XM1800型鋼軌銑磨車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)

張宗濤

(昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司，云南昆明 650215)

XM1800型鋼軌銑磨車由昆明中鐵集團(tuán)公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)銑、磨企業(yè)共同研發(fā)，具有高效、環(huán)保的特點(diǎn)。XM1800型鋼軌銑磨車的動(dòng)力系統(tǒng)選用了卡特彼勒的3512B工業(yè)用機(jī)，采用了雙泵雙回路冷卻系統(tǒng)，冷卻水箱需要昆明中鐵獨(dú)立選型。本文就3512B發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)散熱面積進(jìn)行核算，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水箱的配套參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 散熱水箱散熱面積計(jì)算

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱原始數(shù)據(jù)

本方案采用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為CAT 3512B工業(yè)機(jī)，額定功率為1 124 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，結(jié)合本項(xiàng)目，工作轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，相應(yīng)間歇功率為1 019 kW，相應(yīng)的散熱功率見(jiàn)表1，水泵的外阻與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2、表3。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱功率 kW

表2 中冷水泵外阻與流量

表3 高溫水泵外阻與流量

1.2 中冷(LTC)散熱面積計(jì)算

根據(jù)表1可知，中冷的散熱功率為254 kW?？紤]10%的裕度，取中冷散熱功率Pl=254×(1+0.1)=279.4 kW。相應(yīng)水泵外阻選取3.5 m，壓力相當(dāng)于35 kPa，對(duì)應(yīng)水流量 qwl=360 L/min≈6 kg/s，發(fā)動(dòng)機(jī)中冷出水溫度設(shè)計(jì)值取TWl1=70℃，則有熱量公式

式中:Q為熱量，kJ;c為冷卻介質(zhì)的比熱容，kJ/(kg·℃);m為介質(zhì)質(zhì)量，kg;ΔT為介質(zhì)溫度差，℃。

式(1)等價(jià)于公式

式中:qwl為冷卻液流量，kg/s;cw=3.3 kJ/(kg·℃);ΔTwl=Twl2－Twl1，則冷卻液冷卻后的溫度

此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)中冷冷卻液相應(yīng)熱量將由風(fēng)扇吹動(dòng)空氣帶走，對(duì)于散熱空氣而言有

式中:ca為空氣比熱容，kJ/(kg·℃);qa為空氣流量，kg/s;ΔTal為中冷散熱前后空氣溫度差，℃;Tal1，Tal2分別為中冷散熱后、散熱前的空氣溫度，℃。

由于Tal2=40℃(環(huán)境設(shè)定溫度)，ca=1.004 16 kJ/(kg·℃)，qa=1.1 ×34.94=38.434 kg/s(選定的冷卻風(fēng)扇對(duì)于冷卻水箱分配的冷卻空氣流量)，故可得

中冷冷卻系統(tǒng)的液氣平均溫差ΔTl為

式中:ΔTlmax=Twl1－Tal2;ΔTlmin=Twl2－Tal1;φ為平均溫差修正系數(shù)，此處取1.1。

將已知參數(shù)帶入式(4)可得ΔTl≈19.12℃。

散熱面積S計(jì)算公式為

式中:P為散熱功率，對(duì)于中冷散熱取279.4 kW;ΔT為相應(yīng)的液氣平均溫差，這里為19.12℃;U為散熱系數(shù)，取 200 kJ/(m2·h·℃)=1/18 kW/(m2·s·℃)。

將上述數(shù)值帶入式(5)可得中冷散熱器所需要的最小散熱面積SLTC為

1.3 高溫(HTC)散熱面積計(jì)算

根據(jù)表1可知，高溫散熱功率為464 kW，考慮10%的裕度，取高溫散熱功率Ph=464×(1+0.1)=510.4 kW。相應(yīng)水泵外阻換算為35 kPa，對(duì)應(yīng)水流量qwh=1 500 L/min≈25 kg/s，發(fā)動(dòng)機(jī)高溫出水溫度設(shè)計(jì)值取Twh1=95℃，則高溫散熱功率Ph計(jì)算公式為

式中:qwh為冷卻液流量，kg/s;cw=3.3 kJ/(kg·℃);ΔTwh=Twh2－Twh1。

冷卻液冷卻后的溫度為

發(fā)動(dòng)機(jī)高溫冷卻液相應(yīng)熱量將由風(fēng)扇吹動(dòng)空氣交換帶走，對(duì)于散熱空氣，有

式中:ΔTah為高溫散熱前后空氣溫度差，℃;Tah1，Tah2分別為高溫散熱后、散熱前的空氣溫度，℃。

由于高溫水箱與中冷水箱為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故中冷的空氣出風(fēng)溫度即為高溫的進(jìn)風(fēng)溫度，即Tah2=Tal1=47.24℃，故可得

高溫冷卻系統(tǒng)的液氣平均溫差ΔTh［2-3］為

式中:ΔThmax=Twh1－Tah2;ΔThmin=Twh2－Tah1;φ為平均溫差修正系數(shù)，此處取1.01。

將上述各值帶入式(9)可得ΔTh≈37.95℃。

對(duì)于高溫散熱，Q為510.4 kW，ΔT為37.95℃，U為 200 kJ/(m2·h·℃)=1/18 kW/(m2·s·℃)，可得高溫散熱器所需要的最小散熱面積SHTC為

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算可知，本方案采用的3512B柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水箱中冷和高溫時(shí)最小散熱面積分別為263.03 m2，242.1 m2。

對(duì)于水箱的選型，考慮到水箱的結(jié)構(gòu)、工藝、通風(fēng)狀況等，在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上需乘以一個(gè)1～2的系數(shù)。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，本方案采用的水箱中冷及高溫的散熱面積統(tǒng)一定為313.75 m2，可滿足整個(gè)冷卻系統(tǒng)的散熱要求。

［1］余建祖.換熱器原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天出版社，2006.

［2］李登龍，繆平.讓你的發(fā)動(dòng)機(jī)“冷靜”下來(lái)［J］.現(xiàn)代零部件，2007(1):25-27.

［3］鄒軍，楊會(huì)濱.CKD0型機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2007(8):16-19.