水溫和流速對內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器管路解凍過程的影響_圖文

1、檵檵檵檵檵檵檵檵試驗(yàn)·檵檵檵檵檵檵檵檵研究水溫和流速對內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器管路解凍過程的影響【俄】摘要：為滿足鐵路運(yùn)輸對可靠性、經(jīng)濟(jì)性的要求，俄羅斯正研制帶“干燥”式散熱器的內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)。本文介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)；“干燥”式散熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；干燥原理；計(jì)算方法交通技術(shù)的發(fā)展與可靠性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)密不可分。在遵行這些指標(biāo)的同時，冷卻裝置應(yīng)在任一環(huán)境溫度下以及內(nèi)燃機(jī)車動力裝置的任何負(fù)載條件下都能保持柴油機(jī)所需要的工況。內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行特點(diǎn)是，柴油機(jī)在65%的時間里處于無負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，其能量只消耗于自身需要和輔助裝置的驅(qū)動。冷

2、卻風(fēng)扇不工作時，由于冷卻系統(tǒng)管路過長、散熱器散熱表面積過大，冷卻水的熱量因自然對流而急劇散失。寒冷季節(jié)載熱體溫度過低會導(dǎo)致機(jī)械損失增大。目前俄羅斯正在研制帶“干燥”式散熱器的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠在不同氣候條件以及內(nèi)燃機(jī)車動力裝置不同負(fù)載條件下保持柴油機(jī)內(nèi)所需的水溫。帶“干燥”式散熱器的內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)與帶蓄熱裝置的冷卻系統(tǒng)屬于同一類型。與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比，前者的主要優(yōu)勢在于，在柴油機(jī)停機(jī)時能夠通過將冷卻水注入膨脹水箱來保持內(nèi)燃機(jī)車長達(dá)8h 的熱機(jī)狀態(tài)（柴油機(jī)不工作）。俄羅斯正計(jì)劃采用雙回路型式的帶“干燥”式散熱器的冷卻系統(tǒng)。第1回路和第2回路的膨脹水箱應(yīng)分開，因?yàn)榈?回路冷卻水（

3、用于冷卻增壓空氣和在油-水熱交換器內(nèi)冷卻油底殼機(jī)油）的溫度明顯低于第1回路，這樣首先就能夠保證柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)工況。雙回路封閉式帶干燥散熱器冷卻系統(tǒng)的工作原理如下：柴油機(jī)起動時（圖1），冷卻液體從第1冷卻回路的熱水箱3內(nèi)流入該回路水泵4的進(jìn)水管，然后流進(jìn)柴油機(jī)。冷卻液體從柴油機(jī)流入第 1圖1帶蓄熱裝置的內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)雙回路水空氣冷卻系統(tǒng)示意圖1水-空氣散熱器；2空氣管路；3熱水箱；4第1、2冷卻回路水泵；5油-水熱交換器；6增壓空氣冷卻器；7旁通管。回路的散熱器組1，同時將該散熱器組中的空氣經(jīng)通風(fēng)管2而擠出，通風(fēng)管位于散熱器頂點(diǎn)，與第121國外內(nèi)燃機(jī)車2012年第1期（總第421期）回路的熱水箱相

4、連。液體在冷卻的同時經(jīng)第1回路水泵的進(jìn)水管沿著管道流回柴油機(jī)。第2回路的冷卻液體從熱水箱流入第2回路水泵的進(jìn)水管。然后液體經(jīng)增壓空氣冷卻器6和油-水熱交換器5的散熱器組流入第2回路的散熱器組中，并將該散熱器組中的空氣經(jīng)過通風(fēng)管2而擠出。該通風(fēng)管位于散熱器頂點(diǎn)，與第2回路的熱水箱相連。液體在冷卻的同時返回第2回路水泵的進(jìn)水管。柴油機(jī)停機(jī)后，冷卻系統(tǒng)內(nèi)的水在系統(tǒng)中空氣余壓的作用下，經(jīng)熱水箱與兩個回路水泵進(jìn)水管之間的連接管路從散熱器流入相應(yīng)回路的熱水箱。熱水箱內(nèi)的空氣經(jīng)通風(fēng)管進(jìn)入相應(yīng)回路的散熱器中。為保證柴油機(jī)停機(jī)時冷卻水能夠從散熱器中快速流出，采用旁通管路7，它連接了散熱器管路的進(jìn)、出水口。保證冷

5、卻水快速流出的方法是：用旁通管路斷開水流，并依靠從熱水箱進(jìn)入散熱器頂點(diǎn)的空氣壓力擠出散熱器管路中的水。隨著冷卻液體充滿熱水箱，熱水箱中的空氣被排入到散熱器中。使內(nèi)燃機(jī)車能夠長時間停車（達(dá)8h ）的條件是，減少機(jī)車車頂和側(cè)壁的熱損失以及保證門、窗、百葉窗等其他裝置的密封性和保暖性。為此，機(jī)車車頂和側(cè)壁隔熱裝置的傳熱系數(shù)不得超過1. 8W /（m 2·K ）1。機(jī)車長時間停車時，散熱器管路的溫度會與周圍環(huán)境的溫度相同。在這種情況下，需要確定冷卻水的參數(shù)（在管內(nèi)的流速、機(jī)車停車時熱水箱內(nèi)的最低溫度），并計(jì)算出能夠?qū)⑺斔椭辽崞鞑⒃诓裼蜋C(jī)起動過程中防止其凍結(jié)所需的散熱器的最大長度?，F(xiàn)在來研

6、究一下影響冷卻管內(nèi)載熱體傳送的主要指標(biāo)，這些指標(biāo)可以根據(jù)熱傳導(dǎo)方程來計(jì)算：Q =G C t =（t t ）（1）式中：G 流經(jīng)管道的水量，kg /s；C 水的熱容量，kJ /（kg · ）；t 冷卻器內(nèi)的算術(shù)平均溫差， ；水到管路金屬的散熱系數(shù)，W /（m 2· ）；水管內(nèi)徑圓周長，m ；t 和t 水和管路金屬的對應(yīng)實(shí)時溫度， 。通常將管路長度設(shè)為不定值d x ，但是，若取其有限長度，使x =1，則可得有限長度管路金屬的溫度方程式為2：t =t +t expG C M C l 1expGC M C (x 1（2）式中：t 管路入口處熱水溫度， ；管內(nèi)水的流速，m /s；C

7、管路金屬的熱容量kJ /（kg · ）；l 管路長度，m ；M 根據(jù)長度換算的管路金屬重量，kg 。若知道熱水流過時散熱器管路金屬的溫度，則可得出管路出口處的水溫。散熱器管路出口處的水溫與管路長度間的關(guān)系如圖2所示。若管路長度增大，則水與管壁接觸的時間增加，這會使得載熱體的溫度降低。通過分析圖2函數(shù)t =f （l ）可知，管路最大長度為4m 不會導(dǎo)致水凍結(jié)（計(jì)算時未考慮冷卻液體的凍結(jié)熱）。然而若繼續(xù)增大管路長度、降低蓄熱箱內(nèi)高溫載熱體的溫度，則會導(dǎo)致管路出口處的水溫降為零下 。圖2散熱器管路出口處載熱體溫度降低與管路長度增加的關(guān)系圖（散熱器入口處載熱體溫度為+65 ，管路金屬的溫度為

8、：120 ；230 ；340 ）散熱系數(shù)與出口處水溫有關(guān)：=Nu d （3）式中：Nu 努謝爾數(shù)；水的導(dǎo)熱系數(shù)，W /（m 2·K ）；d 水力直徑，m 。散熱器管出口處的水溫取決于水的導(dǎo)熱系數(shù)、管的水力直徑和雷諾數(shù)。在湍流工況下，液體內(nèi)的31國外內(nèi)燃機(jī)車2012年第1期（總第421期）熱傳遞主要是通過混流來實(shí)現(xiàn)的。此時混流過程強(qiáng)烈，致使液流中心截面處的水溫基本固定，只有表面薄層內(nèi)的水溫會發(fā)生急劇變化。平均散熱量的計(jì)算關(guān)系式為3：Nu =0021Re 08Pr 043Pr Pr _(025·1（4）式中：Re 水的雷諾數(shù)；Pr 平均水溫下的普朗特?cái)?shù)；Pr _散熱器管壁實(shí)際溫

9、度下的普朗特?cái)?shù)；1管路全長放熱系數(shù)平均變化的計(jì)算系數(shù)。散熱系數(shù)取決于載熱體的流速（由其流量決定）、物理參數(shù)和冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為預(yù)防冷卻器管路凍結(jié)，載熱體應(yīng)為湍流狀態(tài)，與冷卻水的流速（不小于0. 6m /s）相符。結(jié)論：文中所述設(shè)計(jì)方案能夠在柴油機(jī)停機(jī)時保持載熱體的溫度，從而提高內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。該冷卻系統(tǒng)的散熱器將采用模塊式結(jié)構(gòu)，管路長度不超過4m 。建議在北緯低溫地區(qū)運(yùn)行的新造或改造內(nèi)燃機(jī)車上應(yīng)用此種冷卻系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1：，19882862：，19823203，：，1989276譯自2011，1 ，37 39譯者田睿校者檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷

10、檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷張兆平布良斯克機(jī)械制造廠為烏蘭巴托鐵路公司提供5臺18型調(diào)車內(nèi)燃機(jī)車圖118型內(nèi)燃機(jī)車布良斯克機(jī)械制造廠是俄羅斯運(yùn)輸機(jī)械控股公司的一家子公司。2010年10月28日，俄羅斯運(yùn)輸機(jī)械控股公司與烏蘭巴托鐵路公司簽署了一份調(diào)車內(nèi)燃機(jī)車的供貨合同。該合同旨在執(zhí)行俄羅斯運(yùn)輸機(jī)械控股公司董事會主席勃卡列夫、俄羅斯鐵路公司總裁亞庫寧與烏蘭巴托鐵路公司于2009年8月25日簽署的一份機(jī)車領(lǐng)域合作備忘錄，即為烏蘭巴托鐵路公司提供現(xiàn)代化高效機(jī)車以保證其車隊(duì)的發(fā)展。18型內(nèi)燃機(jī)車的司機(jī)室經(jīng)改造后裝有2個電控操縱臺，包括照明、風(fēng)扇和空氣調(diào)節(jié)在內(nèi)的微氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)，微機(jī)控制、診斷系統(tǒng)和電阻制動裝置。采用電加熱玻璃和塑料內(nèi)蒙皮。與18型內(nèi)燃機(jī)車等舊型號機(jī)車相比，18型內(nèi)燃機(jī)車能夠節(jié)約燃油（達(dá)17t /年）并減少其他運(yùn)行費(fèi)用。布良斯克機(jī)械制造廠總經(jīng)理阿納托利·扎達(dá)洛日內(nèi)強(qiáng)調(diào)說，所有為蒙古生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)車均通過" 熱態(tài)試運(yùn)行" ，即在俄羅斯鐵路公司的實(shí)際線路上進(jìn)行