為所有散熱管容量的2倍以上，這樣就能保證冷卻水循環(huán)正常進行。所有水管容積(4-1)式中，，，代入得故水室容積4.3.2水室尺寸在保證水管插口不被水室底面擋上的情況下，盡量使水室加工制造方便，外形美觀。由于散熱器芯部尺寸為86×753mm，為了零部件相互之間不干涉，取水室腔部底面尺寸為100×803mm，則水室高度4.3.3水室結構水室用鋁合金3004鑄造而成，上水室有進水管和空氣閥連接孔，為了加工方便，將它們置于頂部同一中心線上。此外，水室內壓強較小所以水室壁不需太厚，能儲水即可，下水室厚度是上水室兩倍，這是因為下水室在移動裝配過程中容易與地面或其他硬物碰撞變形。安裝面的尺寸根據主板尺寸確定，為了減小加工難度，安裝面各邊要比主板槽面小1mm，具體結構見零件圖SRQ-004。4.4擋風板擋板位于散熱器兩側，主要防止冷卻空氣從散熱器兩側流出，降低散熱效率，此外，還有支撐固定散熱器作用。擋板用鑄鋁合金3004鑄造而成，形狀呈槽型，板厚10mm，整體關于中心對稱，其尺寸根據散熱管長度和主板寬度確定，固定端板側為連續(xù)圓弧狀，為了減輕重量，美化外形，節(jié)省材料；具體結構尺寸見零件圖SRQ-007。4.5其他部件除了上述零部件外，散熱器包括引風板、泡沫塑料填充物、空氣閥。引風板呈法蘭形，用2mm厚碳素鋼Q235制成，主要用作引風，此為還起拉緊固定邊框的作用，大小由散熱器正面結構尺寸確定，具體結構見零件圖SRQ-008。填充物可以利用工業(yè)用紙，廢舊泡沫塑料等。設計中，在保證排氣順暢的情況下，選擇市場價格最低的排氣閥來確定孔徑的大小。上下水室密封墊圈用耐熱橡膠制成，具體結構見SRQ-009,SRQ-010。4.6散熱器該散熱器可以給200KW發(fā)電機組提供散熱，型式為管芯式散熱器，通過結構優(yōu)化設計使得散熱器芯部面積減少了，故結構布置緊湊；能用輕質材料代替的零件全部使用鋁合金材料，減少了散熱器自重，所以重量比其它相同功率的要輕；在設計中，只有散熱管和散熱帶需要用錫釬焊焊接在一起，其它都獨立成件，適用于大批量生產，故成本低；該產品中的任一零部件都可替換，運行時各散熱管之間互不影響，故使用壽命長；每個零部件均可拆卸，所以維修方便；通過熱工計算能知其散熱性能好。散熱器管芯用銅C15710作為原材料，引風板用碳素鋼Q235制成，其余部件為了減輕散熱器自重全部使用鋁合金3004。散熱器整體高度1108mm，寬180mm，長903mm，所有外部圓角半徑均為5mm，所有棱邊全部打磨光潔。具體結構見裝配圖SRQ-001。第五章散熱器工藝與運行在本設計中，管芯式散熱器加工工藝性能好，零件互換程度高，可用于大批量生產，安裝簡單，可采用流水線生產；運行可靠，使用范圍廣。5.1制造水室、主板和引風板采用冷加工成型，側面擋板鑄造而成，散熱管擠壓成型，散熱帶用滾片機滾壓而成，散熱管和散熱帶采用錫釬焊焊接在一起。由于引風板和水室較薄，適合沖孔，這樣可以提高工作效率，其余零部件較厚無法將孔直接沖出，故其它所有零部件的孔均采用鉆孔工藝。所有表面均需打磨表面毛刺，所有邊角均圓滑過渡。此外，因特別注意保證水室、主板和擋風板的連接孔的同軸度，裝配平面應保證其平面度。5.2裝配先水室，后框架，最后裝入散熱管芯，引風板?？梢韵妊b配好主板、水室和側面擋風板，讓后插入散熱管芯，最后裝入引風板。裝配完畢后，對散熱器進行密封性檢測，可用肥皂泡法和注水法，這兩種方法成本低，而且方便有效。肥皂泡法：將肥皂泡沫涂于可能漏氣的邊緣處，從進水管通入空氣氣壓為，在三分鐘內肥皂泡沫涂抹處若無氣泡冒出，則認為合格。注水法：將出水管堵上，從進水管注水，直到注滿，將散熱器豎立放置半小時無滴水、滲漏現象，認為產品合格。但由于結構限制，本設計產品一般采用肥皂泡法。5.3儲運散熱器水平放置，固定散熱器端靠近地面。可堆疊放置，但不得超過十片，以防最底層損壞變形。運輸時需要在兩個散熱器間墊入5mm左右厚紙片或泡沫塑料，防止相互碰撞。也可側立放置，但不得堆疊。特別注意，不能讓上下水室受較大作用力，更不能將進出水管當做手柄搬運散熱器。搬運時最好兩人同時搬，在擋風板上著力；也可一人搬用，將雙手搭于擋風板與主板連接處豎立提起搬運。5.4運行與操作在運行過程中，當散熱管芯翅片倒伏率超過10%時，應將其修復以保證散熱量，或者替換后將舊管芯保存，以備以后散熱管漏水時，而手頭沒有新的散熱管芯是頂替使用。此為如果當某根管壞掉，現場又沒有其他同型號水管時，可將上下主板上的孔拿碎布堵死，當有了新的管再換上。由于散熱器結構簡單，作用單一，所以操作也很容易，只須將散熱器固定在內燃機前端，固定時，可使用其中四孔固定、六孔固定、八孔固定、十孔固定等，且務必使各孔所受剪切應力盡量均勻；但最好用全部孔固定。然后根據空氣流速和流量配備風扇，根據水流速度和阻力損失配備水泵，并將水管道連接好，檢查連接處密封性。一切正常后就可運行。第六章總結6.1設計成果=1\*GB3①成功設計了200KW移動式發(fā)電機組的管芯式散熱器，熱工計算部分，為了得到較滿意的結果我反復修正所選數據，并用軟件優(yōu)化得到了一組準確而滿意的數據，為今后管芯式散熱器設計提供了可靠數據。=2\*GB3②學習了MATLAB軟件，運用C語言參考MATLAB語言，編寫了程序，通過反復修改運行程序，在多次循環(huán)成功對散熱器結構參數進行了優(yōu)化，其程序語言可用于同類設計參考；也為今后散熱器結構優(yōu)化設計提供了途