蘭炳華

(中國汽車工業(yè)工程公司 機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院上海設(shè)計(jì)院，上海 200437)

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架一般會(huì)用到水冷卻系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備的冷卻水系統(tǒng)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(yàn)設(shè)備，達(dá)到要求的冷卻能力。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)所采用的循環(huán)水系統(tǒng)作簡(jiǎn)單介紹。

1 工程概況

本工程為華東某市的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)室，主要用于測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。本試驗(yàn)室共有26間發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)間和一條中間過道，一期工程為16臺(tái)架，其余為維修間和特殊儀器間;二期工程時(shí)總數(shù)到26臺(tái)架，在一期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留二期的循環(huán)水量、冷卻塔位置、荷載等。

2 系統(tǒng)介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)循環(huán)水主要用于水力測(cè)功器、發(fā)動(dòng)機(jī)、中冷器、機(jī)油恒溫系統(tǒng)的冷卻，各設(shè)備對(duì)循環(huán)水溫度要求不同，水力測(cè)功器、中冷器、機(jī)油恒溫系統(tǒng)的進(jìn)水溫度約為32℃，出水不大于50℃;發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)要求進(jìn)水溫度約70℃，出水溫度不高于85℃，發(fā)動(dòng)機(jī)自帶100 L的水箱，水箱設(shè)有溫度感應(yīng)器、液位計(jì)、電磁閥、加熱器(為成套產(chǎn)品)。此系統(tǒng)選擇開式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，原理圖如圖1所示。

2.1 水力測(cè)功器循環(huán)水

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室循環(huán)水系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩，通過與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的水力測(cè)功器相平衡而測(cè)量。根據(jù)工藝要求，水力測(cè)功器的水壓要求穩(wěn)定，需要設(shè)置穩(wěn)壓水箱，一般水箱水面至水力測(cè)功機(jī)機(jī)軸中心4 m～5 m即可滿足要求，水箱容積根據(jù)工藝要求，每臺(tái)測(cè)功機(jī)約需要0.8 m3～1 m3水。為了保證供水水頭，將穩(wěn)壓水箱設(shè)在二樓，水箱設(shè)置相應(yīng)的進(jìn)出水管道及閥門。循環(huán)水經(jīng)泵房內(nèi)變頻供水泵組將水補(bǔ)充進(jìn)水箱，水箱出水管與測(cè)功機(jī)循環(huán)進(jìn)水管相連，保證供水壓力穩(wěn)定。循環(huán)回水經(jīng)重力流入地下管溝內(nèi)的回水干管內(nèi)，設(shè)置管道坡度，重力流回高溫水池。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)自帶100 L容積的混合水箱，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的水管與混合水箱之間連通。當(dāng)混合水箱內(nèi)的水溫度高于85℃時(shí)，水箱補(bǔ)水電磁閥打開，將32℃的冷卻水補(bǔ)充進(jìn)水箱，當(dāng)水箱內(nèi)水溫到達(dá)70℃時(shí)進(jìn)水電磁閥關(guān)閉，在補(bǔ)水時(shí)水箱發(fā)生溢流，溢流水回到循環(huán)回水干管，進(jìn)入高溫水池。

2.3 中冷器、機(jī)油恒溫系統(tǒng)循環(huán)水

中冷器、機(jī)油恒溫系統(tǒng)循環(huán)水的供水由加壓變頻泵組直接供給，冷卻設(shè)備后重力回到循環(huán)回水管，進(jìn)入高溫水池。

2.4 循環(huán)水泵房

循環(huán)水泵房包括高溫水池、低溫水池、循環(huán)泵組、開式冷卻塔、軟化水處理器、全自動(dòng)自清洗過濾器等。各系統(tǒng)回水均到高溫水池，經(jīng)水泵提升，將池內(nèi)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(nèi)設(shè)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(tǒng)用水點(diǎn)，經(jīng)回水管重新回到高溫水池，完成水系統(tǒng)的循環(huán)。自來水軟化后補(bǔ)入低溫水池。

3 循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工藝循環(huán)水要求

3.1.1 水量表

循環(huán)水量表見表1。

表1 循環(huán)水量表

3.1.2 水質(zhì)要求

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度較高，為防止水結(jié)垢，設(shè)置軟化水器對(duì)循環(huán)水進(jìn)行軟化處理，軟化后水的暫時(shí)硬度應(yīng)小于8德國度～10德國度。設(shè)置過濾器對(duì)懸浮物進(jìn)行過濾，機(jī)械懸浮物應(yīng)小于25 mg/L。

3.2 計(jì)算

3.2.1 水池計(jì)算

1)混合水溫計(jì)算。

根據(jù)能量守恒:

其中，Q0為期循環(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功器、中冷器、機(jī)油恒溫一期總水量，m3/h;t1為發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度，℃;t11為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度，℃;t2為發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功器、中冷器、機(jī)油恒溫出水溫度，℃;t22為發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功器、中冷器、機(jī)油恒溫進(jìn)水溫度，℃。

計(jì)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(jù)采樣定理采樣頻率應(yīng)大于400 kHz,為了保證系統(tǒng)臺(tái)階識(shí)別的準(zhǔn)確性實(shí)際應(yīng)用中AD采樣頻率大于1 MHz即可實(shí)現(xiàn)臺(tái)階信號(hào)采集,不需要采用較高的頻率采集回波信號(hào)波形以獲取各個(gè)波峰幅值。

2)溢流管計(jì)算。

由于受冷卻塔填料能承受的進(jìn)水最高溫度的限制，需要將冷卻塔進(jìn)水溫度控制在55℃以下，將低溫水池水補(bǔ)充進(jìn)高溫水池，使得混合后的水溫滿足要求?？紤]安全，設(shè)計(jì)控制冷卻塔進(jìn)水溫度為50℃，低溫水池需要溢流進(jìn)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(jù)能量守恒:

計(jì)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(shè)作用水頭為1 m:

其中，μ為流量系數(shù)，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(bǔ)水計(jì)算

1)發(fā)動(dòng)機(jī)自帶水箱補(bǔ)水量。

采用水箱與發(fā)動(dòng)機(jī)之間水循環(huán)方式，同時(shí)采用加入冷水來降低其溫度時(shí)，冷卻水的補(bǔ)水量Q6根據(jù)下式計(jì)算:

單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)100 L水箱補(bǔ)水管應(yīng)根據(jù)單臺(tái)最大小時(shí)水量計(jì)算。

2)其他系統(tǒng)補(bǔ)水量。

測(cè)功器、中冷器、機(jī)油恒溫系統(tǒng)的補(bǔ)水量即為開式冷卻塔由于蒸發(fā)、風(fēng)吹和排污等引起的水量損失，根據(jù)規(guī)范要求計(jì)算。

圖3 剖面圖

3.2.3 高、低溫水池

高、低溫循環(huán)水池的有效容積及液位設(shè)置應(yīng)滿足水泵吸水要求及規(guī)范規(guī)定的每小時(shí)水泵啟停次數(shù)要求。得出高、低溫水池的有效容積不小于80 m3。設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)根據(jù)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(huán)水管道一般要求同程布置，以使各用水點(diǎn)壓力平衡。在此設(shè)計(jì)中，由于各用水點(diǎn)壓力要求并不一致，且循環(huán)回水為自流式，因此可以采用非同程布置的方式。整個(gè)試驗(yàn)站在南北兩側(cè)設(shè)置兩條地下管溝，所有與試驗(yàn)有關(guān)的給排水管道均布置在管溝中，與動(dòng)力專業(yè)的管道共用支架，具體見圖3。在每個(gè)試驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置環(huán)形地溝，各種管道也敷設(shè)在地溝內(nèi)，地溝內(nèi)靠近地下管溝的一段設(shè)置地漏，將溝內(nèi)水排入管溝內(nèi)排水溝中，用潛水泵將溝內(nèi)水提升至污水處理站處理。

4 設(shè)計(jì)小結(jié)

1)循環(huán)水系統(tǒng)選擇。水冷卻系統(tǒng)是選擇直排還是循環(huán)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的用水量、當(dāng)?shù)氐淖詠硭畠r(jià)格等因素確定。循環(huán)水系統(tǒng)采用開式冷卻塔或是閉式冷卻塔應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)室所在區(qū)域的外部環(huán)境、試驗(yàn)時(shí)工藝對(duì)水質(zhì)的要求和甲方的經(jīng)濟(jì)承受能力綜合確定。2)水泵。因循環(huán)水回水時(shí)溫度較高，從高溫水池抽水的水泵應(yīng)選用熱水型。循環(huán)供水泵的揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)幾種設(shè)備中揚(yáng)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(nèi)地坪，當(dāng)從高溫水池抽水的水泵設(shè)置在±0.00的室內(nèi)地坪時(shí)，水泵非自灌式吸水，在吸水管上需要增設(shè)自吸罐。3)余熱利用。為了節(jié)約能源，循環(huán)水系統(tǒng)多數(shù)情況下可以進(jìn)行余熱回收利用。在有淋浴用水的時(shí)候，可以作為淋浴熱水的熱源，增設(shè)板換器、循環(huán)泵、熱水箱等設(shè)施即可將高溫水池內(nèi)的水作為熱源。此試驗(yàn)室附近無淋浴用水而未對(duì)循環(huán)水余熱進(jìn)行回收利用。

［1］［英］A.J.馬特，M.A.普林特.發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)理論與實(shí)踐［M］.宋進(jìn)桂，于京諾，楊占鵬，等，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.