XM1800型鋼軌銑磨車冷卻系統散熱設計

張宗濤

(昆明中鐵大型養路機械集團有限公司，云南昆明 650215)

XM1800型鋼軌銑磨車由昆明中鐵集團公司聯合國內外相關銑、磨企業共同研發，具有高效、環保的特點。XM1800型鋼軌銑磨車的動力系統選用了卡特彼勒的3512B工業用機，采用了雙泵雙回路冷卻系統，冷卻水箱需要昆明中鐵獨立選型。本文就3512B發動機的冷卻系統散熱面積進行核算，對發動機水箱的配套參數進行驗證。

1 散熱水箱散熱面積計算

1.1 發動機散熱原始數據

本方案采用的柴油發動機為CAT 3512B工業機，額定功率為1 124 kW，額定轉速為1 800 r/min，結合本項目，工作轉速為1 500 r/min，相應間歇功率為1 019 kW，相應的散熱功率見表1，水泵的外阻與流量的對應關系見表2、表3。

表1 發動機散熱功率 kW

表2 中冷水泵外阻與流量

表3 高溫水泵外阻與流量

1.2 中冷(LTC)散熱面積計算

根據表1可知，中冷的散熱功率為254 kW。考慮10%的裕度，取中冷散熱功率Pl=254×(1+0.1)=279.4 kW。相應水泵外阻選取3.5 m，壓力相當于35 kPa，對應水流量 qwl=360 L/min≈6 kg/s，發動機中冷出水溫度設計值取TWl1=70℃，則有熱量公式

式中:Q為熱量，kJ;c為冷卻介質的比熱容，kJ/(kg·℃);m為介質質量，kg;ΔT為介質溫度差，℃。

式(1)等價于公式

式中:qwl為冷卻液流量，kg/s;cw=3.3 kJ/(kg·℃);ΔTwl=Twl2－Twl1，則冷卻液冷卻后的溫度

此時，發動機中冷冷卻液相應熱量將由風扇吹動空氣帶走，對于散熱空氣而言有

式中:ca為空氣比熱容，kJ/(kg·℃);qa為空氣流量，kg/s;ΔTal為中冷散熱前后空氣溫度差，℃;Tal1，Tal2分別為中冷散熱后、散熱前的空氣溫度，℃。

由于Tal2=40℃(環境設定溫度)，ca=1.004 16 kJ/(kg·℃)，qa=1.1 ×34.94=38.434 kg/s(選定的冷卻風扇對于冷卻水箱分配的冷卻空氣流量)，故可得

中冷冷卻系統的液氣平均溫差ΔTl為

式中:ΔTlmax=Twl1－Tal2;ΔTlmin=Twl2－Tal1;φ為平均溫差修正系數，此處取1.1。

將已知參數帶入式(4)可得ΔTl≈19.12℃。

散熱面積S計算公式為

式中:P為散熱功率，對于中冷散熱取279.4 kW;ΔT為相應的液氣平均溫差，這里為19.12℃;U為散熱系數，取 200 kJ/(m2·h·℃)=1/18 kW/(m2·s·℃)。

將上述數值帶入式(5)可得中冷散熱器所需要的最小散熱面積SLTC為

1.3 高溫(HTC)散熱面積計算

根據表1可知，高溫散熱功率為464 kW，考慮10%的裕度，取高溫散熱功率Ph=464×(1+0.1)=510.4 kW。相應水泵外阻換算為35 kPa，對應水流量qwh=1 500 L/min≈25 kg/s，發動機高溫出水溫度設計值取Twh1=95℃，則高溫散熱功率Ph計算公式為

式中:qwh為冷卻液流量，kg/s;cw=3.3 kJ/(kg·℃);ΔTwh=Twh2－Twh1。

冷卻液冷卻后的溫度為

發動機高溫冷卻液相應熱量將由風扇吹動空氣交換帶走，對于散熱空氣，有

式中:ΔTah為高溫散熱前后空氣溫度差，℃;Tah1，Tah2分別為高溫散熱后、散熱前的空氣溫度，℃。

由于高溫水箱與中冷水箱為串聯結構，故中冷的空氣出風溫度即為高溫的進風溫度，即Tah2=Tal1=47.24℃，故可得

高溫冷卻系統的液氣平均溫差ΔTh［2-3］為

式中:ΔThmax=Twh1－Tah2;ΔThmin=Twh2－Tah1;φ為平均溫差修正系數，此處取1.01。

將上述各值帶入式(9)可得ΔTh≈37.95℃。

對于高溫散熱，Q為510.4 kW，ΔT為37.95℃，U為 200 kJ/(m2·h·℃)=1/18 kW/(m2·s·℃)，可得高溫散熱器所需要的最小散熱面積SHTC為

2 結語

通過計算可知，本方案采用的3512B柴油發動機的冷卻水箱中冷和高溫時最小散熱面積分別為263.03 m2，242.1 m2。

對于水箱的選型，考慮到水箱的結構、工藝、通風狀況等，在上述數據的基礎上需乘以一個1～2的系數。結合以往經驗，本方案采用的水箱中冷及高溫的散熱面積統一定為313.75 m2，可滿足整個冷卻系統的散熱要求。

［1］余建祖.換熱器原理與設計［M］.北京:北京航空航天出版社，2006.

［2］李登龍，繆平.讓你的發動機“冷靜”下來［J］.現代零部件，2007(1):25-27.

［3］鄒軍，楊會濱.CKD0型機車冷卻系統的設計［J］.內燃機車，2007(8):16-19.