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热交换理论与中冷器
热交换理论与中冷器
理论
中冷器是一种热交换器,就是能使两种或两种以上的流体不直接接触,但是热量或能量却发生了相互传递的设备。
1986/87制造的TurboRegals,另外还有TurboTAs,GMCSyclones和Typhoons都是用来冷却从涡轮增压器出来的热压缩空气。
TurboRegals和TurboTas用外来空气作为冷却介质;而Syclones和Typhoons却用水。
TurboRegals在1985制造,那时还没有中冷器作为初始设备。
在气缸阀门全开时,来自涡轮增压的压缩热空气大约在120and175℃之间,这取决于涡轮增压器、增压压力、外面空气的温度等因素。
我们想把热空气冷却,目的是减少它的体积,使更多的空气进入气缸,减少发动机的爆炸的可能性。
中冷器是如何工作的?
热空气从涡轮增压器流经中冷器的冷却管,把热量传给冷却管,冷却管被加热,同时热空气冷却下来。
外面的冷空气(或水)流过冷却管和附着在冷却管上的散热带时就把热量带走了。
热量就这样通过加热的管子和散热带传给外面的冷空气,热空气在加热外面冷空气的同时也被冷空气冷却了,这就是增压热空气被冷却的全过程。
总之,热量通过冷却管和附着在冷却管上的散热带传递给的外面的冷空气。
几个有用的等式将帮助我们明白包含于热传导过程的要点。
这些等式适用于任何热传导问题,包括散热器、冷凝器,而不仅仅适用于中冷器。
等我们明白了这此等式的含义后,我们就能判断哪些因素是重要的,哪些因素是次要的,我们就能讨论其中的意义。
等式1:
等式1描述了整个热传导过程。
Q=U×A×DTlm
Q——中冷器的散热量
U——传热系数,它表示中冷器热传导的好坏,数值越大,热传导就越好。
A——散热面积,包括中冷器冷却管与散热片暴露在空气中的表面积。
DTlm——对数平均温差,客观上它可以称为热传导的“驱动力”,或者可以称为冷热流体的整个平均温差。
其等式表示为
DTlm=(DT1-DT2) *F/ ln(DT1/DT2)
其中DT1=中冷器进气温度–冷风出口温度
DT2=中冷器出气温度–冷风进口温度
F=校正参数,具体取值见下面描述
说明:
冷风流经中冷器高温区时冷风温度就高,流经中冷器低温区时冷风温度就低,我们所说的冷风出温度是把所有冷出空气都混合在一起的平均温度。
F是一个校正参数,用来说明这样一事实,冷空气从中冷器背面流出时的温度比另一侧要低。
要计算它,必须先计算"P"and"R":
P=(热进温度-热出温度)/(热进温度-冷进温度),即散热效率
R=(冷出温度-冷进温度)/(热进温度-热出温度)
再根据"P"和"R"对照下图,定出F的具体值
整个等式告诉我们如何提高中冷器的散热性能。
为了得到低的中冷器出口温度,要求中冷器散发掉更多的热量,换名话说,就是使Q值大一点。
为了使Q值大一点,就必须使U,A,或者DTlm大一点,以便使它们的乘值大一点。
等式2:
这个等式用来计算流体的放热量或吸热量
Q=m×Cp×DT
Q—传导的热量, 可以把它与第一个等式中的Q理解成同一个值。
如果有5000BTU的热量从增压空气传给冷空气,那么这个等式中的Q=5000,同样第一个等式的Q也等于5000。
m—流体的质量流量,单位:
lbs/minute
Cp—空气的比热,用来度量流体每升高一度所需要吸收的热量的能力,空气的比热是0.25左右,而水是1左右 。
如果一镑的空气吸收10BTU的热量,温度将上升40℃,而吸收同样的热量,水的温度仅能上升10℃。
水吸收的能量的能力较一般流体大,这就是散热用水作介质和原因之一。
DT—进出气温度的差值
如果你知道等式中4个参数中的任3个,你就能算出第4个参数的值。
虽然你不能测量每一参数值,但你能通过这个等式把它计算出来。
警告:
这个方程式适用于所有稳定状态的热传递,而不是在我们最感兴趣的加速状态。
在公路上行驶被定义为稳定状态。
在跑道的末端你也可能看到这种状态。
如很多人在邮件中列出的,中冷器本身的材料温度会升高当阀门全部打开的时候,所吸收的热量大于从这个方程式计算出的热量。
例如在中冷器未工作时表面的温度为37.7℃,在全负荷工作时的表面温度为79.4℃,中冷器材料温度的升高就会吸收来自增压气体的热量。
中冷器材料温度的温度在变化时,说明中冷器还未处于稳定状态,在稳定状态时冷空气吸收的热量应等于热空气的放热量。
哪么需要多长时间才能实现稳定状态?
我不知道,但是我看过中冷器跑1/4英里的温度曲线图,在接近但不到1/4英里末端的时候,中冷器的出口温度达到稳定状态。
现在让我们来研究一下两个等式,看它们能真正告诉我们什么?
1、在两种流体间存在较大的温差时(或称为驱动力),热传导效果就好,在等式1中体现要有大的DTlm。
如果两流体间的温差越小,热传导效果就越差。
要求中冷器的出口温度与外部空气温度的越接近,对数平均温差就会越小,热传导效果就越差。
2、中冷器的出口温度和外部气体温度的差值被称为近似值。
如果外部气体温度为37.7℃,而经中冷器冷却的热空气到进气歧管的温度到60度,那么你得到一个近似值22.3℃(60-37.7=22.3)。
为了得到一个小的近似值,就不得不加大中冷器的散热面积或提高中冷器的传达热系数,但是这又牵涉到一个递减的问题。
等式1可以改成Q/DTlm=UxA。
每次DT1m下降时(获得一个更高的温度近似值),那么Q就增加(传递更多的热量,获得一个更低的出口温度)。
用Q除DT1m,比通过变化UxA增大的速度要快的多。
结果是我们有一个递减的情况;每增加1度的近似值,你需要更多的UxA。
近似值从30度变到20度,你需要提高UxA的数值,如果从20变到10,那么需要变化UxA到更大的数值。
3、我认为20度的近似值比较好。
对于工业用热交换器,通过增大面积来增加热交换能力从成本上考虑变得不经济。
有一次我检验我的车(普通的增压器stockturbo,stockIC,portedheads,大的凸轮),我获得的近似值为60度。
对于现有的中冷器增加DT1m唯一可行的方法是在冷天行驶,如果你买一个好点的中冷器,自然你就会有一个更好的DT1m值。
4、你可以通过增大传热面积来获得更多的传热量。
这意味着购买具有更多管子、更多散热带、更长的管子(或三者兼有)的中冷器。
这是大部分的售后服务市场中冷器努力的目标。
一个可行的方案是增加散热带的峰数。
散热带的面积是中冷器散热面积的一部分,散热带峰数越多就意味着更多的散热面积。
增加散热带的峰数,中冷器的散热面积肯定是提高了,那是好的,但是冷风通过中冷器芯子的阻力会变大,导致通过中冷器芯子的冷风流量会降低,那就不好了。
看第二个方程式Q=m*Cp*DT,当散热带峰数增多时,那么空气流量“m”就会降低,为了达到一定量的Q,你就必须有一个较大的DT,那就意味着你要使空气的温度升高的更多。
那样的话就会影响第一个方程式里面的DT1m,使它变得更小,从而降低了总的热传递效果。
因此必须找一个最适合的平衡点:
开始时,在冷却管上加散热带,散热量不断上升,因为中冷器增加了散热面积增加了,不断的增加散热带峰数,直到由于冷风流量减少而导致中冷器散热量开始减少。
此时,你还要增加中冷器散热量,就必须通过增加中冷器的正面积来增大中冷器散热面积。
5、增加U值。
你可以通过增加或改进管子内“紊流片”来提高U值。
紊流片可以引导热空气在管子内盘旋,使得热量更有效的传递到冷却管上。
我们的中冷器设计是这样的,但我知道现在已有了更高效率的设计。
一个最有效的增加U的方法是把管子洗干净!
管子内的油膜(来自差的增压密封面或阀盖)起着绝热器或热障的作用,它阻碍热量从空气传递到管壁。
这在等式的U得到体现,小的U意味着增压空气通过中冷器散发出去的热量更小。
6、水空中冷器。
如果我们以水来代替空气作为冷却介质,我们可以看到中冷器的散热性能有一个大的提高,原因如下:
水有更强的吸热能力而温度却升高不多。
这就提高了DT1m,DT1m变大,Q值也变大,中冷器的出口温度就降低了。
一个具有好的设计的水空中冷器应有一个大的U值,那样也会有助于散热量的提高。
由于DT1m和U值同时升高,你可以减小中冷器的体积使得它可以更好地安装到发动机上。
当然,也有几个应用上的问题。
其一是它需要一个水循环系统。
另外一个更大的问题是当水的温度升高之后,必须把其冷却下来(那就意味着又要一个水箱)。
那就会引起了另一个问题:
你加热水,而用外部的空气象Syclone/Typhoon那样把它冷却下来。
但你不能把它冷却到与外部空气的温度一样低,可能可以把它控制在20度之内。
现在你用比外面空气温度高20度的水冷却增压空气,你只能将水的温度升高15度,那么经中冷器冷却后的增压空气的温度比外边的空气温度高35度(增压空气温度比外部空气温度高20度的水温度高15度)。
对于空空中冷器这很容易就能办到。
但是…….如果你在水箱里面储藏冰水并循环……那么从中冷器里面出来的空气温度可能是比它高15度,或者45度到50度。
但是当水的温度升高之后,空气的温度也升高了。
因此,适合比赛,而不适合在路上跑。
降低进口温度。
涡轮增压器增压比越低,出来的增压空气的温度就越低。
这样会影响DT1m的值,但是如果中冷器的进气温度较低,那中冷器的出气温度也会较低。
你可以通过小增压器来减小增压器的增压比,小的增压比可以通过提高空气过滤器和增压器之间的压力降或者使用更高效率的压缩机轮来实现。
你也可以减少通过中冷器的压力降,这允许你在进气歧口在相同的推进量的情况下有更低的涡轮增压压力。
此外,如果你降低涡轮增压出口压力2psi,或者升高涡轮增压进口压力1psi,那会降低增压空气的温度大约16度(取决于压缩效率和推进等级)。
如果中冷器的进口增压空气的温度低16度,而其出口温度仅会低10度,但这样仍比先前要好。
压力降
另一个中冷器要考虑的方面是压力降。
进气压力表读出的压力是气室进口压力,不同于涡轮增压器的出口压力。
对于一种流体,例如空气,从一头到另一头必然有一个压力降。
例如一根放在桌子上的麦杆,没有空气在其内部流动,除非你用嘴吹气或吸气。
同样的道理涡轮增压气体的出口压力要大于进气歧管口的压力,而且永远比它高,因为空气在流动的过程中有压力损失。
涡轮增压空气和进气歧口的压力差表明了中冷器、上管以及阀体的液压限制。
比方说我们打算以255克/秒的速度的空气通过中冷器、上管以及阀体,其压力降为4psi。
如果进气压力表读出的是15psi,那就意味着涡轮增压的空气压力为19psi。
现在你买了一台PT-70。
空气速度为450克/秒。
为了有15psi的进气歧口压力,那么涡轮增压空气压力必须为23psi,因为为了得到更高流速的空气的压力降为8psi,而不是4psi。
对于相同的设备更高的流速意味着更高的压力降。
因此我们在前面安装一个新的中冷器。
它有更低的压力降,压力降为4psi,那么涡轮增压空气压力为19psi。
现在我们增加一个新的阀体,那么现在压力降为3psi。
然后我们增加一个2.5”的上管,随后它降到了2.5psi。
那么为了得到15psi的推进,仅需17.5psi的涡轮增压压力。
17.5psi和23psi之间的涡轮出口压力之间的温度差别大约为40度(是恒定值)!
这样当推进压力相同的时候,我们旧能知道通过压力减少相应的温度减少量。
我看一些有关中冷器压力降和传热量关系的错误认识。
例如一个销售商的产品目录表明如果没有压力降就没有热传递。
这是不正确的。
压力降和热传递是相对独立的。
如果中冷器设计得当的话,你可以在很小的压力降的情况下获得很好的传热能力。
在大的压力降的情况下获得大的传热能力是很容易的事情。
那是流体的盘旋提高了传热系数(U),但是我也看见过一些工业用冷却器,其设计的压力降只有0.2psi当空气流量很大的时候,因此其当然是可行的。
压力降很重要,因为高的涡轮增压空气流出压力就会有高的涡轮增压空气温度。
当我们降低涡轮增压空气压力就获得较低的涡轮增压空气温度。
当我们这么做的时候,我们同样也获得较低的中冷器出口温度,虽然不是很大,但是这也是会有帮助的。
这种低的压力降得益于一种新的大的前置的中冷器;bytheDuttweilerneckmodificationtostocklocationintercoolers;通过大的上管获得;也可以通过大的阀体获得。
你也可以通过改进进口侧来减轻涡轮增压器的压力。
K&N空气过滤器,自由流动的MAF管子,把屏风从MAF上去掉,去掉MAF本身当应用在售后服务市场燃料喷射系统,新的由ModernMuscle制造的3"和3.5"MAFs将减少涡轮增压进口系统的压力降,使得压缩机在工作较少的情况下获得相同的推进力,这样会降低涡轮增压空气的出口温度(对于其他的,也许会有更大的好处)。
有关我们的中冷器?
?
想知道你们的中冷器是否不错?
大的试验:
测量你的中冷器的出口温度!
当我这么做的时候,我得到一个K型的热电偶,那种细线型,让它在阀体/上管软管上滑动,到达管子的中间,启动。
在80-85度的时候,我获得的WOT温度为140度,对于55-60度的接近。
这告诉我我需要更多的中冷器。
如果我能得到100度的温度,进气歧管的气体密度升高7%,那样我应该流入另外7%的气体,据推测压力能提高7%马力数。
对于一个350马力的发动机增加25马力。
对于一个450马力的发动机增加30马力,这是我的检测结果。
另外检验的是压力降。
最好的检验方法是找一个气压计,有两条线而不是常规的一条线。
它检验两个不同点的压力差异。
将表上的一条线连接到涡轮增压的出口,而另一条连接到中冷器的出口。
涡轮增压出口压力和中冷器进口压力是很容易获得,只要连接到压气机汽缸的供应线上。
如果能直接测得中冷器的出口压力那当然好了,但是没有适合的连接点。
连接到进气歧口(如通过线连到进气压力表)是非常方便,但对于总的压力降:
中冷器+上管+阀体。
相对于差动压力计你可以用两个进口压力计,一个点一个,这时你必须确认两个表是否校正到相同的条件,试着在相同的条件下读数,看是否相同。
而你有可能触发在涡轮增压出口的压力表,因为当你关闭阀体的时候你会得到一个较大的压力峰值。
而这在常规的压力出口压力表是看不到的。
如果你发现中冷器进口和进气歧口的压力差为4-5psi(我要做一个有根据的猜测,你参考一个中冷器制造商与另外一个更好的制造商),那么我猜想一个更大的,压力降更低的中冷器会使你有所收获。
对比竞争对手的中冷器设计
怎样比较竞争对手的设计:
最后你会需要一个给你尽可能低的空气的进入进气歧管。
这种设计具有最高UA值的。
当你用面积(U×A)去乘以热传递系数,你就得到UA值。
这个值并没有多大的变化,如果流速和温度变化合理的话,因此如果你获得一个评估车上的中冷器的UA值的数据的话,那么你就可以使用那个数据推断它在另一量车上是如何工作。
为了评估UA值,你须有足够的信息来计算传热量Q和DT1m。
而UA=Q/DT1m。
看起来很简单,不是吗?
如果数据都有的话,的确是的。
为了正确的评估一个中冷器你需要:
通过中冷器的增压空气流速;增压空气压力和温度;中冷器出口温度和压力;外部空气温度;又或冷风离开中冷器后的混合温度,或混合空气流速。
这里有很多的信息,而且我不认为卖家会把所有的这些信息给你,或者他们会收集所有的这些数据。
我敢肯定大多数的卖家在对他们的设计经过反复试验之后才卖较大的中冷器,而不是不付出努力。
但是,如果他们真的这么做而且把这些数据提供给我们,我就会用这些数据来来计算热传递能量和DT1m,然后在计算中冷器的UA值。
我将比较不同中冷器的UA值,选择最大UA值的那种,因为那会提供最高热量Q(最大热传递)和最好DT1m(最接近的近似值)。
公式例子
如果你想看如何使用前面提到的公式的话,继续看。
如果不想,那我完成了。
使用电子表格很容易就能做这些计算。
请记住所有这些数值已经有了。
例1:
常规的中冷器,常规的增压器:
假如从涡轮增压器出来气体流速为40lb/min;温度300degF;压力为19psig;进气歧口压力15psig;外部气体温度85degF;中冷器的出口温度为140degF(相当于60℃)已经测量出来;冷风温度为160deg.中冷器的UA值是多少?
1)先算Q
Q=m*Cp*DT
Q=40lb/min*0.25BTU/lb-F*(300-140F)=1600BTU/min
2)再算DTlm
DT1=涡轮增压空气进口温度–外部气体出口温度=300-160=140
DT2=涡轮增压空气出口温度-外部气体进口温度=140-85=55
P=0.74,R=0.47,F=0.875
DTlm=F*(DT1-DT2)/ln(DT1/DT2)=0.875*(140-55)/ln(140/55)
=74.4/0.934=79.6F
3)计算UA
UA=Q/DTlm=(1600BTU/min)/79.6F=20.1BTU/min-F
4)计算冷风流速
Q=m*Cp*DTorQ/(Cp*DT)=m,
m=(1600BTU/min)/[0.25BTU/lb-F*(160-85F)]=85.33lb/min外部冷风流速
例2:
常规的中冷器,大的增压器:
对于相同的常规中冷器,当使用更大的增压器和推进压力情况怎样?
假如涡轮增压的流速为53lb/min;温度350degF,压力为27psig;而进气歧口的压力为22psig;外部气体温度85degF。
冷风流速为85.33lb/min。
这就需要我们多次试验才能得出结果,因为我们不知道中冷器的出口温度。
有直接得出结果的方法,但那需要很多的等式,计算也会很困难,所以我不采用那种方法。
假定一个中冷器的出口温度,先计算出中冷器的散热量Q=mCpDT,然后用UA值和对数平均温差DTlm就可以算出Q=UA*DTlm,如果两者结果相同,那么就认为假定的中冷器出口温度是正确的。
m=53lb/min,Cp=0.25,U*A=20.1(来自例1计算值)
让我们先假定中冷器的出口温度为t=140
Q=m*Cp*DT
那么DT=(350-140)=210Q=2782.5BTU/min
冷风流量=85.33lb/min冷风DT=Q/(m*Cp)
DT=2782.5BTU/min/(85.33lb/min*0.25BTU/lb-f)=130.4F
由于DT=T进-T出,那么T出=130.4+85=215.4F
因此冷风的进口温度为85F,而出口温度为215.4F,涡轮增压空气的进口温度是350F,假定出口温度为140F.先计算DTlm:
P=0.792,R=0.62,andF=0.75
DT1=134.6,DT2=55
DTlm=(134.6-55)/ln(134.6/55)*0.75=66.7
计算新的Q,Q=UA*DTlm
Q=20.1*66.7=1340.7
因为用假定出口温度140deg得出的热量与实际不符,我们必须用一个新的出口温度再重新计算。
假定中冷器新的温度为170.
Q=(m*Cp*DT)=2385
冷风DT=2385/(85.33*0.25)=111.8
冷风出口=85+111.8=196.8
P=0.68,R=0.62,F=0.84
DTlm=97.3
Q=1954.7仍然不够接近
最后再试:
出口温度为=182(相当于83.3℃)
Q=(m*Cp*DT)=2226
coolingairDT=2226/(85.33*0.25)=104.4
Coolingairoutlet=85+104.4=189.4
P=0.63,R=0.62,F=0.88
DTlm=111.0
Q=2232足够接近
这次我们假定的Q(通过假定中冷器出口温度)和通过总的方程式算出的热量相当接近,所以我们找到了答案。
说明这种中冷器在常规增压器上的应用的很好(将进气歧管内的气体温度冷却到60℃),在高马力的增压器工作的不是很好,仅将温度冷却到83.3℃。
例子3:
用例2的涡轮增压器和气体流速,但用的是具有相同热传递效率的新的中冷器,但是面积大50%。
我们假设它的流速为冷风流速的1.5倍。
U*A旧的中冷器=20.1
UA新的中冷器=U*1.5*A=1.5*20.1=30.15
m增压空气=53lb/min,Cp=0.25BTU/lb-F,Tin=350deg
m冷风=1.5*85.33=128lb/min,Cp=0.25BTU/lb-F,Tin=85F
假设中冷器的出口温度=140F
Q=m*Cp*DT=53*0.25*(350-140)=2782.5
冷风DT=2782.5/(128*0.25)=87
冷风出口=85+87=172
P=0.79,R=0.41,F=0.85
DTlm=89.0
Q=2684差别较大,再试一次
假设中冷器的出口温度=142F(相当于61℃)
Q=m*Cp*DT=53*0.25*(350-142)=2756
冷风DT=2782.5/(128*0.25)=86.1
出口冷风=85+86.1=171.1
P=0.78,R=0.41,F=0.86
DTlm=91.7
Q=2763够接近
从上可以得出,对于高性能汽车上的面积大一半的中冷器的出口温度和常规中冷器和涡轮增压器的中冷器出口温度基本相同。
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