防爆柴油机排气冷却系统关键技术研究

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内燃叉车具有承载能力强、机动灵活、适用范围广等特点,是提高物流效率、降低劳动强度的主要作业设备。但在石油、化工、军工、油漆等行业中,作业过程将产生易燃易爆物质形成爆炸性危险环境,极易导致火灾、爆炸等安全事故,因而具有防爆特性的防爆内燃叉车得到了越来越广泛的关注和应用。防爆柴油机作为防爆内燃叉车的动力源,其排气系统温度较高,极易点燃危化品,因此防爆柴油机排气系统的温度控制是防爆叉车设计的核心。  本文以防爆内燃叉车用防爆柴油机为研究对象,在综合国内外文献的基础上,采用理论分析、数值模拟、实验验证等研究方法,对防爆柴油机排气冷却系统进行设计和优化,使其排气温度满足《GB3836.1-2000,爆炸性气体环境用电气设备》T4(≤135℃)温度组别。论文开展的主要工作包括:首先建立了排气冷却器的理论分析模型。其次根据防爆叉车测试工况下的热平衡温度数据,对防爆柴油机及排气冷却系统的实际运行工况进行了建模分析,发现实际运行时排气冷却器的传热系数较小、冷却液与烟气间的换热量较低,导致系统冷却温度不能达标,为此提出了对排气冷却器的冷却液侧及烟气侧分别进行强化传热的设计思路。通过分析排气冷却器冷却液侧换热过程,提出了内插管、冷却液三流程、三流程内插管并用等三种优化设计方案,并对内插管直径、管内流速对排气温度的影响进行了研究,结果表明:在柴油机运行工况下,三种设计方案均能满足控温要求;但在柴油机额定工况下,仅三流程内插管并用方案(内插管直径>14mm)满足要求。基于内插管设计方案进行了台架实验研究,实验结果与理论结果基本一致,最大偏差为8.75%,表明理论分析准确。建立了排气冷却器烟气侧的数值模型,仿真发现:翅片管下游回流区面积较大,降低了烟气侧表面换热系数;提出采用与翅片管同心的圆弧形隔板的设计方案,抑制翅片管下游回流区面积,仿真结果表明烟气侧表面换热系数提高20%,且在柴油机额定工况时,冷却液侧的三种设计方案均可使排气温度满足要求。本文的研究成果为防爆柴油机排气冷却系统设计及优化提供了参考。
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