防爆膠輪車柴油發(fā)動機(jī)散熱器的設(shè)計

1、防爆膠輪車柴油發(fā)動機(jī)散熱器的設(shè)計煤炭科學(xué)研究總院太原分院 焦高榮摘 要 散熱器設(shè)計合理，不僅可以提高發(fā)動機(jī)的效率，還可增加其使用壽命。著重介紹了散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算方法,并根據(jù)防爆膠輪車的工況，用實例作了進(jìn)一步的說明。關(guān)鍵詞 柴油發(fā)動機(jī) 散熱器 設(shè)計 保護(hù)措施 0 引言隨著膠輪運(yùn)輸技術(shù)與裝備的系列化和產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)代化新建礦井多數(shù)選用無軌膠輪車進(jìn)行輔助運(yùn)輸。無軌膠輪車采用防爆柴油機(jī)作為動力源。由于井下環(huán)境的特殊性，柴油機(jī)常出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，究其原因與散熱器的設(shè)計計算不合理有很大關(guān)系。因此，依據(jù)特殊工況對防爆膠輪車柴油機(jī)散熱系統(tǒng)的正確計算尤為重要。1 主要特征現(xiàn)代柴油發(fā)動機(jī)由于壓縮比越來越高，與高溫燃

2、氣相接觸的零件受到強(qiáng)烈的加熱，如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，會使發(fā)動機(jī)過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒出現(xiàn)早燃、爆燃，機(jī)油變質(zhì)，零件磨損加劇，動力性、可靠性和耐久性普遍變差。但是，過度的冷卻，則會使柴油機(jī)工作粗暴，同樣加劇零件磨損，耗油量增加，燃燒后生成物中的水蒸氣易冷凝成水與酸性氣體等形成酸類，加重對機(jī)件特別是汽缸壁的腐蝕磨損，同樣對發(fā)動機(jī)不好。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和熱負(fù)荷的不斷提高，一個良好的冷卻系統(tǒng)愈來愈重要。1.1 散熱器的分類散熱器按芯部結(jié)構(gòu)分管片式和管帶式兩種。散熱器水管一般都是扁平形，以減小空氣阻力，增加傳熱面積，減小凍裂的危險。管外的大量散熱片或散熱帶是為了增加對空氣的傳熱面積。管片式結(jié)構(gòu)由于剛

3、度好、耐壓高，目前被廣泛采用，它的缺點是制造工藝比較復(fù)雜。管帶式結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度不如管片式，空氣阻力較大，但散熱能力高，效果好，零件數(shù)少，制造工藝簡單，所以管帶式在新型汽車上應(yīng)用愈來愈多。1.2 散熱器的選型散熱器作為發(fā)動機(jī)強(qiáng)制閉式水冷系中重要的一個組成部件，其作用是將冷卻水所含的熱量傳散給周圍的空氣，使冷卻水的溫度得以降低，其重要性不言而喻，國內(nèi)多用管片式散熱器，太原分院防爆膠輪車也采用此類散熱器。2 散熱器的設(shè)計散熱器的設(shè)計以符合發(fā)動機(jī)在正常工作范圍的散熱量需要設(shè)計，同時，應(yīng)滿足車輛安裝需求的最小空間和維護(hù)方便等內(nèi)容綜合考慮。2.1 散熱器的設(shè)計要求1）散熱能力能滿足發(fā)動機(jī)在各種工況下的需要

4、；2）冷卻系統(tǒng)消耗功率小，且熱機(jī)快；3）體積小，重量輕，便于拆裝維修；4）使用可靠，壽命長，制造成本低。2.2 散熱器的結(jié)構(gòu)散熱器俗稱水箱，它主要由上貯水箱、下貯水箱、散熱器芯和護(hù)風(fēng)圈組成，此外還有上下進(jìn)出水口、放水口、放氣孔和補(bǔ)水口等。如圖1所示 1-進(jìn)水口 2-上水室 3-放氣孔 4-補(bǔ)水口5-護(hù)風(fēng)圈 6-放水口 7-下水室 8-出水口 圖1 散熱器結(jié)構(gòu)示意圖2.3 理論依據(jù)及計算方法散熱器的計算程序根據(jù)熱平衡試驗的數(shù)據(jù)或經(jīng)驗公式而來,下面具體闡述。1）散入冷卻系統(tǒng)的熱量Qw。Qw受許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計算，可以用下列經(jīng)驗公式估算：Qw=AgeNehn/3600，kj/s 式中：

5、A傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，一般取0.180.25；ge發(fā)動機(jī)燃料消耗率，一般取0.2100.270 kg/(kW.h)；Ne發(fā)動機(jī)功率，kW；hn燃料低熱值，一般取41870 kj/kg。2）冷卻水的循環(huán)量Vw。 Vw= Qw/twwcw，m3/s 式中：tw冷卻水在發(fā)動機(jī)中循環(huán)時的容許溫升，一般取612；w水的密度，近似取1000kg/m3；cw水的比熱容，可取1 j/(kg .K) 。3）冷卻空氣的需要量Va。Va一般根據(jù)散熱器的散熱量來確定，散熱器的散熱量可近似等于散入冷卻系統(tǒng)的熱量Qw。Va= Qw/taacp，m3/s 式中：ta空氣經(jīng)過散熱器前后的溫差，通常取1030

6、；a空氣的密度，一般取1.01kg/m3；cp空氣的定壓比熱容，取0.25 j/(kg .K)。4）設(shè)計散熱器的芯部：以管片式為例進(jìn)行設(shè)計。管片式散熱器的評價參數(shù)主要有傳熱系數(shù)和空氣阻力兩項。傳熱系數(shù)受散熱器芯部結(jié)構(gòu)、水管中水流速度、通過散熱器的空氣流速、管片的材質(zhì)及制造質(zhì)量的影響；空氣阻力主要取決于散熱器芯部的結(jié)構(gòu)和尺寸。當(dāng)散熱器外形尺寸不變時，增加散熱片的間距，可以提高傳熱系數(shù)，但散熱片的間距增大后會減少散熱面積，間距過小時又會增大空氣阻力，所以一般散熱片間距取2.54.5mm，考慮到防爆膠輪車主要在井下運(yùn)行，空氣中煤粉較大，易堵塞，一般取較大值45mm；管片式水管的尺寸一般為（23）&#

7、215;（1219）mm，我國散熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為2.2 ×19 mm，考慮到井下水質(zhì)較硬，可取3×19 mm，水管常用黃銅或紫銅制造，考慮到有色金屬的成本高，水管壁厚取0.10.2mm，散熱片厚度為0.060.1mm。管子的排列順序有順排、錯開排和管子與氣流方向成一定角度排列的排列方式，排數(shù)礦山車一般取37排，但考慮排數(shù)增多進(jìn)氣阻力相應(yīng)增大，一般取34排為宜。水管橫向間距1015mm，縱向間距1525mm。散熱器的上下水箱用0.8mm的黃銅或鋼皮沖壓而成，散熱器較大時取1.01.5mm，上水箱高度為60100mm。5）散熱器的正面積FR。FR=Va/va，m2 式中：va散熱

8、器正面前的空氣流速，m/s；可根據(jù)車速來計算。6）散熱器的高度h和寬度b。根據(jù)總體布置確定散熱器的高度和寬度。一般先確定高度h，再確定寬度b。b=FR/h，m 7）散熱器的水管數(shù)i。i=Vw/vwf 式中：f每根水管的橫截面積，m2；vw水在散熱器水管中的流速，取0.60.8m/s。8）散熱器的散熱表面積F。F =Qw/KRt，m2 式中：KR 傳熱系數(shù)，一般取0.069 0.117kj/（m2.s.）；t散熱器中冷卻水和冷卻空氣的平均溫差，t = twta =（tw1tw/2）（ta1ta/2）；tw冷卻水的平均溫度，tw= tw1tw/2；ta冷卻空氣的平均溫度，ta= ta1ta/2；t

9、w1散熱器的進(jìn)水溫度，取95100；ta1散熱器冷卻空氣的進(jìn)口溫度，取40tw散熱器冷卻水的進(jìn)出口溫差（即冷卻水在發(fā)動機(jī)中循環(huán)時的容許溫升），取612；ta散熱器冷卻空氣的進(jìn)出口溫差，取1030。9）散熱器的實際表面積Fo實際工作時，由于冷卻空氣流速不可能均勻，以及散熱器工作的地方灰塵較大，散熱片上會有塵土，這樣散熱性能就要下降，所以實際選取的散熱面積Fo要比理論計算的散熱面積F大一些，通常取Fo=F。 （8）其中：為儲備系數(shù)，一般取1.11.15。計算結(jié)果可用散熱器的比散熱面積來驗算，即載重車取Fo/Ne=0.2040.408m2/kW。10）散熱器芯部的厚度lR。lR=Fo/FR，m （9

10、）散熱器芯的容積緊湊性系數(shù)，一般取=5001000m2/m3，對于選定的芯部結(jié)構(gòu)，它是一個定值。3 實例計算以WqC3J防爆膠輪車為例。1）發(fā)動機(jī)功率為83kW，ge取0.25，A取0.23，代入(1）式，則散入冷卻系統(tǒng)的熱量Qw=55.51kj/s；2）tw取10，代入(2)式，則冷卻水的循環(huán)量Vw=0.0013m3/s；3）空氣經(jīng)過散熱器前后的溫差ta取20，代入(3）式，則冷卻空氣的需要量Va =2.625m3/s；4）散熱器的正面積由式得 FR=0.328m2，考慮到駕駛室座下寬度，取散熱器芯寬b=0.556m，則由式得芯高h(yuǎn)=0.580m；5）傳熱系數(shù)KR取0.08kj/m2.s.，

11、散熱器的進(jìn)水溫度tw1取95，ta1取40，冷卻水在發(fā)動機(jī)中循環(huán)時的容許溫升tw取10，散熱器冷卻空氣的進(jìn)出口溫差ta取20，散熱器的散熱表面積由式得F=17.347m2；6）考慮到井下粉塵較大，散熱器工作一段時間后散熱能力要下降，故儲備系數(shù)取1.15，則散熱器的實際表面積由式（8）得Fo=19.95m2，由公式(9）計算出散熱器芯部厚度lR=0.076mm，上下水室高度各取60mm，最后得散熱器芯部尺寸為580 mm×566 mm×76mm，散熱器外形尺寸為700 mm×596 mm×100mm。4 結(jié)語實際使用時，散熱器的散熱效果及壽命的長短與所注入的冷卻水有很大關(guān)系。使用時應(yīng)使用軟水而不宜用硬水。所謂硬水即水中含有可溶性鈣鹽和鎂鹽，1L水中含有