內燃機車冷卻系統技術改造與研究

馬 龍, 余 敏, 劉 亞

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

內燃機車冷卻系統技術改造與研究

馬 龍, 余 敏, 劉 亞

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

針對現有內燃機車冷卻系統在特殊工況下散熱能力不足的問題,在不改變原有冷卻系統的基礎上增加附加換熱器,經計算分析得出滿足換熱能力和空間尺寸條件的最優參數.并針對主換熱器的不同出水水溫,分析了要保證內燃機進口水溫相對穩定需進入附加換熱器的水流量及該水溫與水流量的關系曲線.新系統在具有線性特性的溫控閥控制下,可實現根據附加換熱器進水溫度對其進水流量的自動調節,確保內燃機車的安全平穩運行.

內燃機車;冷卻系統;附加換熱器;進水溫度;水流量控制

冷卻系統是內燃機車的重要組成部分,其作用是維持最佳工作溫度.但當內燃機車處于溫度較高的環境,如進入隧道及開始爬坡等特殊工況下時,現有內燃機車冷卻系統經常散熱不足,特別是在夏季比較炎熱的城市,最高溫度甚至超過約90℃的警戒溫度,嚴重影響了內燃機車運行的可靠性[1-3].隨著機車向高速、大功率方向的發展,提出新的冷卻方式顯得非常重要.根據內燃機車冷卻系統的具體條件,在保證機車原冷卻系統不變的情況下對其進行改造,研究一個新型方案,解決目前內燃機車出現的問題,以保證使用的安全性和可靠性.

1 方案設計

為滿足特殊工況需求,在原內燃機車通過水冷卻系統帶走熱量約600 kW的基礎上,增加25%～30%的散熱量,即約180 kW,以確保內燃機出口水溫不超出警戒溫度.實踐證明,內燃機工作水溫在80～90℃時內燃機技術性能將維持在最佳狀態,且主換熱器只可為系統降溫10℃,故設定內燃機進口設計水溫為80℃.然而內燃機運行溫度也不可過低,低于40℃時需采用預熱裝置對機油、燃油進行預熱[4],因此,當內燃機出水溫度低于80℃時即不使用附加換熱器.改造后的冷卻系統增加了附加散熱器,同時采用自動調節系統[5]根據主換熱器出水溫度調節進入附加換熱器的水流量,以有效地降低進入內燃機的循環水溫.圖1為改造后的內燃機車冷卻系統.

圖1 改造后的內燃機車冷卻系統Fig.1 Reformed diesel locomotive cooling system

該冷卻系統流程為:從內燃機出來的高溫水進入溫控閥1,當水溫低于70℃時,溫控閥1的副閥門打開,此時循環水全部流入水泵,再被水泵壓入內燃機;當水溫高于80℃時,溫控閥1主閥門打開,水流過主換熱器時,采用風冷冷卻循環水,經一次冷卻的循環水流經溫控閥2時,由水溫的高低來調節主閥門開啟的大小.當主換熱器出水溫度低于80℃時,直接進入水泵;高于80℃時,在溫控閥的控制下冷卻水以一定流量流經附加換熱器,通過風冷降溫后再與旁通的冷卻水混合,最后由水泵壓至內燃機,至此完成一個新的冷卻循環.

2 附加換熱器設計

根據所研究的內然機車技術運行條件,通過內燃機車主換熱器的水流量m=16.7 kg/s,經附加換熱器帶走的熱量Q=180 kW,附加換熱器的設計進口水溫t1=82.6℃,內燃機進口設計水溫t2=80℃.機車在爬坡時車速一般為55 km/h,進入機車百葉窗的空氣流速v大約為15 m/s.附加散熱器的迎風面積A=0.7 m2,空氣的質量流量mc=10.5 kg/s,進口溫度tci=34℃,出口溫度tco=51.2℃.

2.1 附加換熱器的選型

原內燃機車冷卻系統的主體換熱器為板翅式換熱器,系統改造的任務是在該主體換熱器的基礎上進一步加強換熱能力,由于內燃機車冷卻系統的空間有限,所以,附加換熱器的限制空間僅為1.4 m×0.6 m×1.4 m,考慮到換熱器與管道閥門的銜接等,改造后冷卻系統應更為緊湊,對換熱器的體積提出了更為嚴格的要求.基于板翅式換熱器[6-7]高效及緊湊性等特點,選用板翅式換熱器作為內燃機車冷卻系統的附加換熱器.

2.2 翅片的選擇及設計

考慮到空間有限及需要強化傳熱等方面因素,采用具有高效換熱能力的鋸齒形翅片[8].經過對比分析,選擇較適合的幾何參數,如表1所示.

表1 附加換熱器的參數Tab.1 Parameters of the additional heat exchanger

2.3 確定通道數

設定空氣通道數為30個,水通道數為15個,因此,按每兩個空氣通道間隔一個水通道.考慮到空氣的傳熱性能比水差,應加大空氣側的傳熱面積.

2.4 換熱計算及附加換熱器尺寸確定

2.4.1 翅片效率和翅片壁面總效率[8]空氣側

式中,η1、η2為一、二次傳熱面效率;η0為翅片壁面總效率;F1、F2為一、二次傳熱面積,m2;ηf為水側翅片效率;α為翅片表面與流體間的對流換熱系數,W/(m2·℃);λf為翅片的導熱系數,W/(m·℃);b為翅片定型尺寸,m.

2.4.2 傳熱系數

以空氣側傳熱面積為準,傳熱系數

以水側傳熱面積為準,傳熱系數

式中,Fc、Fh為空氣和水通道的總傳熱面積,m2;αc、αh為空氣和水與壁面間換熱系數,W/(m2·℃);η0c、η0h為空氣和水通道翅片壁面總效率.

2.4.3 傳熱面積及通道長度

對數平均溫差

式中,Δt1、Δt2為空氣和水的入口及出口段溫差,℃;Fi、Fj為空氣和水每層通道的傳熱面積,m2.

取板束的理論長度l′=0.446 m,考慮30%安全裕量,板束的有效長度0.446×1.3=0.580 m.

故附加換熱器尺寸為0.580 m×0.300 m×0.392 m.

3 進水溫度與流量的調控

內燃機工作需要較穩定的進口水溫,進口水溫太低,不但容易造成內燃機熄火(低于40℃),而且會導致機油黏度增加,使得汽缸潤滑性差,加速機械零件的磨損[9].對于氣水換熱器,熱阻主要在空氣側,水流量的變化對總傳熱系數影響不大.因此,在綜合考慮各種因素之后,設定通過冷卻系統冷卻后的內燃機進口水溫為80℃,且在溫度較低時,冷卻水不經過附加換熱器,直接經過旁通管道進入內燃機,因此,需對附加換熱器進水流量進行調節.工作時,需視內燃機附加換熱器進水溫度(即主換熱器出水溫度)確定經過附加換熱器的水流量.附加換熱器換熱過程如圖2所示.熱平衡方程[10]

圖2 附加換熱器換熱過程Fig.2 Heat transfer process of the additional heat exchanger

式中,m1、m2為經過和未經過附加換熱器的水流量;mc為經過附加換熱器的空氣流量;c p、c′p為水與空氣的比定壓熱容;t為附加換熱器出水水溫;k為附加換熱器傳熱系數.

經分析計算,給出了在主換熱器出水溫度(即附加換熱器進水溫度)仍較高的情況下,為使冷卻水在進入內燃機之前至少降溫至80℃,運行過程中附加換熱器進水水溫與應進入該換熱器的水流量之間的調控曲線,如圖3所示.由圖4所示的附加換熱器進水溫度與內燃機進口水溫的關系可知,在附加換熱器進水溫度與流量線性變化的情況下,當附加換熱器進水溫度等于或大于82.6℃時,冷卻水全部經過附加換熱器,換熱量達到最大換熱負荷,此時可使冷卻水有2.6℃的降溫效果,很大程度上降低了特殊工況下內燃機出口水溫達到90℃警戒溫度的幾率.

圖3 附加換熱器進水溫度t1與流量m2的關系Fig.3 Relationship between t1 and m2

圖4 附加換熱器進水溫度t1與內燃機進口水溫t2的關系Fig.4 Relationship between t1 and t2

該冷卻系統采用電動溫控閥控制水流量.調節閥[11]的調節特性由流體特性、閥的流量特性和閥權度共同決定,常見的調節閥中有4種典型的流體特性:直線特性、對數特性、快開特性和拋物特性.調節閥的流量特性是指被調介質流過調節閥的相對流量與調節閥的相對開度之間的關系,其數學表達式為

式中,R、Rmax分別為調節閥全開和某一開度時的流量;L、Lmax分別為調節閥全開和某一開度時的行程;f為比例系數.

調節閥相對開度與相對流量的關系如圖5所示.

由于附加換熱器進水溫度與進水流量呈線性對應關系,系統應選擇具有直線特性的溫控閥1.溫控閥核心部件為傳感器單元[12],可感應周圍溫度的變化而改變自身體積,帶動調節閥閥芯產生位移,實現依據主換熱器出水溫度(即附加換熱器進水溫度)對附加換熱器進水流量的自動調節,以確保進入內燃機的冷卻水溫滿足技術要求.

圖5 調節閥相對開度K與相對流量d的對應關系Fig.5 Relationship between K and d

4 結束語

針對現有內燃機車冷卻系統在特殊工況下散熱能力不足的問題,在內燃機車的有限空間內,對其冷卻系統進行了改造和研究,改造后的內燃機車冷卻系統有效增強了機車在特殊工況下的散熱能力,確保了機車的安全運行,為現有內燃機車冷卻系統的優化和改造提供了一條可行的途徑,具有一定的參考價值.

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Technology for diesel locomotives cooling system

MALong, YUMin, LIUYa
(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Based on the original cooling system,an additional heat exchanger was added to solve the problem that the diesel locomotives cooling system cannot spread out enough heat amount under special conditions.By calculation and analysis,the optimal parameters of the additional heat exchanger satisfying the requirement of heat transfer ability and spatial sizes were provided.To ensure the stability of water inlet temperature of combustion engine,the needed water inlet flow of the additional heat exchanger was analyzed to match the water outlet temperature of the main heat exchanger.The new system can automatically control water flow according to the water inlet temperature of additional heat exchanger by using a thermostatic valve with linear characteristics to ensure diesel locomotive running safely and smoothly.

diesel locomotive;cooling system;additional heat exchanger;water inlet temperature;water flow control

TK 401

A

1007-6735(2011)04-0397-04

2011-01-12

國家自然科學基金重點資助項目(50636050);上海市重點學科建設資助項目(J50501)

馬 龍(1985-),男,碩士研究生.研究方向:強化傳熱和高效換熱器、熱力系統優化.E-mail:mrma123456@126.com余 敏(聯系人),女,教授.研究方向:強化傳熱與節能技術、熱力系統及設備優化.E-mail:usstyuminm@yahoo.com.cn