防爆胶轮车柴油发动机散热器的设计

1、防爆胶轮车柴油发动机散热器的设计煤炭科学研究总院太原分院 焦高荣摘 要 散热器设计合理，不仅可以提高发动机的效率，还可增加其使用寿命。着重介绍了散热器的结构设计及计算方法,并根据防爆胶轮车的工况，用实例作了进一步的说明。关键词 柴油发动机 散热器 设计 保护措施 0 引言随着胶轮运输技术与装备的系列化和产业化，现代化新建矿井多数选用无轨胶轮车进行辅助运输。无轨胶轮车采用防爆柴油机作为动力源。由于井下环境的特殊性，柴油机常出现过热现象，究其原因与散热器的设计计算不合理有很大关系。因此，依据特殊工况对防爆胶轮车柴油机散热系统的正确计算尤为重要。1 主要特征现代柴油发动机由于压缩比越来越高，与高温燃

2、气相接触的零件受到强烈的加热，如不加以适当的冷却，会使发动机过热，充气系数下降，燃烧出现早燃、爆燃，机油变质，零件磨损加剧，动力性、可靠性和耐久性普遍变差。但是，过度的冷却，则会使柴油机工作粗暴，同样加剧零件磨损，耗油量增加，燃烧后生成物中的水蒸气易冷凝成水与酸性气体等形成酸类，加重对机件特别是汽缸壁的腐蚀磨损，同样对发动机不好。随着发动机转速、功率和热负荷的不断提高，一个良好的冷却系统愈来愈重要。1.1 散热器的分类散热器按芯部结构分管片式和管带式两种。散热器水管一般都是扁平形，以减小空气阻力，增加传热面积，减小冻裂的危险。管外的大量散热片或散热带是为了增加对空气的传热面积。管片式结构由于刚

3、度好、耐压高，目前被广泛采用，它的缺点是制造工艺比较复杂。管带式结构刚度和强度不如管片式，空气阻力较大，但散热能力高，效果好，零件数少，制造工艺简单，所以管带式在新型汽车上应用愈来愈多。1.2 散热器的选型散热器作为发动机强制闭式水冷系中重要的一个组成部件，其作用是将冷却水所含的热量传散给周围的空气，使冷却水的温度得以降低，其重要性不言而喻，国内多用管片式散热器，太原分院防爆胶轮车也采用此类散热器。2 散热器的设计散热器的设计以符合发动机在正常工作范围的散热量需要设计，同时，应满足车辆安装需求的最小空间和维护方便等内容综合考虑。2.1 散热器的设计要求1）散热能力能满足发动机在各种工况下的需要

4、；2）冷却系统消耗功率小，且热机快；3）体积小，重量轻，便于拆装维修；4）使用可靠，寿命长，制造成本低。2.2 散热器的结构散热器俗称水箱，它主要由上贮水箱、下贮水箱、散热器芯和护风圈组成，此外还有上下进出水口、放水口、放气孔和补水口等。如图1所示 1-进水口 2-上水室 3-放气孔 4-补水口5-护风圈 6-放水口 7-下水室 8-出水口 图1 散热器结构示意图2.3 理论依据及计算方法散热器的计算程序根据热平衡试验的数据或经验公式而来,下面具体阐述。1）散入冷却系统的热量Qw。Qw受许多复杂因素的影响，很难精确计算，可以用下列经验公式估算：Qw=AgeNehn/3600，kj/s 式中：

5、A传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，一般取0.180.25；ge发动机燃料消耗率，一般取0.2100.270 kg/(kW.h)；Ne发动机功率，kW；hn燃料低热值，一般取41870 kj/kg。2）冷却水的循环量Vw。 Vw= Qw/twwcw，m3/s 式中：tw冷却水在发动机中循环时的容许温升，一般取612；w水的密度，近似取1000kg/m3；cw水的比热容，可取1 j/(kg .K) 。3）冷却空气的需要量Va。Va一般根据散热器的散热量来确定，散热器的散热量可近似等于散入冷却系统的热量Qw。Va= Qw/taacp，m3/s 式中：ta空气经过散热器前后的温差，通常取1030

6、；a空气的密度，一般取1.01kg/m3；cp空气的定压比热容，取0.25 j/(kg .K)。4）设计散热器的芯部：以管片式为例进行设计。管片式散热器的评价参数主要有传热系数和空气阻力两项。传热系数受散热器芯部结构、水管中水流速度、通过散热器的空气流速、管片的材质及制造质量的影响；空气阻力主要取决于散热器芯部的结构和尺寸。当散热器外形尺寸不变时，增加散热片的间距，可以提高传热系数，但散热片的间距增大后会减少散热面积，间距过小时又会增大空气阻力，所以一般散热片间距取2.54.5mm，考虑到防爆胶轮车主要在井下运行，空气中煤粉较大，易堵塞，一般取较大值45mm；管片式水管的尺寸一般为（23）&#

7、215;（1219）mm，我国散热器标准规定为2.2 ×19 mm，考虑到井下水质较硬，可取3×19 mm，水管常用黄铜或紫铜制造，考虑到有色金属的成本高，水管壁厚取0.10.2mm，散热片厚度为0.060.1mm。管子的排列顺序有顺排、错开排和管子与气流方向成一定角度排列的排列方式，排数矿山车一般取37排，但考虑排数增多进气阻力相应增大，一般取34排为宜。水管横向间距1015mm，纵向间距1525mm。散热器的上下水箱用0.8mm的黄铜或钢皮冲压而成，散热器较大时取1.01.5mm，上水箱高度为60100mm。5）散热器的正面积FR。FR=Va/va，m2 式中：va散热

8、器正面前的空气流速，m/s；可根据车速来计算。6）散热器的高度h和宽度b。根据总体布置确定散热器的高度和宽度。一般先确定高度h，再确定宽度b。b=FR/h，m 7）散热器的水管数i。i=Vw/vwf 式中：f每根水管的横截面积，m2；vw水在散热器水管中的流速，取0.60.8m/s。8）散热器的散热表面积F。F =Qw/KRt，m2 式中：KR 传热系数，一般取0.069 0.117kj/（m2.s.）；t散热器中冷却水和冷却空气的平均温差，t = twta =（tw1tw/2）（ta1ta/2）；tw冷却水的平均温度，tw= tw1tw/2；ta冷却空气的平均温度，ta= ta1ta/2；t

9、w1散热器的进水温度，取95100；ta1散热器冷却空气的进口温度，取40tw散热器冷却水的进出口温差（即冷却水在发动机中循环时的容许温升），取612；ta散热器冷却空气的进出口温差，取1030。9）散热器的实际表面积Fo实际工作时，由于冷却空气流速不可能均匀，以及散热器工作的地方灰尘较大，散热片上会有尘土，这样散热性能就要下降，所以实际选取的散热面积Fo要比理论计算的散热面积F大一些，通常取Fo=F。 （8）其中：为储备系数，一般取1.11.15。计算结果可用散热器的比散热面积来验算，即载重车取Fo/Ne=0.2040.408m2/kW。10）散热器芯部的厚度lR。lR=Fo/FR，m （9

10、）散热器芯的容积紧凑性系数，一般取=5001000m2/m3，对于选定的芯部结构，它是一个定值。3 实例计算以WqC3J防爆胶轮车为例。1）发动机功率为83kW，ge取0.25，A取0.23，代入(1）式，则散入冷却系统的热量Qw=55.51kj/s；2）tw取10，代入(2)式，则冷却水的循环量Vw=0.0013m3/s；3）空气经过散热器前后的温差ta取20，代入(3）式，则冷却空气的需要量Va =2.625m3/s；4）散热器的正面积由式得 FR=0.328m2，考虑到驾驶室座下宽度，取散热器芯宽b=0.556m，则由式得芯高h=0.580m；5）传热系数KR取0.08kj/m2.s.，

11、散热器的进水温度tw1取95，ta1取40，冷却水在发动机中循环时的容许温升tw取10，散热器冷却空气的进出口温差ta取20，散热器的散热表面积由式得F=17.347m2；6）考虑到井下粉尘较大，散热器工作一段时间后散热能力要下降，故储备系数取1.15，则散热器的实际表面积由式（8）得Fo=19.95m2，由公式(9）计算出散热器芯部厚度lR=0.076mm，上下水室高度各取60mm，最后得散热器芯部尺寸为580 mm×566 mm×76mm，散热器外形尺寸为700 mm×596 mm×100mm。4 结语实际使用时，散热器的散热效果及寿命的长短与所注入的冷却水有很大关系。使用时应使用软水而不宜用硬水。所谓硬水即水中含有可溶性钙盐和镁盐，1L水中含有