中冷器对柴油发电机冷却装置性能影响的试验

　　导读：为知晓决柴油发电机中冷器和散热器布置匹配问题，讨论中冷器和散热器不一样规划形式的散热特点及对柴油发电机冷却装置性能的影响。利用风洞试验和冷却性能台架试验，结合中冷器中不一样的流动介质，关于不一样的布置形式进行研讨。试验结果表明：设计形式不一样，对各自散热效率、热分布、模块整体风阻等的危害较大；风冷式传导介质，串联式风阻较并机式大，并机式散热效率优于串联式，但串联式热分布更均匀；水冷式传导介质，两种形式各方面区别较小。在实际规划中，根据柴油发电机中冷器不同的冷却介质、整体空间等采用最优的设计形式。

　　      随着人们对康明斯发电机组动力性、经济性等的要求越来越高，越来越多的柴油发电机组选择柴油发电机。柴油发电机通过提高柴油发电机的换气效率，使其拥有更大的动力。然而，柴油发电机采用废气涡轮增压技术，热传导将增强进气温度，如果不进行高效的冷却，将危害柴油发电机充气效率，容易引起燃烧室温度较高而导致爆震、熄火等现状。因此，布置合理的中冷器及其布置形式对柴油发电机显得尤为重要。近年来越来越多的国内外学者对中冷器进行讨论：分别采用风洞试验和计算机模拟相结合的探讨措施对中冷器模型及性能进行预测；文献分别从间距、翅片数、相对位置等方面对中冷器的冷却性能进行研究；从柴油发电机的布置方面对冷却装置构成数据进行讨论。

　　      在工程实践中，通常根据中冷器与散热器之间相对位置不同可以分为并列式规划和串联式设计，根据中冷器传导介质不一样可以分为空冷式和水冷式，前者具体实用于中小功率柴油发电机，后者详细运用于大功率柴油发电机。

　　      本文采用试验验证的办法讨论管带式散热器与中冷器的布置。试验包括散热器风洞试验和柴油发电机台架试验，主要研究不同传导介质的中冷器，以及散热器之间设计形式不一样对柴油发电机冷却系统性能的影响，以期找到一种相对合理的规划形式，得到较优的设计方案，达到节能降耗、节省空间的意义。

　　      该试验在风洞性能试验台上完成，风洞性能试验措施及参数解决按照机械工业部标准《发电机组、发电机组散热器风洞试验方法》JB/T 2293—1978进行。试验装置由风筒循环水路、循环水加热装置、水泵嘉定康明斯发电机、风机、测试仪器及控制装置等结构，该试验台的构成示意图如图1所示。冷却空气由风机驱动调速，从入口进入风洞，经过整流网整流用途之后，风速均匀，检测风速、风压、温度等，之后通过试验试样，再次测量风速、风量、风压等，最后通过方圆过渡段和挠性连接处，最后经过风机排入到大气中。

　　      因为后期柴油发电机台架试验所选择柴油发电机为康明斯QSL8.9，试验试件相关参数以此设计。该中冷器冷却介质为空气，详细参数为：散热器的总散热面积为76 m2，中冷器的散热面积为22 m2，芯管的型号为2.5 mm×14 mm，散热器通过的最大水流量为88 L/min，中冷器最大空气流量为230 L/min，正面迎风面积0.74 m2。并列式规划时，中冷器和散热器模块总尺寸1035 mm×805 mm×71 mm；串联式布置时，中冷器和散热器模块总尺寸1012 mm×795 mm×65 mm。由试样可知，当二者散热面积和正面迎风面积相等时，并列式设计占用空间略大。

　　      通过改变风机速度、孔板节流，开风窗或装挡风板等办法，改变通过散热器和中冷器的空气品质流量，获取串联式和并机式中冷器散热器组合体质量风速与风阻数据，整理数据制成性能曲线所示。

　　      由图2中曲线对比可知：在传导介质为空气时，散热器和中冷器串联式布置风阻大于并列式布置，最大差值可达15%。解读其因由：首先，由于传导介质的不同，布置选取中冷器和散热器的管芯时，所选的管芯翅片峰高FL和峰距FP不同 ，使二者串联设计情况下的风阻较并列规划大大增加；其次，因为中冷器中冷却介质与环境温差较散热器中介质与环境温差大，使得依次穿过中冷器和散热器的冷却空气受热不均匀，体积膨胀程度不同，使得阻力增大，而并机式设计受热相对均匀，基础没有差异。串联设计使冷却空气穿越的风道较并机时略长，也是一个重要的要素。

　　      柴油发电机冷却系统性能试验测试平台由柴油发电机、冷却风扇、散热器、冷却循环管路、发电机、发电机、测功机、耗功电阻柜、励磁电源、变频器、轴流风机、温度及功率传感器以及数据采集系统等构成，试验平台示意图如图3所示。

　　      本次运转试验所选择的样机为cumminsQSL8.9型柴油发电机，该柴油发电机自带水箱宝泵，冷却风扇由曲轴带动皮带驱动，同时选取废气涡轮增压技术，中冷器中流动的冷却介质为空气。

　　      压力与流量值的检测由柴油发电机内自带的检查探头测得，温度由HT-133型一体化温度变送器测定。水路：在节温器前出水总管处安装温度传感器，测定出水温度；在水泵进水管处装配温度传感器，测量进水温度。气路：在空气滤清器后和涡轮增压器后排烟总管处分别安装温度探头，测量进气温度和排气温度。非电参数如温度、流量、压力等采取LMS-SCADAS 多用途参数采集系统采集。

　　      试验程序详细检修柴油发电机满载工况下，由起动初始状态达到额定工况（此时柴油发电机转速为1500转/分），达到热平衡稳定状态时各探头数值变化。热平衡稳定状态标准：柴油发电机各个冷却介质温度值变化在2分钟内不超0.3 ℃时认为柴油发电机过热已达稳定状态，并记录数据。

　　      表1为柴油发电机热平衡状态时台架试验结果，对比串联式设计和并车式规划可以发现海口发电机厂家，串联式布置因为进入散热器的空气被中冷器加热过，散热器进出口温差较并机式低12.4%；并联式由于改变了中冷器的正面迎风面积，中冷器进出口温差较串联式低5.3%，可知并机式布置较串联式散热效率略高。

　　      柴油发电机冷却系统的运行试验中，柴油发电机在速度为1500（转/分钟），输出容量为242 kW工况条件下工作时，其水冷和中冷介质的温度变化对原始数据拟合之后获得的拟合曲线

　　中可以看到，在运转开始到580秒时间内，散热器的进出口水温一直保持在20 ℃没有变化，而到580秒之后散热器的进口温度快速升到94 ℃左右，散热器进口温度也很快上升到70 ℃以上。造成这一结果的起因是节温器起到很好的控制作用，冷却介质温度在过低温度时（通常出现在柴油发电机刚启动时），防锈水仅在柴油发电机内部循环，不进入散热器循环，即为小循环工作程序。装置运转到600秒后，散热器进出水温快速升高发生波动，进口的瞬态最高水温可以达到95 ℃。在经过300秒左右的波动后柴油发电机的进出口水温趋于稳定，柴油发电机达到热平衡状态。此时散热器的进口水温恒定在86.9 ℃左右，散热器的出口温度恒定在76.64 ℃左右，防锈水的温差在10.26 ℃上下。

　　（4）图6是通过采集热平衡状态时中冷器和散热器表面不同点温度，使用AMESim绘制的两种设计形式热分布图，由对比可知串联式布置热分布较并列式布置更加均匀。 

　　图4  串联式中冷器温度变化曲线  并列式中冷器防冻液温度变化曲线  柴油发电机中冷器设计形式热分布对比

　　，芯管的类型为2.5 mm×14 mm，散热器通过的最大水流量为138 L/min，中冷器最大空气流量为119 L/min，正面迎风面积1.74 m2。并列式布置时，中冷器和散热器模块总尺寸1 635 mm×1 005 mm×93 mm；串联式布置时，中冷器和散热器模块总尺寸1 662 mm×1 025 mm×95 mm。由试样可知，当二者散热面积和正面迎风面积相等时，并机式布置占用空间略大。

　　      当中冷器传导介质为水时，中冷器和散热器内流动介质相同，二者管芯的峰高和峰距相同，通过散热器风洞试验测得的风速阻力曲线所示，可知串联式风阻略大，但二者差异不明显，最大相对差值不超过0.5%。详细原由：首先是由于中冷器和散热器中介质与环境温差不一样，使得依次穿过中冷器和散热器的冷却空气受热不均匀，体积膨胀程度不同，使得风阻不同；其次由于串联式设计冷却空气依次穿过中冷器和散热器组成的风道长度较并列式规划略大。但二者的危害条件有限，因此两种布置情况下的区别较小。

　　      从图9和图10中可以看到，中冷器和散热器中冷却介质变化规律与风冷式基本相同。中冷器中冷却介质温度从一开始就快速增高，在0至600秒之间时冷散热器的进出口温度进入波动期，期间最发烫度可达120℃，在800秒之后，中冷散热器的进出口空气温度趋于稳定，柴油发电机达到热平衡状态。因为节温器的功用，散热器刚起动时进出口水温一直保持在20℃没有变化，而到580秒之后散热器的进口温度快速升到96℃左右，散热器进口温度也很快上升到75℃以上。 

　　图8  柴油发电机散热器风洞试验风速阻力曲线  串联式中冷器冷却介质温度变化曲线  并车式中冷器冷却介质温度变化曲线

　　      表2为柴油发电机热平衡后，各进出口处冷却介质温度。从表中可以看出串联形式的进出口平均温差要大于并列形式，但两者区别不明显（都不超过1%），数据对比显示了整体来讲串联形式的总的换热更充分，能更充分地利用冷却资源，但优势不明显。但是如果观察温度分布就可以看出它们之间存在的巨大区别，并联形式的中冷器侧的实际出口温度为93.94℃，散热器侧实际出口温度为77.38℃，但是平均值仍然为85.66℃，与串联形式的最终出口平均温度85.88℃仅差0.26%，几乎可以忽略不计，显然并机形式的散热器得到了更充分的换热。散热器的充分散热一定程度上能弥补中冷器的不足，同时保证了柴油发电机不至于出现“开锅”等影响操作的极限情况，这正是大容量柴油发电机较多采用并机式设计的重要要素。

　　（1）传导介质为空气时，管芯区别较大，同时受热不均匀，串联式规划冷却空气通过的风道较长，导致风阻较大，其他条件相同时，串联式布置冷却系统的能耗增加。

　　（2）传导介质为空气时，并机式设计使进入散热器的空气未受加热，散热效果较好，但散热不如串联式设计均匀，而且该种设计增加了内燃机进气管道的长度，致使内燃机进气气流压损较大。

　　（3）传导介质为水时，管芯无差别，冷却空气通过风道的长度差异较小，两种布置形式风阻区别较小；串联式设计散热效果略优西安发电机厂家，但优势不明显。

　　（4） 并车式布置需要的空间大，连接管路更长，组件更多，制造成本高且工艺复杂，这也是目前小功率发电机较多采用串联式的重要因由之一。

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