HD65N燃气机冷却系统设计计算

HD65N燃气机冷却系统设计计算
一、已知条件
序号项目单位符号
1标定功率（kW）Pe max162 2标定转速（r/min）n2500 3最大扭矩（N.m）Me max745 4最大扭矩时转速（r/min）n Me1500 5标定工况燃油消耗率（g/kw.h）ge1220 6最大扭矩工况燃油消耗率（g/kw.h）ge2198 7天然气的低热值（MJ/Kg）hu50.3 8空气定压比热（KJ/(kg.℃)）Cp1 1.013 9空气密度（kg/m3）ρ1 1.13 10冷却水的比热（KJ/(kg.℃)）Cp2 4.187 11冷却水的密度（kg/m3）ρ21000 12标定点热空气进气量（kg/h）G1856 13热侧进气温度（℃）t ahi160 14热侧出气温度（℃）t aho50 15冷侧进口温度（℃）t aci40 16中冷器冷侧散热面积（m2）F cool16.22 17中冷器冷侧风量（kg/s）G2 1.63 18水箱散热器散热面积（m2）F43.5
二、标定工况
1、散入冷却系统的散热量Qω（kJ/s）计算
=A.ge1.P.hu/3600=0.25x0.22x162x50300/3600=124.5（kJ/s）Q
ω
式中：燃料热能传给冷却系统的比例A=25%
2、冷却系统中循环水流量Q
（m3/s)的计算
水
Q水=Qω/（Cp2*ρ2*△t水）=124.5/（4.187x1000x8）=0.0037（m3/s)
℃，△t水是发动机进出水温差，通常取△t水=6℃~12℃式中：△t
水=8
3、冷却空气需求量Q 空（m 3/s ）的计算
Q 空=Q ω/（Cp 1*ρ1*△t 空）=124.5/（1.013*1.13*25）=4.35（m 3/s ）
式中：△t 空=25℃，△t 空是空气流过散热器时的温升，通常取△t 空=10℃~30℃
4、散热器中冷却水和冷却空气的平均温差△t 的计算
△t=（△t max -△t min ）/ln （△t max /△t min ）=36℃式中：
取散热器进水温度t s1=95℃（节温器全开温度）散热器出水温度t s2=t s1-8℃=87℃取进入散热器的空气温度t a1=40℃流出散热器的温度t a2=t a1+25℃=65℃△t max =t s1-t a1=55℃
△t min =t s2-t a2=22℃
5、散热器散热面积F 1（m 2）的计算
F 1=ψR .Q ω/（K R .△t ）=（1.15x124.5）/（0.105x36）=37.88（m 2）式中：
K R 是散热器的传热系数，K R =0.105kJ/（m 2.s.℃）
ψR =1.15，ψR 储备系数，考虑到焊接缺陷、水垢及灰尘对散热器性能的影响，可取ψR =1.10~1.15
可见：F >F 1，因此该水箱设计满足HD65N 发动机散热需求。

三、最大扭矩工况
1、散入冷却系统的散热量Q ω1（kJ/s ）计算
Q ω1=A.ge 1.P e1.hu/3600=0.25x0.198x117x50300/3600=81（kJ/s ）式中：
燃料热能传给冷却系统的比例A=25%
P e1为最大扭矩点的功率，P e1=n Me .Me max /9550=117（kW ）
2、冷却系统中循环水流量Q 水1（m 3/s)的计算
Q 水1=Q ω1/（Cp 2*ρ2*△t 水）=81/（4.187x1000x8）=0.00242（m 3/s)式中：
△t 水=8℃，△t 水是发动机进出水温差，通常取△t 水=6℃~12℃
3、冷却空气需求量Q 空1（m 3/s ）的计算
Q 空1=Q ω1/（Cp 1*ρ1*△t 空）=81/（1.013*1.13*25）=2.83（m 3/s ）
式中：△t
空=25℃，△t
空
是空气流过散热器时的温升，通常取△t
空
=10℃~30℃
4、散热器中冷却水和冷却空气的平均温差△t的计算
△t=（△t max-△t min）/ln（△t max/△t min）=36℃
式中：
取散热器进水温度t s1=95℃（节温器全开温度）
散热器出水温度t s2=t s1-8℃=87℃
取进入散热器的空气温度t a1=40℃
流出散热器的温度t a2=t a1+25℃=65℃
△t max=t s1-t a1=55℃△t min=t s2-t a2=22℃
5、散热器散热面积F2（m2）的计算
F2=ψR.Q
ω
/（K R.△t）=（1.15x81）/（0.0774x36）=33.43（m2）式中：
K R是散热器的传热系数，K R=0.0774kJ/（m2.s.℃）
ψR=1.15，ψR储备系数，考虑到焊接缺陷、水垢及灰尘对散热器性能的影响，可取ψR=1.10~1.15
可见：F>F2，因此该水箱设计满足HD65N发动机散热需求。

四、中冷器设计计算(采用的是VA33-BP91VLL-65A风扇，风压在200Pa情况下)
1、中冷器热侧散热量Q w1（kJ/s）的计算
Q w1=G1.Cp1.△t ah=0.238x1.013x110=26.5（kJ/s）
式中：
△t ah=t ahi-t aho=110℃G1=856kg/h=0.238kg/s
2、根据热平衡方程计算冷侧出风温度t aco（℃）
G1.Cp1.(t ahi-t aho)=G2.Cp1.(t aco-t aci)
把已知参数代入可得:
t aco=(0.238x110+1.63x40)/1.63≈56（℃）
3、中冷器的平均温差△t cool（℃）计算
△t cool=（△t max-△t min）/ln（△t max/△t min）≈40（℃）
式中：
△t max为中冷器进出口最大温差，△t min为中冷器进出口最小温差
△t max=t ahi-t aco=160-56=104（℃）△t min=t aho-t aci=10（℃）
4、中冷器的理论散热量Q w2计算
Q w2=K.F cool.△t cool=0.085x16.22x40=55.34(kJ/s)
式中：
K为中冷器的传热系数，根据同结构的试验结果，K=0.085kJ/（m2.s.℃）
可见：Q w2>Q w1，因此该中冷器的设计满足HD65N发动机的需求。

五、中冷器设计计算(采用的是VA01-BP90VLL-66A风扇，风压在200Pa情况下)
1、中冷器热侧散热量Q w1（kJ/s）的计算
Q w1=G1.Cp1.△t ah=0.238x1.013x110=26.5（kJ/s）
式中：
△t ah=t ahi-t aho=110℃G1=856kg/h=0.238kg/s
2、根据热平衡方程计算冷侧出风温度t aco（℃）
G1.Cp1.(t ahi-t aho)=G3.Cp1.(t aco-t aci)
G3=1874x1.13x2÷3600=1.18(kg/s)
把已知参数代入可得:
t aco=(0.238x110+1.18x40)/1.18≈62（℃）
3、中冷器的平均温差△t cool（℃）计算
△t cool=（△t max-△t min）/ln（△t max/△t min）≈38.5（℃）
式中：
△t max为中冷器进出口最大温差，△t min为中冷器进出口最小温差
△t max=t ahi-t aco=160-62=98（℃）△t min=t aho-t aci=10（℃）
4、中冷器的理论散热量Q w2计算
Q w2=K.F cool.△t cool=0.085x16.22x38.5=53.16(kJ/s)
式中：
K为中冷器的传热系数，根据同结构的试验结果，K=0.085kJ/（m2.s.℃）
可见：Q w2>Q w1，因此该中冷器的设计满足HD65N发动机的需求。

六、ANATS-03系统的散热量校核（最大扭矩工况）
1、发动机的实际散热量计算
Qω1=A.ge1.P e1.hu/3600=0.25x0.198x117x50300/3600=81（kJ/s）
2、根据热平衡方程可知
Qω=G空.Cp1.△t空
=t a2-t a1
△t
空
计算可得：t a2≈74（℃）
式中：
G
为4个VA01-BP90/VLL-66A风扇在风压为200Pa下的风量空
G空=1875x1.13x4÷3600=2.354(kg/s)
t a1为水箱散热器的进风口空气温度，取t a1=40（℃）
3、散热器中冷却水和冷却空气的平均温差△t的计算
△t=（△t max-△t min）/ln（△t max/△t min）≈29℃
式中：
取散热器进水温度t s1=95℃（节温器全开温度）
散热器出水温度t s2=t s1-8℃=87℃
取进入散热器的空气温度t a1=40℃
流出散热器的温度t a2=74℃
△t max=t s1-t a1=55℃△t min=t s2-t a2=13℃
4、散热器的理论散热量Q计算
Q=K.F.△t=0.105x43.5x29=132.46（kJ/s）
式中：
K为散热器的传热系数，取K=0.105kJ/（m2.s.℃）
可见：Q>Q
因此该散热器的设计满足HD65N发动机的需求
ω1。