冷卻系統(tǒng)計算.doc

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冷卻系統(tǒng)計算 一、 閉式強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)原始參數(shù) 都以散入冷卻系統(tǒng)的熱量QW為原始數(shù)據(jù)，計算冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量、冷卻空氣量，以便設(shè)計或選用水泵、散熱器、風(fēng)扇 1．冷卻系統(tǒng)散走的熱量QW 冷卻系統(tǒng)散走的熱量QW，受很多復(fù)雜因素的影響，很難精確計算，初估QW，可以用下列經(jīng)驗公式估算： （千焦/秒） （1-1） ---傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，對汽油機(jī)A=0.23~0.30，對柴油機(jī)A=0.18~0.25 ---內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率（千克/千瓦.小時） ---內(nèi)燃機(jī)功率（千瓦） ---燃料低熱值（千焦/千克） 如果內(nèi)燃機(jī)還有機(jī)油散熱器，而且是水油散熱器，則傳入冷卻系統(tǒng)中的熱量，也應(yīng)將傳入機(jī)油中的熱量計算在冷卻系統(tǒng)中，則按上式計算的熱量值應(yīng)增大5~10% 一般把最大功率（額定工況）作為冷卻系統(tǒng)的計算工況，但應(yīng)該對最大扭矩工況進(jìn)行驗算，因為當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時可能形成蒸汽泡（由于氣缸體水套中壓力降低）和內(nèi)燃機(jī)過熱的現(xiàn)象。 具有一般指標(biāo)的內(nèi)燃機(jī)，在額定工況時，柴油機(jī)可取0.21~0.27千克/千瓦.小時，汽油機(jī)可取0.30~0.34千克/千瓦.小時，柴油和汽油的低熱值可分別取41870千焦/千克和43100千焦/千克，將此值帶入公式即得 汽油機(jī)=（0.85~1.10） 柴油機(jī)=（0.50~0.78） 車用柴油機(jī)可取=（0.60~0.75），直接噴射柴油機(jī)可取較小值，增壓的直接噴射式柴油機(jī)由于掃氣的冷卻作用，加之單位功率的冷卻面積小，可取=（0.50~0.60），精確的應(yīng)通過樣機(jī)的熱平衡試驗確定。 取=0.60 考慮到機(jī)油散熱器散走的熱量，所以在上式計算的基礎(chǔ)上增大10% 額定功率： ∴ 對于420馬力發(fā)動機(jī)=0.6*309=185.4千焦/秒 增大10%后的=203.94千焦/秒 ∴ 對于360馬力發(fā)動機(jī)=0.6*266=159.6千焦/秒 增大10%后的=175.56千焦/秒 ∴ 對于310馬力發(fā)動機(jī)=0.6*225=135千焦/秒 增大10%后的=148.5千焦/秒 最大扭矩： ∴ 對于420馬力發(fā)動機(jī)=0.6*250=150千焦/秒 增大10%后的=165千焦/秒 ∴ 對于360馬力發(fā)動機(jī)=0.6*245=147千焦/秒 增大10%后的=161.7千焦/秒 ∴ 對于310馬力發(fā)動機(jī)=0.6*180=108千焦/秒 增大10%后的=118.8千焦/秒 2．冷卻水的循環(huán)量 根據(jù)散入冷卻系統(tǒng)中的熱量，可以算出冷卻水的循環(huán)量 （米3/秒） （1-2） 式中 ---冷卻水在內(nèi)燃機(jī)中循環(huán)時的容許溫升，對現(xiàn)代強(qiáng)制循環(huán)冷卻系，可取=6~12℃ ---水的比重，可近似取=1000千克/米3 ---水的比熱，可近似取=4.187千焦/千克.度 取=12℃ 額定功率： ∴ 對于420馬力發(fā)動機(jī)=203.94/（12*1000*4.187）=4.06X10-3（米3/秒）=243.54(L/min) ∴對于360馬力發(fā)動機(jī)=175.56/（12*1000*4.187）=3.49X10-3（米3/秒）=209.65(L/min) ∴對于310馬力發(fā)動機(jī)=148.5/（12*1000*4.187）=2.96X10-3（米3/秒）=177.33(L/min) 最大扭矩：（對應(yīng)轉(zhuǎn)速1300~1600） ∴ 對于420馬力發(fā)動機(jī)=165/（12*1000*4.187）=3.28X10-3（米3/秒）=197.03(L/min) ∴對于360馬力發(fā)動機(jī)=161.7/（12*1000*4.187）=3.22X10-3（米3/秒）=193.10(L/min) ∴∴對于310馬力發(fā)動機(jī)=118.8/（12*1000*4.187）=2.36X10-3（米3/秒）=141.87(L/min) 3．冷卻空氣需要量 冷卻空氣的需要量一般根據(jù)散熱器的散熱量確定。散熱器的散熱量一般等于冷卻系統(tǒng)的散熱量 （米3/秒） （1-3） 式中 ---空氣進(jìn)入散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差，通常 =10~80℃ ---空氣的比重，可近似取=1.01千克/米3 ---空氣的定壓比熱，可近似取=1.047千焦/千克.度 額定功率：（取=75℃） ∴ 對于420馬力發(fā)動機(jī)=203.94/(60*1.01*1.047)=3.2143米3/秒 ∴ 對于360馬力發(fā)動機(jī)=175.56/(60*1.01*1.047)=2.7670米3/秒 ∴ 對于310馬力發(fā)動機(jī)=148.5/(60*1.01*1.047)= 2.3405米3/秒 最大扭矩： ∴ 對于420馬力發(fā)動機(jī)=165/(80*1.01*1.047)=1.9504千焦/秒 ∴ 對于360馬力發(fā)動機(jī)=161.7(80*1.01*1.047)=1.9114千焦/秒 ∴ 對于310馬力發(fā)動機(jī)=118.8/(80*1.01*1.047)=1.4043千焦/秒 二、 散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點 1、散熱器的質(zhì)量指標(biāo)： 1）、傳熱系數(shù)KR是評價散熱效能的重要參數(shù)，它表示當(dāng)冷卻水和空氣之間的溫差為1℃，每1秒通過1米2與空氣接觸散熱表面所散走的熱量。提高散熱系數(shù)可以改善散熱效能，減少尺寸和材料消耗。 傳熱系數(shù)受散熱器芯部結(jié)構(gòu)、水管中冷卻水的流速、通過散熱器的空氣流速、管片材料以及制造質(zhì)量等許多因素的影響。 2）、空氣阻力△PR ，它主要取決于散熱芯的結(jié)構(gòu)和尺寸 散熱器的傳熱系數(shù)KR和空氣阻力△PR，只能通過專門的試驗才能確定。 影響KR最重要因素是通過散熱芯的空氣流速Va，當(dāng)Va提高時，傳熱系數(shù)KR增大，但同時使空氣阻力△PR按平方關(guān)系更急劇地增長，使風(fēng)扇功率消耗很快增加。 2、散熱器的計算程序 1）、按熱平衡試驗的數(shù)據(jù)或經(jīng)驗公式（1-1）計算出傳給冷卻液的熱量；同時按公式（1-2）計算出冷卻水的循環(huán)水量；用公式（1-3）計算出冷卻空氣量。內(nèi)燃機(jī)傳給冷卻液的熱量應(yīng)當(dāng)?shù)扔谏崞魃⒊龅臒崃?；冷卻水的循環(huán)量應(yīng)當(dāng)?shù)扔诹鬟^散熱器水管的水流量；冷卻空氣量應(yīng)當(dāng)?shù)扔诹鬟^散熱器的空氣量。 2）、計算散熱器的正面積FR 根據(jù)冷卻空氣量計算散熱芯的正面積 （米2） -----散熱器正面前的空氣流速（米/秒）。載重汽車取8~10米/秒，小客車取12米/秒，礦山車和拖拉機(jī)取8米/秒 額定功率：（取=8米/秒） ∴ 對于420馬力發(fā)動機(jī)=3.2143米3/秒 FR=0.4017875米2 ∴ 對于360馬力發(fā)動機(jī)=2.7670米3/秒 FR= 0.345875米2 ∴ 對于310馬力發(fā)動機(jī)= 2.3405米3/秒FR= 0.2925625米2 算出散熱芯的正面積FR以后，再根據(jù)動力裝置的總布置確定散熱器芯部的高度h和寬度b; （米） 額定功率：（取b=0.648米） ∴ 對于420馬力發(fā)動機(jī)h= FR/b=0.4017875/0.648米2=0.6200424米2 ∴ 對于360馬力發(fā)動機(jī)h= FR/b= 0.345875/0.648米2=0.5337577米2 ∴ 對于310馬力發(fā)動機(jī)h= FR/b= 0.2925625/0.648米2=0.451485米2 3）、計算散熱器的水管數(shù) 根據(jù)冷卻水的循環(huán)量，計算冷卻水管數(shù) 式中----水在散熱器水管中的流速，一般取=0.6~0.8米/秒 ----每根水管的橫斷面積，米2 4）、確定傳熱系數(shù) 選取一定型式的散熱器，并從散熱器特性曲線上尋求相應(yīng)的冷卻水流速和空氣重量流速條件下傳熱系數(shù)KR的值。KR的值通常等于0.069~0.117(千焦/米2.秒.度)，主要由散熱器的結(jié)構(gòu)形式和制造質(zhì)量決定。 5）計算散熱器的散熱表面積F (米2) 式中----散熱器中冷卻水和冷卻空氣的平均溫差，=- 式中 ---冷卻水平均溫度=-; ----冷卻空氣平均溫度 式中---散熱器進(jìn)水溫度，對開式冷卻系統(tǒng)可取=90~95℃，閉式冷卻系統(tǒng)，可取=95~100℃ ---散熱器冷卻空氣的進(jìn)口溫度，一般取40℃ ---散熱器冷卻水的進(jìn)出口溫差，一般取=6~12℃ ---散熱器冷卻空氣的進(jìn)出口溫差，一般取=10~30℃ 考慮到經(jīng)過散熱器的冷卻空氣流速不可能均勻，散熱片蒙上塵土?xí)r，散熱性能要有降低，實際選取的散熱面積要比計算結(jié)果大一些，通常取 式中β---儲備系數(shù)，一般取β=1.1~1.15 根據(jù)統(tǒng)計，散熱器的比散熱面積，即內(nèi)燃機(jī)單位功率所需要的散熱面積在下列范圍內(nèi)： 小客車：=0.136~0.204 米2/千瓦 載重車：=0.204~0.408 米2/千瓦 拖拉機(jī)：=0.408~0.680 米2/千瓦 6)計算散熱器芯部厚度 式中---散熱器芯的容積緊湊性系數(shù)，它表示單位散熱芯部容積所具有的散熱面積，越大，散熱器愈小，但空氣阻力也大。它決定于散熱片和水管的數(shù)目、布置和形狀，一般取=500~1000米2/米3，對于選定的芯部結(jié)構(gòu)，它是一個定值。 計算所得值，應(yīng)與實際的標(biāo)準(zhǔn)散熱器尺寸相符。 三、 水泵的設(shè)計要點及計算 （一）、水泵的設(shè)計要點 在水泵結(jié)構(gòu)中，影響效率的主要關(guān)鍵是輪葉和蝸殼的形狀，而影響可靠性的關(guān)鍵是水封。 （二）、水泵的計算 水泵主要根據(jù)所需的泵水量和泵水壓力來選擇，其程序大致如下： 1． 確定水泵的泵水量 水泵的泵水量可根據(jù)冷卻水的循環(huán)量按下式初步確定： 式中---冷卻水的循環(huán)量（米3/秒） ---水泵的容積效率，主要考慮水泵中冷卻水的泄露，一般取0.6~0.85 2． 確定水泵的泵水壓力（） 水泵的壓力應(yīng)當(dāng)足以克服冷卻系統(tǒng)中所有的流動阻力并得到必要的冷卻水循環(huán)的流動速度；此外，為了冷卻可靠，在工作溫度下水在任一點的壓力均應(yīng)大于此時飽和蒸氣壓力。當(dāng)壓力不夠時，水泵入口處可能發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，因此此處的壓力最低。 在機(jī)車柴油機(jī)中，泵水壓力約需P=2.5X105~4.5X105(2.5~4.5巴) 3． 計算出葉輪進(jìn)水孔半徑 式中---進(jìn)水孔半徑（米） ---葉輪輪轂的半徑（米） ---水泵進(jìn)口處的水流速度，一般取=1~2米/秒。若取得過大，水泵可能發(fā)生氣蝕。 4． 算出水流流出葉輪外緣的圓周速度： 需補(bǔ)充公式 式中---葉片出口處水流絕對速度與葉輪切線夾角；一般取=80~120； ---葉片出口安裝角，一般取=240~500； ---液力效率=0.6~0.8； ---水泵的泵水壓力，帕 5． 求出葉輪外緣半徑 （米） 式中n---水泵轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分） 6． 進(jìn)口處與出口處的葉片寬度各為 需補(bǔ)充公式 式中---輪葉厚度（米），在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中=3-5mm； ---水在出口處的徑向流速，由下式確定，=需補(bǔ)充公式 在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中=12~35mm，=7~25mm； z---輪葉數(shù)，一般取出4~8片。 7． 計算輪葉進(jìn)口安裝角 需補(bǔ)充公式 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中=400~550 8． 計算出水泵所消耗的功率 （瓦） 式中---水泵的泵水壓力（帕）； ---水泵的泵水量（米3/秒） ---水泵的機(jī)械效率，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，可取0.9~0.97 經(jīng)過計算得出水泵葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，就可對葉輪繪制結(jié)構(gòu)圖。 水泵的泵水量與轉(zhuǎn)速成正比，泵水壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以提高水泵轉(zhuǎn)速是提高水泵泵水量和泵水壓力而又不增大結(jié)構(gòu)的有效的有效方法，但不宜將轉(zhuǎn)速提得過高，它不但使水泵消耗功率增加，而且容易在水泵的葉輪內(nèi)形成較低的壓力，當(dāng)該壓力一旦低于飽和蒸氣壓力時，就要出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。 四、 水冷內(nèi)燃機(jī)的風(fēng)扇設(shè)計要點及計算 （一）、風(fēng)扇的設(shè)計要點 風(fēng)扇的排量、風(fēng)壓和功率消耗分別與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速一次、二次、三次方成正比，所以，提高轉(zhuǎn)速是增加風(fēng)量和風(fēng)壓的有效方法，但功率的消耗也急劇增加。 在散熱器與風(fēng)扇之間要設(shè)導(dǎo)流風(fēng)罩，并且必須密封導(dǎo)風(fēng)罩與散熱器的聯(lián)結(jié)處，防止風(fēng)扇抽風(fēng)時，外界空氣從不密封處短路流入風(fēng)扇，使流過散熱器的風(fēng)量減少，使散熱器的散熱效果下降。 （二）、風(fēng)扇的計算 內(nèi)燃機(jī)風(fēng)扇的外徑主要由散熱器芯部正面積決定，然后再決定其它參數(shù)和尺寸。而風(fēng)冷內(nèi)燃機(jī)風(fēng)扇從風(fēng)扇的外形尺寸要盡可能小出發(fā)。 1． 確定風(fēng)扇的扇風(fēng)量 扇風(fēng)量由公式（1-3）確定 2． 確定風(fēng)扇的壓力 空氣道的阻力計算如下： 式中---散熱器的阻力，當(dāng)重量風(fēng)速為10~20千克/米2，管片式散熱器阻力100~500帕 ---除散熱器以外的所有空氣通道，如百頁窗、導(dǎo)風(fēng)罩，發(fā)動機(jī)罩等的阻力，它約等于=（0.4~1.1） 詳細(xì)確定之前，應(yīng)根據(jù)風(fēng)洞試驗確定。 3．按照總布置的要求和散熱器芯部的尺寸，確定風(fēng)扇外徑，因為風(fēng)扇輪葉掃過的環(huán)面積等于散熱器芯部正面積的45%~60%，而風(fēng)扇輪葉內(nèi)徑與外徑之比=0.28~0.36 11