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

1、檵檵檵檵檵檵檵檵試驗·檵檵檵檵檵檵檵檵研究水溫和流速對內(nèi)燃機車柴油機冷卻系統(tǒng)散熱器管路解凍過程的影響【俄】摘要：為滿足鐵路運輸對可靠性、經(jīng)濟性的要求，俄羅斯正研制帶“干燥”式散熱器的內(nèi)燃機車柴油機冷卻系統(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)的計算方法。關(guān)鍵詞：柴油機冷卻系統(tǒng)；“干燥”式散熱器；結(jié)構(gòu)設計；干燥原理；計算方法交通技術(shù)的發(fā)展與可靠性、經(jīng)濟性指標密不可分。在遵行這些指標的同時，冷卻裝置應在任一環(huán)境溫度下以及內(nèi)燃機車動力裝置的任何負載條件下都能保持柴油機所需要的工況。內(nèi)燃機車的運行特點是，柴油機在65%的時間里處于無負載運轉(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致機械損失增大。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)的特點是能夠在不同氣候條件以及內(nèi)燃機車動力裝置不同負載條件下保持柴油機內(nèi)所需的水溫。帶“干燥”式散熱器的內(nèi)燃機車柴油機冷卻系統(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，在柴油機停機時能夠通過將冷卻水注入膨脹水箱來保持內(nèi)燃機車長達8h 的熱機狀態(tài)（柴油機不工作）。俄羅斯正計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回路的膨脹水箱應分開，因為第2回路冷卻水（

3、用于冷卻增壓空氣和在油-水熱交換器內(nèi)冷卻油底殼機油）的溫度明顯低于第1回路，這樣首先就能夠保證柴油機的經(jīng)濟工況。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的進水管，然后流進柴油機。冷卻液體從柴油機流入第 1圖1帶蓄熱裝置的內(nèi)燃機車柴油機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?；芈返纳崞鹘M1，同時將該散熱器組中的空氣經(jīng)通風管2而擠出，通風管位于散熱器頂點，與第121國外內(nèi)燃機車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回路水泵的進水管沿著管道流回柴油機。第2回路的冷卻液體從熱水箱流入第2回路水泵的進水管。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)過通風管2而擠出。該通風管位于散熱器頂點，與第2回路的熱水箱相連。液體在冷卻的同時返回第2回路水泵的進水管。柴油機停機后，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水管之間的連接管路從散熱器流入相應回路的熱水箱。熱水箱內(nèi)的空氣經(jīng)通風管進入相應回路的散熱器中。為保證柴油機停機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、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，并依靠從熱水箱進入散熱器頂點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)燃機車能夠長時間停車（達8h ）的條件是，減少機車車頂和側(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、機車停車時熱水箱內(nèi)的最低溫度），并計算出能夠?qū)⑺斔椭辽崞鞑⒃诓裼蜋C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，這些指標可以根據(jù)熱傳導方程來計算：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實時溫度， 。通常將管路長度設為不定值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 不會導致水凍結(jié)（計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)燃機車2012年第1期（總第421期）熱傳遞主要是通過混流來實現(xiàn)的。此時混流過程強烈，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數(shù)；Pr _散熱器管壁實際溫

9、度下的普朗特數(shù)；1管路全長放熱系數(shù)平均變化的計算系數(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。為預防冷卻器管路凍結(jié)，載熱體應為湍流狀態(tài)，與冷卻水的流速（不小于0. 6m /s）相符。結(jié)論：文中所述設計方案能夠在柴油機停機時保持載熱體的溫度，從而提高內(nèi)燃機車柴油機冷卻系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。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)運行的新造或改造內(nèi)燃機車上應用此種冷卻系統(tǒng)。參考文獻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)燃機車圖118型內(nèi)燃機車布良斯克機械制造廠是俄羅斯運輸機械控股公司的一家子公司。2010年10月28日，俄羅斯運輸機械控股公司與烏蘭巴托鐵路公司簽署了一份調(diào)車內(nèi)燃機車的供貨合同。該合同旨在執(zhí)行俄羅斯運輸機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日簽署的一份機車領域合作備忘錄，即為烏蘭巴托鐵路公司提供現(xiàn)代化高效機車以保證其車隊的發(fā)展。18型內(nèi)燃機車的司機室經(jīng)改造后裝有2個電控操縱臺，包括照明、風扇和空氣調(diào)節(jié)在內(nèi)的微氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)，微機控制、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)燃機車等舊型號機車相比，18型內(nèi)燃機車能夠節(jié)約燃油（達17t /年）并減少其他運行費用。布良斯克機械制造廠總經(jīng)理阿納托利·扎達洛日內(nèi)強調(diào)說，所有為蒙古生產(chǎn)的內(nèi)燃機車均通過" 熱態(tài)試運行" ，即在俄羅斯鐵路公司的實際線路上進行