一种铁路工程机械用四合一散热器设计

何大勇 耿路峰 王印军 王茂林 周坤

摘 要：为满足散热器的紧凑化要求，提出一种四合一散热器，将冷却液、增压空气、液压油、燃油的冷却进行一体化集成设计。以冷却液散热器的换热面积计算为例进行设计说明。首先对拟散热量进行估算，然后计算换热介质平均理论温差，并根据温差修正系数修正理论温差，接着计算传热系数，最后得到换热面积。根据换热面积这一关键参数进行散热器设计制造并进行了装车验证。结果表明，本文的四合一散热器能对各个介质进行有效降温，各散热器出口温度均满足要求，能够支持发动机相关系统正常工作。

关键词：散热器;发动机;铁路;工程机械;换热面积

中图分类号：U216 文献标识码：A

0 引言

随着工程机械行业的技术进步，铁路作业施工的机械化程度越来越高，原来需要大量人力的作业正逐渐被各种大中小型机械代替[1-2]。

本公司研发一款铁路工程机械，采用发动机提供动力，需要对发动机冷却液、增压空气、液压油、燃油进行冷却。由于车上空间紧凑，因此作为车上重要部件的冷却系统的体积不能太大。因此，本文进行四合一散热器集成化设计研究。

1 散热器设计计算

散热器最重要的参数就是换热面积[3]。本节以该四合一散热器中冷却液散热器的换热面积计算为例进行说明，剩余三个散热器可参照本节进行计算。

1.1 冷却液散热量

本文采用五十铃4JJ1X发动机，带涡轮增压，额定功率73 kW，燃油消耗率211 g/kWh。冷却液散热量常采用下式进行估算[4]：

式中：为散热量;为散热量占燃料总发热量的比值;P为发动机额定功率;q为油耗;Hu为燃料低热值。

对，一般为30%～35%，本文取为32.5%;P取为73 kW;q取为210 g/kWh;对于柴油，Hu取为10.2 kcal/g。可得=50 818.95 kcal/h=59.1 kW。

1.2 换热介质平均理论温差

（1）进入散热器的冷却液温度。发动机冷却液适宜工作温度一般为85～95℃，根据发动机参数，选定进口温度=92℃。

（2）流出散热器的冷却液温度。本文发动机节温器开启温度为85℃，以此作为散热器出口温度，即=85℃。

（3）进入散热器的空气温度。就是环境温度，根据经验将环境温度设为45℃，即=45℃。

（4）流出散热器的空气温度。

式中：为进入散热器的空气温度;为空气流过散热器的温升，可由下式计算[5]：

式中：为散热量;为散热器芯体的迎风面积（m2），根据经验值取为0.35 m2[6];为空气定压比热容，取为

0.24 kcal/kg·℃;为散热器前的空气流速，根据发动机风扇性能曲线，取为6.38 m/s;为空气密度，取为

1.093 kg/m3。代入数据，得=24.1℃，=45℃+24.1℃

=69.1℃。

1.3 平均温差修正系数

需要修正系数对平均温差进行修正。修正系数的大小取决于参数及。

可得，=0.82，=0.18。查询文献[6]，得=0.96。

1.4 平均温差

平均温差通过下式计算[6]：

式中：为平均温差修正系数;和分别为两种流体端部温差的最大值和最小值。根据上文数值，有=92-45=47（K），=85-69.1=15.9（K），得=27.6 K。

1.5 总传热系数

总传热系数分为热侧和冷侧两种，均按照下式计算[7]：

式中：和分别为板片两侧的传热膜系数;和分别为板片两侧的污垢系数;为板片厚度;为板片导热系数。

以热侧总传热系数为例，对传热膜系数，根据文献[6]的方法得=361.7 W/（m2·K），=398.1 W/（m2·K）;对污垢系数，查询文献[7]得==4.5×10﹣5 m2·K/（W）;板片材料选用6063铝合金，=0.000 8 m，=201 W/（m·K）。因此，热侧总传热系数=186.2 W/（m2·K），同样，冷侧总传热系数=65.5 W/（m2·K）。

1.6 换热面积

散热器的换热面积按下式计算[7]：

式中：为散热量;为总传热系数;为平均温差。

求得热侧换热面积=11.5 m2，冷侧换热面积=32.7 m2。根据文献[6-7]和市场上物料供应，设计芯体尺寸为长×宽×厚=760 mm×440 mm×130 mm，热侧翅片类型为20JC1402/30，通道数为34，冷侧翅片类型为95BW2002，通道数为35。根据上文方法，得到该四合一散热器的计算结果，见表1。

2 装车验证

根据前文及《NB/T 47006—2019铝制板翅式热交换器》，四合一散热器最终设计成如图1a）所示。按照设计模型进行制造并进行保压试验，最终将散热器安装在研发的工程车上，见图1b）。

采用传感器分别对该四合一散热器的进口和出口温度进行采集，工作一段时间后，得到单次测试结果。冷却液散热器、液压油散热器、燃油散热器、增压空气散热器（中冷器）的进口和出口温度分别为94.7℃、85.5℃，70.2℃、62.1℃，94.3℃、74.7℃，160.8℃、67.7℃，其相应的推荐出口温度范围分别为85～95℃，≤65℃，70～90℃，≤70℃。可以看到四种散热器均将各个介质进行了有效的降温，冷却液、液压油、燃油和增压空气的出口温度均符合推荐的出口温度范围。

综上，所设计的四合一散热器的性能满足要求，能够有效降低其中介质的温度，从而有力地支持发动机相关系统正常工作，避免因过热导致的性能下降。

3 结论

本文提出一种四合一散热器，将冷却液、增压空气、

液压油、燃油的冷却进行一体化集成设计。通过计算散热量、换热介质平均理论温差、温差修正系数、传热系数，得到换热面积。根据换热面积进行散热器设计制造并进行了装车验证。结果表明，该四合一散热器能对各个介质进行有效降温，各散热器出口温度均满足要求。该四合一散热器未来应该在实际轨道线路上进行更多的现场应用，以进一步验证其稳定性和耐久性。

参考文献：

[1]杨忠吉.现代铁路线路大修及工艺发展方向[C].2018年铁路线路大修学术研讨会优秀论文，2018.

[2]林栋冰，刘邦辉，张俊娴，等.从INTERMAT2012看道路施工机械的发展方向[J].工程机械，2012（8）：45-48.

[3]周鹤.工程机械散热器的替换方案校核[J].筑路机械与施工机械化，2018（35）：115-118.

[4]童元，漆杰，赵少锋，等.整车发动机冷却系统性能计算研究[J].客车技术与研究，2020（1）：15-18.

[5]王帆.水冷散热器散热面积的计算[J].科技情报开发与经济，2011（28）：176-178.

[6]錢颂文.换热器设计手册[M].化学工业出版社，2002.

[7]徐钢，麦郁穗，钱颂文，等.石油化工厂设备检修手册：换热器：第二版[M].中国石化出版社，2015.