热交换理论与中冷器

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1、热交换理论与中冷器热交换理论与中冷器热交换理论与中冷器热交换理论与中冷器 理论理论理论理论 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 Turbo Regals，另外还有 Turbo TAs, GMC Syclones 和 Typhoons 都是用来冷却从涡轮增压器出来的热压缩空气。 Turbo Regals 和 Turbo Tas 用外来空气作为冷却介质； 而 Syclones 和 Typhoons 却用水。 Turbo Regals 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

2、增压的压缩热空气大约在 120 and 175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

3、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。 等式等式等式等式 1： 等式 1 描述了整个热传导过程。 Q = UQ = UQ = UQ = U A A A A DTlmDTlmDTlmDTlm 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

4、 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

5、“ 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 = mCpDT 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 5000 BTU 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

6、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 10 BTU 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

7、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

8、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 = U x A。每次 DT1m 下降时（获得一个更高的温度近似值） ，那么 Q 就增加（

9、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 U x A 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 U x A。近似值从 30 度变到 20 度，你需要提高 U x A 的数值，如果从 20 变到10，那么需要变化 U x A 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 stock turbo, stock IC, ported heads, 大的凸轮） ，我获得的近似值为 60 度。对于现有的中冷器增加

10、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

11、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

12、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

13、，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

14、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

15、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。 压力降压力降压力降压力降 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

16、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