车用列管水套式排气换热器的设计与换热性能研究

摘要：回收汽车余热进行供暖和除霜具有很现实的意义.排气换热器是水暖式排气采暖系统的最重要部件,针对排气换热器的特殊使用要求,设计了一种新型的列管水套式排气换热器,通过数值仿真和对比试验相结合的方式对其换热性能进行了研究.结果表明:新设计的列管水套式换热器具有较高的换热效率,完全能满足客车冬季的供暖和除霜需求;但在较高工况时对排气背压有较大影响,因此需对排气换热器进行排气旁通控制。

资料表明,现有的汽车发动机有效功率一般只占燃油燃烧总热量的20%~45%;而以余热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%~80%,其中绝大部分为排气余热和冷却水余热[1-3].冬季天气寒冷,车内乘坐舒适性较差,另外由于挡风玻璃结霜会影响驾驶员视觉,给交通安全带来隐患,因此可以通过回收汽车余热来解决客车冬季取暖和除霜问题,不仅可以提高乘坐舒适性和驾驶安全性,而且可以起到节能环保的作用,这在现实中具有重要的意义.

1水暖式排气余热采暖系统

水暖式排气余热采暖系统不仅利用了一部分发动机冷却水的能量,而且还通过排气加热器对排气余热进行回收,系统的连接图如图1所示.冬季需要供暖时,发动机出水球阀打开,发动机内的循环冷却水通过发动机内水泵和外水泵的动力从发动机水套中引出,流经安装在排气管路上的排气换热器,循环冷却水与高温排气在排气换热器中进行热交换,加热后的循环水经循环管路流入车厢内的强制散热器和除霜器,进行供暖和除霜,散热后的循环水再流回发动机,如此完成一个循环.

由上述采暖系统可以看出,无论是排气换热器、车厢内强制散热器或是除霜器都属于换热器,因此整个采暖系统最重要的方面就是换热器,其中排气换热器由于受高温和强振作用工作环境最为恶劣,因此排气换热器是整个采暖系统的重中之重.

2排气换热器的设计

2.1排气换热器的设计原则

由于排气换热器是串联在汽车排气系统和冷却系统中的,不仅工作环境相当恶劣,而且它的使用还有可能影响发动机的正常运行,因此排气换热器的设计应遵循如下一些原则:

1)排气换热器要结构紧凑、体积小、换热效率高;

2)排气换热器能抗震动、抗冲击、耐高温,适应汽车运行环境;

3)避免排气泄露,保证汽车使用中的安全;

4)合理控制排气背压和循环冷却水温度,不影响发动机工作特性,不增加冷却系统的热负荷.

2.2新型列管水套式排气换热器

在如上设计原则的指导下,设计了一种新型列管水套式排气换热器,其内部结构如图2所示.

新型列管水套式换热器与传统列管式换热器相比有如下3点改进:1)在壳程的外围增加了水套结构;2)列管与管板在焊接前采用液压胀管技术胀接[4];3)在水套和列管束之间设置了均衡水流量的水流分配器.

基于如上3点改进,列管水套式排气换热器与传统的管壳式排气换热器相比具有如下优点:1)新设计的列管水套式排气换热器采用了列管束和水套的复合换热结构,在相同体积下有效换热面积大大提高,因此该换热装置热能回收利用率很高,不仅可满足冬季客车的供暖和除霜,还可以提高客车冷启动时的升温速度.

2)传统的管壳式换热器在高温排气作用下,金属外壳温度很高,由于热胀冷缩,热应力很大,热应变会造成管壳脱焊而漏水,给使用和维修带来很大不便.采用水套结构后整个换热器都被循环冷却水包围,金属外壳的温度被控制在合理温度范围内,金属的温差变化也被控制在较小范围之内,大大降低了脱焊的可能性.

3)为了进一步消除脱焊漏水的可能性,在列管和管板的连接工艺上,先采用液压胀管技术胀接,再采用氩弧焊接,连接强度大大增强,因此排气换热器抗振动和耐高温的能力大大加强.

4)在列 管束前后都安装了带有穿孔的水流分配器,使流入列管的水流速度尽量均匀,从而改善了换热效果.

5)由于水套结构的存在,排气换热器金属壁全部和循环冷却水接触,换热器外壳温度大大降低,换热器周围热环境大大改善,这样水泵、控制排气旁通的步进电机以及一些电子控制器都可以安装在换热器外壳的支架上,而不会被高温灼坏,使得布置结构相当紧凑.

3数值仿真

在列管水套式排气换热器的研发过程中,采用数值仿真软件FLUENT对列管水套式排气换热器进行了数值仿真研究,并将仿真结果与无水套的列管式换热器的仿真结果进行了对比,2个换热器模型的其他结构参数均相同.

3.1计算模型和网格划分

列管水套式换热器结构复杂,为减少网格数目,在对其建模时进行了一定的简化:

1)金属壳体、管壁和管板没有进行实体建模,而是将其视为壁面处理,在FLUENT中计算时再输入壁厚.

2)没有考虑水路螺旋折流杆和气路弓形折流板1 mm左右的装配间隙.

列管束共由37根Φ16 mm的列管组成,每根列管长为300 mm,转置正方形布置,列管节距比取1·5,进气口直径为100 mm,进水口直径为25 mm.将整个换热器分为水路和气路两大块分别建立模型和划分网格,网格采用自适应较强的非结构化网格划分,划分网格后的计算模型如图3所示.

3.2求解设置

FLUENT求解器选用分离式求解器,稳态隐式格式求解,流体流动采用不可压缩模型;速度压力耦合方式采用SIMPLEC算法;假设速度入口来流的速度均匀分布,忽略重力影响;将列管束壁面、管板壁面和水套内壳壁面设置成耦合换热壁面,忽略换热器外壳的换热作用,设其为无能量交换的壁面.物性参数设置:冷却水的参数按70℃时的常物性设置,排气的流体参数按温度的线性拟合公式计算.忽略重力作用的影响.排气和冷却水均使用速度入口和压力出口边界,出口压力均设为0 Pa,回流条件的设置采用湍流强度I和水力直径DH.湍流模型选用标准K—ε湍流模型,近壁区采用标准壁面函数法处理.动量方程、能量方程和湍流方程采用一阶迎风离散格式.

进气流速范围为10~60 m/s,每10 m/s取1个仿真点,进气温度为673 K;进水流速恒定为0·679 2 m/s,进水温度为343 K.

3.3仿真结果分析

列管水套式换热器纵截面温度和压力图如图4和图5所示.

为了对列管水套式换热器和传统的列管式换热器进行性能对比,将换热量和排气压力损失两项仿真数据绘成对比曲线,如图6和图7所示.

在10~60 m/s进口排气流速范围内,2个换热器的换热量都随排气流速的增加而增加,且基本上呈线性趋势增加.仿真结果显示,列管水套式换热器的换热量比无水套的列管换热器的换热量高20%~22%,仿真过程中忽略了列管水套式换热器外壳的传热作用,因此如果考虑外壳的传热作用,列管水套式换热器的换热量将更高.2个换热器的排气压力损失基本相同.排气压力损失随流速的增加而增加,当排气流速小于40 m/s时,各模型的排气背压都在3 kPa以内,当排气流速大于40 ;m/s时,背压急剧上升.总的来说,随着流速的增大,背压的升高要比换热量的升高快.

4换热性能对比试验

4.1试验方案

在数值仿真的基础上,试制了一台列管水套式换热器的样机(编号SL30),样机主要参数如下:换热器长398 mm,外桶直径为217 mm,内桶直径为195 mm,列管采用37根外径为Φ16×1 mm的列管,每根列管长320 mm,列管材料为SUS304不锈钢,气路弓形折流板高115 mm.

为了更好地对SL30的换热性能进行评判,使用外形尺寸基本相同的管翅型换热器PQCN20进行对比试验研究.

分别对2台换热器进行台架试验,试验流程如图8所示.热工介质为排气和循环冷却水.从发动机水套中引出的循环冷却水在排气换热器中与高温排气进行热交换,然后流入布置有4个强制散热器的模拟车厢内散热,散热后的冷却水再流回发动机.在排气换热器前后的水流管路和排气管路上分别布置各种型号的温度传感器、压力传感器和流量计对各热工参量进行测量.

4.2试验过程

将排气换热器试验样机接入试验系统,通过对发动机调速和测功机加载,调节发动机运行工况.本试验测试发动机稳态工况下排气换热器的换热性能,因此将发动机调到测试工况,打开模拟车厢内的强制散热器,当排气换热器进出口的循环水温度稳定后对试验数据进行记录.

排气换热器性能试验现场照片如图9所示.

分别对列管水套式换热器SL30和管翅型换热器PQCN20进行6个工况的发动机台架试验并进行数据记录.发动机的6个工况点分别为:

工况1:怠速为800 r/min;

工况2:转速为1 300 r/min,转矩为100 N·m;

工况3:转速为1 500 r/min,转矩为200 N·m;

工况4:转速为1 700 r/min,转矩为300 N·m;

工况5:转速为2 000 r/min,转矩为400 N·m;

工况6:转速为2 200 r/min,转矩为500 N·m.

4.3试验结果分析

本试验主要考察排气换热器最重要的2个性能指标:换热效率和排气压力损失.将2种换热器的换热量和排气压力损失的试验结果进行处理并绘制成关系曲线图,如图10和图11所示.

由图10可知, SL30的换热量要明显高于PQCN20,且工况越高,SL30的换热优势越明显.造成这种现象的主要原因是:在较低工况时,由于排气流速不高,排气冲刷列管或翅片的强度不够,无法有效打破换热边界层,此时换热量主要取决于换热面积和排气行程,SL30的有效换热面积要比PQCN20稍大,所以在较低工况时SL30的换热量稍大于PQCN20的换热 量;当排气流速增大时,排气冲刷叉排列管的强度要比冲刷冲孔翅片的强度高,随着湍动能的提高,SL30的对流换热强度要明显高于PQCN20.根据经验和理论计算,一般要使10 m长的客车车内外温度相差10℃,需热量10 kW左右,在工况3时,SL30的换热量就已达到12·17 kW,再加上循环冷却水从发动机里带出来的3~5 kW的热量[5],此时的采暖量已能达到10 m客车冬季采暖的最低要求.

由图11可知, SL30的排气压力损失比PQCN20稍小,但在工况6时,排气压力损失已达6·56 kPa,如果排气流量继续增大,排气背压将会很大,在实际工作过程中应通过排气旁通控制将发动机的排气背压控制在合理范围之内,否则会影响燃油经济性和动力性.

5结论

针对排气换热器的特殊使用要求,设计了一种新型的列管水套式排气换热器,并通过数值仿真和对比试验相结合的方式对其换热性能进行了研究.仿真和试验表明:新设计的列管水套式换热器具有较高的换热效率,完全能满足客车冬季的供暖和除霜需求;排气流速较低时,换热器的排气压力损失不大,但在较高工况时对排气背压有较大影响,因此需对排气换热器进行排气旁通控制.

参考文献:

[1]张铁柱,张洪信.汽车安全节能与环保[M].北京:国防工业出版社, 2004:33-34.

[2]董桂田.汽车发动机排气废热的温差发电[J].北京节能, 1997(4):7-9.

[3]刘宏新,陈海涛,乔金友.客车热管采暖自动控制系统[J].农机化研究, 2002, 11(4):122-124.

[4]徐佳,李国继.液压胀管与机械胀管技术对比[J].锅炉制造, 2006(3):65-66.

[5]张立中,郭威,郭岩.以发动机余热为热源的公共汽车供暖空调研制[J].汽车工程, 2005, 27(2):230-232.