泥水平衡顶管机泥浆冷却散热系统设计

刘恺

摘要：本文以某泥水平衡顶管机为研究对象，设计了一套基于泥浆冷却的散热系统，用内循环水系统把主机各部件产生的热量收集起来，然后通过泥浆环流系统的进浆把主机工作时产生的热量带出隧道，内循环水与泥浆环流通过套管对流完成热量传递。该系统在实际施工过程中，通过监测液压泵站液压油的温度、冷却水的温度变化，结果表明基于泥浆冷却的散热系统能够满足该泥水平衡顶管机的散热需求。

关键词：泥浆循环;泥水平衡顶管机;散热系统;水循环

引言

顶管机作为一种隧道掘进设备，在正常掘进过程当中，主机内主驱动部分、液压系统、变频器、水冷电机等部件或系统会产生大量的热量，这些热量如不能及时散去将会威胁设备的性能及安全。

目前最常用的散热方式为内循环水加外循环水的方式，其中内循环水用来冷却各个发热系统或部件，外循环水用来冷却内循环。在开挖直径较小的顶管机设计过程中，这种内循环水加外循环谁的冷却方式占用了设备太多空间，外循环水需要引出至隧道外，增加了施工的工作量和成本。

本文针对泥水平衡顶管机的设计过程中，采用泥浆环流代替外循环水，用来冷却内循环水的方式。检测施工过程中冷却系统的工作状况，结果表明基于泥浆冷却的散热系统能够满足泥水平衡顶管机的散热要求，在类似的隧道掘进机产品中，具有较大的推广价值。

1 冷却系统流程

基于泥浆冷却的散热系统，它的热量流程如图1所示。包含两个循环系统，内循环水系统由立式离心泵、冷却水罐、冷却液、温度表、散热管等组成;外循环泥浆环流系统主要包括温度表、散热器、泥浆管路等组成。

利用泥浆环流系统代替了外循环水的散热功能，使得整机结构更加简便，减少的外循环水系统管路，不仅减少了施工过程中的工作强度，而且具有比较明细的经济价值。

2 冷却系统关键元器件选型计算

本系统以ZTP1505型顶管机为计算选型依据，相关发热设备冷却水量由相关厂家及其他系统热力计算提供，冷却水量的保持依靠恒定流量阀来实现。本顶管机内循环冷却设备为主驱动电机、主驱动内外周密封夹套等。

根据泥水平衡顶管机的配置和装机功率，计算出整机最大发热功率如表1所示。

因此顶管机各部件或系统满功率工作时的最大发热功率为35.1kW，即泥浆环流系统的进浆需要带走的总发热功率35.1kW。

2.1顶管机换热计算

内循环水由1台卧式离心泵供水，流量为6m³/h（即Q=6m³/h），扬程60m。

热交换发热功率P、冷却水流量Q和介质前后温差Δt的关系如下公式： 。

式中：

P：散热总功率;

C：介质的比热容;

ρ：介质的密度;

Q：介质流量;

Δt：介质换热前后温差，Δt=t2-t1。

已知水的参数：比热容：C泥=1680J/kg·℃;密度：ρ水=1000kg/m3;流量：Q水=100L/min;冷却前热水温度取t2=36℃。

把水的参数代入上式，计算得Δt=5.04℃，即t1=30.96℃。

从热力学角度考虑，水和泥浆采用逆流的方式反向流动，以提高散热效率。内循环水的发热功率有一小部分通过管路散发，大部分是通过泥浆带走，忽略管路散热，泥浆需要带走的热量功率约等于内循环水的发热功率，即35.1kW。

已知泥浆参数：比热容：C泥=1680J/kg·℃;密度：ρ泥=1200kg/m3;流量：Q泥=2333L/min;冷卻前泥浆温度取T2=25℃。

把泥浆的参数代入计算式，计算得ΔT=0.45℃，即T1=25.45℃。

2.2换热管散热面积计算

泥浆和水的热量交换是通过散热管逆向流动实现，换热面积计算公式：

式中：K为换热管传热系数;

Δtm为对数平均温差，计算公式：

代入上述温度参数，计算出对数温差Δtm=8.16℃。

根据上述计算结果，代入换热面积计算公式

考虑到换热管中泥浆和水垢的存在，实际散热面积会比理论计算小，传热系统也会偏小，通常需要乘一个富裕系数β，取值在1.2-1.3，最终换热面积A’取值为：

2.3散热管结构设计

为了充分加大泥浆和内循环水的换热面积，换热管拟采用图2所示列管，三种规格的管子分别为;无缝钢管φ219*10、无缝钢管φ38*5、

无缝钢管φ89*4.5。

根据上图参数，可以计算出该列管长度1米的散热面积S=1.13㎡，则所需要的散热列管长度L=A’/S=5.99m。

3 基于泥浆冷却系统的温度监测

为了验证上述设计的基于泥浆冷却的散热系统效果，在该泥水平衡顶管机施工过程中，让设备连续运行12小时，监测了散热管冷却前内循环水进水温度t2，散热管冷却后内循环水出水温度t1，散热管泥浆进浆温度T2，散热管泥浆出浆温度T1以及液压泵站的油温T随时间变化（施工点环境温度25℃），具体数据如图3所示。

通过上图可以发现，泥浆进浆温度T2、出浆温度T1一直稳定在25℃左右，与环境温度一致，这是因为泥浆环流流量很大，热交换后温升很小，与计算结果一致。内循环水进水温度t2、出水温度t1、液压油温度T运行3.5个小时之后达到一个相对稳定状态，也就是设备产生的热量基本散发出去，设备在该环境工况下达到一个热平衡。

4 结论与建议

监测泥水平衡顶管机连续运行12小时温度结果表明，基于泥浆冷却系统效果达到设计预期，能够满足该设备的冷却散热需求。建议在类似泥水平衡掘进机的设计中，都可以借用泥浆环流代替外循环水来带走设备产生的热量，从而降低设备复杂程度，降低设备制造成本。

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