新聞主題	柴油發(fā)電機冷卻系統(tǒng)布置方式

 

摘要：柴油發(fā)動機工作時，燃油在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量的熱量，使氣缸內(nèi)氣體溫度高達1800℃以上。如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，會使柴油機過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒不正常（爆燃、早燃等），機油變質(zhì)和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起柴油發(fā)電機組的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和耐久性全面惡化。但是，如果冷卻過強，柴油機混合氣形成不良，機油被燃油稀釋，柴油機工作粗暴，散熱損失和摩擦損失增加，零件的磨損加劇，也會使柴油機工作變壞。因此，柴油發(fā)電機組要正常發(fā)電，就必須設(shè)計有效的冷卻系統(tǒng)，而選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s型式與布置方式更成為其關(guān)鍵因素。

 

一、冷卻型式

 

1、水冷

      在水冷柴油機上，采用一個循環(huán)水泵迫使冷卻水流過氣缸套和氣缸蓋需要冷卻的部分，通過適當(dāng)布置導(dǎo)水管或采用其他導(dǎo)流措施，可以對熱負(fù)荷很嚴(yán)重的部分（氣門間的鼻梁區(qū)、氣缸套上緣等）實現(xiàn)有效的冷卻。內(nèi)燃機的發(fā)明人奧托（O tto）就是采用水作為冷卻氣缸的介質(zhì)。水具有良好的熱容量（比熱大），與壁面之間的換熱系數(shù)較高，而且一般說來，也是比較便宜和隨手可得的，這也就是水冷方式目前得到廣泛應(yīng)用的原因。但水冷方式也存在一些缺點，因為不是任何一種水都適用于作冷卻劑，因此，現(xiàn)代發(fā)動機利用防高溫冷卻液（如弗列加預(yù)混合冷卻液）來代替水作為冷卻介質(zhì)。

（1）蒸發(fā)冷卻

      在開式冷卻系統(tǒng)中，利用水的汽化潛熱（其值在100℃時為2258kJ/kg）可以達到良好的冷卻效果。根據(jù)燃油耗率和通過冷卻水所帶走的熱量比例，可以估算出這種冷卻方式需消耗的冷卻水量為1~3L/kW·h。這種冷卻方式主要用于一些老式的小型柴油機上。

（2）開式循環(huán)冷卻

      在開式循環(huán)水冷卻方式中，冷卻水連同帶走的熱量重新流回江湖中去。因為自然界的水一般處于低溫狀態(tài)（最高35℃），為了防止熱應(yīng)力過大，柴油機的進出口溫度又不允許太高（僅允許20℃左右），致使在這種冷卻方式下柴油機總是在比較冷的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。因此實際上經(jīng)常應(yīng)用的是一種屬于半開式循環(huán)的混合冷卻方式，在這種冷卻方式中，為了保持預(yù)先規(guī)定的溫度狀態(tài)，只有一部分水參與開式循環(huán)。

（3）閉式循環(huán)冷卻

      柴油發(fā)電機大部分采用此種冷卻型式。其原理是水泵從散熱水箱內(nèi)吸入低溫水，升高壓力后，送到機油冷卻器，然后流經(jīng)汽缸體和汽缸的冷卻水套，帶走熱量后經(jīng)問水管流回散熱水箱進行降溫。冷卻水不斷地循環(huán)流動，使柴油機的工作溫度保持在一定范圍內(nèi)。通常冷卻水出門溫度為343~363K。閉式系統(tǒng)中，水在密閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，冷卻系統(tǒng)的蒸壓力大于大氣壓力，由于冷卻水溫與外界氣溫溫差加大，因而提高了整個冷卻系統(tǒng)的散熱能力。

（4）壓力冷卻

      當(dāng)散熱器和貯水箱都與大氣相通時，冷卻介質(zhì)處于大氣壓力的作用下，壓力式冷卻方式的優(yōu)點是可以通過提高冷卻水溫度（如120℃）來縮小散熱器的尺寸。它的缺點是密封比較困難，而且減少了柴油機進出口水的溫差，這種冷卻型式主要應(yīng)用在飛機內(nèi)燃機上。

2、風(fēng)冷

      單缸風(fēng)冷柴油機是一種較為簡單的內(nèi)燃機，由缸體、曲軸、連桿、活塞、氣門、噴油器、供油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組件組成。其中，缸體是內(nèi)燃機的核心零部件，缸內(nèi)活塞與曲軸相連，氣門控制著進氣和排氣過程，而噴油器則負(fù)責(zé)將燃油噴入缸內(nèi)。

      其工作原理是燃油與空氣通過噴油器和氣門進入缸內(nèi)，在活塞上升過程中進行壓縮，在活塞到達頂點時噴油器噴出燃油，燃油在高溫高壓氣體的作用下瞬間燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體推動活塞向下運動，從而帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機械動力。

      為了保證缸內(nèi)氣體的充分混合和燃燒，單缸風(fēng)冷柴油機還配備了氣門和噴油器。氣門負(fù)責(zé)進氣和排氣，噴油器則負(fù)責(zé)將燃油直接噴入缸內(nèi)。在活塞下行時，缸內(nèi)氣體排出，同時噴油器向缸內(nèi)噴射燃油，在高溫高壓氣體的作用下自燃燃燒，推動活塞向上運動，完成一個工作循環(huán)。

3、活塞冷卻

      活塞頂部從燃燒室接受的熱量，大部分是通過活塞環(huán)傳給氣缸壁的（缸壁外圓受到冷卻），還有一小部分熱量則通過活塞裙傳到氣缸壁或由飛濺至活塞底面的機油帶走。雖然隨著柴油機強化程度的提高，對活塞耐熱性能的要求愈來愈高，但是對于熱負(fù)荷較高的柴油機活塞，必須加強冷卻措施。

 

二、閉式循環(huán)冷卻的布置特點

 

      在閉式循環(huán)冷卻方式中（如圖1所示），冷卻水在水泵的壓力下進行封閉循環(huán)，水泵出來的冷卻水經(jīng)機油冷卻器，有時還有液力傳動油散熱器和增壓空氣中冷器，進入機體各個氣缸周圍，再由此向上冷卻氣缸蓋以后經(jīng)出水總管流出，從出水總管流出的水先流到節(jié)溫器，當(dāng)水溫較低時，節(jié)溫器控制水流不經(jīng)過散熱器而直接返回水泵的吸水端；當(dāng)水溫較高時，則使冷卻水經(jīng)過散熱器后再返回水泵吸水端，節(jié)溫器起作用的溫度約為85℃~90℃。當(dāng)散熱器尺寸足夠時，通過節(jié)溫器的自動調(diào)節(jié)作用，可使冷卻水溫度在上述溫度范圍內(nèi)基本維持恒定，而不受發(fā)動機負(fù)荷的影響。冷卻水在一般蜂巢式散熱器（冷卻水箱）中受到空氣的再冷卻，當(dāng)用空氣冷卻時，用風(fēng)扇將冷卻空氣吹過散熱器，此風(fēng)扇可由發(fā)動機直接驅(qū)動。整個水冷流程如圖2所示。

      在小型發(fā)動機上，冷卻水泵大多用三角皮帶驅(qū)動，發(fā)電機亦由此三角皮帶驅(qū)動并同時用來調(diào)節(jié)皮帶的張緊程度，能采用三角皮帶驅(qū)動的條件是水泵布置在發(fā)動機前上方的機體端面上。水泵這種布置方案的優(yōu)點是，冷卻水能夠以最短的路程由水泵直接流入機體而毋需專門的管道，此外在這種方案中，風(fēng)扇葉片正好可以裝在水泵的三角皮帶輪的輪轂上而不需要另外的支承。但是水泵裝在機體的前端面上以后會影響發(fā)動機的長度。若我們要求盡量縮短發(fā)動機長度時，則只能將水泵布置在發(fā)動機側(cè)面，這樣一來，前述省管道和布置風(fēng)扇比較方便的兩項優(yōu)點也就不存在了，但將風(fēng)扇與水泵裝在一起也是有缺點的。因為這樣一來水泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速完全一樣。為了使噪聲不至于過大，風(fēng)扇葉尖的圓周速度不允許超過75~80m/s，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速因此受到一定的限制，致使水泵的轉(zhuǎn)速不可能得到有利的發(fā)揮。

 

圖1  閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)圖

圖2  柴油機冷卻系統(tǒng)水冷流程圖

 

 

 

三、柴發(fā)冷卻系統(tǒng)的安裝布置

 

    備用發(fā)電機組帶載運行時，大小約為發(fā)電機組輸出功率71.43%的燃燒熱需要冷卻系統(tǒng)從發(fā)動機本體帶出，因此，備用電源系統(tǒng)要按其裝機容量正常發(fā)電，就必須在項目前期規(guī)劃過程中考慮備用電源的機房設(shè)計，并在備用發(fā)電機組選型時根據(jù)環(huán)境溫度、機房最大容許進風(fēng)量等用戶環(huán)境條件，確定發(fā)電機組最合適的冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案，以確保發(fā)電機組發(fā)電過程中20%～40%的燃燒熱量能有效帶出冷卻，否則備用電源系統(tǒng)無法滿足用戶環(huán)境下負(fù)載的啟動運行需求。

  柴油發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)安裝布置時，可分為聯(lián)機式冷卻系統(tǒng)和遠置式冷卻系統(tǒng)：

1、聯(lián)機式冷卻系統(tǒng)

      其中聯(lián)機式冷卻系統(tǒng)即一體式冷卻系統(tǒng)，在發(fā)電機組的開發(fā)階段驗證定型，可靠性和冷卻效率都很高，性價比高且現(xiàn)場安裝簡單，故障率低且故障處理容易，但對發(fā)電機房的進風(fēng)量要求大，發(fā)電機組運行時水箱/散熱器風(fēng)扇噪聲大。如進風(fēng)量不夠時，很容易出現(xiàn)高水溫現(xiàn)象，因此，若有必要可加裝熱交換器系統(tǒng)（如圖3所示）。

2、外循環(huán)冷卻系統(tǒng)

      主要加裝冷卻水塔和熱交換器同時使用，如圖4所示。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)與熱交換器低溫端形成內(nèi)循環(huán)，熱交換器高溫端與冷卻水塔連接形成外循環(huán)。

     當(dāng)機房的溫度偏高而遇通風(fēng)系統(tǒng)不暢時，可以考慮冷卻水塔作為冷卻系統(tǒng)。冷卻水塔的工作原理和遠置水箱原理差不多，不過后者循環(huán)水是全封閉式，而水塔的水會經(jīng)過室外的空氣進行冷卻，室外空氣中的塵埃及酸性雨水會對水塔循環(huán)水造成污染，因此使用水塔時，應(yīng)注意對循環(huán)水做處理。

 

圖3  柴油發(fā)電機組冷熱交換器示意圖

圖4  冷卻水塔+熱交換器冷卻系統(tǒng)

 

3、遠置式冷卻系統(tǒng)

      遠置式冷卻系統(tǒng)即分體式冷卻系統(tǒng)，其水箱/散熱器遠置于發(fā)電機房外，冷卻系統(tǒng)具體方案在機房設(shè)計階段定型，屬于客戶化設(shè)計，故可靠性和冷卻效率都比較低，且現(xiàn)場安裝復(fù)雜，故障率高且故障處理難度大，但發(fā)電機組運行對機房的進風(fēng)量要求較小，發(fā)電機組運行時機房內(nèi)噪聲較小。

（1）立式遠置水箱

      安裝布置如圖5所示。當(dāng)遠置式散熱器與發(fā)動機的距離和高度產(chǎn)生的壓阻不超過允許值時，發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)可以直接與遠置散熱器連接形成內(nèi)循環(huán)。立式水箱的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小和成本低。但是，在商業(yè)中心和住宅區(qū)需要進行嚴(yán)格的噪聲控制。

（2）立式遠置水箱+熱交換器

      安裝布置如圖6所示。當(dāng)遠置式散熱器與發(fā)動機的距離和高度產(chǎn)生的壓阻超過允許值時，發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)與熱交換器低溫端直接形成內(nèi)循環(huán)，熱交換器高溫端與遠置散熱器連接形成外循環(huán)。

 

圖5  柴油發(fā)電機立式遠置水箱安裝圖

圖6  立式遠置水箱+熱交換器冷卻系統(tǒng)

 

（3）臥式遠置水箱

      安裝布置如圖7所示。當(dāng)遠置式散熱器與發(fā)動機的距離和高度產(chǎn)生的壓阻不超過允許值時，發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)可以直接與遠置散熱器連接形成內(nèi)循環(huán)。臥式遠置散熱器的優(yōu)點是散熱效果好、噪聲容易控制。缺點是占地面積大、成本高。

（4）臥式遠置水箱+熱交換器

      安裝布置如圖8所示。當(dāng)遠置式散熱器與發(fā)動機的距離和高度產(chǎn)生的壓阻超過允許值時，發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)與熱交換器低溫端直接形成內(nèi)循環(huán)，熱交換器高溫端與遠置散熱器連接形成外循環(huán)。

 

圖7  柴油發(fā)電機臥式遠置水箱安裝圖

圖8  臥式遠置水箱遠置+熱交換器冷卻系統(tǒng)

 

四、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計考量因素

 

      備用電源的冷卻方式，即柴油發(fā)電機組采用何種冷卻系統(tǒng)，受制于發(fā)電機組發(fā)動機進氣方式，應(yīng)在備用發(fā)電機組選型和機房土建規(guī)劃時確定。

1、如果備用發(fā)電機組采用渦輪增壓空空中冷，則只能采用跌機式冷卻系統(tǒng)。

2、如果發(fā)電機組采用渦輪增壓單泵雙循環(huán)空水中冷，則建議采用聯(lián)機式冷卻系統(tǒng)。

3、如果備用發(fā)電機組采用其它進氣方式，且機房滿足所有發(fā)電機組滿載運行的進風(fēng)量需求，則發(fā)電機組應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用聯(lián)機式冷卻系統(tǒng)，但如果機房需要進一步降噪，則可以考慮采用遠置式冷卻系統(tǒng)。

4、如果機房進風(fēng)量無法通過土建規(guī)劃設(shè)計滿足發(fā)電機組滿載運行的進風(fēng)量需求，則必須采用遠置式冷卻系統(tǒng)，此時不能選用渦輪增壓空空中冷的備用發(fā)電機組，也不建議選用渦輪增壓單泵雙循環(huán)空水中冷發(fā)電機組。

5、備用電源采用跌機式冷卻方式時，機房設(shè)計不需要考慮冷卻系統(tǒng)設(shè)計，直接使用發(fā)電機組聯(lián)機式冷卻系統(tǒng)即可，但機房的進風(fēng)量，一定得按用戶環(huán)境（海拔高度和環(huán)境溫度）下各用系統(tǒng)滿載運行時的總進風(fēng)量需求設(shè)計。

6、備用電源采用遠置式冷卻方式時，安裝于機房外的水箱/散熱器與發(fā)電機組的相對位置，決定備用電源系統(tǒng)采用哪種冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案。

 

總結(jié)：

　柴油發(fā)電機組在運行中常處于高溫狀態(tài)，過高的溫度不僅蘊藏著危險，因燃燒空氣的膨脹也會導(dǎo)致運轉(zhuǎn)效率的下降。因必須用冷卻液對不斷對發(fā)動機、潤滑油和燃燒空氣進行冷卻。使冷卻水保持低溫的辦法，一般有內(nèi)循環(huán)空氣冷卻和其它外循環(huán)低溫水冷卻二種。對它們的選擇，根據(jù)發(fā)電機組安裝場所和運行環(huán)境而定。對于柴油發(fā)電機組而言，最簡單也是相對可靠的莫過于閉式內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。因為閉式冷卻系統(tǒng)的一個獨特之處就是相對于外界是獨立的系統(tǒng)，如果因某些不可抗拒因素導(dǎo)致公用電源故障，這亦可能切斷了供水，使所有靠公共供水冷卻的柴油發(fā)電機組出現(xiàn)重大安全隱患。

　　除了上文所述因素外，冷卻方式的選擇也有其他方面的影響。首先，在寸土寸金的今天，設(shè)備的布置必須考慮最有效的空間利用；其次是商業(yè)中心地段和住宅區(qū)等對噪聲的抑制的高要求，以及投資的經(jīng)濟性。所以，有些項目的冷卻系統(tǒng)解決方案，有很大的挑戰(zhàn)性，而康明斯公司對于迎接挑戰(zhàn)具有天然的優(yōu)勢。

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