一種鐵路工程機(jī)械用四合一散熱器設(shè)計(jì)

何大勇 耿路峰 王印軍 王茂林 周坤

摘 要：為滿足散熱器的緊湊化要求，提出一種四合一散熱器，將冷卻液、增壓空氣、液壓油、燃油的冷卻進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)。以冷卻液散熱器的換熱面積計(jì)算為例進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。首先對(duì)擬散熱量進(jìn)行估算，然后計(jì)算換熱介質(zhì)平均理論溫差，并根據(jù)溫差修正系數(shù)修正理論溫差，接著計(jì)算傳熱系數(shù)，最后得到換熱面積。根據(jù)換熱面積這一關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)制造并進(jìn)行了裝車驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文的四合一散熱器能對(duì)各個(gè)介質(zhì)進(jìn)行有效降溫，各散熱器出口溫度均滿足要求，能夠支持發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)系統(tǒng)正常工作。

關(guān)鍵詞：散熱器;發(fā)動(dòng)機(jī);鐵路;工程機(jī)械;換熱面積

中圖分類號(hào)：U216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著工程機(jī)械行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，鐵路作業(yè)施工的機(jī)械化程度越來(lái)越高，原來(lái)需要大量人力的作業(yè)正逐漸被各種大中小型機(jī)械代替[1-2]。

本公司研發(fā)一款鐵路工程機(jī)械，采用發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、增壓空氣、液壓油、燃油進(jìn)行冷卻。由于車上空間緊湊，因此作為車上重要部件的冷卻系統(tǒng)的體積不能太大。因此，本文進(jìn)行四合一散熱器集成化設(shè)計(jì)研究。

1 散熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

散熱器最重要的參數(shù)就是換熱面積[3]。本節(jié)以該四合一散熱器中冷卻液散熱器的換熱面積計(jì)算為例進(jìn)行說(shuō)明，剩余三個(gè)散熱器可參照本節(jié)進(jìn)行計(jì)算。

1.1 冷卻液散熱量

本文采用五十鈴4JJ1X發(fā)動(dòng)機(jī)，帶渦輪增壓，額定功率73 kW，燃油消耗率211 g/kWh。冷卻液散熱量常采用下式進(jìn)行估算[4]：

式中：為散熱量;為散熱量占燃料總發(fā)熱量的比值;P為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率;q為油耗;Hu為燃料低熱值。

對(duì)，一般為30%～35%，本文取為32.5%;P取為73 kW;q取為210 g/kWh;對(duì)于柴油，Hu取為10.2 kcal/g。可得=50 818.95 kcal/h=59.1 kW。

1.2 換熱介質(zhì)平均理論溫差

（1）進(jìn)入散熱器的冷卻液溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液適宜工作溫度一般為85～95℃，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，選定進(jìn)口溫度=92℃。

（2）流出散熱器的冷卻液溫度。本文發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開(kāi)啟溫度為85℃，以此作為散熱器出口溫度，即=85℃。

（3）進(jìn)入散熱器的空氣溫度。就是環(huán)境溫度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將環(huán)境溫度設(shè)為45℃，即=45℃。

（4）流出散熱器的空氣溫度。

式中：為進(jìn)入散熱器的空氣溫度;為空氣流過(guò)散熱器的溫升，可由下式計(jì)算[5]：

式中：為散熱量;為散熱器芯體的迎風(fēng)面積（m2），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取為0.35 m2[6];為空氣定壓比熱容，取為

0.24 kcal/kg·℃;為散熱器前的空氣流速，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇性能曲線，取為6.38 m/s;為空氣密度，取為

1.093 kg/m3。代入數(shù)據(jù)，得=24.1℃，=45℃+24.1℃

=69.1℃。

1.3 平均溫差修正系數(shù)

需要修正系數(shù)對(duì)平均溫差進(jìn)行修正。修正系數(shù)的大小取決于參數(shù)及。

可得，=0.82，=0.18。查詢文獻(xiàn)[6]，得=0.96。

1.4 平均溫差

平均溫差通過(guò)下式計(jì)算[6]：

式中：為平均溫差修正系數(shù);和分別為兩種流體端部溫差的最大值和最小值。根據(jù)上文數(shù)值，有=92-45=47（K），=85-69.1=15.9（K），得=27.6 K。

1.5 總傳熱系數(shù)

總傳熱系數(shù)分為熱側(cè)和冷側(cè)兩種，均按照下式計(jì)算[7]：

式中：和分別為板片兩側(cè)的傳熱膜系數(shù);和分別為板片兩側(cè)的污垢系數(shù);為板片厚度;為板片導(dǎo)熱系數(shù)。

以熱側(cè)總傳熱系數(shù)為例，對(duì)傳熱膜系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[6]的方法得=361.7 W/（m2·K），=398.1 W/（m2·K）;對(duì)污垢系數(shù)，查詢文獻(xiàn)[7]得==4.5×10﹣5 m2·K/（W）;板片材料選用6063鋁合金，=0.000 8 m，=201 W/（m·K）。因此，熱側(cè)總傳熱系數(shù)=186.2 W/（m2·K），同樣，冷側(cè)總傳熱系數(shù)=65.5 W/（m2·K）。

1.6 換熱面積

散熱器的換熱面積按下式計(jì)算[7]：

式中：為散熱量;為總傳熱系數(shù);為平均溫差。

求得熱側(cè)換熱面積=11.5 m2，冷側(cè)換熱面積=32.7 m2。根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]和市場(chǎng)上物料供應(yīng)，設(shè)計(jì)芯體尺寸為長(zhǎng)×寬×厚=760 mm×440 mm×130 mm，熱側(cè)翅片類型為20JC1402/30，通道數(shù)為34，冷側(cè)翅片類型為95BW2002，通道數(shù)為35。根據(jù)上文方法，得到該四合一散熱器的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1。

2 裝車驗(yàn)證

根據(jù)前文及《NB/T 47006—2019鋁制板翅式熱交換器》，四合一散熱器最終設(shè)計(jì)成如圖1a）所示。按照設(shè)計(jì)模型進(jìn)行制造并進(jìn)行保壓試驗(yàn)，最終將散熱器安裝在研發(fā)的工程車上，見(jiàn)圖1b）。

采用傳感器分別對(duì)該四合一散熱器的進(jìn)口和出口溫度進(jìn)行采集，工作一段時(shí)間后，得到單次測(cè)試結(jié)果。冷卻液散熱器、液壓油散熱器、燃油散熱器、增壓空氣散熱器（中冷器）的進(jìn)口和出口溫度分別為94.7℃、85.5℃，70.2℃、62.1℃，94.3℃、74.7℃，160.8℃、67.7℃，其相應(yīng)的推薦出口溫度范圍分別為85～95℃，≤65℃，70～90℃，≤70℃。可以看到四種散熱器均將各個(gè)介質(zhì)進(jìn)行了有效的降溫，冷卻液、液壓油、燃油和增壓空氣的出口溫度均符合推薦的出口溫度范圍。

綜上，所設(shè)計(jì)的四合一散熱器的性能滿足要求，能夠有效降低其中介質(zhì)的溫度，從而有力地支持發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)系統(tǒng)正常工作，避免因過(guò)熱導(dǎo)致的性能下降。

3 結(jié)論

本文提出一種四合一散熱器，將冷卻液、增壓空氣、

液壓油、燃油的冷卻進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算散熱量、換熱介質(zhì)平均理論溫差、溫差修正系數(shù)、傳熱系數(shù)，得到換熱面積。根據(jù)換熱面積進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)制造并進(jìn)行了裝車驗(yàn)證。結(jié)果表明，該四合一散熱器能對(duì)各個(gè)介質(zhì)進(jìn)行有效降溫，各散熱器出口溫度均滿足要求。該四合一散熱器未來(lái)應(yīng)該在實(shí)際軌道線路上進(jìn)行更多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以進(jìn)一步驗(yàn)證其穩(wěn)定性和耐久性。

參考文獻(xiàn)：

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