管壳式换热器结构设计与性能分析

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涡轮增压系统空气中间冷却器(以下简称中冷器)作为装载机冷却系统的关键部分,对发动机的工作性能和排放效果有重要影响。随着环境保护日益成为社会大众关心的问题,对装载机节能减排的要求也日趋严格,中冷器的结构优化和性能分析成为研究热点。市面上装载机中冷器普遍采用管壳式中冷器,该类型换热器具有加工简单、易清洁、换热效能高等优点。本文通过仿真研究,对中冷器结构进行优化,提高性能。首先,查阅分析了管壳式散热器对国内外研究现状。在此基础上,给出流体计算方程和相关的物性参数以及中冷器评价标准,对最为常用的波纹管、梯形管和缩放管结构进行研究。给定管壳式散热单元的直径比和节距比,对不同直径比和节距比的散热单元划分网格、设置边界条件和初始条件。然后,对不同直径比和节距比的三种管壳式散热单元进行数值模拟。分析不同直径比和节距比对散热单元的阻力和换热性能的影响,并按照中冷器性能评价标准选出最合适的散热单元结构。仿真结果表明,当节距比为0.8、直径比为0.92时,波纹管管壳式散热单元具有优良换热性能。最后,根据优选出的波纹管结构,建立管壳式中冷器整体三维模型,进行中冷器整体的性能模拟。对比仿真结果,在不同增压空气流速和冷却液流量下,对比三种管壳式中冷器的换热量与进出口压降的比值,得知波纹管管壳式中冷器的换热效率最高,而且单位质量换热量也最高。波纹管比梯形管更易于制造加工,就综合性能和制造工艺而言,波纹管管壳式中冷器结构最优性能也最好。本文研究结果可为管壳式换热器结构优选提供参考。
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