基于冷速試驗的冷卻液傳熱性能對比研究

摘要： 通過冷速試驗研究了6種不同添加劑類型及含量冷卻液的冷卻性能。結果表明：非離子型冷卻液的冷卻性能最好，其次是混合型冷卻液，離子型冷卻液的冷卻性能最差；添加劑的含量越低，冷卻液的冷卻性能越好；含質量分數0.11%的非離子型添加劑的冷卻液A的冷卻性能最優，其探頭溫度達到200 ℃時所對應的時間最短，為6.1 s，且其最大冷速最大，為60 ℃/s。

關鍵詞：沸騰傳熱 冷卻液 冷卻性能 冷速試驗

中圖分類號：U464.172 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240374

Comparative Study on Heat Transfer Performance of Coolant Based on Cooling Rate Experiments

Ma Zhiguo， Xu Yang， Tao Chunsheng， Wang Hongzhi

（FAW Jiefang Automotive Co.， Ltd.， Changchun 130011）

Abstract： Cooling performance of coolants with 6 different types and contents of additives is studied through cooling rate experiments. The result shows that the cooling performance of the coolants with the nonionic additive is the best， followed by the coolants with the mixed additive， and the coolants with the ionic additive exhibits the worst cooling performance. The lower the additive content， the better the cooling performance of the coolant. The cooling performance of coolant A containing 0.11% non-ionic addifive by mass is the best， with the shortest time corresponding to the probe temperature reaching 200 ℃， which is 6.1 s and the maximum cooling rate reaches 60 ℃/s.

Key words： Boiling heat transfer， Coolant， Cooling performance， Cooling rate experiment

1 前言

現代車用發動機技術的發展趨勢是高性能化和微型化，這就要求發動機具有更高的功率輸出密度[1]。為滿足發動機的熱負荷要求，需要匹配更高效的冷卻系統，解決高功率輸出密度下的熱平衡問題。

缸體水腔優化設計從發動機冷卻系統結構入手，是提高冷卻效率最直接的手段之一，但前提是合理預測腔內冷卻液的傳熱形式和傳熱強度[2]。發動機缸蓋和缸體部分水腔存在沸騰傳熱形式，具有傳熱效率高和所需冷卻系統體積小的特點。基于對流傳熱和池沸騰傳熱疊加的Chen模型和分析氣泡行為的貝爾-德萊維茨模型是目前廣泛應用于柴油機沸騰傳熱的2種預測模型[3]。但上述2種預測模型都是基于沸騰傳熱系數模擬并結合限制條件和實際工況計算固體域溫度場和流體域溫度場來判斷冷卻液對發動機的冷卻效果。

為了設計合理的冷卻水腔并嚴格控制沸騰強度，需要預測冷卻液的傳熱強度，即冷卻性能，而與冷卻液冷卻性能直接關聯的指標是沸騰傳熱系數[4]。目前，用于熱力學計算的冷卻液參數包括比熱容、傳熱系數、密度、運動黏度，但以上參數更多適用于對流傳熱狀態模擬，不適用于沸騰傳熱狀態。國內外沸騰傳熱試驗方法設備復雜、不易操作，因此采用快速評價方法驗證冷卻液沸騰傳熱狀態下的冷卻性能具有重要意義。

在熱處理工藝中，熱的金屬浸入冷卻介質后發生沸騰傳熱，與發動機缸蓋和缸體部分水腔的沸騰傳熱狀態類似。因此，為快速評價冷卻液在沸騰傳熱狀態下的冷卻性能，為發動機冷卻水腔設計提供參考，本文參考GB/T 30823—2014《測定工業淬火油冷卻性能的鎳合金探頭試驗方法》規定的淬火介質冷卻特性檢測方法[5-6]，即冷速測定試驗對比研究6種不同添加劑類型及含量冷卻液的冷卻性能。通過對冷卻液和乙二醇水溶液進行冷速試驗測試，比較在不同樣品中冷卻時探頭溫度達到T=200 ℃時所對應的時間以及冷卻過程中樣品最大冷速來判斷不同添加劑類型冷卻液在高溫沸騰狀態下的冷卻性能，同時研究冷卻液添加劑含量對冷卻性能的影響規律。

2 冷速試驗

2.1 試驗裝置和樣品

2.1.1 試驗裝置

試驗裝置包括分析天平、電熱鼓風干燥箱和冷速試驗裝置。如圖1所示，冷速試驗裝置按照GB/T 30823—2014要求搭建。

2.1.2 試驗樣品

試驗樣品為市面上可收集到的冷卻液產品和實驗室自行配置的體積分數50%的乙二醇水溶液，不同樣品的樣品信息如表1所示。

2.2 試驗方法

2.2.1 冷卻液添加劑含量測試

取500 mL潔凈燒杯，質量為[m1]，取冷卻液200 mL置于燒杯中，燒杯和液體的總質量記為[m2]。將盛有冷卻液的燒杯置于鼓風干燥箱中，干燥一周。水分和揮發物蒸干后，取出燒杯置于干燥器中，待燒杯冷卻至室溫后稱重記為[m3]。計算除去水分和揮發物后冷卻液的添加劑含量，添加劑含量用質量分數M表示：

[M=m3-m1m2-m1×100]% （1）

2.2.2 冷卻液冷卻性能測試

冷速試驗按照GB/T 30823—2014試驗標準要求進行。在試驗開始前打開加熱爐，設置加熱溫度并對探頭進行加熱，通常，加熱溫度應高于探頭實際使用溫度；使用高硼硅材質燒杯作為容器盛裝1 000 mL待測試樣并加熱，待樣品溫度和探頭溫度達到試驗要求溫度時進行后續測試。試驗要求溫度為90 ℃，對應冷卻液的實際使用溫度；探頭的試驗要求溫度為450 ℃，對應冷卻液的使用溫度上限值。每種冷卻液樣品進行3次平行試驗測定，以確保準確度和可重復性。測試時，使用恒溫電加熱器確保冷卻液溫度始終維持在實際使用溫度，將探頭豎直插入盛有冷卻液的燒杯中，利用實時測量系統輸出探頭在冷卻液樣品中冷卻的實時溫度，經過處理后得到冷速-時間曲線。

試驗結束后，通過分析溫度-時間曲線，得到探頭在不同冷卻液中冷卻時探頭溫度達到T=200 ℃時所對應的時間，同時分析冷速-時間曲線得到冷卻過程中探頭的最大冷速，不同類型的冷卻液在高溫沸騰狀態下對探頭的冷卻性能。探頭溫度達到T=200 ℃時所對應的時間越短、冷卻過程中探頭的最大冷速越大，冷卻液在高溫沸騰狀態下對探頭的冷卻性能越好。

為了比較不同添加劑配方類型冷卻液的冷卻效果，先選取非離子型冷卻液A、混合型冷卻液C和離子型冷卻液E共3種不同添加劑配方類型的冷卻液和無任何添加劑的樣品G進行冷速試驗測試，從而比較其冷卻性能。為了比較不同添加劑含量對冷卻液冷卻性能的影響，選取非離子型冷卻液A和B、混合型冷卻液C和D以及離子型冷卻液E和F共6種不同添加劑含量的冷卻液進行冷速試驗，從而得出冷卻液添加劑含量與冷卻性能之間的關系。

3 試驗結果

3.1 不同添加劑類型冷卻液的冷卻性能

對冷卻液A、C、E和50%乙二醇水溶液G進行冷卻性能測試，測試結果如圖2、圖3、表2所示。

從表2中可以看出，針對冷卻液A、C、E和50%乙二醇水溶液G，冷卻過程中探頭溫度達到200 ℃時所需的時間由長到短依次為Egt;Ggt;Cgt;A，冷卻過程中探頭的最大冷速由快到慢依次為Agt;Cgt;Ggt;E。其中冷卻液A所需的時間最短，為6.1 s，且最大冷速最大，為60 ℃/s，因此冷卻液A的冷卻性能最好；冷卻液E所需的時間最長，為22.9 s，且最大冷速最小，為37 ℃/s，因此冷卻液E的冷卻性能最差。

綜上所述，不同添加劑配方類型的冷卻液冷卻性能不同，非離子型冷卻液冷卻性能最優，其次是混合型冷卻液和50%乙二醇水溶液，離子型冷卻液的冷卻性能最差。

3.2 不同添加劑含量類型冷卻液的冷卻性能

對A、B、C、D、E、F共6種不同添加劑含量的冷卻液進行測試。由表1可以看出，離子型冷卻液的添加劑含量最高，非離子型冷卻液的含量最低。

如圖4所示，冷卻液冷卻曲線分為3個階段，分別是蒸汽膜階段（ab段）、沸騰階段（bc段）和對流冷卻階段（cd段）[7]。本文討論的沸騰傳熱狀態對應前2個階段，即ab段、bc段。影響ab段、bc段液體傳熱的因素有很多，包括比熱容、導熱系數以及蒸汽壓等。由于上述溶液冰點基本相同，且均以乙二醇和水為基液，表明乙二醇濃度相近，比熱容、導熱系數等物性參數基本相同，因此主要影響因素為液體的蒸汽壓[8]。

對A、B、C、D、E、F共6種不同添加劑含量的冷卻液進行冷卻性能測試，測試結果，如圖5～圖8所示為不同添加劑含量樣品的溫度-時間曲線，如圖6所示。

從圖7中可以看出，冷卻過程中探頭溫度達到200 ℃時所需的時間由短到長依次為Alt;Blt;Clt;Dlt;Glt;Elt;F。由圖8可知，隨著樣品添加劑含量的增大，冷卻過程中樣品的最大冷速整體呈現先增大后減小的趨勢，由快到慢依次為Agt;Cgt;Dgt;Bgt;Ggt;Egt;F。A所需的冷卻時間最短，為6.1 s，且最大冷速最大，為60 ℃/s；F所需的冷卻時間最長，為26.8 s，且最大冷速最小，為35 ℃/s。同時由圖5可以看出，隨著添加劑含量的增大，6種冷卻液樣品蒸汽膜階段的持續時間逐漸增長，沸騰階段的起始溫度逐漸降低，二者都不利于冷卻液對探頭的冷卻。

綜上，對于含有添加劑的冷卻液，添加劑的含量越低，冷卻液的冷卻性能越好。

根據拉烏爾定律，與純溶劑相比，溶質含量越高，溶液的蒸汽壓越低。較低添加劑含量的冷卻液蒸汽壓大，容易蒸發形成氣泡，不僅縮短了蒸汽膜階段的持續時間，還使冷卻液提早進入沸騰階段。液體與探頭表面直接接觸并不斷汽化，同時利用氣泡帶走熱量，由于沸騰階段有較高的傳熱系數，因此冷卻液的冷卻性能好。

由表1的樣品添加劑含量關系和圖7冷卻時間與樣品添加劑含量關系可直觀看出，由于低的添加劑含量，非離子型冷卻液的冷卻性能最優；離子型冷卻液由于高的添加劑含量導致其冷卻性能較50%乙二醇水溶液有所下降。表3所示為探頭在B、D、F這3種不同添加劑含量樣品中冷卻時，探頭溫度達到T=200 ℃時所對應的時間以及冷卻過程中探頭的最大冷速。

[表3 不同樣品的冷卻時間和最大冷速 樣品編號 冷卻時間/s 最大冷速

/℃·s-1 B 10.6 44 D 14.2 55 F 26.8 35 ]

4 結束語

本文通過冷速試驗對比了不同冷卻液的冷卻性能，結果顯示，所選冷卻液樣品中非離子型冷卻液的冷卻性能最好，其次是混合型冷卻液，離子型冷卻液的冷卻性能最差。對于含有添加劑的冷卻液，添加劑的含量越低，冷卻液可由蒸汽膜階段更早進入沸騰階段，冷卻液的冷卻性能越好。由于添加劑含量低，非離子型冷卻液的冷卻性能最優；離子型冷卻液由于高的添加劑含量導致其冷卻性能較50%乙二醇水溶液有所下降。

為滿足更高熱負荷的發動機開發需求，需要提高冷卻液在沸騰狀態下的冷卻性能，即在滿足抗腐蝕性要求前提下，開發非離子型低添加劑含量冷卻液。

參考文獻：

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