热能与动力工程专业毕业论文02448.docx
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1、 本科毕业设计说明书(题 目:200KW发电机组散热器设计 专 业:热能与动力工程 摘要 该设计主要给移动式发电机组提供一种新型散热器管芯式散热器。这种结构的散热器互换性好,可以以单根散热管芯为单元进行更换,因而避免了因部分散热面损坏而需要更换新散热器,从而节约了成本,也提高了工作可靠性。设计中为了好的传热性和工艺性选铜C15710为散热管芯材料,铝合金3004为壳体材料,采用了闭式强制冷却循环系统,增强了运行可靠性;该产品能避免零件因过热引起的膨胀、变形、开裂,保证润滑油温不至过高,为发电机组正常工作提供良好的条件;设计中在保证散热量的前提下,尽量使其结构布置紧凑,使用方便;运用MATLAB
2、软件进行了结构优化,在保证散热量的条件下减小了散热器体积,节约了原料;最终使设计的散热器达到了散热性能好,体积小,互换性程度高,寿命长和运行可靠性高的目标。本设计为今后管芯式散热器设计提供了实例,对管芯式散热器进行了推广和技术储备。关键词:移动式发电机组;管芯式散热器;优化设计。Abstract The topic provides a new tube-core radiator for the transportable generator. Theradiatorwith this structurehas good interchangeability, and it canbe re
3、placedas a unit with a singleheat.So, it avoids replacing a new heat sink due to part cooling surfaces damage, which not only saves the cost, but also improves the workreliability. The design usescopperfor theheatmaterial and aluminum alloyfor theshell material because of their good thermal conducti
4、vity and process. And it adoptees closed forced cooling circulatory system to enhance the operation reliability. The product canpreventthe expansion, deformation and cracking of parts causedbyoverheating, ensure that theoiltemperatureis nottoo high, and provide good workingconditions for thegenerato
5、r. According to the empirical formulainthe premise ofensuring heat dissipation; the article tries to make its structural layout compact and easy to use. Besides, it uses MATLAB software to optimize the structure. Thus, it reduces the radiators volume, and saves the raw materials inthe premise ofensu
6、ring heat dissipation. The design finally achieves high goals that the radiator is good in the performance of heat dissipation, small size, high degree of interchangeability, long life and high operation reliability. This design provides examples for tube core type radiators design in future and mak
7、es promotion and technical reserves for the core type radiator.Key words: movable generator set; tube-core radiator; optimization design.目录第一章引言21.1 概论21.2 散热器类型21.3 散热器功能21.4 国内外发展概况21.5 设计的目的及意义21.6 任务2第二章 散热器选择22.1 散热器材料选择22.2 散热器型式选择2第三章 散热器设计计算23.1 原始参数计算23.1.1 冷却系统散出的热量23.1.2 冷却水循环量23.1.3 冷却空气
8、需要量23.2 散热器结构计算23.2.1 散热器正面积23.2.2 散热器芯部尺寸23.2.3 散热器水管数23.3 传热系数23.3.1 水侧换热系数23.3.2 空气侧换热系数23.3.3 散热器传热系数23.4 散热器散热表面积23.4.1 估算散热器散热总面积23.4.2 散热器散热总面积23.4.3 单根散热管芯表面积23.5 校核计算23.5.1 校核散热管数23.5.2 散热器实际散热面积23.6 结构优化设计23.6.1 MATLAB简介23.6.2 设计程序23.6.3 处理结果23.6.4 比较分析23.7 二次校核23.7.1 实际散热管芯数23.7.2 实际散热表面积
9、23.7.3 传热系数校核23.7.4 校核实际散热量23.8 流动阻力计算23.8.1 空气流动阻力23.8.2 水流阻力2第四章 散热器结构设计24.1 散热管芯24.2 主板24.3 水室24.3.1 水室容积计算24.3.2 水室尺寸24.3.3 水室结构24.4 挡风板24.5 其他部件24.6 散热器2第五章 散热器工艺与运行25.1 制造25.2 装配25.3 储运25.4 运行与操作2第六章 总结26.1 设计成果26.2 设计中存在的问题26.3 今后发展方向26.4 体会2参考文献2附录2致 谢2第一章 引言1.1 概论目前移动式发电机组被广泛地应用于高速铁路、高速公路、桥
10、梁、矿山、隧道、水利电力、船厂、码头、港口、油田、市政建设等建设工程。近年来,由于经济的迅猛发展,许多地区特别是沿海地区电力紧缺现象的突出,使移动式发电机组在国民经济发展中起到了不可或缺的作用。随着新技术、新成果的应用使得现代的移动式发电机组具有更高的强化性、可靠性、经济性及良好的排放特性等,本课题所设计的散热器不仅具有以上性能,而且大大提高了移动式发电机组的互换性,延长了其寿命,更适合在恶劣的环境中工作。移动式发电机组在工作中出现的故障有一半是由于散热不良而造成的,主要原因在于传统的散热器在矿山等恶劣环境中工作时,难免会被石头等硬物砸中,当散热面积损坏程度超过20%时,就需被迫停机更换散热器
11、,这样既浪费了工时,也增加了成本。为了使散热器替换容易,维修方便,本课题设计了一种新式散热器管芯式散热器。它具有以下优点:工作可靠,寿命长;通用性好,改变散热管的长度尺寸和数量就能够满足不同机型的需要;互换性好,便于维修;加工工艺性好。在实践中证明这种散热器质量可靠,经济效益显著,在国民发展中需求量大,有巨大的发展空间。1.2 散热器类型散热器就是用来传导和释放热量的装置,其作用就是将冷却水在水套中吸收的热量通过散热管带传递给大气,从而使冷却水温下降。按照管芯结构型式分类,主要有以下三种散热器: (1) 管片式。其管芯是由若干扁平形或圆形的冷却管构成,散热片套在冷却管周围用来增大散热面积和增加
12、整个散热器的刚度与强度。这种管片式散热器的特点是散热面积大,空气流动阻力小,结构刚度强;但制造工艺复杂,成本较高,且不便维修,多用于小型轿车。(2) 管带式。这种散热器管芯是由扁平形冷却管及波纹状薄金属带焊接成蜂窝状,其水管和散热带相间布置,在散热带上常开有类似百叶窗的小孔,用来破坏介质在散热带表面上形成的膜,从而提高散热性能。这种管带式散热器的特点是散热能力强,制造工艺简单,重量轻,成本低,但刚度和强度较差,一般用于载重汽车等。 (3) 管芯式。此散热器是由管带式散热器演变而来,它的芯部由一根根的散热管芯组合而成,每根散热管芯是由一根扁平的冷却管和两侧的翅片构成,通常扁管和翅片是通过锡钎焊而
13、成为一体的,翅片采用波纹状散热带,在其宽度方向上开有许多百叶窗,以减少边界层厚度,增加热传导效率。扁管的上下端是圆柱状的,通过橡胶密封座圈各自独立的连接到水室上。散热管芯有序地排列在一起构成了散热器的主体。这种管芯式散热器的优越性在于它能够很好的适应恶劣环境下的工作,而且出了故障时,也可当场在不拆卸散热器的情况下,就能进行单管更换,如果没有现场没有同型号散热管芯,可将散热器主板上的孔堵上而不影响正常工作,这样就可以大大降低用户的使用成本并且缩短了维修周期,延长了散热器寿命。1.3 散热器功能 在内燃机冷却系中,机体热量有85%以上是靠散热器释放到了大气中的,且散热器在冷却系中所占比重约为一半,
14、故散热器是冷却系中最重要的组成部分。散热器的作用是把受热部件的热量及时释放出去,从而使整个机组在最适宜的温度范围内工作。发电机组工作时,其气缸内燃烧气体的温度可高达,而燃烧放出的热量只有约三分之一转化成了有用功,其余的热量一部分随废气排出,还有约三分之一的热量传递给了机体的零部件。因此,必须给发动机组增加冷却系统保证机组正常工作。发动机组的冷却要适度,若冷却不足,会导致发动机过热,造成充气效率下降,早燃、爆燃等不利现象出现的几率增大,从而使整个发电机组工作效率下降;此外,由于零部件受热膨胀,会让运动部件间正常的间隙遭到破坏,使机器不能正常运转,甚至卡死;零件也因过热使其力学性能下降进而导致变形
15、甚至破坏;而且由于机体内温度过高,会使润滑油粘度下降,从而致使零部件表面形成的润滑油油膜破裂进而加剧零部件的磨损。反之,如若冷却量过大,会导致发电机组过冷,进入气缸的可燃混合气体因温度过低而导致点火困难和着火延迟,从而使发电机组效率下降,油耗增加,寿命缩短;另外,润滑油会因机体温度过低而使粘度增大,进而增大了运动部件间的摩擦阻力,加剧了零部件的磨损,增大了无用功。1.4 国内外发展概况 散热器诞生以来,有很长一段时间散热器一直停留在管片式结构上。由于汽车行业的迅速发展,传统的散热器已不能很好的满足需求。就在上世纪六十年代以后,日本和美国相继成功研制出了管带式散热器,使得制造工艺简单,散热性能大
16、大提高,也是散热器变得更加轻巧。管带式散热器推动了散热器的发展,在散热器发展史上具有重要意义。此后,日本又成功研发了一款超轻型单列水管式散热器,它具有重量轻、体积小、换热系数高等显著优点。随着社会的发展进步,越来越多的厂矿和民生领域需要一种可以在恶劣工作环境中长时间工作的散热器以便保证移动机组正常运行,这就要求散热器便于维修,结构强度和刚度好,于是美国在上世纪八十年代,结合了管片式散热器较强的刚度和管带式散热器的散热好、制造工艺简单、成本低、质量轻、体积小等优点,成功研制了管芯式散热器,这种散热器的强度和维修性能较好,特别适合工作条件恶劣的发电机组和重型汽车,现如今已广泛应用于各行各业。 我国
17、汽车行业起步晚,初期发展较慢;散热器是从上世纪五十年代中期开始研发的,七十年代后期才开始研制管带式散热器,主要以铜材作为散热器材料。目前我国在管带式铜散热器上主要存在的问题是:散热器生产中主要采用铅锡焊,导致传热热阻增大,泄漏问题严重。当前汽车行业的发展趋势是轻型、节能、环保、安全、可靠、高速、寿命长、美观和舒适,做到了轻型才能节能和环保,而高速就要提高发动机的额定功率,必然也会使热负荷增加,这就需要冷却系统在同一时间段提供更多的冷却量,从而迫使散热器重量轻、散热效率高、使用寿命长和较高的工作可靠性。为了我国民生行业有较好较快的发展,我国将散热器标准化,加强了质量检测管理,为散热器批量生产和今
18、后的发展打好了基础。1.5 设计的目的及意义 随着我国经济的迅速发展,目前的散热器性能已经不能满足各个领域的需求,本课题主要研究如何在保证发电机组正常工作时散热器有足够的换热量并降低换热流体的流动阻力进而降低内燃机功耗。所以我们把提高散热器性能,减小散热器体积,降低散热器功耗,提高散热器互换性进而提高寿命作为研究的主要目标。 随着大型矿山的建设开发,移动机组的使用日益增多,为了改进目前散热器不便维修的结构缺点,目前研制发展了一种新型散热器-管芯式散热器,这种散热器不仅具有管带式散热器的优点,而且弥补了管片式散热器的不足,具有较强的刚度和较佳的维修性能。本课题依据目前现有的新型管芯式散热器,在保
19、证换热量的前提下,尽量使散热器体积缩小,结构更加紧凑,以求在发电机组上的实际应用而进行设计,从而为这种具有独特优势的散热器的广泛应用提供实例与推广依据及技术储备。1.6 任务 根据实际需求,为200KW发电机组设计管芯式散热器,主要有热工计算、结构设计、加工图纸,说明书尽可能详细,最终可以直接用于设计产品的加工。第二章 散热器选择2.1 散热器材料选择 散热器的工作恶劣,它一般位于发电机组前端迎风处,不仅要经受石屑撞击和风吹雨淋等不利的外界条件以及油污等表面附着物,而且还得承受反复的热循环与周期性的机械振动。此外,由于散热器内长期循环流动着冷却液,故对散热器有较强的腐蚀作用。因此,为了保证散热
20、器能够正常地发挥其散热作用,对散热器所需材料性能主要有以下几点要求:a. 热传系数高;b. 较高的强度和较强的耐腐蚀性;c. 工艺性能好;d. 较佳的钎焊性能;e. 较好的经济性。为了满足以上性能,目前常用的散热器材料主要有铜、铝及工程塑料等。本设计在选材过程中,考虑到了铝的钎焊性能差,而铜材具有好的成型加工性、可钎焊性和耐腐蚀性,故选铜C15710作为散热管芯材料;引风板用碳素钢Q235;此外,由于我国铜资源较少,而铝资源丰富,重量约为铜的1/3,故散热器其它部件选用铝合金3004。2.2 散热器型式选择 由于移动式发电机组大多在恶劣的环境条件下工作,且为了较高的经济效益,理想的散热器应具有
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