某發動機試驗室循環水系統設計

蘭炳華

(中國汽車工業工程公司 機械工業第四設計研究院上海設計院，上海 200437)

發動機試驗臺架一般會用到水冷卻系統，發動機試驗設備的冷卻水系統需要供給水量、溫度和壓力合適的冷卻水，以保證有足夠的冷卻水流過試驗設備，達到要求的冷卻能力。根據發動機種類及功率的不同所需要的冷卻用水量不同，本文就其中一種柴油發動機試驗所采用的循環水系統作簡單介紹。

1 工程概況

本工程為華東某市的柴油發動機臺架試驗室，主要用于測試發動機的性能。本試驗室共有26間發動機試驗間和一條中間過道，一期工程為16臺架，其余為維修間和特殊儀器間;二期工程時總數到26臺架，在一期設計時應預留二期的循環水量、冷卻塔位置、荷載等。

2 系統介紹

發動機試驗循環水主要用于水力測功器、發動機、中冷器、機油恒溫系統的冷卻，各設備對循環水溫度要求不同，水力測功器、中冷器、機油恒溫系統的進水溫度約為32℃，出水不大于50℃;發動機測試時要求進水溫度約70℃，出水溫度不高于85℃，發動機自帶100 L的水箱，水箱設有溫度感應器、液位計、電磁閥、加熱器(為成套產品)。此系統選擇開式冷卻循環水系統，原理圖如圖1所示。

2.1 水力測功器循環水

圖1 發動機試驗室循環水系統原理圖

試驗中發動機產生的扭矩，通過與發動機相連的水力測功器相平衡而測量。根據工藝要求，水力測功器的水壓要求穩定，需要設置穩壓水箱，一般水箱水面至水力測功機機軸中心4 m～5 m即可滿足要求，水箱容積根據工藝要求，每臺測功機約需要0.8 m3～1 m3水。為了保證供水水頭，將穩壓水箱設在二樓，水箱設置相應的進出水管道及閥門。循環水經泵房內變頻供水泵組將水補充進水箱，水箱出水管與測功機循環進水管相連，保證供水壓力穩定。循環回水經重力流入地下管溝內的回水干管內，設置管道坡度，重力流回高溫水池。

2.2 發動機循環水

發動機試驗時自帶100 L容積的混合水箱，發動機內的水管與混合水箱之間連通。當混合水箱內的水溫度高于85℃時，水箱補水電磁閥打開，將32℃的冷卻水補充進水箱，當水箱內水溫到達70℃時進水電磁閥關閉，在補水時水箱發生溢流，溢流水回到循環回水干管，進入高溫水池。

2.3 中冷器、機油恒溫系統循環水

中冷器、機油恒溫系統循環水的供水由加壓變頻泵組直接供給，冷卻設備后重力回到循環回水管，進入高溫水池。

2.4 循環水泵房

循環水泵房包括高溫水池、低溫水池、循環泵組、開式冷卻塔、軟化水處理器、全自動自清洗過濾器等。各系統回水均到高溫水池，經水泵提升，將池內水送入高溫型開式冷卻塔，冷卻塔出水管與低溫水池相連，低溫水池內設溢流管，溢流水流入低溫水池。變頻供水泵組將水從低溫水池供到各系統用水點，經回水管重新回到高溫水池，完成水系統的循環。自來水軟化后補入低溫水池。

3 循環水系統設計

3.1 工藝循環水要求

3.1.1 水量表

循環水量表見表1。

表1 循環水量表

3.1.2 水質要求

發動機冷卻水溫度較高，為防止水結垢，設置軟化水器對循環水進行軟化處理，軟化后水的暫時硬度應小于8德國度～10德國度。設置過濾器對懸浮物進行過濾，機械懸浮物應小于25 mg/L。

3.2 計算

3.2.1 水池計算

1)混合水溫計算。

根據能量守恒:

其中，Q0為期循環水總量，m3/h;t0為混合水溫度，℃;C為水的比熱，4.187 kJ/(kg·℃);Q1，Q2，Q3，Q4分別為發動機、測功器、中冷器、機油恒溫一期總水量，m3/h;t1為發動機出水溫度，℃;t11為發動機進水溫度，℃;t2為發動機、測功器、中冷器、機油恒溫出水溫度，℃;t22為發動機、測功器、中冷器、機油恒溫進水溫度，℃。

計算后得出混合水溫度:t0=63.8℃。

電路采用的超聲波換能器中心頻率為200 kHz左右,所以根據采樣定理采樣頻率應大于400 kHz,為了保證系統臺階識別的準確性實際應用中AD采樣頻率大于1 MHz即可實現臺階信號采集,不需要采用較高的頻率采集回波信號波形以獲取各個波峰幅值。

2)溢流管計算。

由于受冷卻塔填料能承受的進水最高溫度的限制，需要將冷卻塔進水溫度控制在55℃以下，將低溫水池水補充進高溫水池，使得混合后的水溫滿足要求。考慮安全，設計控制冷卻塔進水溫度為50℃，低溫水池需要溢流進入高溫水池的水量為Q5(m3/h)，低溫水池的水溫為冷卻塔出水溫度t3按32℃，根據能量守恒:

計算后得出溢流水量Q5=228.8 m3/h。

低溫水池向高溫水池溢流為淹沒出流，假設作用水頭為1 m:

其中，μ為流量系數，0.62;A為孔口面積，m2;H為作用水頭，m;Q5為溢流水量，m3/s。

圖2 水池剖面圖

3.2.2 補水計算

1)發動機自帶水箱補水量。

采用水箱與發動機之間水循環方式，同時采用加入冷水來降低其溫度時，冷卻水的補水量Q6根據下式計算:

單臺發動機100 L水箱補水管應根據單臺最大小時水量計算。

2)其他系統補水量。

測功器、中冷器、機油恒溫系統的補水量即為開式冷卻塔由于蒸發、風吹和排污等引起的水量損失，根據規范要求計算。

圖3 剖面圖

3.2.3 高、低溫水池

高、低溫循環水池的有效容積及液位設置應滿足水泵吸水要求及規范規定的每小時水泵啟停次數要求。得出高、低溫水池的有效容積不小于80 m3。設計時考慮在水池上方放置冷卻塔，一期冷卻塔放置在高溫水池頂，二期冷卻塔放置在低溫水池頂，水池的平面尺寸應根據冷卻塔平面尺寸確定，高溫水池的平面凈尺寸為6 m×7 m，而低溫水池的平面凈尺寸為4.8 m×7 m。為了滿足溢流要求及水泵自吸要求，低溫水池頂高于高溫水池頂，見圖2。

3.3 管道布置

循環水管道一般要求同程布置，以使各用水點壓力平衡。在此設計中，由于各用水點壓力要求并不一致，且循環回水為自流式，因此可以采用非同程布置的方式。整個試驗站在南北兩側設置兩條地下管溝，所有與試驗有關的給排水管道均布置在管溝中，與動力專業的管道共用支架，具體見圖3。在每個試驗室內設置環形地溝，各種管道也敷設在地溝內，地溝內靠近地下管溝的一段設置地漏，將溝內水排入管溝內排水溝中，用潛水泵將溝內水提升至污水處理站處理。

4 設計小結

1)循環水系統選擇。水冷卻系統是選擇直排還是循環應根據系統的用水量、當地的自來水價格等因素確定。循環水系統采用開式冷卻塔或是閉式冷卻塔應根據試驗室所在區域的外部環境、試驗時工藝對水質的要求和甲方的經濟承受能力綜合確定。2)水泵。因循環水回水時溫度較高，從高溫水池抽水的水泵應選用熱水型。循環供水泵的揚程應根據幾種設備中揚程要求最高的一種確定。從圖2中可以看出高溫水池液位低于室內地坪，當從高溫水池抽水的水泵設置在±0.00的室內地坪時，水泵非自灌式吸水，在吸水管上需要增設自吸罐。3)余熱利用。為了節約能源，循環水系統多數情況下可以進行余熱回收利用。在有淋浴用水的時候，可以作為淋浴熱水的熱源，增設板換器、循環泵、熱水箱等設施即可將高溫水池內的水作為熱源。此試驗室附近無淋浴用水而未對循環水余熱進行回收利用。

［1］［英］A.J.馬特，M.A.普林特.發動機試驗理論與實踐［M］.宋進桂，于京諾，楊占鵬，等，譯.北京:機械工業出版社，2009.