故障檢修與技術維護 |
柴油機水箱散熱量計算及堵塞和漏水維修方法 |
摘要:柴油發動機散熱器,又叫發動機水箱,是水冷式發動機冷卻系統的關鍵部件。通過強制水循環對發動機進行冷卻,是保證發動機在正常溫度范圍內連續工作的換熱裝置。在使用過程中表面會附著大量的灰塵影響其散熱,此外常見的故障還有冷卻液外漏現象,這些故障都會直接影響到柴油發電機的動力性、經濟性。因此,要知道散熱器故障產生的原因,學會冷卻系統散熱量的計算方法完全必要的,并且需要詳細掌握散熱器發生漏水后的修補措施。
一、冷卻系統散熱量的計算
以閉式循環冷卻系統為例,介紹柴油機散熱量的計算方式。在設計或選用冷卻系統的部件時,就是以散入冷卻系統的熱量QW為原始數據,計算冷卻系統的循環水量、冷卻空氣量,以便設計或選用散熱器和風扇。
1、冷卻系統散走的熱量
冷卻系統散走的熱量QW受許多復雜因素的影響,很難精確計算,初估QW時,可以用下列經驗公式計算:
QW =AgeNehn /3600(kJ/s).......................(公式1)
式中,A—傳給冷卻系統的熱量占燃料熱能的百分比,對柴油機取值A=0.18~0.25;
ge—內燃機燃料消耗率(kg/kW·h);
Ne—內燃機功率(kW);
hn—燃料低熱值(kJ/kg)。
如果內燃機還有機油冷卻器,而且是水冷型機油冷卻器,則傳入冷卻系統中的熱量,也應將傳入機油中的熱量計算在內。則按(1)式計算的熱量QW值應增大5%~10%。
一般把最大功率Nemax工況(額定工況)作為冷卻系統的計算工況,但應該對最大扭矩Memax工況進行驗算,因為當轉速降低時可能形成蒸氣泡(由于氣缸體水套中壓力降低)和內燃機過熱的現象。
具有一般指標的內燃機,在額定工況時,柴油機ge可取0.210~0.270kg/kW·h,柴油的低熱值可取41870kJ/kg,將此值代入公式(1)即得:
QW=(0.50~1.78)Ne(kJ/s)
柴油機可取QW=(0.60~0.75)Ne(kJ、s)。直接噴射柴油機可取較小值,預燃室和渦流室柴油機可取較大值。增壓的直接噴射式柴油機由于掃氣的冷卻作用,加之單位功率的冷卻面積小,可取QW =(0.5~0.6)Ne(kJ/s)。
2、冷卻水的循環量
根據散入冷卻系統中的熱量,可以算出冷卻水的循環量VW:
VW=Qw / ?twρwCw(m3/s).......................(公式2)
式中,?tw—冷卻水在內燃機中循環時的容許溫升,對現代強制循環冷卻系,可取?tw=6℃~12℃;
ρw—水的比重,可近似取ρw=1000kg/m3;
Cw—水的比熱,可近似取Cw=4.187 kJ/kg·℃。
3、冷卻空氣需要量
冷卻空氣的需要量Vα一般根據散熱器的散熱量確定。散熱器的散熱量一般等于冷卻系統的散熱量QW。
Vα=QW / ?tαραCρ .......................(公式3)
式中,?tα—空氣進入散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差,通常?tα=10℃~30℃;
ρα—空氣的重度,一般ρα=1.01kg/m3;
Cρ—空氣定壓比熱,可取cp=1.047。
圖1 柴油發動機冷卻系統工作原理圖 |
二、冷卻系統的常見故障
閉式循環水冷系統由水箱、中冷器、進水管、出水管、冷卻風扇、散熱器、水泵和水溫傳感器、節溫器等組成,結構如圖2所示。廣泛用于船用應急發電機組和陸用發電機組,不依賴外置冷卻源,只要添加冷卻液就可以進行運轉,移動性高,不過冷卻效果受制于環境溫度和空氣流通量,2000KW以上大功率發電機組不適合使用此類冷卻系統。
1、冷卻風扇故障
風扇安裝在散熱器的后面,其功用是當風扇旋轉時,使冷空氣以一定的速度和流量通過散熱器,以增強散熱器的散熱能力,加速冷卻液的冷卻。結構外形如圖3所示。
風扇的位置應盡可能對準散熱器芯的中心,以提高散熱效果。為了提高冷卻效率,在散熱器上安裝有導風罩,使通過散熱器芯部的氣流分布更均勻;同時集中穿過風扇,減少空氣回流現象,由于散熱器是安裝在機架上,風扇安裝在柴油發電機上,各自部位所承受的振動不同,因此風扇葉端與導風罩之間應保持15~20mm的間隙。風扇的扇風量主要與轉速、直徑、葉片形狀、葉片數目及葉片安裝角度有關。葉片數目通常為4~7片,安裝時與風扇的旋轉平面成30°~45°傾斜角。為了減少葉片扇風時的振動和噪聲,葉片間往往相互成不等角安裝,一些康明斯柴油發電機還在風扇與連接法蘭之間安裝橡膠減振塊,用于吸收曲軸的扭振,以達到保護風扇葉片,并使它不致因扭振的影響而發生斷裂。
風扇傳動帶應保持一定的張力,若傳動帶過松,傳動帶與帶輪之間就會打滑,使風扇和水泵的轉速下降,影響散熱效果,傳動帶也易磨損;若傳動帶過緊,則會使水泵軸承受的側向力增加,加速水泵和傳動帶的磨損。康明斯柴油發電機多采用張緊輪來自動調節傳動帶張緊度。
在使用中不要用拉動或撬動風扇的方法來轉動柴油發電機,否則會造成嚴重的人身傷害或使風扇損壞。不要試圖修理斷裂或彎曲的葉片或缺少平衡重的葉片,否則會破壞風扇的動平衡。不要用通過彎曲葉片的方法來增加送風能力。彎曲葉片會造成材料的應力增加,從而造成風扇故障。
圖2 柴油機冷卻系統水路循環示意圖. |
圖3 冷卻風扇及防護罩示意圖 |
2、散熱不良
散熱器結構由上水室、下水室、散熱器芯等組成,結構剖面如圖4所示,外形如圖5所示。散熱器上水室頂部有加水口,冷卻水由此注入整個冷卻系并用散熱器蓋蓋住。在上水室和下水室分別裝有進水管和出水管,進水管和出水管分別用橡膠軟管和氣缸蓋的出水管和水泵的進水管相連,這樣,既便于安裝,而且當發動機和散熱器之間產生少量位移時不會漏水。在散熱器下面一般裝有減震墊,防止散熱器受振動損壞。在散熱器下水室的出水管上還有放水開關,必要時可將散熱器內的冷卻水放掉。
柴油發電機運行一段時間后,散熱器外部會被灰塵覆蓋,內部會被冷卻系統內污物和雜質堵塞,造成系統散熱不良,使水溫過高。因此,要定期清除散熱器外部污物及水箱內的污垢。
(1)散熱器外表面堵塞的清除
由于柴油發電機工作環境多半是塵土飛揚, 因此, 散熱芯表面會被油污、泥垢粘附堵塞,使其導熱性變差,致使散熱嚴重降低, 造成水溫過高。正確清除的方法是:先用鋼絲刷順散熱片方向輕輕刷去外表面的油污, 并使散熱器在地面上輕輕振動幾次, 可使一部分油污掉下來。再用壓縮空氣向散熱器芯吹幾分鐘, 基本上能將全部污物除掉。
(2)散熱器內部堵塞的清除
將散熱器放在洗滌池內,進行清洗脫水垢,其方法有:
① 在洗滌池內放入含有碳酸鈉3%~5%的水溶液,加熱并使該溶液溫度保持在80~90 ℃ ,約5~8 h后取出散熱器,再用溫水清洗。
② 洗滌池內盛含有10%~15%的苛性鈉水溶液,加熱使散熱器在該溶液中浸煮25~30 min ,取出后用熱水清洗。
③ 對水垢重的散熱器,可使用3%~5%的鹽酸溶液,并按每升溶液加入3~5 g六亞甲基四胺,然后加熱到60~70 ℃ ,清洗約30 min,再用熱堿水中和,最后用熱水沖洗。
④ 對水垢嚴重的散熱器,可用焊槍加熱燙開焊縫,取下上水室,用鋸條清除水垢,邊除垢邊用水沖洗,疏通各根水管,以保證各管道暢通無阻。水管疏通后,再將上水室恢復原位。
3、散熱器漏水
柴油發電機散熱器經過長期使用,會發生破裂和損傷而漏水。故障產生的主要原因:散熱器固定不牢;減振裝置失效;冷卻液中的有害物質引起內腐蝕;冷卻液未放盡使散熱器凍裂;散熱器被風扇葉片打壞。
(1)查找漏水部位
清洗后的散熱器,應檢查是否漏水, 可采用灌水法和打氣法。檢查前可將散熱器取下,將上、下水管堵住,然后再進行檢查。檢查時將散熱器注滿水,裝上壓力測試器。用手推測試器,使壓力升到147 kPa,檢查壓力是否下降,觀察外部有無漏水現象。
將散熱器蓋檢驗器裝到散熱器蓋上,并對散熱器蓋加壓。檢查密封性能和排氣閥的開啟壓力。當壓力上升到12~15 kPa時,排氣閥必須打開。如果讀數不在允許范圍內,應更換散熱器蓋。
(2)修理散熱器
經檢查確認漏水的散熱器,根據漏水的部位和嚴重程度的不同,按以下方法進行修理。
① 外層損壞漏水的修理。
外層漏水可不必拆下水管,先把破洞附近的散熱器片撥開,用刀子把破洞周圍的氧化物刮去,露出銅的本色,必要時再用稀鹽酸浸蝕,然后把焊錫熔于其上堵死破洞。如有較大破損造成施焊困難時,可以剪取比破洞稍大的銅皮進行補焊。
② 上下水室的修理。
水室常見的損壞為破洞和凹陷,破洞可用薄銅皮焊補。凹陷處可用拉平方法修復。
③ 內部損壞漏水的修理。
先要揭開水箱的上、下貯水室。可用烙鐵或噴燈熔化接縫,而后撬開焊縫取下散熱器芯子。采用下列方法修復:
● 堵管法:
當漏水的散熱器管分布比較均勻,且數目較少時,可直接將散熱器管上、下管口用焊錫堵死。散熱器管堵死后,使散熱面積減少,冷卻效果變差,因此被堵死的散熱器管數一般不應超過總管數的10%~15%。若漏水的散熱芯管數目超過15%,則不能用此方法,以免降低冷卻系的冷卻效果,可采用焊補法,對散熱芯管的個別滲漏部位進行錫焊。
● 換管法:
采用換管修理時,先把已損壞的散熱器管進行拆卸。首先刮除管口兩端的焊錫,然后使舊管與散熱器片熔脫,拉出舊管。把外表面已涂好焊錫的新管由另一端插入后加熱新管,使所涂的焊錫熔化并與散熱器片焊合在一起。最后在管口兩端再用焊錫焊牢。脫焊舊管和焊接新管,可用兩、三個燒紅(加熱到800~850 ℃)的長鐵條輪流加熱,也可用比散熱器管長30~50 mm的電阻絲加熱。在電阻絲外表面涂抹一層光滑水玻璃和滑石粉的絕緣混合物(其重量比為3∶2)或者電阻絲外纏石棉線來絕緣。
● 鑲管法:
此法先用末端帶擴張錐體的拉條在舊管內部拉過,使舊管內徑稍許擴大,并除去內表面所沉積的水垢。把相應直徑的新管插入后,再把兩端焊牢在散熱器上。另一種接管的方法是將管子的損壞部分切去,再取一段較切去部分長5~10 mm的外徑相當于散熱管內徑的管子,把外表面清理干凈,將兩管套在接管上進行焊接。
圖4 柴油機水箱散熱器結構剖面圖 |
圖5 柴油機散熱水箱外形圖 |
三、 冷卻系統的維護管理
首先調整冷卻系統的工作參數,并確保正常。淡水溫度應根據說明書的規定調整至正常工作范圍。勿使淡水出口溫度過低(造成熱損失增加、熱應力增大、低溫腐蝕)或過高(使缸壁滑油膜蒸發、缸壁磨損加劇、冷卻腔內發生汽化、缸套密封圈迅速老化)。對于中高速柴油機,一般出口溫度可控制在70℃~80℃(不燒含硫重油時),低速機可控制在60℃~70℃;進出口溫差不大于12℃。一般淡水出口溫度以接近允許上限為宜。
1、防止腐蝕問題
要經常保持管子接頭不要泄漏,并從散熱器頂部定期加水排放空氣以保持系統內“無空氣”。散熱器及各管路不應處于柴油機注、放水處,因為這樣更會加速腐蝕。對于不工作的柴油機,要把水全部放掉或全部灌滿防凍防銹冷卻液,防止水銹對柴油機的零部件腐蝕。
2、外部清潔
在塵多或污積的環境,散熱器的縫隙可能會被碎屑、昆蟲等物堵塞,從而影響散熱器的效率。對這些輕沉積物經常性的清理可以用低壓熱水加上清潔劑噴洗,把蒸氣或水從散熱器前面向風扇噴射。如從反方向噴射只會把污物吹進中心。當使用此方法時,要用布摭擋柴油機及交流發電機。頑固的沉積物,又不能用上述方法清除,則可以把散熱器拆下浸在熱的堿水約20分鐘,然后用熱水沖洗干凈。
3、內部清潔
如果柴油機因為接頭漏水,別無選擇要用硬水灌法用了一段時間,或者因為發電運行了一段時間又沒有用除銹劑,內部冷卻系統可能會因水垢、水銹及油性污物積聚,堵塞了水道。
4、冷卻液質量檢查
應定期(最好每周一次)檢查冷卻水質量,檢測水處理添加劑(如緩蝕劑)的濃度應在其說明書規定范圍內,pH值(在20℃時應為7~10)和氯化物濃度(不大于50ppm)。通過這些指標的變化可大致判斷冷卻系統的工作狀態。如若氯化物濃度增加,則表示有海水漏入;pH值降低說明有排氣漏入。
總結:
冷卻系統的設計和散熱量計算雖然并不一定是發動機操作人員和維修工的任務,但因發動機的性能和使用可靠性與冷卻系統設計的好壞關系很大,故發動機相關人員也必須熟悉這方面的內容。柴油機冷卻系統是一個復雜的系統,由多個部件組成,只有這些部件協同工作,才能保證柴油機的正常工作溫度,延長柴油機的使用壽命。因此,在使用柴油機時,我們應該定期檢查冷卻系統的各個部件,確保它們的正常運轉。
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