某发动机试验室循环水系统设计

兰炳华

(中国汽车工业工程公司 机械工业第四设计研究院上海设计院，上海 200437)

发动机试验台架一般会用到水冷却系统，发动机试验设备的冷却水系统需要供给水量、温度和压力合适的冷却水，以保证有足够的冷却水流过试验设备，达到要求的冷却能力。根据发动机种类及功率的不同所需要的冷却用水量不同，本文就其中一种柴油发动机试验所采用的循环水系统作简单介绍。

1 工程概况

本工程为华东某市的柴油发动机台架试验室，主要用于测试发动机的性能。本试验室共有26间发动机试验间和一条中间过道，一期工程为16台架，其余为维修间和特殊仪器间;二期工程时总数到26台架，在一期设计时应预留二期的循环水量、冷却塔位置、荷载等。

2 系统介绍

发动机试验循环水主要用于水力测功器、发动机、中冷器、机油恒温系统的冷却，各设备对循环水温度要求不同，水力测功器、中冷器、机油恒温系统的进水温度约为32℃，出水不大于50℃;发动机测试时要求进水温度约70℃，出水温度不高于85℃，发动机自带100 L的水箱，水箱设有温度感应器、液位计、电磁阀、加热器(为成套产品)。此系统选择开式冷却循环水系统，原理图如图1所示。

2.1 水力测功器循环水

图1 发动机试验室循环水系统原理图

试验中发动机产生的扭矩，通过与发动机相连的水力测功器相平衡而测量。根据工艺要求，水力测功器的水压要求稳定，需要设置稳压水箱，一般水箱水面至水力测功机机轴中心4 m～5 m即可满足要求，水箱容积根据工艺要求，每台测功机约需要0.8 m3～1 m3水。为了保证供水水头，将稳压水箱设在二楼，水箱设置相应的进出水管道及阀门。循环水经泵房内变频供水泵组将水补充进水箱，水箱出水管与测功机循环进水管相连，保证供水压力稳定。循环回水经重力流入地下管沟内的回水干管内，设置管道坡度，重力流回高温水池。

2.2 发动机循环水

发动机试验时自带100 L容积的混合水箱，发动机内的水管与混合水箱之间连通。当混合水箱内的水温度高于85℃时，水箱补水电磁阀打开，将32℃的冷却水补充进水箱，当水箱内水温到达70℃时进水电磁阀关闭，在补水时水箱发生溢流，溢流水回到循环回水干管，进入高温水池。

2.3 中冷器、机油恒温系统循环水

中冷器、机油恒温系统循环水的供水由加压变频泵组直接供给，冷却设备后重力回到循环回水管，进入高温水池。

2.4 循环水泵房

循环水泵房包括高温水池、低温水池、循环泵组、开式冷却塔、软化水处理器、全自动自清洗过滤器等。各系统回水均到高温水池，经水泵提升，将池内水送入高温型开式冷却塔，冷却塔出水管与低温水池相连，低温水池内设溢流管，溢流水流入低温水池。变频供水泵组将水从低温水池供到各系统用水点，经回水管重新回到高温水池，完成水系统的循环。自来水软化后补入低温水池。

3 循环水系统设计

3.1 工艺循环水要求

3.1.1 水量表

循环水量表见表1。

表1 循环水量表

3.1.2 水质要求

发动机冷却水温度较高，为防止水结垢，设置软化水器对循环水进行软化处理，软化后水的暂时硬度应小于8德国度～10德国度。设置过滤器对悬浮物进行过滤，机械悬浮物应小于25 mg/L。

3.2 计算

3.2.1 水池计算

1)混合水温计算。

根据能量守恒:

其中，Q0为期循环水总量，m3/h;t0为混合水温度，℃;C为水的比热，4.187 kJ/(kg·℃);Q1，Q2，Q3，Q4分别为发动机、测功器、中冷器、机油恒温一期总水量，m3/h;t1为发动机出水温度，℃;t11为发动机进水温度，℃;t2为发动机、测功器、中冷器、机油恒温出水温度，℃;t22为发动机、测功器、中冷器、机油恒温进水温度，℃。

计算后得出混合水温度:t0=63.8℃。

电路采用的超声波换能器中心频率为200 kHz左右,所以根据采样定理采样频率应大于400 kHz,为了保证系统台阶识别的准确性实际应用中AD采样频率大于1 MHz即可实现台阶信号采集,不需要采用较高的频率采集回波信号波形以获取各个波峰幅值。

2)溢流管计算。

由于受冷却塔填料能承受的进水最高温度的限制，需要将冷却塔进水温度控制在55℃以下，将低温水池水补充进高温水池，使得混合后的水温满足要求。考虑安全，设计控制冷却塔进水温度为50℃，低温水池需要溢流进入高温水池的水量为Q5(m3/h)，低温水池的水温为冷却塔出水温度t3按32℃，根据能量守恒:

计算后得出溢流水量Q5=228.8 m3/h。

低温水池向高温水池溢流为淹没出流，假设作用水头为1 m:

其中，μ为流量系数，0.62;A为孔口面积，m2;H为作用水头，m;Q5为溢流水量，m3/s。

图2 水池剖面图

3.2.2 补水计算

1)发动机自带水箱补水量。

采用水箱与发动机之间水循环方式，同时采用加入冷水来降低其温度时，冷却水的补水量Q6根据下式计算:

单台发动机100 L水箱补水管应根据单台最大小时水量计算。

2)其他系统补水量。

测功器、中冷器、机油恒温系统的补水量即为开式冷却塔由于蒸发、风吹和排污等引起的水量损失，根据规范要求计算。

图3 剖面图

3.2.3 高、低温水池

高、低温循环水池的有效容积及液位设置应满足水泵吸水要求及规范规定的每小时水泵启停次数要求。得出高、低温水池的有效容积不小于80 m3。设计时考虑在水池上方放置冷却塔，一期冷却塔放置在高温水池顶，二期冷却塔放置在低温水池顶，水池的平面尺寸应根据冷却塔平面尺寸确定，高温水池的平面净尺寸为6 m×7 m，而低温水池的平面净尺寸为4.8 m×7 m。为了满足溢流要求及水泵自吸要求，低温水池顶高于高温水池顶，见图2。

3.3 管道布置

循环水管道一般要求同程布置，以使各用水点压力平衡。在此设计中，由于各用水点压力要求并不一致，且循环回水为自流式，因此可以采用非同程布置的方式。整个试验站在南北两侧设置两条地下管沟，所有与试验有关的给排水管道均布置在管沟中，与动力专业的管道共用支架，具体见图3。在每个试验室内设置环形地沟，各种管道也敷设在地沟内，地沟内靠近地下管沟的一段设置地漏，将沟内水排入管沟内排水沟中，用潜水泵将沟内水提升至污水处理站处理。

4 设计小结

1)循环水系统选择。水冷却系统是选择直排还是循环应根据系统的用水量、当地的自来水价格等因素确定。循环水系统采用开式冷却塔或是闭式冷却塔应根据试验室所在区域的外部环境、试验时工艺对水质的要求和甲方的经济承受能力综合确定。2)水泵。因循环水回水时温度较高，从高温水池抽水的水泵应选用热水型。循环供水泵的扬程应根据几种设备中扬程要求最高的一种确定。从图2中可以看出高温水池液位低于室内地坪，当从高温水池抽水的水泵设置在±0.00的室内地坪时，水泵非自灌式吸水，在吸水管上需要增设自吸罐。3)余热利用。为了节约能源，循环水系统多数情况下可以进行余热回收利用。在有淋浴用水的时候，可以作为淋浴热水的热源，增设板换器、循环泵、热水箱等设施即可将高温水池内的水作为热源。此试验室附近无淋浴用水而未对循环水余热进行回收利用。

［1］［英］A.J.马特，M.A.普林特.发动机试验理论与实践［M］.宋进桂，于京诺，杨占鹏，等，译.北京:机械工业出版社，2009.