冷卻系統(tǒng)計(jì)算.doc

冷卻系統(tǒng)計(jì)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(jì)算冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量、冷卻空氣量，以便設(shè)計(jì)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(jì)算，初估QW，可以用下列經(jīng)驗(yàn)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(duì)汽油機(jī)A=0.230.30，對(duì)柴油機(jī)A=0.180.25-內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率（千克/千瓦.小時(shí)）-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(jì)算在冷卻系統(tǒng)中，則按上式計(jì)算的熱量值應(yīng)增大510%一般把最大功率（額定工況）作為冷卻系統(tǒng)的計(jì)算工況，但應(yīng)該對(duì)最大扭矩工況進(jìn)行驗(yàn)算，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)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(shí)，柴油機(jī)可取0.210.27千克/千瓦.小時(shí)，汽油機(jī)可取0.300.34千克/千瓦.小時(shí)，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)=（0.851.10）柴油機(jī)=（0.500.78）車用柴油機(jī)可取=（0.600.75），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=（0.500.60），精確的應(yīng)通過樣機(jī)的熱平衡試驗(yàn)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(jì)算的基礎(chǔ)上增大10%額定功率： 對(duì)于420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=0.6*309=185.4千焦/秒增大10%后的=203.94千焦/秒 對(duì)于360馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=0.6*266=159.6千焦/秒增大10%后的=175.56千焦/秒 對(duì)于310馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=0.6*225=135千焦/秒增大10%后的=148.5千焦/秒最大扭矩： 對(duì)于420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=0.6*250=150千焦/秒增大10%后的=165千焦/秒 對(duì)于360馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=0.6*245=147千焦/秒增大10%后的=161.7千焦/秒 對(duì)于310馬力發(fā)動(dòng)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(shí)的容許溫升，對(duì)現(xiàn)代強(qiáng)制循環(huán)冷卻系，可取=612 -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(duì)于420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=203.94/（12*1000*4.187）=4.06X10-3（米3/秒）=243.54(L/min)對(duì)于360馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=175.56/（12*1000*4.187）=3.49X10-3（米3/秒）=209.65(L/min)對(duì)于310馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=148.5/（12*1000*4.187）=2.96X10-3（米3/秒）=177.33(L/min)最大扭矩：（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速13001600） 對(duì)于420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=165/（12*1000*4.187）=3.28X10-3（米3/秒）=197.03(L/min)對(duì)于360馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=161.7/（12*1000*4.187）=3.22X10-3（米3/秒）=193.10(L/min)對(duì)于310馬力發(fā)動(dòng)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=1080 -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(duì)于420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=203.94/(60*1.01*1.047)=3.2143米3/秒 對(duì)于360馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=175.56/(60*1.01*1.047)=2.7670米3/秒 對(duì)于310馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=148.5/(60*1.01*1.047)= 2.3405米3/秒最大扭矩： 對(duì)于420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=165/(80*1.01*1.047)=1.9504千焦/秒 對(duì)于360馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=161.7(80*1.01*1.047)=1.9114千焦/秒 對(duì)于310馬力發(fā)動(dòng)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(jì)要點(diǎn)1、散熱器的質(zhì)量指標(biāo)：1）、傳熱系數(shù)KR是評(píng)價(jià)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(yàn)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(shí)，傳熱系數(shù)KR增大，但同時(shí)使空氣阻力PR按平方關(guān)系更急劇地增長(zhǎng)，使風(fēng)扇功率消耗很快增加。2、散熱器的計(jì)算程序 1）、按熱平衡試驗(yàn)的數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式（1-1）計(jì)算出傳給冷卻液的熱量；同時(shí)按公式（1-2）計(jì)算出冷卻水的循環(huán)水量；用公式（1-3）計(jì)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(jì)算散熱器的正面積FR根據(jù)冷卻空氣量計(jì)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810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(duì)于420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=3.2143米3/秒 FR=0.4017875米2 對(duì)于360馬力發(fā)動(dòng)機(jī)=2.7670米3/秒 FR= 0.345875米2 對(duì)于310馬力發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)于420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)h= FR/b=0.4017875/0.648米2=0.6200424米2 對(duì)于360馬力發(fā)動(dòng)機(jī)h= FR/b= 0.345875/0.648米2=0.5337577米2 對(duì)于310馬力發(fā)動(dòng)機(jī)h= FR/b= 0.2925625/0.648米2=0.451485米2 3）、計(jì)算散熱器的水管數(shù)根據(jù)冷卻水的循環(huán)量，計(jì)算冷卻水管數(shù)式中-水在散熱器水管中的流速，一般取=0.60.8米/秒 -每根水管的橫斷面積，米24）、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0.0690.117(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(jì)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(duì)開式冷卻系統(tǒng)可取=9095，閉式冷卻系統(tǒng)，可取=95100-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=612-散熱器冷卻空氣的進(jìn)出口溫差，一般取=1030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(shí)際選取的散熱面積要比計(jì)算結(jié)果大一些，通常取式中-儲(chǔ)備系數(shù)，一般取=1.11.15根據(jù)統(tǒng)計(jì)，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：=0.1360.204 米2/千瓦載重車：=0.2040.408 米2/千瓦拖拉機(jī)：=0.4080.680 米2/千瓦6)計(jì)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=5001000米2/米3，對(duì)于選定的芯部結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)定值。計(jì)算所得值，應(yīng)與實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)散熱器尺寸相符。三、 水泵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及計(jì)算（一）、水泵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(jì)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0.60.852 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(dòng)阻力并得到必要的冷卻水循環(huán)的流動(dòng)速度；此外，為了冷卻可靠，在工作溫度下水在任一點(diǎn)的壓力均應(yīng)大于此時(shí)飽和蒸氣壓力。當(dāng)壓力不夠時(shí)，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=2.5X1054.5X105(2.54.5巴)3 計(jì)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=12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(duì)速度與葉輪切線夾角；一般取=80120；-葉片出口安裝角，一般取=240500；-液力效率=0.60.8；-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=1235mm，=725mm；z-輪葉數(shù)，一般取出48片。7 計(jì)算輪葉進(jìn)口安裝角需補(bǔ)充公式現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中=4005508 計(jì)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0.90.97經(jīng)過計(jì)算得出水泵葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，就可對(duì)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(shí)，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(jì)要點(diǎn)及計(jì)算（一）、風(fēng)扇的設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(shí)，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(jì)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?zèng)Q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(jì)算如下：式中-散熱器的阻力，當(dāng)重量風(fēng)速為1020千克/米2，管片式散熱器阻力100500帕-除散熱器以外的所有空氣通道，如百頁(yè)窗、導(dǎo)風(fēng)罩，發(fā)動(dòng)機(jī)罩等的阻力，它約等于=（0.41.1）詳細(xì)確定之前，應(yīng)根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)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?yàn)轱L(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=0.280.3611