Теплообменные аппараты двигателей внутреннего сгорания

Основная роль теплообменных аппаратов при работе современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Классификация теплообменных аппаратов ДВС. Охладители воды и масла. Водо-водяные и воздухо-водяные охладители. Охладители наддувочного воздуха ДВС.

Рубрика Производство и технологии
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 20.12.2013
Размер файла 611,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Московский государственный открытый университет

Коломенский институт (филиал)

имени В.С. Черномырдина"

Факультет Инженерно-экономический

Кафедра Технологии машиностроения и САПР

Реферат

по дисциплине:

"Системы двигателей"

"Теплообменные аппараты двигателей внутреннего сгорания"

Выполнил Кучин К.А.

Проверил Сокол Е.Е.

Коломна 2013

Содержание

  • Введение
  • §1. Общие сведения о теплообменных аппаратах
  • §2. Классификация теплообменных аппаратов ДВС
  • §3. Охладители воды и масла
  • 3.1 Водо-водяные охладители
  • 3.2 Воздухо-водяные охладители
  • 3.3 Масляные охладители
  • §4. Охладители наддувочного воздуха ДВС
  • Заключение
  • Список литературы

Введение

Первые упоминания о теплообменнике историки относят к VI веку до нашей эры. До нас дошли прекрасно сохранившиеся фрески с изображениями воинов древней Галлии, которые первыми смогли использовать принцип передачи тепла в так называемых "Термах" - древнеримских (древнегреческих) банях.

Аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов, называют теплообменными. Эти аппараты имеют разнообразное конструктивное оформление, которое зависит от характера протекающих в них процессов и условий проведения этих процессов.

Теплообменник - одно из немногих технических устройств, хорошо известных даже весьма далеким от техники людям. В самом деле, в каждой квартире под подоконником установлены радиаторы отопления - массивные, ощетинившиеся ребрами чугунные трубы или более современные, более изящные их аналоги. Это теплообменные аппараты, в которых теплоноситель - горячая вода - отдает через металлическую стенку теплоту воздуху наших квартир.

Радиаторы отопления - самые распространенные и самые известные, но, пожалуй, не самые ответственные теплообменники. В конце концов, если они по какой-то причине и откажут, день-другой вполне можно перебиться: включить электрические обогреватели или, в крайнем случае, потеплее одеться. А в промышленности редкое производство может обойтись без надежно работающих теплообменников.

Теплообменники относятся к энергопотребляющему оборудованию и могут использоваться как отдельно, так и в технологическом процессе. По конструкции теплообменники очень разнообразны в зависимости от условий производства и технико-экономических требований.

Только в химической индустрии теплообменные устройства составляют свыше трети массы и стоимости всего оборудования. Химические реакции идут при определенной температуре; от температуры зависит скорость процессов, активность катализаторов, полнота превращений, чистота продуктов. В одном случае потоки необходимо нагревать, в другом - охлаждать, в третьем - утилизировать неиспользованное тепло. И везде требуются теплообменники - разных размеров, разных конструкций. Они требуются не только в нефтехимии и нефтепереработке, но и в тепловой и атомной энергетике, в металлургии, пищевой промышленности. И хотя в теплообменниках не происходят превращения веществ, эти аппараты на каждом производстве относят к основным, что составляют фундамент технологии.

В химической технологии теплообменники используются в процессах нагревания и охлаждения, при конденсации паров и кипении жидкостей, в процессах ректификации, абсорбции, кристаллизации, в экзо - и эндотермических реакциях, при выпаривании и др.

Есть ещё одна область техники, где теплообмен имеет решающее значение. Это транспорт. Любое транспортное средство - автомобиль, трактор, морское судно, самолёт, космический корабль - немыслимо без радиаторов и другой теплообменной аппаратуры.

§1. Общие сведения о теплообменных аппаратах

При работе современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) необходимо постоянно отводить от них теплоту в окружающую среду. Часть теплоты отводится вместе с выхлопными газами, и этот процесс обусловлен вторым законом термодинамики - для получения полезной работы в тепловых двигателях обязателен как подвод теплоты, так и её отвод. Кроме этой теплоты, её соизмеримое количество отводится в окружающую среду системой охлаждения двигателя. Отвод этой части теплоты имеет в основном иную причину. Она связана, в первую очередь, с необходимостью поддержания допустимого термического и напряжённого состояния деталей двигателя, а также с поддержанием определённой температуры смазочного масла, при котором оно обеспечивает оптимальный режим смазывания трущихся пар. С учётом сформулированной оценки функций системы охлаждения следует понимать, что такой теплоотвод является вынужденным и что он вреден с точки зрения термодинамики, поскольку в этом процессе теплота, подведенная с топливом, просто теряется, пусть даже вынужденно. Очевидно, что для повышения экономичности двигателя следует по возможности уменьшать количество теплоты, отведенной по названной причине. Такая концепция успешно реализуется в современном двигателестроении и должна учитываться при проектировании систем охлаждения и их аппаратов. Так, охлаждение камеры сгорания двигателя должно обеспечивать не только допустимое термическое и напряжённое состояние деталей этого элемента, но и поддерживать температуру внутренних стенок на том уровне, при котором процессы наполнения цилиндра воздушным зарядом и сгорания в цилиндре двигателя будут проходить наиболее эффективно. Аналогичным образом, охлаждение наддувочного воздуха нельзя свести

только к оценке количества отводимой в этом случае теплоты. Охлаждение наддувочного воздуха сильно влияет на рабочий цикл двигателя и должно оцениваться с учётом такого влияния. Затраты энергии на работу системы охлаждения составляют в отдельных случаях до 7% мощности двигателя, а масса и габариты - примерно такую же величину от массы и объёма двигателя.

Теплообменные аппараты ДВС достаточно разнообразны по своей конструкции, по назначению, по видам теплоносителей, по особенности влияния на работу двигателя, по особенностям компоновки в системе охлаждения и на двигателе и по ряду других параметров. Соответственно на современных двигателях могут одновременно применяться от 3 до 6 и даже более существенно различных по всем своим особенностям теплообменников, которые должны работать согласованно в одной системе и обеспечивать нормальную работу двигателя для всех возможных режимов и условий эксплуатации.

теплообменный аппарат двигатель внутренний

§2. Классификация теплообменных аппаратов ДВС

В системах охлаждения ДВС используются различные теплообменники. Все они, как правило, являются рекуперативными. К рекуперативным относят теплообменники, в которых теплопередача происходит через стенку, разделяющую теплоносители.

Существует множество теплообменников иного типа. В частности, известны водоконтактные теплообменники, к которым относятся градирни. Их применяют в стационарной энергетике, в том числе и для охлаждения дизелей. Градирня представляет собой башенную конструкцию, которая обычно заполнена решётчатыми элементами из дерева, керамики или металла. Горячая вода распиливается над заполнителем и стекает по. нему вниз. Наличие заполнителя увеличивает время прохождения воды через зону охлаждения и увеличивает поверхность контакта воды с охлаждающими воздухом. Воздух поступает в башню градирни снизу и выходит в верхней части. Воздух может прокачиваться вентилятором или под действием естественной конвекции. Охлаждённая вода собирается в ёмкость в нижней части градирни, откуда насосом направляется в систему охлаждения. Градирни относительно просты и дёшевы, но велики по размерам, подвергают теплоноситель запыливанию и замораживанию в зимнее время. Известны также водоконтактно-испарительные аппараты, в которых охлаждение жидкости производится при барботировании (продувании воздуха через объём с водой). В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания могут быть применены регенеративные теплообменники. В частности, они могут использоваться для подогревания всасываемого воздуха выхлопными газами. Конструктивно такой теплообменник можно представить как сетчатый барабан, заполненный металлической стружкой или аналогичным пористым материалом с близкой теплоёмкостью. Барабан вращается относительно оси. Обычно диаметр барабана больше его осевой длины. Параллельно оси вращения к поверхности барабана подведены две трубы. По одной идут выхлопные газы. По другой всасывается воздух. После прогрева набивки барабана выпускными газами она способна нагревать просасываемый через неё воздух, когда прогретый фрагмент переместится к срезу всасывающей трубы в результате вращения барабана.

Кроме рассмотренных конструкций, получивших хотя бы некоторое распространение, известны и иные, практически не применявшиеся в серийных устройствах, например жидкостно-плёночные, вакуумно-испарительные и некоторые другие. В то же время основным типом теплообменного аппарата в системах ДВС остаётся рекуперативный, который имеет достаточно много разновидностей, различающихся по многим параметрам. Существующее многообразие отличий является причиной того, чтобы систематизированное представление об этих аппаратах давалось основе их классификации. Предлагаемая классификация делит аппараты по следующим основным признакам.

По назначению.

По виду теплоносителей.

По схеме взаимного течения теплоносителей в теплообменнике.

По особенностям перемешивания теплоносителей в каждом последующем сечении по ходу теплоносителей.

По виду поверхности теплообмена.

По общей схеме конструкции теплообменника.

По назначению теплообменники ДВС можно разделить на охладители наддувочного воздуха (ОНВ), охладители воды (ВО), маслоохладители (МО), охладители топлива (ТО), охладителями гидравлических жидкостей (ОГ), подогреватели воды, масла, топлива и наддувочного воздуха.

По виду теплоносителей различают газо-жидкосгные (воздухо-жидкостные), воздухо-воздушные (газо-воздушные, газо-газовые), жидкостно-жидкостные теплообменники. Соответственно ОНВ бывают воздухо-воздушными и воздухо-водя ными, ВО бывают водо-водяными и водо-воздушными (радиаторы), МО бывают жидкостно-масляными (ЖМТ) или воздухомасляными (масляные радиаторы). Аналогично делаются охладители гидравлических жидкостей. Охладители топлива обычно выполняют жидкостными, а подогреватели иногда паровыми. Могут также применяться элекетроподогроеватели. В качестве подогревателей всех типов часто выступают охладители, в которые подают греющую среду вместо охлаждающей. Иногда подогреватели делаются в виде специальных конструкций и подсоединяются к специальным теплоносителям (например, к паровой магистрали)

По схеме взаимного течения теплоносителей (см. рис.1) различают теплообменники противоточные (а), прямоточные (б), перекрёстноточные (в), с реверсивным током (г). Кроме этих основных схем применяют конструкции с многократным перекрёстным током при общем противотоке (д), теплообменники с многократным реверсивным током (е) и ряд других. Нередко действительная схема взаимного течения теплоносителей не может быть отнесена чётко ни к одному из известных и описанных вариантов или отнесена к ним с определёнными отклонениями. Рассматривая перекрёстноточные теплообменники, выделим понятие ход как часть теплообменного элемента в пределах однократного пересечения потоков теплоносителей (см. рис.1 д). При этом отдельным ходом (или точнее теплотехническим ходом) можно считать только очередную часть теплообменного элемента в пределах однократного пересечения тепло - носителей, которая будет смещена относительно предыдущей вдоль по течению или против течения второго теплоносителя.

Если часть теплообменного элемента с однократным пересечением потоков смещается перпендикулярно ходу течения второго теплоносителя, то такая часть ходом с точки зрения теории теплообмена не считается. Эту часть в данном случае можно считать гидравлическим ходом.

Рис 1. Схемы взаимного течения теплоносителей

По особенностям перемешивания теплоносителя в каждом последующем сечении по ходу теплоносителя теплообменники бывают с перемешиваемыми и не перемешиваемыми теплоносителями, причём каждое из названных выше определений может относиться либо сразу к двум теплоносителям, либо каждый теплоноситель может иметь свой характер перемешивания. Примером перемешиваемого или смешиваемого течения может быть течение воздуха поперёк пучка труб. Здесь за каждым рядом труб воздух полностью перемешивается по всему сечению теплообменника. В результате этого изменение температуры воздуха по ходу теплоносителя зависит только от одной координаты - длины теплообменника по ходу течения воздушного потока. Перпендикулярно этому направлению вдоль или поперёк трубок в любой точке сечения теплообменника температура воздуха теоретически одинакова. Примером не смешиваемого течения теплоносителя может быть ток воды по трубкам пучка перпендикулярно потоку воздуха. В первом раду трубок по ходу воздуха вода будет нагреваться сильнее, поскольку воздух здесь самый горячий, а в последующих рядах трубок вода будет нагреваться слабее. В результате в каждом сечении водяного потока, перпендикулярного пучку трубок, в том числе и в сечении на выходе из трубного пучка температура воды различна в различных точках сечения, т.е. температура воды будет функцией не только координаты, направленной вдоль по ходу течения потока, но и координаты, направленной по ходу течения воздуха, перпендикулярно названному выше направлению. Кроме отмеченной особенности перемешивания в пределах хода учитывается также перемешивание или не перемешивание потока между ходами. Отмеченные особенности перемешиваний и соответственного характера изменения температур будут влиять, в конечном счёте на значение средней по сечению температуры и, соответственно, на эффективность охлаждения в том или ином теплообменнике. Эти особенности, связанные с характером перемешивания потоков, должны учитываться выбором соответствующих расчётных зависимостей при формировании методики расчёта каждого конкретного теплообменника.

По виду поверхности теплообмена рекуперативные теплообменники в основном делят на трубчатые, пластинчатые и трубчато-пластинчатые. Для подробной характеристики теплообменника может использоваться и более обстоятельная классификация в этом направлении, при которой будут определены дополнительные характеристики поверхностей теплообмена (ПТ). Последние, как правило, связаны с дополнениями к уже названным особенностям классификации. Например, можно дать такое определение одному из возможных видов ПТ: "шахматный пучок из круглых труб с индивидуальным ленточным оребрением".

По общей схеме конструкции теплообменники можно подразделить на кожухотрубные, кожухокоробчатые, типа "труба в трубе", змеевиковые, пакетнопластинчатые и некоторые другие. Примером кожухотрубного теплообменника может служить водоводяной теплообменник с корпусом (кожухом) в виде трубы относительно большого диаметра, в которой размещается трубый пучок из труб малого диаметра. Кожухокоробчатым можно назвать охладитель наддувочного воздуха, в котором теплообменный элемент (пакет или пучок) установлен в коробчатом кожухе.

Этот кожух имеет патрубки для подвода и отвода воздуха, а его Пакет снабжён крышками с патрубками отвода - подвода веды. Теплообменник типа "труба в трубе" выполнен наподобие кожухотрубного, но только в его кожухе вместо пучка труб устанавливается одна труба. Обычно такой теплообменник имеет малое поперечное сечение при большой длине корпуса. Пакетнопластнчатые (также называемые консольными) теплообменники имеют конструкцию, в которой короб отсутствует а соединение пластин в пакете производится стяжными анкерами, проходящими через специальные отверстия в наружных углах пластин. В таком теплообменнике две наружные пластины обычно делают утолщёнными (они выполняют роль опорных плит). Прочие пластины зажимаются между ними. Разновидностью таких теплообменников может быть неразборная конструкция, в которой пластины соединяются сваркой или пайкой (спеканием). По таким схемам могут быть изготовлены охладители воды, масла и наддувочного воздуха. Змеевиковые теплообменники могут быть выполнены на основе трубчатого корпуса сравнительно большого диаметра, в который вставляются змеевики, выполненные в виде спиральных "дисков", образованных сгибанием в одной плоскости труб относительно малого диаметра. Начало и конец трубы в каждом таком "диске" соединяется с общим для всех "дисков" коллектором. Примером такого теплообменника может служить утилизационный котёл. В нём через трубчатый корпус снизу поступают выхлопные газы, которые омывают "диски" из тонких труб, проходя перпендикулярно их плоскости. Внутри спиральных труб проходит вода или пар. Возможны иные конструктивные варианты змеевиковых теплообменников.

§3. Охладители воды и масла

Охладители воды судовых ДВС обычно выполняются водо-водяными (ВВО). Охладители воды транспортных и стационарных ДВС выполняются водо-воздушными. Водо-воздушные рекуперативные теплообменники обычно называют радиаторами. Охладители воды стационарных ДВС могут выполняться как в виде радиаторов, так и в виде градирен или барботерных теплообменных аппаратов (вода охлаждается при пропускании (барботировании) через ёмкость с водой пузырьков охлаждающего воздуха). Для стационарных ДВС возможно также использование ВВО, если имеются подходящие условия для применения системы охлаждения с такими теплообменниками.

3.1 Водо-водяные охладители

Водо-водяные охладители судовых ДВС (или ВВО) выполняются в виде кожухотрубных или пакетнопластинчатых теплообменников. Конструктивная схема кожухотрубного теплообменника показана на рис.2.

Рис.2. Конструктивная схема кожухотрубного водо-водяного охладителя с сегментными диафрагмами: 1 - подвижная трубная доска; 2,5 - водяные крышки; 3 - уплотнение между корпусом подвижной трубной доской; 4 - неподвижная трубная доска; 6 - трубки трубного пучка; 7 - диафрагмы; 8 - корпус (кожух)

Корпус такого теплообменника изготавливается в виде трубы большого диаметра, в котором размещается трубный пучок из гладких (не оребрённых) трубок малого диаметра. Концы трубок крепятся в трубных досках. Обычно одна из трубных досок обладает подвижностью для обеспечения компенсации тепловых расширений. Размещение трубок в трубных досках может выполняться по системе диагональной разбивки, по системе концентрических окружностей и по ряду иных возможных геометрий. Основой выбора системы расположения труб в трубных досках является стремление к максимальному заполнению объёма корпуса при обеспечении возможной равномерности размещения теплообменной поверхности по этому объёму. Одновременно учитываются требования к технологичности, прочности, устойчивости пучка к загрязнениям и некоторые другие. Обычно заборная вода проходит внутри трубок пучка, а пресная вода проходит между трубками. Для регулирования скорости воды внутри трубок охладитель может выполняться по забортной воде как одноходовым, так и многоходовым. Для обеспечения необходимой скорости пресной воды и придания определённого направления её течению внутри корпуса устанавливаются диафрагмы. Благодаря установке диафрагм схема течения теплоносителя с внешней стороны трубного пучка приближается к многократно-перекрёстному току.

Всё это делает реальную картину обтекания пучка трубок потоком весьма сложной и влияет на точность и сложность теплотехнических расчётов теплообменника. Кроме сегментных диафрагм встречаются также кольцевые и стержневые.

Стержневая диафрагма представляет собой набор стержней, расположенных примерно в одной плоскости, перпендикулярной осям трубок пучка (подобно струнам в теннисной ракетке). Стержни пропускают между трубками, а наружные концы крепят в отверстиях колец, охватывающих пучок в местах размещения диафрагм. Часть сечения пучка, как и в случае применения диафрагм иной конструкции, остаётся свободной и используется для поворота потока в обратном направлении перед его движением через последующий зазор с рядом расположенной диафрагмой. Имеются сведения, что наиболее компактные конструкции кожухотрубных теплообменников обеспечиваются применением сегментных диафрагм. На рис.3 показан общий вид возможной конструкции консольного пластинчатого теплообменника.

Подводящие и отводящие патрубки теплоносителей в подобных конструкциях могут располагаться как по одну сторону пакета, так и с обеих его сторон.

Рис.3. Консольный пластинчатый жидкостно-жидкостный теплообменник: Основные элементы конструкции типичных консольных теплообменников (стяжные болты не показаны): 1 - неподвижная плита; 2 - первая пластина, прилегающая к плите; 3 - пакет рабочих пластин; 4 - концевая пластина; 5 - опорная балка; б - стойка; 7 - нажимная подвижная плита; 8 - направляющая балка.

Поверхности пластин имеют систему выступов и впадин, образованных штамповкой. В настоящее время на поверхности пластин штампуют горизонтальные гофры треугольного или синусоидального сечения.

Возможны также не только сплошные горизонтальные формы гофр, но и гофры дугообразной формы, прерывистые гофры треугольного, цилиндрического или сфероидального профиля. Это так называемые ленточно-поточные пластины, имеющие наибольшее распространение для ВВО. Жидкость между пластинами здесь движется в основном поперечно осевым линиям гофр. Форма потока жидкости между пластинами подобна форме волнистой ленты. Такая структура потока способствует интенсивной турбулизации теплоносителя и улучшает

теплообмен при прочих равных условиях. Ранее применялись пластины с иной организацией потока. Они. либо имели выступы, предназначенные только для обеспечения жёсткости (плоские пластины), либо имели выштампованные зигзагообразные или продольные каналы, вдоль которых двигалась жидкость (канальчатые пластины).

Такие каналы мало интенсифицировали теплообмен, но сильно увеличивали гидравлическое сопротивление. Если рабочие скорости воды в аппаратах из канальчатых пластин должны быть в пределах 1,5.2,5 м/с, то в аппаратах из ленточно-поточных пластин эти скорости при той же интенсивности теплообмена могут быть снижены до 0,3.0,9 м/с. На рис.3 показаны основные элементы конструкции консольных теплообменников, выпускаемых фирмой Альфа-Лаваль.

Большинство применяемых пластинчатых охладителей отличаются от трубчатых прежде всего тем, что допускают разборку и последующую качественную механическую чистку. В то же время опыт эксплуатации судовых теплообменников свидетельствует, что при обычных условиях эксплуатации необходимость в таких операциях в межремонтные периоды чаще всего отсутствует, а существующие способы очистки кожухотрубных теплообменников в условиях периодических ремонтов не представляют особых сложностей. Одновременно отмечается относительно меньшая надёжность работы пластинчатых теплообменников. Вероятность появления течи в полостях таких теплообменников и смешения теплоносителей для них выше, чем для кожухотрубных. Последнее обстоятельство может быть решающим, если условия эксплуатации соответствуют вышеназванным. В то же время есть отдельные районы эксплуатации дизельных энергетических установок, где возможность срочной и качественной очистки в межремонтные периоды может быть важным преимуществом. В частности, необходимости в таких чистках возникают при работе ВВО в водоёмах с тёплой, минерализованной водой и сильно развитой системой водных микроорганизмов, склонных образовывать отложения на стенках водяных каналов теплообменников.

Если же сравнивать объёмы и массы трубчатых и пластинчатых водо-водяных охладителей, то их соотношение зависит от удельной тепловой нагрузки. При нагрузках выше 0,0055 кВт/м2 преимущество имеют кожухотрубные охладители. Указанное соотношение справедливо для типовых конструкций пластинчатых ВВО, в частности, сконструированных в соответствии со схемой на рис.3.

Эти конструкции содержат большое число тяжёлых и громоздких элементов, применение которых не всегда и не везде является принципиально необходимым. В принципе, возможно создание более лёгких и компактных конструкций, основанных на неразборных (сварных) соединениях пластин. Однако в этом случае теряется важное преимущество возможности межремонтной очистки, а также снижается надёжность в связи с появлением дополнительных напряжений от сварки и появления всякого рода неоднородностей в металле теплообменной поверхности, ведущих к образованию трещин и свищей в соединениях пластин. Следует отметить, что поиски более рациональных конструкций пластинчатых теплообменников продолжаются, в то время как принципиальное развитие конструкций кожухотрубных практически завершено. Соответственно не следует исключать возможности появления новых пластинчатых ВВО с более удачными показателями.

3.2 Воздухо-водяные охладители

Воздухо-водяные охладители воды (радиаторы или ВВР) могут выполняться на основе трубчатых, трубчатопластинчатых, пластинчатых ПТ. Современные радиаторы имеют оребрение со стороны воздушного потока. Принципиально такие ПТ могут не отличаться от применяемых для ОНВ. Известны конструкции радиаторов и ОНВ, в которых применялись ПТ одинаковых видов. В то же время специфика конструкции и условий работы радиаторов предрасполагает к использованию в них более тонкостенных водяных трубок и более стойких к ударным и вибрационным нагрузкам конструкций поверхностей теплообмена. Этим условиям хорошо отвечают ПТ, выполненные на базе пучков из плоско-овальных труб с поперечным групповым оребрением. Кроме того, для некоторых двигателей, работающих в условиях особо запылённого воздуха (строительные, дорожные и сельскохозяйственные машины) приходится увеличивать минимально допустимое расстояние между рёбрами по сравнению с ОНВ до 3…4 мм. В связи с тем, что радиаторы обычно прокачиваются (продуваются) воздухом с помощью осевых вентиляторов, они должны иметь сравнительно малое воздушное сопротивление, а это определяет пропорции основных габаритных размеров пучка радиатора: он имеет относительно малую глубину пучка по ходу воздуха и относительно большую площадь фронта по сравнению с ОНВ. Наиболее распространённые виды ПТ для радиаторов показаны на рис.4.

Рис.4. Наиболее распространенные виды ПТ для ВВР: а - трубчато-пластинчатая; б - трубчато-ленточная; в, г - пластинчато-ленточные

Обычно сердцевина радиатора крепится к боковым стойкам за верхнюю доску. Нижняя доска имеет возможность свободного перемещения по длине водяных трубок. Перемещения в иных направлениях ограничиваются дополнительными элементами конструкции, связанными с нижней доской и боковыми стойками. Боковые стойки должны прилегать без зазоров к теплообменному пучку радиатора, чтобы исключить паразитные протечки воздуха мимо пучка. Выходы трубок в обеих трубных досках закрываются бачками. Бачки могут иметь перегородки, формирующие направление течения водяного. потока между трубными досками. Обычно радиаторы имеют сравнительно малое число рядов труб, поперечных ходу воздуха. Цилиндрический воздухоподводящий канал вентилятора и прямоугольный наружный периметр фронта радиатора соединяют переходным кожухом, препятствующим паразитным утечкам потока воздуха от вентилятора по любым направлениям мимо теплообменного элемента (сердцевины) радиатора. Поток воздуха принято направлять от вентилятора к радиатору, что обеспечивает повышенную турбулизацию потока перед входом в теплообменный элемент. Часто ВВР устанавливают в одном блоке с масляным радиатором, воздуховоздушным охладителем наддувочного воздуха, а возможно и с другими теплообменниками, которые размещают последовательно по ходу охлаждающего воздуха от вентилятора. Расход воздуха от вентилятора может регулироваться с помощью жалюзи. Общее устройство подобного радиаторного блока представлено на рис.5.

Рис.5. Блок водяного и масляных радиаторов автомобиля КамАЗ-S320:

1 - заливная горловина и пробка с паровым и воздушным клапанами; 2, 3, 21 - дренажные трубки; 4 - кронштейн крепления радиатора; 5 - резиновые подушки; 6-гайка крепления радиатора; 7-тяга крепления радиатора к поперечине; 8 - водяной радиатор; 9 - нижний бачок; 10 - трубчато-ленточная сердцевина ВВР; 11 - жалюзи; 12, 13, 17 - привод управления жалюзи; 14 - масляный алюминиевый радиатор гидроусилителя руля; 15-трубчато-пластинчатый радиатор для охлаждения масла двигателя; 16 - трубки сердцевины; 18 - верхний бачок; 19 - входной патрубок; 20 - кожух вентилятора; 22 - расширительный бачок

3.3 Масляные охладители

Охладители масла судовых и стационарных ДВС обычно выполняются водомасляными (жидкостно-масляными или ЖМТ). Для стационарных двигателей возможно также исполнение маслоохладителей в виде воздушно-масляных теплообменников или радиаторов (BMP). Охладители масла транспортных ДВС часто выполняют в виде BMP, но могут изготавливать и как ЖМТ.

Конструктивно ЖМТ могут выполняться близкими к водоводяным охладителям. В этом случае они изготавливаются либо кожухотрубными, либо пакетно-пластинчатыми. Кроме таких конструкций возможны кожухокоробчатые аппараты. Для двигателей относительно малой мощности возможно применение маслоохладителей на основе схемы "труба в трубе" и некоторых других. Поверхность теплообмена со стороны масла у современных ЖМТ обычно оребряется. Вид оребрения ПТ близок к применяемому для охладителей наддувочного воздуха, т.е. соответствует представленному на рис.4.

Принципиальным отличием ЖМТ от ВВО будет то, что ПТ со стороны масла обычно выполняется оребрённой. И кожухотрубные, и кожухокоробчатые ЖМТ обычно имеют по маслу и по воде несколько ходов.

Взаимная схема течения теплоносителей может соответствовать многократному перекрёстному току при общем противотоке или реверсивному току. Возможны и иные схемы взаимного течения теплоносителей, в том числе не соответствующие каноническим. На рис.6 дана схема подобного кожухокоробчатого теплообменника, а на рис.7 показан вид ПТ, применённой для этого ЖМТ.

Рис.6. Схема кожухокоробчатого ЖМТ: а - схема течения теплоносителей; в - конструктивная схема ЖМТ

Рис. 7. ПТ из плоско-овальных труб с ленточно-рассечённым оребрением: а - общий вид элемента ПТ; в - вид ПТ по ходу масла; с - аксонометрия оребрения

Пакетнопластнчатые ЖМТ изготавливают на основе пластин так называемого сетчато-поточного типа. Здесь между пластинами вставляется перфорированная прокладка, навешиваемая на приваренные к пластине крючки. Прокладка предназначена для интенсификации теплообмена и устанавливается на стороне пластины, обращённой к маслу.

Воздушно-масляные охладители (радиаторы) или BMP изготавливаются на основе прямоугольных пучков (пакетов) круглых или плоско-овальных труб. Для интенсификации теплообмена поверхности труб как со стороны воздуха, так и со стороны масла должны иметь оребрение. В этом случае обеспечивается наибольшая компактность соответствующих теплообменников.

Обычно же при изготовлении таких теплообменников учитываются технологические возможности производителя и то, что количество отводимой теплоты в BMP сравнительно невелико по отношению к ВВР.

В реальных условиях производства агрегатов ДВС часто реализуют компромиссные ранения, не обеспечивающие максимума компактности, но отвечающие приемлемой технологичности

В этих случаях для BMP применяют трубки, оребрённые только со стороны воздуха, а в некоторых случаях даже трубки без оребрения. Одновременно учитывается сравнительна. высокое давление масла в трубках BMP и отсутствие коррозионного воздействия масла на поверхности теплообмена.

С учётом последних обстоятельств трубки могут выполняться из стали или алюминия. Оребрение со стороны воздуха по конструктивным особенностям не отличается от применяемого для охладителей наддувочного воздуха, хотя характерные размеры оребрения могут иметь определённые отличия, устанавливаемые в ходе оптимизации BMP. Конструктивно BMP весьма близок к ВВР, но отличается меньшими размерами площади теплопередающей поверхности, а также формой и прочностью бачков (коллекторов).

§4. Охладители наддувочного воздуха ДВС

Охладители наддувочного воздуха могут быть воздухо-воздушными или воздухо-водяными. Рассмотрим воздухо-водяные охладители наддувочного воздуха (ОНВ). Наибольшее распространение имеют кожухокоробчатые конструкции, с теплообменным элементом в виде трубного пучка (пакета) оребрённых труб или пакета пластин, или трубчато-пластинчатого пакета. Теплообменный элемент размещается в корпусе (кожухе) коробчатой формы. Корпус имеет патрубки для подвода и отвода воздуха. Вода подводится и отводится через крышки, прикреплённые к теплообменному элементу. Соединение пучка и корпуса может быть разборным и неразборным. В последнем случае элементы корпуса, дополняющие теплообменный элемент в общей конструкции ОНВ, сведены к минимуму. ОНВ с трубчатым теплообменным элементом обычно имеет одну или две трубные доски, в которых крепятся концы труб. Такой элемент вставляется в кожух по направлению осей труб через отверстие в одной из граней кожуха и крепится к ней за трубную доску по периметру этого отверстия. Вторая сторона теплообменного элемента при этом может свободно перемещаться под действием тепловых деформаций. Для теплообменников не очень больших размеров возможно жёсткое крепление к кожуху за обе трубные доски с учётом относительно небольших температурных деформаций. При больших размерах возможность компенсации температурных деформаций свободным перемещением одного из концов теплообменного элемента может быть необходимостью. Возможные схемы таких конструкций представлены на рис.8.

Следует указать на некоторую неопределённость взаимных перемещений оконечностей теплообменного элемента и корпуса, поскольку нагреваются и тот, и другой, причём весьма неравномерно по разным сечениям и направлениям. В связи с этим предпочтительно исполнение такого варианта компенсационного узла, который обеспечивал бы относительно свободное перемещение деформируемой оконечности по всем возможным направлениям без потери плотности по теплоносителям и потери прочности, К особенностям конструкции трубчатых ОНВ следует также отнести использование вставок-вытеснителей (см. поз.3 рис.8) с боковых сторон пучков. Эти элементы, обычно выполненные в виде гофрированных листов металла, должны уменьшать протечки воздуха 2 между корпусом и пучком. Конструкция вытеснителей и их монтаж должны исключать возможность появления дополнительных протечек между ними и корпусом (см. поз 1).

Рис.8. Схемы размещения трубного пучка ОНВ в кожухе: а - верхняя доска подвижна, водяные патрубки снизу; б - то же при водяных патрубках сверху и снизу; в - компенсация перемещений верхней трубной доски обеспечена упругой деформацией специальной вставки в корпусе; г - обе доски жёстко закреплены в корпусе

Большинство названных выше элементов конструкции ОНВ можно рассмотреть на основе реальной конструкции, общий вид которой представлен на рис.9. Бериславский машиностроительный завод выпускал ОНВ с подобными элементами для дизелей различного типа и назначения. Поверхность теплообмена в ОНВ обычно выполняется оребрённой со стороны воздуха. Оребрение применяют в основном для увеличения площади поверхности теплоотдачи с той стороны, где теплообмен проходит хуже. Помимо функции увеличения площади оребрение несет функцию турбулизатора потока воздуха. Увеличение степени турбулентности потока способствует интенсификации конвективного теплообмена. Следует отметить, что увеличение степени турбулентности ведёт не только к интенсификации теплообмена, но и к росту потерь энергии на сопротивление движению воздуха, вследствие чего падает давление воздуха за ОНВ. Поверхность теплообмена ОНВ на рис.9 выполнена из круглых труб с накатным оребрением.

Рис.9. Теплообменный элемент ОНВ (пучок в сборе с водяными крышками и вытеснителями)

Такие ПТ могут быть монометаллическими, когда металл рёбер и трубки представляют собой одно целое. Материалом подобных ПТ обычно является красная медь. Для случаев охлаждения морской водой применялся мельхиор (медно-никелево-железный сплав), возможно применение иных материалов, подходящих по технологическим и противокоррозионным параметрам, в том числе нержавеющей стали

В этих ПТ внутренняя, несущая трубка, выполняется из более дорогого и стойкого металла, например из мельхиора, а оребрение выполняется из алюминиевого сплава и соединяется с несущей трубкой на основе механического контакта. Контакт образуется при накатывании оребрения на толстостенной алюминиевой трубке, надетой поверх несущей трубки. Известны и иные конструктивные решения - например применение насадных или навиваемых рёбер, в том числе с креплением ленточного ребра в специально прорезаемом винтовом пазу на поверхности несущей трубки.

Следует сказать, что контакт между присоединяемым оребрением и несущей трубкой имеет достаточно высокое и к тому же нестабильное в процессе работы ОНВ термическое сопротивление. Это отрицательно влияет на тепловой КПД ОНВ, изготовленных на базе таких ПТ, если для усиления контакта не применяется пайка или какое-либо иное средство, обеспечивающее аналогичный эффект. В некоторых ОНВ применяют пучки из круглых труб с групповым оребрением. Оребрение всех или отдельных групп трубок единым ребром также может привести к созданию весьма эффективных поверхностей. Однако при этом нужно иметь в виду, что групповое оребрение обычно требует пайки для обеспечения стабильного термического контакта между ребром и трубкой.

Пайка обычно связана с технологиями, интенсивно загрязняющими окружающую среду в условиях массового производства. Поэтому ПТ, не требующие пайки при изготовлении, имеют определённое преимущество. Кроме пучков из круглых труб получили применение пучки из плоско-овальных труб. Как правило, трубки в таких пучках имеют общее или групповое оребрение. Наличие крупных оребряющих пластин в конструкции ПТ приближает такие пучки к пластинчатым. Их относят к виду трубчато-пластинчатых, если водяные каналы сформированы в виде отдельных трубок (см. рис.9), и к чисто пластинчатым, если водяные каналы выполнены в виде крупных пластин с внутренними разделителями потока (см. рис.10).

Рис.9. Трубчато-пластинчатые ПТ на основе плоско-овальных труб и плоских каналов (пластинчатых каналов или просто пластин с разделительными вставками), оребрённых групповым рассечённым гофрированным оребрением, основная плоскость которого параллельна осям водяных труб

Рис.10. Пластинчатая ПТ со сдвинуто-рассечённым оребрением: 1-длина одной ленты по ходу воздуха; I - направление движения потока воды; П - направление движения потока воздуха; 1 - водяной канал; 2 - внутренняя полость водяного канала с гофрированной вставкой - распределителем потока; 3 - одна из лент сложно-рассечённой пластины

Основные плоскости оребряющих пластин в таких ПТ могут располагаться перпендикулярно осям трубок, а могут располагаться и параллельно им. Сами пластины могут быть гладкими, сложно-волнистыми, сплошными или рассечёнными. На рис.9 показано оребрение плоских трубок различными видами гофрированных пластин с рассечением.

Основные плоскости оребряющих пластин здесь расположены параллельно осям плоскоовальных труб, через которые движется вода. Воздух движется вдоль стрелок, параллельно основным плоскостям оребряющих пластин. Оребряющие пластины и плоскоовальные трубки соединены пайкой. На рис.10. показан ещё один вид оребрения сложно-рассечённой групповой пластиной. Этот вид оребрения имеет так называемую сдвинуто-рассечённую структуру, которую считают одной из самых рациональных видов оребрения. Считается, что при таком оребрении разрушение пограничного слоя и достижение рационального уровня турбулизации потока воздуха происходит при относительно малых затратах энергии на единицу мощности теплового потока, передаваемой через поверхность теплообмена. Полагают, что в иных ПТ, в частности кругло-трубчатых, обеспечивается избыточная турбулизация потока воздуха, которая приводит к избыточным потерям энергии потока, а, значит, и к избыточному падению давления воздуха на ОНВ при прочих равных условиях. Дальнейшее совершенствование ПТ связывают с введением небольшого (до 3.40) отгиба передних кромок плоскостей лент (см. рис.10) сдвинуто-рассечённых ПТ относительно оси направления движения воздуха. При этом входную кромку плоскости каждого последующего по ходу движения воздуха элемента отклоняют противоположно отклонению предыдущего.

Возможно, что наиболее компактные и обладающие наименьшим воздушным сопротивлением при прочих равных условиях водовоздушные пластинчатые ОНВ могут быть созданы на базе подобных ПТ. Современные компактные воздуховоздушные ОНВ должны иметь ПТ с близкой геометрией для обеих сторон поверхности, причём наибольшая компактность может быть достигнута при использовании оребрённых поверхностей.

На рис.11 показана конструкция кожухокоробчатого воздухоподогревателя с ПТ такого вида. Воздух подогревается газом в пакете, образованном одинаковыми штампованными листами с гладкой с обеих сторон поверхностью. Такую поверхность ещё называют листоканальный. Конструкция теплообменника сварная, неразборная. Для противодействия деформации пакета под действием давления газов на поверхности пластин пакет установлен в жёстком корпусе, стянутом анкерными связями. На такой же конструктивной основе ранее изготавливались и водовоздушные охладители наддувочного воздуха. На рис.11 показана конструкция такого кожухокоробчатого водовоздушного охладителя наддувочного воздуха двщателя 12ДН 23/30.

Аналогичные охладители применялись и на двигателях типа 42 ЧН 16/17. Они хорошо зарекомендовали себя для условий жёстких ударных и вибрационных нагрузок (в частности, при использовании для военной техники). Компактность таких теплообменников была выше, чем гладкотрубчатых, поскольку непрерывные листы штампованной поверхности допускали более рациональное заполнение объёма, чем дискретная гладкотрубчатая поверхность.

Рис11. Водовоздушный кожухокоробчатый ОНВ на базе листоканальной ПТ двигателя 40 Д

В то же время трубчатые ОНВ, выполненные на базе оребрённых ПТ, оказались более компактными. Они вытеснили кожухопластинчатые ОНВ с листоканальными ПТ из сферы гражданского применения. Следует отметить, что некоторые варианты современных оребрённых ПТ (например, ПТ с поперечным групповым оребрением) по ударной прочности и жёсткости близки к листоканальным. Что касается возможности получения наибольшей компактности теплообменника, то это, как было сказано выше, могут лучше всего обеспечить ребристые пластинчатые ПТ.

Заключение

В заключение по поводу выбора типа ПТ для создания ОНВ следует сказать, что реализованная конструкция теплообменника при одинаковых теплотехнических параметрах характеризуется большим числом параметров. Это масса, объём, соотношение габаритных размеров, стоимость, технологичность, стойкость к механическим нагрузкам, стойкость к химическим и эрозионным воздействиям, стойкость к загрязнениям и некоторыми другие.

Ни один из вариантов конструкции не может обладать только наилучшими значениями всех возможных определяющих качеств. Обычно реализуется некий компромиссный выбор, удовлетворяющий заказчика и изготовителя по наиболее важным для них в данное время параметрам. В этих условиях трудно выделить абсолютно предпочтительные геометрии ПТ среди потенциально возможных для реализации.

Можно лишь указать самые общие принципы оптимизации ПТ, которых желательно придерживаться при выборе типа теплообменной поверхности и размеров её геометрии. Они состоят в том, что оребрённые ПТ компактнее не оребрённых и что компактность теплообменников возрастает с увеличением площади поверхности теплообмена, заключённой в единице объёма пучка. При этом само оребрение должно по возможности наилучшим образом способствовать как увеличению площади поверхности в единице объёма, так и максимальной интенсификации теплообмена при наименьшем сопротивлении движению тепло - Окончательное решение по выбору ПТ обычно принимается на основании рассмотрения численных результатов расчётов для целого ряда сравниваемых вариантов.

Следует добавить, что современные ДВС относятся к самым совершенным тепловым двигателям в мире. Это достигнуто благодаря тщательному совершенствованию всех рабочих процессов в этих машинах. В то же время в мире рыночной экономики работа по дальнейшему совершенствованию их параметров постоянно продолжается. В настоящее время она вынуждена концентрироваться на тех объектах, которые ранее оставались на втором плане, пока совершенствовались элементы основных направлений. В этом плане система охлаждения обладает достаточными резервами совершенствования, притом, что такие резервы практически исчерпаны на других направлениях.

Список литературы

1. Н.В. Барановский, Л.М. Коваленко "Пластинчатые и спиральные теплообменники"; Бажан П. И "Справочник по теплообменным аппаратам"

2. http://www.kolomnadiesel.com; http://mexanik. ucoz.ru;

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • История развития турбокомпрессоров и постройка образцов двигателей внутреннего сгорания. Использование турбонаддува у дизельных двигателей тяжёлых грузовиков. Основная задача промежуточного охладителя. Система зажигания и электронного впрыска топлива.

    контрольная работа [241,3 K], добавлен 15.02.2012

  • Общие сведения о двигателе внутреннего сгорания, его устройство и особенности работы, преимущества и недостатки. Рабочий процесс двигателя, способы воспламенения топлива. Поиск направлений совершенствования конструкции двигателя внутреннего сгорания.

    реферат [2,8 M], добавлен 21.06.2012

  • Характеристика дизельного топлива двигателей внутреннего сгорания. Расчет стехиометрического количества воздуха на 1 кг топлива, объемных долей продуктов сгорания и параметров газообмена. Построение индикаторной диаграммы, политропы сжатия и расширения.

    курсовая работа [281,7 K], добавлен 15.04.2011

  • Рассмотрение термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объёме и давлении. Тепловой расчет двигателя Д-240. Вычисление процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения. Эффективные показатели работы ДВС.

    курсовая работа [161,6 K], добавлен 24.05.2012

  • Анализ методов выбора стали для упрочнения стаканов цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Характеристика стали и критерии выбора оптимальной стали в зависимости от типа цилиндра: химический состав и свойства, термообработка, нагрев и охлаждение.

    курсовая работа [177,7 K], добавлен 26.12.2010

  • Общие сведения о теплообменных аппаратах: их конструктивное оформление, характер протекающих в них процессов. Классификация теплообменников по назначению, схеме движения носителей, периодичности действия. Конструкции основных поверхностных аппаратов.

    реферат [3,5 M], добавлен 15.10.2011

  • Ознакомление с конструкцией теплообменных аппаратов нефтепромышленности; типы и конструктивное исполнение кожухотрубчатых установок. Описание технологического и механического расчета оборудования. Выбор конструкционных материалов и фланцевого соединения.

    дипломная работа [3,3 M], добавлен 17.04.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.