§4.7. Конструкция охладителей наддувочного воздуха.

Охладители (теплообменники) наддувочного воздуха. Температура наддувочного воздуха дизеля оказывает большое влияние на его экономичность и надежность. Охлаждение наддувочного воздуха применяют для повышения мощности дизелей на единицу объема рабочего цилиндра, увеличения массы воздуха, подаваемого за рабочий цикл, и снижения средней температуры цикла.

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования выявили, что для дизеля каждого типа и заданного режима работы существует оптимальная по удельному расходу топлива температура наддувочного воздуха перед впускными органами. Поэтому тепловозные дизели оборудуются устройствами для получения оптимальных значений температур наддувочного воздуха. При номинальном и близких к нему режимах работы дизеля наддувочный воздух необходимо охлаждать, а при режимах холостого хода и малых нагрузок — подогревать.

На серийных тепловозах наддувочный воздух охлаждается в водовоздушных теплообменниках, включенных в самостоятельный контур циркуляции охлаждающей воды или в контур воды, охлаждающей масло дизеля. Воздухоохладители, располагаемые обычно на дизеле, отличаются небольшими размерами и массой.

На некоторых тепловозах применяют системы с охлаждением наддувочного воздуха атмосферным. Охлаждение атмосферным воздухом проще. В системе вместо двух теплообменников (для охлаждения воздуха водой и для охлаждения воды атмосферным воздухом) устанавливают один воздуховоздушный теплообменник, в котором реализуется весь температурный напор между наддувочным и атмосферным воздухом. Однако воздуховоздушные теплообменники, вследствие значительных размеров, не нашли широкого применения в тепловозах большой мощности. Такая система охлаждения была применена на опытном тепловозе ТЭП75.

Применяемые на тепловозах системы спроектированы и рассчитаны для охлаждения наддувочного воздуха при работе дизеля в номинальном режиме и не удовлетворяют условию получения оптимальных температур воздуха при всех режимах его работы. Оптимизацию температур наддувочного воздуха в зависимости от режима работы дизеля можно осуществить при помощи систем, регулирующих поступление воды в теплообменник из различных водяных контуров, а также использующих теплоту выпускных газов дизеля для подогрева воздуха в теплообменниках.

По типу оребрения поверхности, омываемой воздухом, теплообменники бывают пластинчатыми, круглотрубными с накатанным или с проволочным оребрением и плоскотрубными с коллективным оребрением. Предпочтительнее круглотрубные поверхности с накатанным или проволочным оребрением, так как они обладают высокой надежностью и удобны в эксплуатации и при ремонте.

Водовоздушный теплообменник для охлаждения наддувочного воздуха дизеля 2А-5Д49 тепловозов ТЭП70 и 2ТЭ116 (рис. 4.43) установлен на торце дизеля на кронштейне. Состоит из сварного корпуса 12, патрубка 13, верхней 2 и нижней 6 крышек и охлаждающей секции. У последней есть верхняя 4 и нижняя 11 трубные доски, в отверстия которых установлены оребренные трубки 3. Внутри трубок образуется водяная, а между ними — воздушная полость.

Вода поступает в теплообменник по патрубку Е нижней крышки, обходит перегородку 5, которая делит водяную полость секции пополам, проходит по трубкам одной, а затем второй половины секции и выходит через патрубок С. Пар из водяной полости отводится через трубку 1, установленную в верхней крышке.

Наддувочный воздух поступает к теплообменнику по патрубку 13, охлаждается в межтрубном пространстве и по каналу Ж в кронштейне поступает в ресивер блока цилиндров.

Рисунок 4.43 – Охладитель наддувочного воздуха:

1 — трубка для отвода пара; 2 — верхняя крышка; 3 — трубка; 4, 11 — трубные доски; 5 — перегородка; 6 — нижняя крышка; 7 — шпилька; 8 — кронштейн; 9 — болт; 10 — резиновое кольцо; 12 — корпус; 13 — патру-бок; Б — фланец; Е, С — патрубки; Ж, И — каналы.

Оценку эффективности охлаждающих устройств тепловозов выполняют по натуральным и удельным показателям, а также на основе технико-экономических расчетов.

К числу натуральных показателей относят: количество теплоты, рассеиваемой системой охлаждения; мощность для функционирования системы; общую массу устройств; расход цветных металлов; величину теплопередающей поверхности; объем, занимаемый радиаторами; величину фронтальной поверхности радиаторов и т. п.

При сопоставлении систем охлаждения в целом и отдельных теплообменников получили распространение удельные показатели — энергетический, объемный и массовый.

Энергетический показатель

(4.31)

где Q— количество теплоты, передаваемой в теплообменнике, Вт; Р— мощность для функционирования теплообменника, Вт; Δt — средняя разность температур между теплоносителями в пределах теплообменника, °С; F— расчетная поверхность теплопередачи, м².

Объемный показатель

(4.32)

где V_т — объем, занимаемый теплообменником, м³.

Массовый показатель

(4.33)

где т — масса теплообменника, кг.

Для сравнения радиаторов используют также показатель тепловой напряженности площади фронта

(4.34)

где F_фр — фронтальная поверхность радиатора, м².

Удельные показатели являются более общими по сравнению с натуральными, так как позволяют проводить сопоставление отдельных теплообменников с различными формами поверхностей, разными значениями передаваемой теплоты и т.д. В то же время оптимальный теплообменник или оптимальная система охлаждения не могут быть выбраны на основании только удельных технических показателей, так как они не отражают многих эксплуатационных и экономических факторов. В качестве основного технико-экономического показателя, характеризующего систему охлаждения, принимают сумму годовых приведенных расходов, отнесенных к теплорассеивающей способности системы. Удельные приведенные годовые расходы, руб/кДж,

(4.35)

где E_н = 0,1 — нормативный коэффициент эффективности для железнодорожного транспорта; К₃ — капитальные затраты изготовления охлаждающего устройства, руб.; С— годовые эксплуатационные затраты, зависящие от системы охлаждения тепловоза, руб.; Q— количество теплоты, рассеиваемое в течение года, кДж.

Капитальные затраты изготовления систем охлаждения

K_З= K_З1 + К_З2, (4.36)

где К_З1 — капитальные затраты на теплообменники (секции радиатора, водомасляные теплообменники, водовоздушные теплообменники наддувочного воздуха), вентиляторы и насосы, входящие в систему охлаждения; К_З2 — капитальные затраты на трубопроводы, задвижки, вентили, систему автоматического регулирования и т.д.

Эксплуатационные расходы на систему охлаждения

С = С_тс + С_рто + С_ам + С_дпт + С_т, (4.37)

где С_тс — расходы на топливо и смазку, потребляемые двигателем тепловоза для получения мощности на функционирование системы охлаждения; С_рто — расходы на ремонты и технические осмотры охлаждающего устройства; С_ам — амортизационные расходы на систему охлаждения; С_дпт — расходы на содержание дополнительного парка тепловозов, необходимого при уменьшении полезной мощности двигателя, используемой для целей тяги и для работы системы охлаждения; С_т — затраты на транспортировку системы охлаждения на тепловозе.