1.3. Воздухо-водяные охладители воды (радиаторы или ввр)
могут выполняться на основе трубчатых, трубчато-пластинчатых, 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.1.8 и рис. 1.23. Общий вид типичной конструкции радиатора приведен на рис. 1.24.
Рис. 1.23. Наиболее распространённые виды ПТ для ВВР: а – трубчато-пластинчатая; б –трубчато-ленточная; в, г – пластинчато-ленточные
Рис. 1.24. Типичная конструкция ВВР
Обычно сердцевина радиатора (рис. 1.25) 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.
Рис. 1.25. Сердцевина радиатора
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. В связи с этим схема взаимного течения теплоносителей может соответствовать рис.1.2.
Такая схема теплотехнически соответствует однократному перекрёстному току, но при этом радиатор имеет несколько гидравлических ходов. Цилиндрический воздухоподводящий канал вентилятора и прямоугольный наружный периметр фронта радиатора в системах охлаждения двигателей средней и высокой мощности соединяют переходным кожухом, препятствующим паразитным утечкам потока воздуха от вентилятора по любым направлениям мимо теплообменного элемента (сердцевины) радиатора. Поток воздуха лучше направлять от вентилятора к радиатору, что обеспечивает повышенную турбулизацию потока перед входом в теплообменный элемент. Часто ВВР устанавливают в одном блоке с масляным радиатором, воздухо-воздушным 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. 1.26.
1.4. Охладители масла. 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 (ВМР). Охладители масла транспортных ДВС часто выполняют в виде ВМР, но могут изготавливать и как ЖМТ.
Конструктивно ЖМТ могут выполняться близкими к водо-водяным 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.1.6…1.9 и 1.23. Принципиальные конструктивные схемы кожухотрубных ЖМТ будут соответствовать рис. 1.14, 1.15, а общий вид кожухотрубного ЖМТ практически не отличается от представленного на рис.1.16. 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.
Рис. 1.26. Блок водяного и масляных радиаторов автомобиля КамАЗ-5320:
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; II — 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
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.1.27 дана схема подобного кожухокоробчатого теплообменника, а на рис. 1.28 показан вид ПТ, применённой для этого ЖМТ. Пакетнопластнчатые ЖМТ изготавливают на основе пластин так называемого сетчато-поточного типа (рис.1.29). 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. Вместо перфорированной пластины возможны иные решения, обеспечивающее увеличение площади поверхности и интенсификацию теплообмена со стороны масла. Например, поверхность пластин со стороны масла может покрываться накладным или приварным оребрением.
Рис. 1.27. Схема кожухокоробчатого ЖМТ: а – схема течения теплоносителей; в – конструктивная схема ЖМТ
Принципиально конструкции пластинчатых ЖМТ будут соответствовать конструкциям ВВО, представленным на рис. 1.18 и 1.21.
Воздушно-масляные охладители (радиаторы) или ВМР 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.
Рис.1.28. ПТ из плоско-овальных труб с ленточно-рассечённым оребрением: а – общий вид элемента ПТ; в – вид ПТ по ходу масла; с – аксонометрия оребрения
Обычно же при изготовлении таких теплообменников учитываются технологические возможности производителя и то, что количество отводимой теплоты в ВМР сравнительно невелико по отношению к ВВР.
В реальных условиях производства агрегатов ДВС часто реализуют компромиссные решения, не обеспечивающие максимума компактности, но отвечающие приемлемой технологичности.
Рис.1.29. Рабочие пластины маслоохладителя фирмы «Альфа-Лаваль»
В этих случаях для ВМР применяют трубки, оребрённые только со стороны воздуха, а в некоторых случаях даже трубки без оребрения. Одновременно учитывается сравнительно высокое давление масла в трубках ВМР 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 ВМР. Конструктивно ВМР весьма близок к ВВР, но отличается меньшими размерами площади теплопередающей поверхности, а также формой и прочностью бачков (коллекторов) (рис. 1.30).
Рис. 1.30. Внешний вид алюминиевого масляного радиатора
Если для современных компактных ВМР внутри масляных каналов устанавливают внутреннее оребрение, то оно имеет вид рассечённых (рис.1.31 а, б) или просто гофрированных пластин (в, г). Эти внутренние пластины могут быть соединены с металлом трубок посредством спекания.
Рис. 1.31 Установка внутреннего оребрения внутри плоско-овальных масляных каналов
Чем меньше двигатель, тем меньше мощность теплового потока в масло. Для двигателей малой мощности охлаждение масла может выполняться прямо в поддоне двигателя с помощью змеевиковой трубки, погружённой в масляную ванну. Через трубку прокачивается охлаждающая вода. Возможно также охлаждение масла просто за счёт теплоотвода через стенки поддона, которые обычно оребряются с наружной стороны. При возрастании мощности двигателя масло может охлаждаться в небольшом теплообменнике, размещённом в радиаторном бачке. Теплообменник выполнен в виде вставленных одна в другую трубок. В кольцевом зазоре между трубками проходит масло. Для турбулизации потока масла на внутреннюю трубку с большим шагом навита проволока. Охлаждение масла выполняется водой, находящейся в бачке радиатора, которая обтекает снаружи погружённый в неё охладитель масла описанной конструкции.