1、防爆膠輪車柴油發動機散熱器的設計煤炭科學研究總院太原分院 焦高榮摘 要 散熱器設計合理，不僅可以提高發動機的效率，還可增加其使用壽命。著重介紹了散熱器的結構設計及計算方法,并根據防爆膠輪車的工況，用實例作了進一步的說明。關鍵詞 柴油發動機 散熱器 設計 保護措施 0 引言隨著膠輪運輸技術與裝備的系列化和產業化，現代化新建礦井多數選用無軌膠輪車進行輔助運輸。無軌膠輪車采用防爆柴油機作為動力源。由于井下環境的特殊性，柴油機常出現過熱現象，究其原因與散熱器的設計計算不合理有很大關系。因此，依據特殊工況對防爆膠輪車柴油機散熱系統的正確計算尤為重要。1 主要特征現代柴油發動機由于壓縮比越來越高，與高溫燃

2、氣相接觸的零件受到強烈的加熱，如不加以適當的冷卻，會使發動機過熱，充氣系數下降，燃燒出現早燃、爆燃，機油變質，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，加重對機件特別是汽缸壁的腐蝕磨損，同樣對發動機不好。隨著發動機轉速、功率和熱負荷的不斷提高，一個良好的冷卻系統愈來愈重要。1.1 散熱器的分類散熱器按芯部結構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。管片式結構由于剛

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雜。管帶式結構剛度和強度不如管片式，空氣阻力較大，但散熱能力高，效果好，零件數少，制造工藝簡單，所以管帶式在新型汽車上應用愈來愈多。1.2 散熱器的選型散熱器作為發動機強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 散熱器的設計散熱器的設計以符合發動機在正常工作范圍的散熱量需要設計，同時，應滿足車輛安裝需求的最小空間和維護方便等內容綜合考慮。2.1 散熱器的設計要求1）散熱能力能滿足發動機在各種工況下的需要

4、；2）冷卻系統消耗功率小，且熱機快；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 散熱器的結構散熱器俗稱水箱，它主要由上貯水箱、下貯水箱、散熱器芯和護風圈組成，此外還有上下進出水口、放水口、放氣孔和補水口等。如圖1所示 1-進水口 2-上水室 3-放氣孔 4-補水口5-護風圈 6-放水口 7-下水室 8-出水口 圖1 散熱器結構示意圖2.3 理論依據及計算方法散熱器的計算程序根據熱平衡試驗的數據或經驗公式而來,下面具體闡述。1）散入冷卻系統的熱量Qw。Qw受許多復雜因素的影響，很難精確計算，可以用下列經驗公式估算：Qw=AgeNehn/3600，kj/s 式中：

5、A傳給冷卻系統的熱量占燃料熱能的百分比，一般取0.180.25；ge發動機燃料消耗率，一般取0.2100.270 kg/(kW.h)；Ne發動機功率，kW；hn燃料低熱值，一般取41870 kj/kg。2）冷卻水的循環量Vw。 Vw= Qw/twwcw，m3/s 式中：tw冷卻水在發動機中循環時的容許溫升，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的熱量Qw。Va= Qw/taacp，m3/s 式中：ta空氣經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）設計散熱器的芯部：以管片式為例進行設計。管片式散熱器的評價參數主要有傳熱系數和空氣阻力兩項。傳熱系數受散熱器芯部結構、水管中水流速度、通過散熱器的空氣流速、管片的材質及制造質量的影響；空氣阻力主要取決于散熱器芯部的結構和尺寸。當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，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，我國散熱器標準規定為2.2 ×19 mm，考慮到井下水質較硬，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，排數礦山車一般取37排，但考慮排數增多進氣阻力相應增大，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；可根據車速來計算。6）散熱器的高度h和寬度b。根據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，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散熱器的進水溫度，取95100；ta1散熱器冷卻空氣的進口溫度，取40tw散熱器冷卻水的進出口溫差（即冷卻水在發動機中循環時的容許溫升），取612；ta散熱器冷卻空氣的進出口溫差，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，一般取1.11.15。計算結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，一般取=5001000m2/m3，對于選定的芯部結構，它是一個定值。3 實例計算以WqC3J防爆膠輪車為例。1）發動機功率為83kW，ge取0.25，A取0.23，代入(1）式，則散入冷卻系統的熱量Qw=55.51kj/s；2）tw取10，代入(2)式，則冷卻水的循環量Vw=0.0013m3/s；3）空氣經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=0.580m；5）傳熱系數KR取0.08kj/m2.s.，

11、散熱器的進水溫度tw1取95，ta1取40，冷卻水在發動機中循環時的容許溫升tw取10，散熱器冷卻空氣的進出口溫差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系。使用時應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