冷卻系統(tǒng)計算.doc

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冷卻系統(tǒng)計算 一、 閉式強制冷卻系統(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，計算冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量、冷卻空氣量，以便設計或選用水泵、散熱器、風扇 1．冷卻系統(tǒng)散走的熱量QW 冷卻系統(tǒng)散走的熱量QW，受很多復雜因素的影響，很難精確計算，初估QW，可以用下列經驗公式估算： （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A=0.23~0.30，對柴油機A=0.18~0.25 ---內燃機燃料消耗率（千克/千瓦.小時） ---內燃機功率（千瓦） ---燃料低熱值（千焦/千克） 如果內燃機還有機油散熱器，而且是水油散熱器，則傳入冷卻系統(tǒng)中的熱量，也應將傳入機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，但應該對最大扭矩工況進行驗算，因為當轉速降低時可能形成蒸汽泡（由于氣缸體水套中壓力降低）和內燃機過熱的現(xiàn)象。 具有一般指標的內燃機，在額定工況時，柴油機可取0.21~0.27千克/千瓦.小時，汽油機可取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=（0.85~1.10） 柴油機=（0.50~0.78） 車用柴油機可取=（0.60~0.75），直接噴射柴油機可取較小值，增壓的直接噴射式柴油機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），精確的應通過樣機的熱平衡試驗確定。 取=0.60 考慮到機油散熱器散走的熱量，所以在上式計算的基礎上增大10% 額定功率： ∴ 對于420馬力發(fā)動機=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=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=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=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=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=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 ---冷卻水在內燃機中循環(huán)時的容許溫升，對現(xiàn)代強制循環(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=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=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=148.5/（12*1000*4.187）=2.96X10-3（米3/秒）=177.33(L/min) 最大扭矩：（對應轉速1300~1600） ∴ 對于420馬力發(fā)動機=165/（12*1000*4.187）=3.28X10-3（米3/秒）=197.03(L/min) ∴對于360馬力發(fā)動機=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=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=203.94/(60*1.01*1.047)=3.2143米3/秒 ∴ 對于360馬力發(fā)動機=175.56/(60*1.01*1.047)=2.7670米3/秒 ∴ 對于310馬力發(fā)動機=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=165/(80*1.01*1.047)=1.9504千焦/秒 ∴ 對于360馬力發(fā)動機=161.7(80*1.01*1.047)=1.9114千焦/秒 ∴ 對于310馬力發(fā)動機=118.8/(80*1.01*1.047)=1.4043千焦/秒 二、 散熱器的結構設計要點 1、散熱器的質量指標： 1）、傳熱系數(shù)KR是評價散熱效能的重要參數(shù)，它表示當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)受散熱器芯部結構、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構和尺寸 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按平方關系更急劇地增長，使風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)據或經驗公式（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。內燃機傳給冷卻液的熱量應當?shù)扔谏崞魃⒊龅臒崃?；冷卻水的循環(huán)量應當?shù)扔诹鬟^散熱器水管的水流量；冷卻空氣量應當?shù)扔诹鬟^散熱器的空氣量。 2）、計算散熱器的正面積FR 根據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，礦山車和拖拉機取8米/秒 額定功率：（取=8米/秒） ∴ 對于420馬力發(fā)動機=3.2143米3/秒 FR=0.4017875米2 ∴ 對于360馬力發(fā)動機=2.7670米3/秒 FR= 0.345875米2 ∴ 對于310馬力發(fā)動機= 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h= FR/b=0.4017875/0.648米2=0.6200424米2 ∴ 對于360馬力發(fā)動機h= FR/b= 0.345875/0.648米2=0.5337577米2 ∴ 對于310馬力發(fā)動機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)，主要由散熱器的結構形式和制造質量決定。 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口溫度，一般取40℃ ---散熱器冷卻水的進出口溫差，一般取=6~12℃ ---散熱器冷卻空氣的進出口溫差，一般取=10~30℃ 考慮到經過散熱器的冷卻空氣流速不可能均勻，散熱片蒙上塵土時，散熱性能要有降低，實際選取的散熱面積要比計算結果大一些，通常取 式中β---儲備系數(shù)，一般取β=1.1~1.15 根據統(tǒng)計，散熱器的比散熱面積，即內燃機單位功率所需要的散熱面積在下列范圍內： 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：=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，對于選定的芯部結構，它是一個定值。 計算所得值，應與實際的標準散熱器尺寸相符。 三、 水泵的設計要點及計算 （一）、水泵的設計要點 在水泵結構中，影響效率的主要關鍵是輪葉和蝸殼的形狀，而影響可靠性的關鍵是水封。 （二）、水泵的計算 水泵主要根據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（） 水泵的壓力應當足以克服冷卻系統(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大于此時飽和蒸氣壓力。當壓力不夠時，水泵入口處可能發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，因此此處的壓力最低。 在機車柴油機中，泵水壓力約需P=2.5X105~4.5X105(2.5~4.5巴) 3． 計算出葉輪進水孔半徑 式中---進水孔半徑（米） ---葉輪輪轂的半徑（米） ---水泵進口處的水流速度，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---水泵轉速（轉/分） 6． 進口處與出口處的葉片寬度各為 需補充公式 式中---輪葉厚度（米），在現(xiàn)有結構中=3-5mm； ---水在出口處的徑向流速，由下式確定，=需補充公式 在現(xiàn)有結構中=12~35mm，=7~25mm； z---輪葉數(shù)，一般取出4~8片。 7． 計算輪葉進口安裝角 需補充公式 現(xiàn)有結構中=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） ---水泵的機械效率，在現(xiàn)有結構中，可取0.9~0.97 經過計算得出水泵葉輪的結構參數(shù)后，就可對葉輪繪制結構圖。 水泵的泵水量與轉速成正比，泵水壓力與轉速的平方成正比，所以提高水泵轉速是提高水泵泵水量和泵水壓力而又不增大結構的有效的有效方法，但不宜將轉速提得過高，它不但使水泵消耗功率增加，而且容易在水泵的葉輪內形成較低的壓力，當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、 水冷內燃機的風扇設計要點及計算 （一）、風扇的設計要點 風扇的排量、風壓和功率消耗分別與風扇的轉速一次、二次、三次方成正比，所以，提高轉速是增加風量和風壓的有效方法，但功率的消耗也急劇增加。 在散熱器與風扇之間要設導流風罩，并且必須密封導風罩與散熱器的聯(lián)結處，防止風扇抽風時，外界空氣從不密封處短路流入風扇，使流過散熱器的風量減少，使散熱器的散熱效果下降。 （二）、風扇的計算 內燃機風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。而風冷內燃機風扇從風扇的外形尺寸要盡可能小出發(fā)。 1． 確定風扇的扇風量 扇風量由公式（1-3）確定 2． 確定風扇的壓力 空氣道的阻力計算如下： 式中---散熱器的阻力，當重量風速為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、導風罩，發(fā)動機罩等的阻力，它約等于=（0.4~1.1） 詳細確定之前，應根據風洞試驗確定。 3．按照總布置的要求和散熱器芯部的尺寸，確定風扇外徑，因為風扇輪葉掃過的環(huán)面積等于散熱器芯部正面積的45%~60%，而風扇輪葉內徑與外徑之比=0.28~0.36 11