Конструкция, параметры и расчет водомасляных теплообменников.

Водомасляные теплообменники предназначены для охлаждения водой масла дизеля или гидравлической передачи. В современных тепловозах в большинстве случаев применяют двухконтурную систему охлаждения с водомасляным теплообменником в контуре охлаждения наддувочного воздуха.

Используемые в тепловозах водомасляные теплообменники различают по схемам движения воды и масла и по конструкции теплопередающей поверхности (охлаждающего элемента). Для максимального теплосъема в заданных размерах в теплообменниках применяют противоточное или противоточно-перекрестное течение жидкостей.

Наиболее простыми (по конструкции и технологии изготовления) и надежными в эксплуатации являются гладкотрубные теплообменники с внешним омыванием трубок маслом, которые широко применяют на тепловозах. Наличие прямых трубок не создает трудностей при очистке внутренних поверхностей и замене поврежденных трубок. Кроме того, трубчатая конструкция позволяет работать при сравнительно высоких давлениях теплоносителей.

Для повышения интенсивности передачи теплоты в теплообменниках необходимо максимально уравнивать термические сопротивления теплоотдачи от масла к поверхности охлаждения и от нее к охлаждающей воде. Выравнивание термических сопротивлений достигается оребрением трубок. В последнее время в отечественных тепловозах применяют охлаждающие элементы из труб с накатанным оребрением (рис. 4.40).

Рисунок 4.40 – Водомасляный теплообменник:

1,11 — крышки; 2 — корпус; 3, 16 — трубные доски; 4, 13 — перегородки; 5, 10 — патрубки; 6 — охлаждающая трубка; 7, 15 — кронштейны; 8 — заполнитель; 9 — охлаждающий элемент; 12 — труба; 14 — шнур; 17 — промежуточное кольцо; 18 — уплотнительное кольцо.

Водомасляный теплообменник дизеля тепловоза 2ТЭ116 состоит из корпуса 2, передней 11 и задней 1 крышек, охлаждающего элемента 9, кронштейнов 7 и 15. Перегородка 4 крышки 11 разделяет водяную полость теплообменника пополам для обеспечения двух ходов воды для повышения ее скорости в трубках. Охлаждающий элемент 9 состоит из передней 3 и задней 16 трубных досок, в отверстиях которых закреплены оребренные трубки 6 с сегментными перегородками 13, создающими поперечное омывание маслом трубного пучка, что способствует лучшим условиям теплообмена. Заполнители 8 уменьшают зазоры между корпусом и трубным пучком, сокращая переток неохлажденного масла. С этой же целью стык сегментных перегородок и корпуса уплотняют резиновым шнуром 14.

Вода в теплообменник поступает по патрубку 5 передней крышки, проходит по трубкам 6 одной половины охлаждающего элемента (секции), а затем по трубкам другой половины элемента выходит из патрубка 10. Масло в теплообменник входит через отверстие в кронштейне 15, проходит в межтрубном пространстве и выходит через отверстие в кронштейне 7.

Температурные удлинения трубок охлаждающего элемента компенсируются перемещением задней трубной доски 16, которая уплотнена в корпусе 2 и крышке 1 двумя резиновыми кольцами 18. Между кольцами 18 установлено промежуточное кольцо 17 с отверстиями, через которое в случае просачивания будут вытекать вода или масло.

Основные характеристики водомасляных теплообменников приведены в табл. 4.9.

Тепловой расчет водомасляных теплообменников проводят для того, чтобы вычислить поверхности теплообмена элементов, определяющие их основные параметры, а также выбрать оптимальные режимы течения теплоносителей. Расчет базируется на уравнениях теплопередачи (4.17) и теплового баланса (4.18) с использованием экспериментальных критериальных зависимостей для гладкотрубных теплообменников с поперечными сегментными или кольцевыми перегородками. Коэффициент теплопередачи от масла к охлаждающей воде, Вт/(м²·К),

(4.22)

где α_вд — коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубок к охлаждающей воде; α_м — коэффициент теплоотдачи от масла к наружной поверхности трубок; d_H, d_B — соответственно наружный и внутренний диаметры трубок охлаждающего элемента.

Коэффициент теплоотдачи α_вд (Вт/(м²·К)) определяют из критериального уравнения

(4.23)

где — критерий Нуссельта для воды; λ_вд — коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м·К); — критерий Рейнольдса для потока воды; υ_вд — скорость охлаждающей воды в трубках, значение которой выбирают равным 1,3—2,5 м/с из-за ограничения наименьшей скорости по условию обеспечения турбулентного режима движения теплоносителя и наибольшей — по условиям прочности трубок и затрат мощности на прокачивание воды; υ_вд — коэффициент кинематической вязкости воды, м²/с; — критерий Прандтля для воды; с_вд — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг·К); ρ_вд — плотность воды, кг/м³. Физические характеристики воды определяют при средней температуре t_вд.сp.

Коэффициент теплоотдачи α_м находят из критериального уравнения

(4.24)

где — критерий Нуссельта для масла; λ_м — коэффициент теплопроводности масла, Вт/(м К); Rе_м, Рr_м — критерии соответственно Рейнольдса и Прандтля, отнесенные к средней температуре масла; Рr_т — критерий Прандтля для масла, отнесенный к температуре стенки трубки; В_к — безразмерный коэффициент, зависящий от наружного диаметра трубок d_Н, минимального расстояния δ между поверхностями соседних трубок и отношения внутреннего диаметра кожуха D к расстоянию между перегородками l (для d_Н = 10 мм и δ = 3 мм В_к определяют по кривой на рис. 4.41).

Площадь сечения (м²) для прохода масла в пространстве между трубками охлаждающего элемента

(4.25)

где G_М — расход масла через теплообменник, кг/с; ρ_м — плотность масла при средней температуре, кг/м³; υ_м — средняя скорость масла в межтрубном пространстве, которую принимают в диапазоне 1,2—2 м/с, ограниченном сверху по условиям резкого увеличения гидравлических сопротивлений масляного тракта.

Из условия равенства сечений для прохода масла в межтрубном пространстве между перегородками и над ними (рис. 4.42) площадь сегмента перегородки

(4.26)

где t₁ = d_Н + δ — шаг разбивки трубок.

Рисунок 4.41 – Зависимость коэффициентов В_к и С от отношений D/l при

d_н = 10 мм и δ = 3 мм:

1,2 — коэффициент В_к для теплообменника соответственно с кольцевыми и сегментными перегородками; 3 — коэффициент С для теплообменника с сег-ментными перегородками.

Рисунок 4.42 – Расчетная схема среднего проходного сечения теплообменников с сегментными перегородками:

D — внутренний диаметр кожуха; S — хорда сегмента; b — ширина сред-него сечения для прохода масла; А — усредненное расстояние между цен-трами f потока масла в плоскости перегородки; l — расстояние между перегородками; t₁, t₂— шаг разбивки трубок.

Значения центрального угла φ сегмента перегородки в зависимости от отношения f/D²:

Расчетный температурный напор между маслом и водой

(4.26)

где —температура масла соответственно на входе в теплообменник и на выходе из него; — соответственно воды на входе и выходе из теплообменника и средняя.

Расчетную величину поверхности охлаждения теплообменника определяют из уравнения теплопередачи

(4.27)

где Q— количество теплоты, отводимое маслом.

При тепловом расчете необходимы исходные данные: количество теплоты, отводимое маслом, Вт; значения расходов масла и воды через теплообменник (соответственно G_м и G_вд), кг/с, известные из технической характеристики насосов дизеля; температуры масла на входе t'_M и выходе t''_M теплообменника, также известные из технической характеристики дизеля; температура воды на входе теплообменника t'_ВД принимается в соответствии с выбранной ранее схемой движения воды через теплообменники в контуре. Перед расчетом выбирают наружный d_и и внутренний d_в диаметры трубок охлаждающего элемента, разбивку трубок в трубной доске, которая обусловлена наименьшим расстоянием между соседними трубками 5; а также число ходов охлаждающей воды z_вд.

После теплового выполняют гидродинамический расчет теплообменника, который заключается в определении гидравлических сопротивлений масляного и водяного трактов. Полное гидравлическое сопротивление (Па) масляного тракта теплообменника

(4.28)

где т_T — количество рядов трубок, перпендикулярных к потоку масла; С, р — экспериментальные константы. Для теплообменников с сегментными перегородками при d_Н = 10 мм и δ = 3 мм в диапазоне Rе_м = 10—250 константа р = 0,65. Значение С принимают по графику (рис. 4.41).

Гидравлическое сопротивление водяного тракта теплообменника (Па)

(4.29)

где L—полная длина трубок, м; β_ТР — коэффициент, зависящий от средней температуры t_вд.ср и скорости υ_вд воды (рис. 4.43).

Расходы мощности (Вт) на прокачивание воды и масла через теплообменники:

(4.30)

где η_ВД, η_м — КПД соответственно водяного и масляного насосов.

Тепловозные водомасляные теплообменники включают в водяной контур последовательно с радиатором, поэтому их показатели зависят от соотношений реализуемых температурных напоров.

Системи повітропостачання і повітряного охолоджування.

Очисники повітря.