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摘要：冷却塔过滤网将安装在冷却塔内部，用于解决其换热器堵塞，难以清洗的问题，此过滤网具有易安装，易维护，易清洗的特点。通过计算验证，安装过滤网对换热器的影响在允许范围之内。
关键词：过滤网;机车冷却塔;结构优化;散热性能
Abstract: The cooling tower filters will be installed inside the cooling tower, heat exchanger is used to solve the blockage, difficult to clean, this filter are easy to install, easy to maintain, easy to clean characteristics. Verified by calculation, the filter is installed on the heat exchanger within the allowable range.Key words: filter; locomotive cooling tower; structural optimization; thermal performance
中图分类号： TU8 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
1 引言
近阶段，我国自主研制开发了9600千瓦大功率电力机车。如此大功率的机车，对于机车主变流元器件散热有非常严格的要求。由于我国北方具有独特的生态地理环境与气候条件，每到春夏交替之季，空中会有许多的柳絮等杂质。机车冷却塔上部与火车顶盖相通，机车在运行之中就会不可避免的吸入许多的柳絮等杂物，对冷却塔的散热效果产生严重影响。因此，必须对换热器进行清洁，然而机车机械间操作空间狭小，不便于维护，柳絮等杂物附着在换热器上也十分难以清洗。
针对这种情况，设计了冷却塔过滤网，从而加强了冷却塔的使用寿命，同时过滤网本身具有易安装，易维护，易清洗，可拆卸等特点。通过计算验证，安装过滤网对冷却塔的散热能力没有影响。
2过滤网结构设计
过滤网安装在风机出风方向，换热器表面。如图1所示：
换热器的上表面长为1294，宽为1014，机架下端面与换热器接触表面长为1277，宽为994，另外在机架内还焊接有4个风机支撑座，其与换热器上表面距离为28，风机电机与换热器上表面距离为189。在如此苛刻的条件下，需要在换热器上安装过滤网板，其结构要求十分严格。
图1 过滤网安装位置示意图
本次設计采取4块网板的结构形式。简图如图2所示。
图2 过滤网结构示意图
此方案解决了网板太大的问题，网板分成了4块小的网板，分别为左前网板，右前网板，左后网板，右后网板。另外增加了横梁槽钢以对过滤网板进行固定。左前网板与右前网板结构一致，并在一短边框上开腰孔。腰孔宽16，直径为φ6。左后网板与右后网板的结构也一致，且在一长边框上开腰孔。腰孔宽16，直径为φ6。换热器的支脚数目为4，为安装横梁槽钢以及支撑前网板所用。横梁槽钢上开有8个M5螺纹孔，分别对应网板上的腰孔。大块网板长680，宽630。小块网板长630，宽300。边框的结构为U型不锈钢片中间加压板和过滤筛网铆接成一体。另边框外围套橡胶垫，各处支脚经过折弯处理，防止过滤网板对换热器翅片进行损坏。其他具体尺寸与安装尺寸参照过滤网板结构图2。
四块网板结构最大的特点在于易安装，易拆卸。增加了横梁槽钢，解决了过滤网无法固定的问题，使得网板能固定在换热器的上表面，在机车运行时不会进行横向与纵向的移动。
3冷却塔换热器散热能力计算
过滤网安装在换热器表面上，这无疑对换热器的散热能力造成一定的影响。下面通过计算验证安装过滤网对换热器的影响是否在允许范围之内。
3.1冷却塔技术要求：
3.11 设计要求
冷却塔在规定环境条件下运行，未安装过滤网时冷却塔要达到的设计要求。
主变流器换热功率：125kW
入口温度：+62.5℃
出口温度：+55.0℃
冷却液的循环量：17.2m3/h
主变压器散热功率：168KW
入口油温： 82.5℃
冷却介质：45#变压器油
冷却液的循环量：40m3/h
进口空气温度： ≤40℃
冷却空气流量：10.5 m3/s
静压: 1600Pa
3.2 验证是否对冷却塔造成较大影响
空气总温升：
水路空气温升：
油路空气温升：
在未装过滤网时，冷却塔能满足前面所提出的技术要求。在空气流量为10.5 m3/s的状况下，空气进口温度设为40℃，冷却液离开变流器最高温度为62.4℃，冷却液进入变流器最高温度为55℃。（以下变量下标w，o分别代表水路、油路。）
3.2.1额定点的空气温升计算
水路冷却液温升计算：
变压器油温升计算：
计算平均温压：
3.2.2 额定点过滤网压力损失计算
当换热器表面安装过滤网时。
由实际测量可以得知，过滤网的面积为1.05m2。
已知条件当流量为10.5 m3/s时，通过过滤网的空气速度为：
由过滤网供应厂家提供过滤网阻力系数为：ξ=0.2
过滤网的压力损失为：(40℃时空气密度为1.12kg/m3)
3.2.3 换热器流道内实际风速
由风机特性曲线可以知道，在安装过滤网后，风机实际静压需达到1611.2Pa。此时对应的空气流量为实际流量。
Q实=10.42m3/s
在实际流量时，换热器内空气流速计算公式为：
通道的横截面积为：
V=10.42/0.8692=12m/s.
3.2.4 换热系数计算
3.2.4.1 雷洛数计算
换热器流道当量直径为：10-3m3
根据空气热物力性质表，水路平均温度为45℃时，根据差值法算得：17.54×10-6m2/s
则有水路空气侧雷洛数：Rew==2340
油路平均温度为57℃时，根据差值法算得：18.71×10-6m2/s
则有油路空气侧雷洛数：Reo==2193.4
3.2.4.2 努赛尔数计算
由换热器设计可知，L/De=360/3.42=105.2>50,且空气平均温度，与壁面温度相差不大，不考虑热流方向的影响，对直通道本次设计计算努赛尔数采用下面的表达式：
水路平均温度为45℃时，根据差值法算得：Prw=0.710
则有：
=0.023×23400.8×0.710.4=10.08
水路平均温度为45℃时，根据差值法算得：λw=2.75×10-2W/mk
换热系数为：
W/（m2·k）
那么冷却塔在预留15%的余量之后，所需要的散热面积为：
油路平均温度为57.47℃时，根据差值法算得：Pro=0.709
则有
Nuo=0.023=0.023×2193.40.8×0.7090.4=9.48
油路平均温度为57.47℃时，根据差值法算得：λo=2.83×10-2W/mk
换热系数为：
W/（m2·k）
那么冷却塔在预留15%的余量之后，所需要的散热面积为：
3.2.5 换热器理论面积与实际面积对比
由设计尺寸可知，换热器实际的散热面积为。
F1为水路实际散热面积，F2为油路实际散热面积。通过计算可知
F1＞Fw， F2＞Fo。即冷却塔在安装过滤网后对冷却塔的散热效果不影响。
4 结论
冷却塔增加过滤网，过滤效果良好，能过滤掉柳絮、煤灰等杂物，保护了换热器，延长了冷却塔使用寿命。过滤网制造简单，成本低廉，使用起来十分方便。以往需要使用很长的时间才能将冷却塔换热器清理干净，增加了过滤网板后，可以直接将网板拿出车外清洗，不但大大缩短冷却塔换热器维护时间，而且保证机械间内清洁。通过计算验证，过滤网对冷却塔换热器性能不影响。
参考文献
[1] 全国能源基础和管理标准化技术委员会，任泽霈、蔡睿贤主编，热工手册.机械工业出版社，2002
[2] 王伯年、杨东华等,工程热力学.机械工业出版社，2002
[3] 吴望一,流体力学.北京：北京大学出版社，1982
关键词：过滤网;机车冷却塔;结构优化;散热性能
Abstract: The cooling tower filters will be installed inside the cooling tower, heat exchanger is used to solve the blockage, difficult to clean, this filter are easy to install, easy to maintain, easy to clean characteristics. Verified by calculation, the filter is installed on the heat exchanger within the allowable range.Key words: filter; locomotive cooling tower; structural optimization; thermal performance
中图分类号： TU8 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
1 引言
近阶段，我国自主研制开发了9600千瓦大功率电力机车。如此大功率的机车，对于机车主变流元器件散热有非常严格的要求。由于我国北方具有独特的生态地理环境与气候条件，每到春夏交替之季，空中会有许多的柳絮等杂质。机车冷却塔上部与火车顶盖相通，机车在运行之中就会不可避免的吸入许多的柳絮等杂物，对冷却塔的散热效果产生严重影响。因此，必须对换热器进行清洁，然而机车机械间操作空间狭小，不便于维护，柳絮等杂物附着在换热器上也十分难以清洗。
针对这种情况，设计了冷却塔过滤网，从而加强了冷却塔的使用寿命，同时过滤网本身具有易安装，易维护，易清洗，可拆卸等特点。通过计算验证，安装过滤网对冷却塔的散热能力没有影响。
2过滤网结构设计
过滤网安装在风机出风方向，换热器表面。如图1所示：
换热器的上表面长为1294，宽为1014，机架下端面与换热器接触表面长为1277，宽为994，另外在机架内还焊接有4个风机支撑座，其与换热器上表面距离为28，风机电机与换热器上表面距离为189。在如此苛刻的条件下，需要在换热器上安装过滤网板，其结构要求十分严格。
图1 过滤网安装位置示意图
本次設计采取4块网板的结构形式。简图如图2所示。
图2 过滤网结构示意图
此方案解决了网板太大的问题，网板分成了4块小的网板，分别为左前网板，右前网板，左后网板，右后网板。另外增加了横梁槽钢以对过滤网板进行固定。左前网板与右前网板结构一致，并在一短边框上开腰孔。腰孔宽16，直径为φ6。左后网板与右后网板的结构也一致，且在一长边框上开腰孔。腰孔宽16，直径为φ6。换热器的支脚数目为4，为安装横梁槽钢以及支撑前网板所用。横梁槽钢上开有8个M5螺纹孔，分别对应网板上的腰孔。大块网板长680，宽630。小块网板长630，宽300。边框的结构为U型不锈钢片中间加压板和过滤筛网铆接成一体。另边框外围套橡胶垫，各处支脚经过折弯处理，防止过滤网板对换热器翅片进行损坏。其他具体尺寸与安装尺寸参照过滤网板结构图2。
四块网板结构最大的特点在于易安装，易拆卸。增加了横梁槽钢，解决了过滤网无法固定的问题，使得网板能固定在换热器的上表面，在机车运行时不会进行横向与纵向的移动。
3冷却塔换热器散热能力计算
过滤网安装在换热器表面上，这无疑对换热器的散热能力造成一定的影响。下面通过计算验证安装过滤网对换热器的影响是否在允许范围之内。
3.1冷却塔技术要求：
3.11 设计要求
冷却塔在规定环境条件下运行，未安装过滤网时冷却塔要达到的设计要求。
主变流器换热功率：125kW
入口温度：+62.5℃
出口温度：+55.0℃
冷却液的循环量：17.2m3/h
主变压器散热功率：168KW
入口油温： 82.5℃
冷却介质：45#变压器油
冷却液的循环量：40m3/h
进口空气温度： ≤40℃
冷却空气流量：10.5 m3/s
静压: 1600Pa
3.2 验证是否对冷却塔造成较大影响
空气总温升：
水路空气温升：
油路空气温升：
在未装过滤网时，冷却塔能满足前面所提出的技术要求。在空气流量为10.5 m3/s的状况下，空气进口温度设为40℃，冷却液离开变流器最高温度为62.4℃，冷却液进入变流器最高温度为55℃。（以下变量下标w，o分别代表水路、油路。）
3.2.1额定点的空气温升计算
水路冷却液温升计算：
变压器油温升计算：
计算平均温压：
3.2.2 额定点过滤网压力损失计算
当换热器表面安装过滤网时。
由实际测量可以得知，过滤网的面积为1.05m2。
已知条件当流量为10.5 m3/s时，通过过滤网的空气速度为：
由过滤网供应厂家提供过滤网阻力系数为：ξ=0.2
过滤网的压力损失为：(40℃时空气密度为1.12kg/m3)
3.2.3 换热器流道内实际风速
由风机特性曲线可以知道，在安装过滤网后，风机实际静压需达到1611.2Pa。此时对应的空气流量为实际流量。
Q实=10.42m3/s
在实际流量时，换热器内空气流速计算公式为：
通道的横截面积为：
V=10.42/0.8692=12m/s.
3.2.4 换热系数计算
3.2.4.1 雷洛数计算
换热器流道当量直径为：10-3m3
根据空气热物力性质表，水路平均温度为45℃时，根据差值法算得：17.54×10-6m2/s
则有水路空气侧雷洛数：Rew==2340
油路平均温度为57℃时，根据差值法算得：18.71×10-6m2/s
则有油路空气侧雷洛数：Reo==2193.4
3.2.4.2 努赛尔数计算
由换热器设计可知，L/De=360/3.42=105.2>50,且空气平均温度，与壁面温度相差不大，不考虑热流方向的影响，对直通道本次设计计算努赛尔数采用下面的表达式：
水路平均温度为45℃时，根据差值法算得：Prw=0.710
则有：
=0.023×23400.8×0.710.4=10.08
水路平均温度为45℃时，根据差值法算得：λw=2.75×10-2W/mk
换热系数为：
W/（m2·k）
那么冷却塔在预留15%的余量之后，所需要的散热面积为：
油路平均温度为57.47℃时，根据差值法算得：Pro=0.709
则有
Nuo=0.023=0.023×2193.40.8×0.7090.4=9.48
油路平均温度为57.47℃时，根据差值法算得：λo=2.83×10-2W/mk
换热系数为：
W/（m2·k）
那么冷却塔在预留15%的余量之后，所需要的散热面积为：
3.2.5 换热器理论面积与实际面积对比
由设计尺寸可知，换热器实际的散热面积为。
F1为水路实际散热面积，F2为油路实际散热面积。通过计算可知
F1＞Fw， F2＞Fo。即冷却塔在安装过滤网后对冷却塔的散热效果不影响。
4 结论
冷却塔增加过滤网，过滤效果良好，能过滤掉柳絮、煤灰等杂物，保护了换热器，延长了冷却塔使用寿命。过滤网制造简单，成本低廉，使用起来十分方便。以往需要使用很长的时间才能将冷却塔换热器清理干净，增加了过滤网板后，可以直接将网板拿出车外清洗，不但大大缩短冷却塔换热器维护时间，而且保证机械间内清洁。通过计算验证，过滤网对冷却塔换热器性能不影响。
参考文献
[1] 全国能源基础和管理标准化技术委员会，任泽霈、蔡睿贤主编，热工手册.机械工业出版社，2002
[2] 王伯年、杨东华等,工程热力学.机械工业出版社，2002
[3] 吴望一,流体力学.北京：北京大学出版社，1982