馬 龍, 余 敏, 劉 亞

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)技術(shù)改造與研究

馬 龍, 余 敏, 劉 亞

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

針對(duì)現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)在特殊工況下散熱能力不足的問題,在不改變?cè)欣鋮s系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加附加換熱器,經(jīng)計(jì)算分析得出滿足換熱能力和空間尺寸條件的最優(yōu)參數(shù).并針對(duì)主換熱器的不同出水水溫,分析了要保證內(nèi)燃機(jī)進(jìn)口水溫相對(duì)穩(wěn)定需進(jìn)入附加換熱器的水流量及該水溫與水流量的關(guān)系曲線.新系統(tǒng)在具有線性特性的溫控閥控制下,可實(shí)現(xiàn)根據(jù)附加換熱器進(jìn)水溫度對(duì)其進(jìn)水流量的自動(dòng)調(diào)節(jié),確保內(nèi)燃機(jī)車的安全平穩(wěn)運(yùn)行.

內(nèi)燃機(jī)車;冷卻系統(tǒng);附加換熱器;進(jìn)水溫度;水流量控制

冷卻系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)車的重要組成部分,其作用是維持最佳工作溫度.但當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車處于溫度較高的環(huán)境,如進(jìn)入隧道及開始爬坡等特殊工況下時(shí),現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)經(jīng)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(yán)重影響了內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行的可靠性[1-3].隨著機(jī)車向高速、大功率方向的發(fā)展,提出新的冷卻方式顯得非常重要.根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)的具體條件,在保證機(jī)車原冷卻系統(tǒng)不變的情況下對(duì)其進(jìn)行改造,研究一個(gè)新型方案,解決目前內(nèi)燃機(jī)車出現(xiàn)的問題,以保證使用的安全性和可靠性.

1 方案設(shè)計(jì)

為滿足特殊工況需求,在原內(nèi)燃機(jī)車通過水冷卻系統(tǒng)帶走熱量約600 kW的基礎(chǔ)上,增加25%～30%的散熱量,即約180 kW,以確保內(nèi)燃機(jī)出口水溫不超出警戒溫度.實(shí)踐證明,內(nèi)燃機(jī)工作水溫在80～90℃時(shí)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)性能將維持在最佳狀態(tài),且主換熱器只可為系統(tǒng)降溫10℃,故設(shè)定內(nèi)燃機(jī)進(jìn)口設(shè)計(jì)水溫為80℃.然而內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行溫度也不可過低,低于40℃時(shí)需采用預(yù)熱裝置對(duì)機(jī)油、燃油進(jìn)行預(yù)熱[4],因此,當(dāng)內(nèi)燃機(jī)出水溫度低于80℃時(shí)即不使用附加換熱器.改造后的冷卻系統(tǒng)增加了附加散熱器,同時(shí)采用自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[5]根據(jù)主換熱器出水溫度調(diào)節(jié)進(jìn)入附加換熱器的水流量,以有效地降低進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)水溫.圖1為改造后的內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng).

圖1 改造后的內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)Fig.1 Reformed diesel locomotive cooling system

該冷卻系統(tǒng)流程為:從內(nèi)燃機(jī)出來的高溫水進(jìn)入溫控閥1,當(dāng)水溫低于70℃時(shí),溫控閥1的副閥門打開,此時(shí)循環(huán)水全部流入水泵,再被水泵壓入內(nèi)燃機(jī);當(dāng)水溫高于80℃時(shí),溫控閥1主閥門打開,水流過主換熱器時(shí),采用風(fēng)冷冷卻循環(huán)水,經(jīng)一次冷卻的循環(huán)水流經(jīng)溫控閥2時(shí),由水溫的高低來調(diào)節(jié)主閥門開啟的大小.當(dāng)主換熱器出水溫度低于80℃時(shí),直接進(jìn)入水泵;高于80℃時(shí),在溫控閥的控制下冷卻水以一定流量流經(jīng)附加換熱器,通過風(fēng)冷降溫后再與旁通的冷卻水混合,最后由水泵壓至內(nèi)燃機(jī),至此完成一個(gè)新的冷卻循環(huán).

2 附加換熱器設(shè)計(jì)

根據(jù)所研究的內(nèi)然機(jī)車技術(shù)運(yùn)行條件,通過內(nèi)燃機(jī)車主換熱器的水流量m=16.7 kg/s,經(jīng)附加換熱器帶走的熱量Q=180 kW,附加換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)口水溫t1=82.6℃,內(nèi)燃機(jī)進(jìn)口設(shè)計(jì)水溫t2=80℃.機(jī)車在爬坡時(shí)車速一般為55 km/h,進(jìn)入機(jī)車百葉窗的空氣流速v大約為15 m/s.附加散熱器的迎風(fēng)面積A=0.7 m2,空氣的質(zhì)量流量mc=10.5 kg/s,進(jìn)口溫度tci=34℃,出口溫度tco=51.2℃.

2.1 附加換熱器的選型

原內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)的主體換熱器為板翅式換熱器,系統(tǒng)改造的任務(wù)是在該主體換熱器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)換熱能力,由于內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)更為緊湊,對(duì)換熱器的體積提出了更為嚴(yán)格的要求.基于板翅式換熱器[6-7]高效及緊湊性等特點(diǎn),選用板翅式換熱器作為內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)的附加換熱器.

2.2 翅片的選擇及設(shè)計(jì)

考慮到空間有限及需要強(qiáng)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(jīng)過對(duì)比分析,選擇較適合的幾何參數(shù),如表1所示.

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

2.3 確定通道數(shù)

設(shè)定空氣通道數(shù)為30個(gè),水通道數(shù)為15個(gè),因此,按每?jī)蓚€(gè)空氣通道間隔一個(gè)水通道.考慮到空氣的傳熱性能比水差,應(yīng)加大空氣側(cè)的傳熱面積.

2.4 換熱計(jì)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(cè)

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(cè)翅片效率;α為翅片表面與流體間的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃);λf為翅片的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);b為翅片定型尺寸,m.

2.4.2 傳熱系數(shù)

以空氣側(cè)傳熱面積為準(zhǔn),傳熱系數(shù)

以水側(cè)傳熱面積為準(zhǔn),傳熱系數(shù)

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(shù),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(zhǎng)度

對(duì)數(shù)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(zhǎng)度l′=0.446 m,考慮30%安全裕量,板束的有效長(zhǎng)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(jìn)水溫度與流量的調(diào)控

內(nèi)燃機(jī)工作需要較穩(wěn)定的進(jìn)口水溫,進(jìn)口水溫太低,不但容易造成內(nèi)燃機(jī)熄火(低于40℃),而且會(huì)導(dǎo)致機(jī)油黏度增加,使得汽缸潤(rùn)滑性差,加速機(jī)械零件的磨損[9].對(duì)于氣水換熱器,熱阻主要在空氣側(cè),水流量的變化對(duì)總傳熱系數(shù)影響不大.因此,在綜合考慮各種因素之后,設(shè)定通過冷卻系統(tǒng)冷卻后的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)口水溫為80℃,且在溫度較低時(shí),冷卻水不經(jīng)過附加換熱器,直接經(jīng)過旁通管道進(jìn)入內(nèi)燃機(jī),因此,需對(duì)附加換熱器進(jìn)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié).工作時(shí),需視內(nèi)燃機(jī)附加換熱器進(jìn)水溫度(即主換熱器出水溫度)確定經(jīng)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(jīng)過和未經(jīng)過附加換熱器的水流量;mc為經(jīng)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(shù).

經(jīng)分析計(jì)算,給出了在主換熱器出水溫度(即附加換熱器進(jìn)水溫度)仍較高的情況下,為使冷卻水在進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)之前至少降溫至80℃,運(yùn)行過程中附加換熱器進(jìn)水水溫與應(yīng)進(jìn)入該換熱器的水流量之間的調(diào)控曲線,如圖3所示.由圖4所示的附加換熱器進(jìn)水溫度與內(nèi)燃機(jī)進(jìn)口水溫的關(guān)系可知,在附加換熱器進(jìn)水溫度與流量線性變化的情況下,當(dāng)附加換熱器進(jìn)水溫度等于或大于82.6℃時(shí),冷卻水全部經(jīng)過附加換熱器,換熱量達(dá)到最大換熱負(fù)荷,此時(shí)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(nèi)燃機(jī)出口水溫達(dá)到90℃警戒溫度的幾率.

圖3 附加換熱器進(jìn)水溫度t1與流量m2的關(guān)系Fig.3 Relationship between t1 and m2

圖4 附加換熱器進(jìn)水溫度t1與內(nèi)燃機(jī)進(jìn)口水溫t2的關(guān)系Fig.4 Relationship between t1 and t2

該冷卻系統(tǒng)采用電動(dòng)溫控閥控制水流量.調(diào)節(jié)閥[11]的調(diào)節(jié)特性由流體特性、閥的流量特性和閥權(quán)度共同決定,常見的調(diào)節(jié)閥中有4種典型的流體特性:直線特性、對(duì)數(shù)特性、快開特性和拋物特性.調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開度之間的關(guān)系,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中,R、Rmax分別為調(diào)節(jié)閥全開和某一開度時(shí)的流量;L、Lmax分別為調(diào)節(jié)閥全開和某一開度時(shí)的行程;f為比例系數(shù).

調(diào)節(jié)閥相對(duì)開度與相對(duì)流量的關(guān)系如圖5所示.

由于附加換熱器進(jìn)水溫度與進(jìn)水流量呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)周圍溫度的變化而改變自身體積,帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥芯產(chǎn)生位移,實(shí)現(xiàn)依據(jù)主換熱器出水溫度(即附加換熱器進(jìn)水溫度)對(duì)附加換熱器進(jìn)水流量的自動(dòng)調(diào)節(jié),以確保進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)的冷卻水溫滿足技術(shù)要求.

圖5 調(diào)節(jié)閥相對(duì)開度K與相對(duì)流量d的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Relationship between K and d

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)在特殊工況下散熱能力不足的問題,在內(nèi)燃機(jī)車的有限空間內(nèi),對(duì)其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改造和研究,改造后的內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)有效增強(qiáng)了機(jī)車在特殊工況下的散熱能力,確保了機(jī)車的安全運(yùn)行,為現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)的優(yōu)化和改造提供了一條可行的途徑,具有一定的參考價(jià)值.

[1] 張宇,王利明.東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)故障分析及對(duì)策[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2007(3):41-42.

[2] 吳榕.內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s能力對(duì)機(jī)車重載的影響[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù),2006,12(2):36-37.

[3] 楊玲.機(jī)車散熱器裂漏及散熱效率低的原因與對(duì)策[J].機(jī)車車輛工藝,2002(4):35-36.

[4] 董志忠.內(nèi)燃機(jī)車預(yù)熱和防寒系統(tǒng)的控制研究[D].大連:大連理工大學(xué),2009.

[5] 張九根,馬小軍,朱順兵.建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2003:55-67.

[6] 王松漢.板翅式換熱器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1984:101-108.

[7] PODOPROSVETOV A V.A new passenger diesel locomotive[J].Passenger Road Locomotive,1991,9:28-29.

[8] 史美中.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2008:140-154.

[9] BOMBEK G,HRIBERNIK A.Control of the coolingwater temperature for an combustion engine on a test stand[J].Journal of Mechanical Engineering,2001(47):703-709.

[10] 張熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007:40-47.

[11] 李小華.自動(dòng)控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)[J].中氮肥,2002(1):43-46.

[12] ANDERSO K O.Fluid amplifier control of a locomotive cooling system[J].Fluidics Quarterly,1974(6):9-16.

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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(50636050);上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目(J50501)

馬 龍(1985-),男,碩士研究生.研究方向:強(qiáng)化傳熱和高效換熱器、熱力系統(tǒng)優(yōu)化.E-mail:mrma123456@126.com余 敏(聯(lián)系人),女,教授.研究方向:強(qiáng)化傳熱與節(jié)能技術(shù)、熱力系統(tǒng)及設(shè)備優(yōu)化.E-mail:usstyuminm@yahoo.com.cn