冷却系统计算.doc

冷却系统计算一、 闭式强制冷却系统原始参数都以散入冷却系统的热量QW为原始数据，计算冷却系统的循环水量、冷却空气量，以便设计或选用水泵、散热器、风扇1冷却系统散走的热量QW冷却系统散走的热量QW，受很多复杂因素的影响，很难精确计算，初估QW，可以用下列经验公式估算：（千焦/秒） （1-1）-传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，对汽油机A=0.230.30，对柴油机A=0.180.25-内燃机燃料消耗率（千克/千瓦.小时）-内燃机功率（千瓦）-燃料低热值（千焦/千克）如果内燃机还有机油散热器，而且是水油散热器，则传入冷却系统中的热量，也应将传入机油中的热量计算在冷却系统中，则按上式计算的热量值应增大510%一般把最大功率（额定工况）作为冷却系统的计算工况，但应该对最大扭矩工况进行验算，因为当转速降低时可能形成蒸汽泡（由于气缸体水套中压力降低）和内燃机过热的现象。具有一般指标的内燃机，在额定工况时，柴油机可取0.210.27千克/千瓦.小时，汽油机可取0.300.34千克/千瓦.小时，柴油和汽油的低热值可分别取41870千焦/千克和43100千焦/千克，将此值带入公式即得汽油机=（0.851.10）柴油机=（0.500.78）车用柴油机可取=（0.600.75），直接喷射柴油机可取较小值，增压的直接喷射式柴油机由于扫气的冷却作用，加之单位功率的冷却面积小，可取=（0.500.60），精确的应通过样机的热平衡试验确定。取=0.60考虑到机油散热器散走的热量，所以在上式计算的基础上增大10%额定功率： 对于420马力发动机=0.6*309=185.4千焦/秒增大10%后的=203.94千焦/秒 对于360马力发动机=0.6*266=159.6千焦/秒增大10%后的=175.56千焦/秒 对于310马力发动机=0.6*225=135千焦/秒增大10%后的=148.5千焦/秒最大扭矩： 对于420马力发动机=0.6*250=150千焦/秒增大10%后的=165千焦/秒 对于360马力发动机=0.6*245=147千焦/秒增大10%后的=161.7千焦/秒 对于310马力发动机=0.6*180=108千焦/秒增大10%后的=118.8千焦/秒 2冷却水的循环量根据散入冷却系统中的热量，可以算出冷却水的循环量（米3/秒） （1-2）式中 -冷却水在内燃机中循环时的容许温升，对现代强制循环冷却系，可取=612 -水的比重，可近似取=1000千克/米3 -水的比热，可近似取=4.187千焦/千克.度取=12额定功率： 对于420马力发动机=203.94/（12*1000*4.187）=4.06X10-3（米3/秒）=243.54(L/min)对于360马力发动机=175.56/（12*1000*4.187）=3.49X10-3（米3/秒）=209.65(L/min)对于310马力发动机=148.5/（12*1000*4.187）=2.96X10-3（米3/秒）=177.33(L/min)最大扭矩：（对应转速13001600） 对于420马力发动机=165/（12*1000*4.187）=3.28X10-3（米3/秒）=197.03(L/min)对于360马力发动机=161.7/（12*1000*4.187）=3.22X10-3（米3/秒）=193.10(L/min)对于310马力发动机=118.8/（12*1000*4.187）=2.36X10-3（米3/秒）=141.87(L/min)3冷却空气需要量冷却空气的需要量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（米3/秒） （1-3）式中 -空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，通常=1080 -空气的比重，可近似取=1.01千克/米3 -空气的定压比热，可近似取=1.047千焦/千克.度额定功率：（取=75） 对于420马力发动机=203.94/(60*1.01*1.047)=3.2143米3/秒 对于360马力发动机=175.56/(60*1.01*1.047)=2.7670米3/秒 对于310马力发动机=148.5/(60*1.01*1.047)= 2.3405米3/秒最大扭矩： 对于420马力发动机=165/(80*1.01*1.047)=1.9504千焦/秒 对于360马力发动机=161.7(80*1.01*1.047)=1.9114千焦/秒 对于310马力发动机=118.8/(80*1.01*1.047)=1.4043千焦/秒二、 散热器的结构设计要点1、散热器的质量指标：1）、传热系数KR是评价散热效能的重要参数，它表示当冷却水和空气之间的温差为1，每1秒通过1米2与空气接触散热表面所散走的热量。提高散热系数可以改善散热效能，减少尺寸和材料消耗。传热系数受散热器芯部结构、水管中冷却水的流速、通过散热器的空气流速、管片材料以及制造质量等许多因素的影响。2）、空气阻力PR ，它主要取决于散热芯的结构和尺寸散热器的传热系数KR和空气阻力PR，只能通过专门的试验才能确定。影响KR最重要因素是通过散热芯的空气流速Va，当Va提高时，传热系数KR增大，但同时使空气阻力PR按平方关系更急剧地增长，使风扇功率消耗很快增加。2、散热器的计算程序 1）、按热平衡试验的数据或经验公式（1-1）计算出传给冷却液的热量；同时按公式（1-2）计算出冷却水的循环水量；用公式（1-3）计算出冷却空气量。内燃机传给冷却液的热量应当等于散热器散出的热量；冷却水的循环量应当等于流过散热器水管的水流量；冷却空气量应当等于流过散热器的空气量。2）、计算散热器的正面积FR根据冷却空气量计算散热芯的正面积 （米2）-散热器正面前的空气流速（米/秒）。载重汽车取810米/秒，小客车取12米/秒，矿山车和拖拉机取8米/秒额定功率：（取=8米/秒） 对于420马力发动机=3.2143米3/秒 FR=0.4017875米2 对于360马力发动机=2.7670米3/秒 FR= 0.345875米2 对于310马力发动机= 2.3405米3/秒FR= 0.2925625米2算出散热芯的正面积FR以后，再根据动力装置的总布置确定散热器芯部的高度h和宽度b; （米）额定功率：（取b=0.648米） 对于420马力发动机h= FR/b=0.4017875/0.648米2=0.6200424米2 对于360马力发动机h= FR/b= 0.345875/0.648米2=0.5337577米2 对于310马力发动机h= FR/b= 0.2925625/0.648米2=0.451485米2 3）、计算散热器的水管数根据冷却水的循环量，计算冷却水管数式中-水在散热器水管中的流速，一般取=0.60.8米/秒 -每根水管的横断面积，米24）、确定传热系数选取一定型式的散热器，并从散热器特性曲线上寻求相应的冷却水流速和空气重量流速条件下传热系数KR的值。KR的值通常等于0.0690.117(千焦/米2.秒.度)，主要由散热器的结构形式和制造质量决定。5）计算散热器的散热表面积F (米2)式中-散热器中冷却水和冷却空气的平均温差，=-式中 -冷却水平均温度=-;-冷却空气平均温度式中-散热器进水温度，对开式冷却系统可取=9095，闭式冷却系统，可取=95100-散热器冷却空气的进口温度，一般取40-散热器冷却水的进出口温差，一般取=612-散热器冷却空气的进出口温差，一般取=1030考虑到经过散热器的冷却空气流速不可能均匀，散热片蒙上尘土时，散热性能要有降低，实际选取的散热面积要比计算结果大一些，通常取式中-储备系数，一般取=1.11.15根据统计，散热器的比散热面积，即内燃机单位功率所需要的散热面积在下列范围内：小客车：=0.1360.204 米2/千瓦载重车：=0.2040.408 米2/千瓦拖拉机：=0.4080.680 米2/千瓦6)计算散热器芯部厚度式中-散热器芯的容积紧凑性系数，它表示单位散热芯部容积所具有的散热面积，越大，散热器愈小，但空气阻力也大。它决定于散热片和水管的数目、布置和形状，一般取=5001000米2/米3，对于选定的芯部结构，它是一个定值。计算所得值，应与实际的标准散热器尺寸相符。三、 水泵的设计要点及计算（一）、水泵的设计要点在水泵结构中，影响效率的主要关键是轮叶和蜗壳的形状，而影响可靠性的关键是水封。（二）、水泵的计算水泵主要根据所需的泵水量和泵水压力来选择，其程序大致如下：1 确定水泵的泵水量水泵的泵水量可根据冷却水的循环量按下式初步确定：式中-冷却水的循环量（米3/秒）-水泵的容积效率，主要考虑水泵中冷却水的泄露，一般取0.60.852 确定水泵的泵水压力（）水泵的压力应当足以克服冷却系统中所有的流动阻力并得到必要的冷却水循环的流动速度；此外，为了冷却可靠，在工作温度下水在任一点的压力均应大于此时饱和蒸气压力。当压力不够时，水泵入口处可能发生气蚀现象，因此此处的压力最低。在机车柴油机中，泵水压力约需P=2.5X1054.5X105(2.54.5巴)3 计算出叶轮进水孔半径式中-进水孔半径（米）-叶轮轮毂的半径（米）-水泵进口处的水流速度，一般取=12米/秒。若取得过大，水泵可能发生气蚀。4 算出水流流出叶轮外缘的圆周速度：需补充公式式中-叶片出口处水流绝对速度与叶轮切线夹角；一般取=80120；-叶片出口安装角，一般取=240500；-液力效率=0.60.8；-水泵的泵水压力，帕5 求出叶轮外缘半径（米）式中n-水泵转速（转/分）6 进口处与出口处的叶片宽度各为需补充公式式中-轮叶厚度（米），在现有结构中=3-5mm；-水在出口处的径向流速，由下式确定，=需补充公式在现有结构中=1235mm，=725mm；z-轮叶数，一般取出48片。7 计算轮叶进口安装角需补充公式现有结构中=4005508 计算出水泵所消耗的功率（瓦）式中-水泵的泵水压力（帕）；-水泵的泵水量（米3/秒）-水泵的机械效率，在现有结构中，可取0.90.97经过计算得出水泵叶轮的结构参数后，就可对叶轮绘制结构图。水泵的泵水量与转速成正比，泵水压力与转速的平方成正比，所以提高水泵转速是提高水泵泵水量和泵水压力而又不增大结构的有效的有效方法，但不宜将转速提得过高，它不但使水泵消耗功率增加，而且容易在水泵的叶轮内形成较低的压力，当该压力一旦低于饱和蒸气压力时，就要出现气蚀现象。四、 水冷内燃机的风扇设计要点及计算（一）、风扇的设计要点风扇的排量、风压和功率消耗分别与风扇的转速一次、二次、三次方成正比，所以，提高转速是增加风量和风压的有效方法，但功率的消耗也急剧增加。 在散热器与风扇之间要设导流风罩，并且必须密封导风罩与散热器的联结处，防止风扇抽风时，外界空气从不密封处短路流入风扇，使流过散热器的风量减少，使散热器的散热效果下降。（二）、风扇的计算内燃机风扇的外径主要由散热器芯部正面积决定，然后再决定其它参数和尺寸。而风冷内燃机风扇从风扇的外形尺寸要尽可能小出发。1 确定风扇的扇风量扇风量由公式（1-3）确定2 确定风扇的压力空气道的阻力计算如下：式中-散热器的阻力，当重量风速为1020千克/米2，管片式散热器阻力100500帕-除散热器以外的所有空气通道，如百页窗、导风罩，发动机罩等的阻力，它约等于=（0.41.1）详细确定之前，应根据风洞试验确定。3按照总布置的要求和散热器芯部的尺寸，确定风扇外径，因为风扇轮叶扫过的环面积等于散热器芯部正面积的45%60%，而风扇轮叶内径与外径之比=0.280.3611