Теплообменные аппараты двс

Содержание

Введение……………………………………………………………….

Условные обозначения………………………………………………..

1. Классификация и конструктивные схемы теплообменных

аппаратов ДВС………………………………………………………...

1.1 Охладители наддувочного воздуха ДВС…………………………

1.2 Охладители воды и масла…………………………………………

2. Условия работы теплообменников в системах охлаждения

ДВС.………………………………………………………………………

3. Основы расчётов теплообменников системы охлаждения ДВС.....

3.1 Содержание основных расчётных задач………………………….

3.2 Система основных уравнений и выражений, на которых

базируется решение расчётных задач…………………………………

3.3 Принципиальная схема использования метода N – η для

решения прямой и обратной задачи ………………………………….

3.4 Определение средних температур теплоносителей……………....

3.5 Определение граничных условий по теплообмену и

сопротивлению для различных теплоносителей………………………

4. Расчёты охладителей наддувочного воздуха………………………..

4.1. Конструктивные параметры ПТ реальных теплообменников……

4.2 Полные алгоритмы расчётов основных видов расчётных задач….

4.3 Описания программ расчётов основных видов расчётных задач…

4.4 Расчёты водо-воздушных радиаторов как частный случай рас-

чётов ОНВ………………………………………………………………...

4.5 Программы и табличные формы расчётов ОНВ……………………

4.5.1 Табличная форма обратного расчёта ОНВ……………………….

4.5.2 Табличная форма гидравлического расчёта ОНВ……………

4.5.3. Табличная форма прямого расчёта ОНВ…………………………… 5. Расчёты кожухотрубных теплообменников ДВС……………………..

5.1Особенности теплообмена и сопротивления при течении масла

в кожухотрубном маслоохладителе………………………………………

5.2 Геометрические параметры теплообменника и теплообменной по-

верхности…………………………………………………………………..

5.3 Прямой или конструктивный расчёт маслоохладителя………………

5.4 Обратный или поверочный расчёт МО………………………………..

5.5 Описание программ расчётов МО……………………………………

5.6 Особенности расчётов водо-водяных кожухотрубных

теплообменников………………………………………………………….

5.7 Табличные формы расчётов маслоохладителей…………………….

5.7.1 Табличная форма обратного расчёта маслоохладителя…………….

5.7.2 Табличная форма прямого расчёта маслоохладителя……………

5.7.3 Табличная форма расчёта гидравлического сопротивления масло-

охладителя…………………………………………………………………

5.7.4 Табличная форма расчёта сопротивления маслоохладителя по мас-

лу……………………………………………………………………………

6. Расчёты систем охлаждения ДВС………………………………………

6.1 Общие сведения о расчётах систем охлаждения ДВС……………….

6.2 Прямая задача расчёта системы охлаждения………………………...

6.3 Обратная задача расчёта системы охлаждения………………………

6.4 Описание программ расчётов систем охлаждения ДВС……………

6.5 Табличная форма алгоритма прямого расчёта системы охлажде-

ния…………………………………………………………………………….

6.6 Табличная форма алгоритма обратного расчёта системы охлажде-

ния…………………………………………………………………………….

7. Проблемы совершенствования систем охлаждения и их элементов….

Заключение…………………………………………………………………..

Условные обозначения

Сокращения

ПТ – поверхность теплообмена;

ТО – теплообменник

ОНВ – охладитель наддувочного воздуха;

МО – охладитель масла:

Р – радиатор (воздушно-жидкостный охладитель);

ВВО – водо-водяной охладитель;

Индексы

w – относится к пресной воде;

ww – относится к забортной воде;

м – относится к маслу;

нв – относится к надувочному воздуху;

в – относится к вентиляторному воздуху;

г – относится к горячему теплоносителю;

х – относится к холодному теплоносителю;

см – относится к теплоносителю, который перемешивается в каждом по-

следующем сечении по ходу своего движения;

несм – относится к теплоносителю, который не перемешивается в каждом

последующем сечении походу своего движения;

1 – условия на входе в ТО;

2 – условия на выходе из ТО;

f – величина является средней логарифмической для рассматриваемого

участка;

ст – относится к стенке теплообменной поверхности (для температуры)

или определяется при температуре стенки (для прочих параметров);

Параметры потоков теплоносителей

Т – абсолютная температура, К;

t – температура по шкале Цельсия, °С;

Р – давление, МПа;

ΔP – разность статических давлений теплоносителя между входом и выходом на рассматриваемом участке, МПа;

ΔP_тр – падение давления, связанное с газодинамическими потерями, МПа;

ΔP_у – падение давления, связанное с изменением скорости потока в связи с

его охлаждением, МПа;

*Условные обозначения будут использоваться в этой и последующих лек-

циях.

Δt_f – разность температур средняя логарифмическая;

Δt – разность температур теплоносителя между входом и выходом на рас-

сматриваемом участке; w – скорость потока, м/с;

Q – количество тепла, отводимого в ТО (явное тепло), Вт;

G – массовый расход теплоносителя, кг/с;

С_p– удельная теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении

кДж/(кг×К);

λ– коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К);

μ – коэффициент динамической вязкости, Па×с;

ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

a – коэффициент температуропроводности, м2/с;

ρ – плотность, кг/м3;

Геометрические параметры трубного пучка

L_п, B_п, – конструктивная длина и ширина пучка, м;

L, B, – расчетная длина и ширина пучка, м;

H_п, H – конструктивное и расчетное расстояния между трубными досками

(высота пучка), м;

V_п, V – конструктивный и расчётный объемы пучка, м³.

Геометрические параметры ПТ

D - наружный диаметр оребрения, м;

d_w – внутренний диаметр трубки, м;

d_wш – внутренний диаметр шероховатых участков трубки, м;

d_wг – внутренний диаметр гладких участков трубки, м;

H_тр.ш – длина шероховатых участков трубки, мм;

H_тр.г – длина гладких участков трубки, мм;

d_o – диаметр трубки несущий оребрение, м;

δ_в – высота выступов на внутренней поверхности трубки, мм;

u – шаг между ребрами, м;

δ_ср, δ₁, δ₂ - толщина ребра средняя, у основания и у вершины, м;

S₁ – шаг между трубками в ряду, перпендикулярном направлению воздуш-

ного потока (поперечный шаг), м;

S₂ – расстояние между соседними поперечными рядами (продольный шаг),

м;

Z₁ – число трубок в первом поперечном ряду;

Z₂ – число поперечных рядов трубок;

Z – общее число трубок в пучке;

b_w – число перекрёстных ходов пучка, влияющих на его теплотехнические

параметры;

b – число перекрёстных ходов пучка, не влияющих на его теплотехниче-

ские параметры;

b_k ,а_о – высота и ширина поворотной камеры, м;

b_o – половина длины поворотной камеры, м;

F, F_гл – площадь теплообменной поверхности со стороны оребрения и с

противоположной стороны, м²;

f_р – площадь поверхности рёбер, приходящаяся на 1м длины трубки, м²/м;

f_тр – площадь поверхности участков гладкой трубки между рёбрами на

длине 1 м трубки, м²/м;

f_п – полная площадь оребрённой поверхности теплообмена трубки, прихо-

дящаяся на 1 м её длины, м²/м;

f_g – полная площадь оребрённой поверхности трубки, приходящаяся на

единицу её массы – коэффициент массовой компактности ПТ, м²/м;

f_v – коэффициент объёмной компактности ПТ – полная площадь поверхно-

сти со стороны воздуха, приходящаяся на единицу объёма пучка ОНВ,

м²/м;

f – живое сечение пучка для прохода воздуха, м²;

f_w - живое сечение пучка для прохода воды, м²;

М_п – расчетная масса пучка, кг;

М_п` – масса пучка с трубными досками, кг;

σ – коэффициент оребрения;

φ – коэффициент стеснения воздушного канала, по которому идёт тепло-

носитель;

Параметры, характеризующие теплообмен, теплопередачу и сопротив-

ление движению теплоносителей в ТО

α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²∙К);

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К);

η - тепловой КПД ТО;

η_х- тепловой КПД части ТО в пределах одного хода по охлаждающему те-

плоносителю (КПД одного хода);

ξ - коэффициент гидравлического сопротивления;

ζ- поправка на форму ребра;

Ψ- коэффициент учёта неравномерности теплоотдачи по поверхности

оребрения;

N – число единиц переноса явного тепла;

W = G∙Cp – воздушный эквивалент или энергоёмкость теплоносителя, Вт/К;

W_min – минимальное значение энергоёмкости, относящееся к одному из

двух тепло носителей для рассматриваемого ТО;

W_max – максимальное значение энергоёмкости относящееся к одному из

двух тепло носителей для рассматриваемого ТО;

- отношение энергоёмкостей теплоносителей для рассматриваемого ТО;

– критерий Рейнольдса *;

– критерий Прандтля;

– число Нуссельта *;

- критерий Эйлера;

Q, n, B, n₁, Ф – постоянные коэффициенты в критериальных формулах.

Примечания:

* – параметр do в этих формулах является определяющим размером; в зависимости от

принадлежности к тому или иному теплоносителю, а также в зависимости от ис-

точника, из которого выбираются критериальные уравнения для граничных усло-

вий, определяющий размер может назначаться в виде иного геометрического па-

раметра, например, в этом качестве принимают шаг между рёбрами, эквивалент-

ный диаметр и иные размеры.

Теплообменные аппараты ДВС

Введение

Современные ДВС во время работы должны отводить тепло в окружающую среду. Часть тепла отводится вместе с выхлопными газами, и этот процесс обусловлен вторым законом термодинамики –для получения полезной работы в тепловых двигателях обязателен как подвод тепла, так и его отвод. Кроме этого тепла, его соизмеримое количество отводится в окружающую среду системой охлаждения двигателя. Отвод этой части тепла 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 тепло, подведенное с топливом, просто теряется, пусть даже вынужденно. Очевидно, что для повышения экономичности двигателя следует по возможности уменьшать количество тепла, отводимого по названной причине. Такая концепция успешно реализуется в современном

двигателестроении и должна учитываться при проектировании систем охлаждения и их аппаратов. С другой стороны, работа системы охлаждения не может быть сведена только к технологическому охлаждению масла и нагретых деталей двигателя. 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 отводимого в этом случае тепла. Охлаждение наддувочного воздуха сильно влияет на рабочий цикл двигателя и должно оцениваться с учётом такого влияния. К специфике работы теплообменников на двигателе следует отнести и то, что система охлаждения вместе с теплообменниками занимает определённые объёмы в компоновке двигателя, которые сильно ограничены условиями проектирования большинства энергетических установок. Затраты энергии на работу системы охлаждения составляют в отдельных случаях до 10% мощности двигателя, а масса и габариты – примерно такую же величину от

массы и объёма двигателя. Современные системы охлаждения используют в своей конструкции дефицитные материалы – красную медь, латунь, олово в достаточно больших количествах, близких к 80% массы системы. При этом снижение затрат на работу системы обратно пропорционально её компактности. Перечисленные дополнительные особенности работы системы охлаждения также достаточно специфичны и должны в полной мере учитываться теми, кто проектирует системы охлаждения ДВС. Теплообменные аппараты ДВС достаточно разнообразны по своей конструкции, по назначению, по видам теплоносителей, по уровню 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.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. Следует сказать, что при наличии явно существующей потребности, современная методическая база для практического выполнения проектно-конструкторских работ по системам охлаждения ДВС и их аппаратов в СНГ практически отсутствует. Известные автору источники в значительной степени устарели, да и они являются библиографической редкостью. Тот материал, который предлагается здесь автором, подготовлен на основе опыта длительной работы по рассматриваемой проблеме в промышленности с

использованием целого ряда разработок, выполненных в НКИ и использовавшихся разными субъектами двигателестроения в различное время. Вместе с тем здесь не ставится задача восполнения существующего дефицита научных и методических потребностей промышленности – для этого нужны иные возможности при разработке и публикации соответствующего труда. Задачей автора является обеспечение учебного процесса для подготовки будущих специалистов по ДВС на уровне, достаточно приближённом к реальному современному проектированию.