CN108561221A - 自卸车水冷却系统设计方法 - Google Patents

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CN108561221A CN201810290124.6A CN201810290124A CN108561221A CN 108561221 A CN108561221 A CN 108561221A CN 201810290124 A CN201810290124 A CN 201810290124A CN 108561221 A CN108561221 A CN 108561221A
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Abstract

一种自卸车水冷却系统设计方法，包括以下步骤：一、散热器总成设计，A、低温水散热器设计、B、高温水散热器设计；二、风扇的设计；通过收集设计所需参数来理论计算来实现系统匹配设计选型。

Description

自卸车水冷却系统设计方法
技术领域
本发明涉及一种自卸车水冷却系统设计方法。
背景技术
柴油机冷却系统的作用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，使柴油机得到适度冷却，保证柴油机在正常温度状态下工作。柴油机水冷却系统如图1所示，包括冷却风扇1、散热器2、冷却水管路3、柴油机4和膨胀水箱5。冷却风扇1安装于柴油机前端，散热器布置于冷却风扇的正前方，其上固定导风罩，冷却风扇置于导风罩内，风扇将冷风空气吸入散热器，冷风首先经过低温冷却模块，冷却发动机低温水，然后再通过高温冷却模块，冷却发动机高温水，最后吹向柴油机，实现柴油机的冷却散热。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以通过理论计算来实现系统匹配设计选型的自卸车水冷却系统设计方法。
为了解决上述技术问题，本发明的包括以下步骤：
一、散热器总成设计：
A、低温水散热器设计：
a1、收集设计所需参数，包括低温水柴油机回路中的散热功率、散热器出口水温、冷却介质、水循环量、冷却液侧压力损失以及冷却空气的进口空气温度；
a2、计算冷却空气需要量：
由公式Qa＝Cpa×ρa×Va×△Ta；
其中Qa—冷却空气散热量，Cpa—空气定压比热容，ρa—空气密度，Va—
冷却空气需要量；
得出冷却空气需要量Va；
a3、计算温差：
由式，QaL＝CpaL×ρaL×VaL×△TaL；
其中：QaL—冷却空气散热量；CpaL—空气定压比热容；ρaL—空气密度；VaL—冷却空气需要量；△TaL—冷却空气经过低温散热器前后的温升；
所以由△TaL得出出气温度TaLout；
又由式，QwL＝CpwL×ρwL×VwL×△TwL；
其中：QwL—冷却液散热量；CpwL—冷却液比热容；ρwL—冷却液密度；VwL—冷却液循环流量；△TwL—冷却液经过低温散热器进、出口的温升；
所以由△TwL得出进水温度TwLin；
a4、计算对数平均温差：
其中：TOL—对数平均温差；△T1L—传热过程中的温差；T1L—热流出口温度；△T2L—传热过程中的温差；T2L—热流进口温度；t1L–冷流出口温度；
a5、计算要求传热面积：
其中，F—传热面积FL；Q—散热量QL；K—传热系数；△T—对数平均温差；
a6、通过要求传热面积选出低温水散热器的芯体尺寸并进行验证；
B、高温水散热器设计：
b1、收集设计所需参数，包括高温水柴油机回路中的散热功率、散热器出口水温、冷却介质、水循环量、冷却液侧压力损失以及冷却空气的进口空气温度、冷却空气流量；
b2、计算温差、对数平均温差以及要求传热面积；
b3、通过要求传热面积选出高温水散热器的芯体尺寸并进行验证；
C、膨胀水箱的设计：根据柴油机设计要求，膨胀水箱装水容积应大于系统总容积的11％，水箱膨胀空间占系统总容积的6％；
二、风扇的设计：计算冷却空气的需要量，并根据风扇需要提供的冷却风量大于冷却空气的需要量的条件对风扇进行选型。
作为本发明的进一步改进，在步骤a6中：通过要求传热面积选出低温水散热器的芯体尺寸，所述低温水散热器的芯体的参数包括翅片高度H、翅片内高Y、翅片间距P、翅片内距X、翅片厚度T、流道有效宽W、流道有效长L、流道排数N，然后计算通道横截面积：计算流道流速：计算实际散热面积：将实际散热面积与要求传热面积进行比对，同时计算低温水散热器的芯体的阻力降以及低温水散热器的水腔总容积。
作为本发明的进一步改进，在步骤b2中，计算温差：QaH＝CpaH×ρaH×VaH×△TaH，其中：QaH—冷却空气散热量；CpaH—空气定压比热容；ρaH—空气密度；VaH—冷却空气流量；△TaH—冷却空气经过高温散热器前后的温升，得出出气温度TaHout；又由式，QwH＝CpwH×ρwH×VwH×△Tw，其中QwH—冷却水散热量；CpwH—冷却液比热容；ρwH—冷却液密度；VwH—冷却液循环流量；△TwH—冷却液经过高温散热器进、出口的温升；得出出水温度TwHout。
作为本发明的进一步改进，在步骤b3中，通过要求传热面积选出高温水散热器的芯体尺寸，所述高温水散热器的芯体的参数包括翅片高度H、翅片内高Y、翅片间距P、翅片内距X、翅片厚度T、流道有效宽W、流道有效长L、流道排数N，然后计算通道横截面积：计算流道流速：计算实际散热面积：将实际散热面积与要求传热面积进行比对，同时计算高温水散热器的芯体的阻力降以及高温水散热器的水腔总容积。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
图1为自卸车柴油机水冷却系统。
图2为风翅片结构示意图。
图3为水翅片结构示意图。
图4为通道横截面示意图。
图5为霍顿风扇性能曲线图。
具体实施方式
柴油机冷却系统由散热器总成，冷却风扇和系统管路组成，其中散热器总成由柴油机高温水冷模块、柴油机低温(中冷)水冷模块和膨胀水箱组成，高、低温散热器共用一个膨胀水箱。进行系统设计时需对系统部件进行系统匹配设计选型计算，主要包括散热器总成的设计计算和冷却风扇选型计算及系统冷却能力的校核，确保柴油机冷却系统设计满足要求。
柴油机的使用环境
设计参数
本发明的包括以下步骤
一、散热器总成设计：
A、低温水散热器设计：
a1、收集设计所需参数，包括低温水柴油机回路中的散热功率、散热器出口水温、冷却介质、水循环量、冷却液侧压力损失以及冷却空气的进口空气温度，如下表：
a2、计算冷却空气需要量
由式，Qa＝Cpa×ρa×Va×△Ta
其中：Qa—冷却空气散热量，kW；
Cpa—空气定压比热容，kJ/kg.k(查表得1.005)；
ρa—空气密度，kg/m3(查表得1.093)；
Va—冷却空气需要量，m3/s；
△Ta—冷却空气经过低温散热器前后的温升，K(℃)，△Ta一般取值10～30K。
所以，冷却空气流量
Vamin＝287/1.005×1.093×30＝8.7m3/s
Vamax＝287/1.005×1.093×10＝26.3m3/s
取(Vamin+Vamax)/2＝18m3/s作为低温水散热器冷却空气需要量。
a3、计算温差：
由式，QaL＝CpaL×ρaL×VaL×△TaL＝1.005×1.093×18×△TaL＝287kW
其中：QaL—冷却空气散热量，kW；
CpaL—空气定压比热容，kJ/kg.k(查表得1.005)；
ρaL—空气密度，kg/m3(查表得1.093)；
VaL—冷却空气需要量，m3/s；
△TaL—冷却空气经过低温散热器前后的温升，K(℃)。
所以△TaL＝14.51℃，则出气温度TaLout＝50+14.51＝64.51℃
又由式，QwL＝CpwL×ρwL×VwL×△TwL＝3.532×1034.8×(571.6/60/1000)×△TwL＝287kW
其中：QwL—冷却液散热量，kW；
CpwL—冷却液比热容，kj/kg℃(查表得3.532)；
ρwL—冷却液密度，kg/m3(查表得1034.8)；
VwL—冷却液循环流量，m3/s；
△TwL—冷却液经过低温散热器进、出口的温升，K(℃)。
所以△TwL＝8.2℃，则进水温度TwLin＝74+8.2＝82.2℃。
a4、计算对数平均温差
其中：TOL—对数平均温差，℃；
△T1L—传热过程中的温差，℃；△T1L＝T1L–t2L＝74-50＝24℃；
T1L—热流出口温度；t2L–冷流进口温度；
△T2L—传热过程中的温差，℃；△T2L＝T2L–t1L＝82.2-64.51＝17.69℃；
T2L—热流进口温度；t1L–冷流出口温度。
a5、计算要求传热面积：
其中:F—传热面积FL，m2；
Q—散热量QL，kW；
K—传热系数，单位w/㎡.℃，此为经验值；
△T—对数平均温差TOL，℃。
根据经验，取风侧传热系数KaL＝72W/m2.℃，计算得风侧翅片散热面积：FaL＝192.9m2，考虑18％的面积裕量，即散热芯子表面灰尘覆盖率达到18％，散热器仍能满足柴油机低温冷却散热要求，此时，风侧需求总散热面积为：227.6m2；取水侧传热系数：KwL＝250W/m2.℃，计算得水侧需求散热面积：FwL＝56m2。
a6、通过要求传热面积选出低温水散热器的芯体尺寸并进行验证：
芯体参数设计(长1680×宽1930×厚130)
图2为风翅片结构示意图，图3为水翅片结构示意图；
通道横截面积：
计算得AaL＝2.1784m2；
AwL＝0.026696m2。
图4为通道横截面示意图(阴影部分为单波的横截面积)
流道流速：
计算得uaL＝8.26m/s；
uwL＝0.36m/s。
实际散热面积：
计算得：Fa’L＝234.9m2；
Fw’L＝69.4m2。
所以实际散热面积F’与需求散热面积F对比，各侧实际散热面积F’均大于需求散热面积F，低温散热器的实际散热量为
QL实＝Fa’L×KaL×TOL＝234.9×72×20.66＝349.4kW，满足要求。
阻力降：
其中λ为阻力系数，此为经验值；ρ为密度；N为流程数；De为当量直径，
计算得DeaL＝4.8；
DewL＝2.6。
取风侧阻力系数λ＝0.2，则
△PaL＝201Pa
取水侧阻力系数λ＝0.4(已考虑芯体阻力和进出水口局部阻力)，则
△PwL＝17.1kPa，
水腔容积计算：
芯体容积：
计算得：散热芯体水容积：VxL＝44.8L；
上、下水室装水总容积：VwL＝34.2L；
低温散热器水腔总容积：VL＝VxL+VwL＝76L。
B、高温水散热器设计：
b1、收集设计所需参数，包括高温水柴油机回路中的散热功率、散热器出口水温、冷却介质、水循环量、冷却液侧压力损失以及冷却空气的进口空气温度、冷却空气流量；如下表：
b2、计算温差
QaH＝CpaH×ρaH×VaH×△TaH＝1.005×1.046×18.81×△TaH＝436kW
其中：QaH—冷却空气散热量，kW；
CpaH—空气定压比热容，kJ/kg.k(查表得1.005)；
ρaH—空气密度，kg/m3(查表得1.046)；
VaH—冷却空气流量，m3/s；
△TaH—冷却空气经过高温散热器前后的温升，K(℃)。
所以△TaH＝22.06℃，出气温度TaHout＝64.51+22.06＝86.57℃
又由式，QwH＝CpwH×ρwH×VwH×△TwH＝3.609×1023×(2131/60/1000)×△TwH＝436kW
其中：QwH—冷却水散热量，kW；
CpwH—冷却液比热容，kj/kg℃(查表得3.609)；
ρwH—冷却液密度，kg/m3(查表得1023)；
VwH—冷却液循环流量，m3/s；
△TwH—冷却液经过高温散热器进、出口的温升，K(℃)。
所以△TwH＝3.3℃，则出水温度TwHout＝100-3.3＝96.7℃。
计算对数平均温差：
ToH＝21.45℃
计算要求传热面积：
根据经验，取风侧换热系数KaH＝74W/(m2.℃)，计算得风侧翅片散热面积：FaH＝274.7m2，考虑18％面积裕量，则需求总面积为：324.1m2。取水侧换热系数KwH＝200W/(m2.℃)，计算得水翅片面积FwH＝102m2。
b3、通过要求传热面积选出高温水散热器的芯体尺寸并进行验证芯体：
高温水散热器的芯体参数设计(长1680×高1930×厚200)
高温水散热器的芯体的结构与低温水散热器的芯体的结构相同。
通道横截面积：
计算得：AaH＝2.0503m2；
AwH＝0.06m2(流道采用单流程结构)。
流道流速：
计算得uaH＝9.17m/s；
UwH＝0.59m/s。
(2.5.4)实际散热面积：
计算得：FaH’＝340.1m2；
FwH’＝128.0m2。
所以实际散热面积F’与需求散热面积F对比，各侧实际散热面积F’均大于需求散热面积F，高温散热器的实际散热量为QH实＝539.8kW,满足要求。
阻力降：
其中λ为阻力系数，此为经验值；ρ为密度；n为流程数；De为当量直径，
计算得DeaH＝4.8；
DewH＝3.2。
取风侧阻力系数λ＝0.2，则
△PaH＝365Pa
取水侧阻力系数λ＝0.4(已考虑芯体阻力和进出水口局部阻力)，则
△PoH＝38.2kPa
水腔容积计算
芯体容积：
计算得：散热芯体水容积：VxH＝100.8L；
上、下水室装水总容积：VwH＝62L；。
高温水冷却器总容积：V2＝Vx+Vw＝162.8L。
C、膨胀水箱容积计算
设计输入参数
膨胀水箱的容积计算
根据柴油机设计要求，膨胀水箱装水容积应大于系统总容积的11％，水箱膨胀空间占系统总容积的6％。
根据试验经验，膨胀水箱装水容积设计为系统总容积的15％，膨胀空间占系统总容积的8％。因此膨胀水箱容积为：
V＝V1+V2
其中：V—膨胀水箱容积，L；
V1—膨胀水箱装水容积，L；
V2—膨胀空间，L。
计算得，V＝133.5L,V1＝87.1L,V2＝46.4L。
(4)散热器总成设计计算总结
根据以上计算，综合得出：
二、风扇的设计：
冷却空气需要量
冷却空气的需要量qa一般根据散热器的散热量确定，散热器的散热量一般等于冷却系统的散热量。因为散热器结构采用前后串联型式，所以取冷却系统中散热量需求最大的柴油机高温水冷却需要的冷却风量作为风扇需要提供的冷却风量。考虑到空气热膨胀，所以，实际风扇需要提供的冷却风量qa＝18.81×1.046/0.9819＝20m3/s，即选型风扇需要提供的冷却风量qax≥20m3/s。
系统总阻力：
△Pmax＝△Pa+△Pd+△PL+△Ps＝566+84+83+27＝760Pa
其中：△P—系统总阻力，Pa；
△Pa—高低温散热器的风阻，Pa；
△Pd—导风罩的阻力，Pa；
△PL—冷凝器的阻力，Pa；
△Ps—散热罩的阻力，Pa。
选型风扇性能参数及校核：
根据柴油机风扇驱动转速比为0.5:1,故冷却风扇的额定转速为900r/min，从图5可知，选型的风扇在风压为760Pa时，87℃工作温度下，风扇风量为22m3/s，大于冷却系统要求的20m3/s，风扇选型满足要求。
总结：
通过对柴油机冷却系统进行设计计算，对风扇和散热器进行选型匹配，冷却系统设计结果如上表所示，设计散热器的散热量均大于柴油机高、低温水冷却系统需要的散热量，选型风扇提供的扇风量大于冷却系统所需的冷却空气需要量，故满足柴油机冷却系统要求。

Claims (4)

1.一种自卸车水冷却系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、散热器总成设计：
A、低温水散热器设计：
a1、收集设计所需参数，包括低温水柴油机回路中的散热功率、散热器出口水温、冷却介质、水循环量、冷却液侧压力损失以及冷却空气的进口空气温度；
a2、计算冷却空气需要量：
由公式Qa＝Cpa×ρa×Va×△Ta；
其中Qa—冷却空气散热量，Cpa—空气定压比热容，ρa—空气密度，Va—冷却空气需要量；
得出冷却空气需要量Va；
a3、计算温差：
由式，QaL＝CpaL×ρaL×VaL×△TaL；
其中：QaL—冷却空气散热量；
CpaL—空气定压比热容；
ρaL—空气密度；
VaL—冷却空气需要量；
△TaL—冷却空气经过低温散热器前后的温升。
所以由△TaL得出出气温度TaLout；
又由式，QwL＝CpwL×ρwL×VwL×△TwL；
其中：QwL—冷却液散热量；
CpwL—冷却液比热容；
ρwL—冷却液密度；
VwL—冷却液循环流量；
△TwL—冷却液经过低温散热器进、出口的温升；
所以由△TwL得出进水温度TwLin；
a4、计算对数平均温差：
其中：TOL—对数平均温差；
△T1L—传热过程中的温差；
T1L—热流出口温度；
△T2L—传热过程中的温差；
T2L—热流进口温度；t1L–冷流出口温度；
a5、计算要求传热面积：
其中，F—传热面积FL；
Q—散热量QL；
K—传热系数；
△T—对数平均温差；
a6、通过要求传热面积选出低温水散热器的芯体尺寸并进行验证；
B、高温水散热器设计：
b1、收集设计所需参数，包括高温水柴油机回路中的散热功率、散热器出口水温、冷却介质、水循环量、冷却液侧压力损失以及冷却空气的进口空气温度、冷却空气流量；
b2、计算温差、对数平均温差以及要求传热面积；
b3、通过要求传热面积选出高温水散热器的芯体尺寸并进行验证；
C、膨胀水箱的设计：根据柴油机设计要求，膨胀水箱装水容积应大于系统总容积的11％，水箱膨胀空间占系统总容积的6％；
二、风扇的设计：计算冷却空气的需要量，并根据风扇需要提供的冷却风量大于冷却空气的需要量的条件对风扇进行选型。
2.按权利要求1所述的自卸车水冷却系统设计方法，其特征在于：在步骤a6中：通过要求传热面积选出低温水散热器的芯体尺寸，所述低温水散热器的芯体的参数包括翅片高度H、翅片内高Y、翅片间距P、翅片内距X、翅片厚度T、流道有效宽W、流道有效长L、流道排数N，然后计算通道横截面积：计算流道流速：
计算实际散热面积：将实际散热面积与要求传热面积进行比对，同时计算低温水散热器的芯体的阻力降以及低温水散热器的水腔总容积。
3.按权利要求1所述的自卸车水冷却系统设计方法，其特征在于：在步骤b2中，计算温差：QaH＝CpaH×ρaH×VaH×△TaH，其中：QaH—冷却空气散热量；CpaH—空气定压比热容；ρaH—空气密度；VaH—冷却空气流量；△TaH—冷却空气经过高温散热器前后的温升，得出出气温度TaHout；又由式，QwH＝CpwH×ρwH×VwH×△Tw，其中QwH—冷却水散热量；CpwH—冷却液比热容；ρwH—冷却液密度；VwH—冷却液循环流量；△TwH—冷却液经过高温散热器进、出口的温升；得出出水温度TwHout；
4.按权利要求1所述的自卸车水冷却系统设计方法，其特征在于：在步骤b3中，通过要求传热面积选出高温水散热器的芯体尺寸，所述高温水散热器的芯体的参数包括翅片高度H、翅片内高Y、翅片间距P、翅片内距X、翅片厚度T、流道有效宽W、流道有效长L、流道排数N，然后计算通道横截面积：计算流道流速：
计算实际散热面积：将实际散热面积与要求传热面积进行比对，同时计算高温水散热器的芯体的阻力降以及高温水散热器的水腔总容积。
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