XM1800型钢轨铣磨车冷却系统散热设计

张宗涛

(昆明中铁大型养路机械集团有限公司，云南昆明 650215)

XM1800型钢轨铣磨车由昆明中铁集团公司联合国内外相关铣、磨企业共同研发，具有高效、环保的特点。XM1800型钢轨铣磨车的动力系统选用了卡特彼勒的3512B工业用机，采用了双泵双回路冷却系统，冷却水箱需要昆明中铁独立选型。本文就3512B发动机的冷却系统散热面积进行核算，对发动机水箱的配套参数进行验证。

1 散热水箱散热面积计算

1.1 发动机散热原始数据

本方案采用的柴油发动机为CAT 3512B工业机，额定功率为1 124 kW，额定转速为1 800 r/min，结合本项目，工作转速为1 500 r/min，相应间歇功率为1 019 kW，相应的散热功率见表1，水泵的外阻与流量的对应关系见表2、表3。

表1 发动机散热功率 kW

表2 中冷水泵外阻与流量

表3 高温水泵外阻与流量

1.2 中冷(LTC)散热面积计算

根据表1可知，中冷的散热功率为254 kW。考虑10%的裕度，取中冷散热功率Pl=254×(1+0.1)=279.4 kW。相应水泵外阻选取3.5 m，压力相当于35 kPa，对应水流量 qwl=360 L/min≈6 kg/s，发动机中冷出水温度设计值取TWl1=70℃，则有热量公式

式中:Q为热量，kJ;c为冷却介质的比热容，kJ/(kg·℃);m为介质质量，kg;ΔT为介质温度差，℃。

式(1)等价于公式

式中:qwl为冷却液流量，kg/s;cw=3.3 kJ/(kg·℃);ΔTwl=Twl2－Twl1，则冷却液冷却后的温度

此时，发动机中冷冷却液相应热量将由风扇吹动空气带走，对于散热空气而言有

式中:ca为空气比热容，kJ/(kg·℃);qa为空气流量，kg/s;ΔTal为中冷散热前后空气温度差，℃;Tal1，Tal2分别为中冷散热后、散热前的空气温度，℃。

由于Tal2=40℃(环境设定温度)，ca=1.004 16 kJ/(kg·℃)，qa=1.1 ×34.94=38.434 kg/s(选定的冷却风扇对于冷却水箱分配的冷却空气流量)，故可得

中冷冷却系统的液气平均温差ΔTl为

式中:ΔTlmax=Twl1－Tal2;ΔTlmin=Twl2－Tal1;φ为平均温差修正系数，此处取1.1。

将已知参数带入式(4)可得ΔTl≈19.12℃。

散热面积S计算公式为

式中:P为散热功率，对于中冷散热取279.4 kW;ΔT为相应的液气平均温差，这里为19.12℃;U为散热系数，取 200 kJ/(m2·h·℃)=1/18 kW/(m2·s·℃)。

将上述数值带入式(5)可得中冷散热器所需要的最小散热面积SLTC为

1.3 高温(HTC)散热面积计算

根据表1可知，高温散热功率为464 kW，考虑10%的裕度，取高温散热功率Ph=464×(1+0.1)=510.4 kW。相应水泵外阻换算为35 kPa，对应水流量qwh=1 500 L/min≈25 kg/s，发动机高温出水温度设计值取Twh1=95℃，则高温散热功率Ph计算公式为

式中:qwh为冷却液流量，kg/s;cw=3.3 kJ/(kg·℃);ΔTwh=Twh2－Twh1。

冷却液冷却后的温度为

发动机高温冷却液相应热量将由风扇吹动空气交换带走，对于散热空气，有

式中:ΔTah为高温散热前后空气温度差，℃;Tah1，Tah2分别为高温散热后、散热前的空气温度，℃。

由于高温水箱与中冷水箱为串联结构，故中冷的空气出风温度即为高温的进风温度，即Tah2=Tal1=47.24℃，故可得

高温冷却系统的液气平均温差ΔTh［2-3］为

式中:ΔThmax=Twh1－Tah2;ΔThmin=Twh2－Tah1;φ为平均温差修正系数，此处取1.01。

将上述各值带入式(9)可得ΔTh≈37.95℃。

对于高温散热，Q为510.4 kW，ΔT为37.95℃，U为 200 kJ/(m2·h·℃)=1/18 kW/(m2·s·℃)，可得高温散热器所需要的最小散热面积SHTC为

2 结语

通过计算可知，本方案采用的3512B柴油发动机的冷却水箱中冷和高温时最小散热面积分别为263.03 m2，242.1 m2。

对于水箱的选型，考虑到水箱的结构、工艺、通风状况等，在上述数据的基础上需乘以一个1～2的系数。结合以往经验，本方案采用的水箱中冷及高温的散热面积统一定为313.75 m2，可满足整个冷却系统的散热要求。

［1］余建祖.换热器原理与设计［M］.北京:北京航空航天出版社，2006.

［2］李登龙，缪平.让你的发动机“冷静”下来［J］.现代零部件，2007(1):25-27.

［3］邹军，杨会滨.CKD0型机车冷却系统的设计［J］.内燃机车，2007(8):16-19.