某發(fā)動機試驗室循環(huán)水系統(tǒng)設計

蘭炳華

(中國汽車工業(yè)工程公司 機械工業(yè)第四設計研究院上海設計院，上海 200437)

發(fā)動機試驗臺架一般會用到水冷卻系統(tǒng)，發(fā)動機試驗設備的冷卻水系統(tǒng)需要供給水量、溫度和壓力合適的冷卻水，以保證有足夠的冷卻水流過試驗設備，達到要求的冷卻能力。根據(jù)發(fā)動機種類及功率的不同所需要的冷卻用水量不同，本文就其中一種柴油發(fā)動機試驗所采用的循環(huán)水系統(tǒng)作簡單介紹。

1 工程概況

本工程為華東某市的柴油發(fā)動機臺架試驗室，主要用于測試發(fā)動機的性能。本試驗室共有26間發(fā)動機試驗間和一條中間過道，一期工程為16臺架，其余為維修間和特殊儀器間;二期工程時總數(shù)到26臺架，在一期設計時應預留二期的循環(huán)水量、冷卻塔位置、荷載等。

2 系統(tǒng)介紹

發(fā)動機試驗循環(huán)水主要用于水力測功器、發(fā)動機、中冷器、機油恒溫系統(tǒng)的冷卻，各設備對循環(huán)水溫度要求不同，水力測功器、中冷器、機油恒溫系統(tǒng)的進水溫度約為32℃，出水不大于50℃;發(fā)動機測試時要求進水溫度約70℃，出水溫度不高于85℃，發(fā)動機自帶100 L的水箱，水箱設有溫度感應器、液位計、電磁閥、加熱器(為成套產(chǎn)品)。此系統(tǒng)選擇開式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，原理圖如圖1所示。

2.1 水力測功器循環(huán)水

圖1 發(fā)動機試驗室循環(huán)水系統(tǒng)原理圖

試驗中發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩，通過與發(fā)動機相連的水力測功器相平衡而測量。根據(jù)工藝要求，水力測功器的水壓要求穩(wěn)定，需要設置穩(wěn)壓水箱，一般水箱水面至水力測功機機軸中心4 m～5 m即可滿足要求，水箱容積根據(jù)工藝要求，每臺測功機約需要0.8 m3～1 m3水。為了保證供水水頭，將穩(wěn)壓水箱設在二樓，水箱設置相應的進出水管道及閥門。循環(huán)水經(jīng)泵房內(nèi)變頻供水泵組將水補充進水箱，水箱出水管與測功機循環(huán)進水管相連，保證供水壓力穩(wěn)定。循環(huán)回水經(jīng)重力流入地下管溝內(nèi)的回水干管內(nèi)，設置管道坡度，重力流回高溫水池。

2.2 發(fā)動機循環(huán)水

發(fā)動機試驗時自帶100 L容積的混合水箱，發(fā)動機內(nèi)的水管與混合水箱之間連通。當混合水箱內(nèi)的水溫度高于85℃時，水箱補水電磁閥打開，將32℃的冷卻水補充進水箱，當水箱內(nèi)水溫到達70℃時進水電磁閥關閉，在補水時水箱發(fā)生溢流，溢流水回到循環(huán)回水干管，進入高溫水池。

2.3 中冷器、機油恒溫系統(tǒng)循環(huán)水

中冷器、機油恒溫系統(tǒng)循環(huán)水的供水由加壓變頻泵組直接供給，冷卻設備后重力回到循環(huán)回水管，進入高溫水池。

2.4 循環(huán)水泵房

循環(huán)水泵房包括高溫水池、低溫水池、循環(huán)泵組、開式冷卻塔、軟化水處理器、全自動自清洗過濾器等。各系統(tǒng)回水均到高溫水池，經(jīng)水泵提升，將池內(nèi)水送入高溫型開式冷卻塔，冷卻塔出水管與低溫水池相連，低溫水池內(nèi)設溢流管，溢流水流入低溫水池。變頻供水泵組將水從低溫水池供到各系統(tǒng)用水點，經(jīng)回水管重新回到高溫水池，完成水系統(tǒng)的循環(huán)。自來水軟化后補入低溫水池。

3 循環(huán)水系統(tǒng)設計

3.1 工藝循環(huán)水要求

3.1.1 水量表

循環(huán)水量表見表1。

表1 循環(huán)水量表

3.1.2 水質(zhì)要求

發(fā)動機冷卻水溫度較高，為防止水結(jié)垢，設置軟化水器對循環(huán)水進行軟化處理，軟化后水的暫時硬度應小于8德國度～10德國度。設置過濾器對懸浮物進行過濾，機械懸浮物應小于25 mg/L。

3.2 計算

3.2.1 水池計算

1)混合水溫計算。

根據(jù)能量守恒:

其中，Q0為期循環(huán)水總量，m3/h;t0為混合水溫度，℃;C為水的比熱，4.187 kJ/(kg·℃);Q1，Q2，Q3，Q4分別為發(fā)動機、測功器、中冷器、機油恒溫一期總水量，m3/h;t1為發(fā)動機出水溫度，℃;t11為發(fā)動機進水溫度，℃;t2為發(fā)動機、測功器、中冷器、機油恒溫出水溫度，℃;t22為發(fā)動機、測功器、中冷器、機油恒溫進水溫度，℃。

計算后得出混合水溫度:t0=63.8℃。

電路采用的超聲波換能器中心頻率為200 kHz左右,所以根據(jù)采樣定理采樣頻率應大于400 kHz,為了保證系統(tǒng)臺階識別的準確性實際應用中AD采樣頻率大于1 MHz即可實現(xiàn)臺階信號采集,不需要采用較高的頻率采集回波信號波形以獲取各個波峰幅值。

2)溢流管計算。

由于受冷卻塔填料能承受的進水最高溫度的限制，需要將冷卻塔進水溫度控制在55℃以下，將低溫水池水補充進高溫水池，使得混合后的水溫滿足要求。考慮安全，設計控制冷卻塔進水溫度為50℃，低溫水池需要溢流進入高溫水池的水量為Q5(m3/h)，低溫水池的水溫為冷卻塔出水溫度t3按32℃，根據(jù)能量守恒:

計算后得出溢流水量Q5=228.8 m3/h。

低溫水池向高溫水池溢流為淹沒出流，假設作用水頭為1 m:

其中，μ為流量系數(shù)，0.62;A為孔口面積，m2;H為作用水頭，m;Q5為溢流水量，m3/s。

圖2 水池剖面圖

3.2.2 補水計算

1)發(fā)動機自帶水箱補水量。

采用水箱與發(fā)動機之間水循環(huán)方式，同時采用加入冷水來降低其溫度時，冷卻水的補水量Q6根據(jù)下式計算:

單臺發(fā)動機100 L水箱補水管應根據(jù)單臺最大小時水量計算。

2)其他系統(tǒng)補水量。

測功器、中冷器、機油恒溫系統(tǒng)的補水量即為開式冷卻塔由于蒸發(fā)、風吹和排污等引起的水量損失，根據(jù)規(guī)范要求計算。

圖3 剖面圖

3.2.3 高、低溫水池

高、低溫循環(huán)水池的有效容積及液位設置應滿足水泵吸水要求及規(guī)范規(guī)定的每小時水泵啟停次數(shù)要求。得出高、低溫水池的有效容積不小于80 m3。設計時考慮在水池上方放置冷卻塔，一期冷卻塔放置在高溫水池頂，二期冷卻塔放置在低溫水池頂，水池的平面尺寸應根據(jù)冷卻塔平面尺寸確定，高溫水池的平面凈尺寸為6 m×7 m，而低溫水池的平面凈尺寸為4.8 m×7 m。為了滿足溢流要求及水泵自吸要求，低溫水池頂高于高溫水池頂，見圖2。

3.3 管道布置

循環(huán)水管道一般要求同程布置，以使各用水點壓力平衡。在此設計中，由于各用水點壓力要求并不一致，且循環(huán)回水為自流式，因此可以采用非同程布置的方式。整個試驗站在南北兩側(cè)設置兩條地下管溝，所有與試驗有關的給排水管道均布置在管溝中，與動力專業(yè)的管道共用支架，具體見圖3。在每個試驗室內(nèi)設置環(huán)形地溝，各種管道也敷設在地溝內(nèi)，地溝內(nèi)靠近地下管溝的一段設置地漏，將溝內(nèi)水排入管溝內(nèi)排水溝中，用潛水泵將溝內(nèi)水提升至污水處理站處理。

4 設計小結(jié)

1)循環(huán)水系統(tǒng)選擇。水冷卻系統(tǒng)是選擇直排還是循環(huán)應根據(jù)系統(tǒng)的用水量、當?shù)氐淖詠硭畠r格等因素確定。循環(huán)水系統(tǒng)采用開式冷卻塔或是閉式冷卻塔應根據(jù)試驗室所在區(qū)域的外部環(huán)境、試驗時工藝對水質(zhì)的要求和甲方的經(jīng)濟承受能力綜合確定。2)水泵。因循環(huán)水回水時溫度較高，從高溫水池抽水的水泵應選用熱水型。循環(huán)供水泵的揚程應根據(jù)幾種設備中揚程要求最高的一種確定。從圖2中可以看出高溫水池液位低于室內(nèi)地坪，當從高溫水池抽水的水泵設置在±0.00的室內(nèi)地坪時，水泵非自灌式吸水，在吸水管上需要增設自吸罐。3)余熱利用。為了節(jié)約能源，循環(huán)水系統(tǒng)多數(shù)情況下可以進行余熱回收利用。在有淋浴用水的時候，可以作為淋浴熱水的熱源，增設板換器、循環(huán)泵、熱水箱等設施即可將高溫水池內(nèi)的水作為熱源。此試驗室附近無淋浴用水而未對循環(huán)水余熱進行回收利用。

［1］［英］A.J.馬特，M.A.普林特.發(fā)動機試驗理論與實踐［M］.宋進桂，于京諾，楊占鵬，等，譯.北京:機械工業(yè)出版社，2009.