Охлаждающее устройство дизеля для чего и чем охлаждают детали дизеля?
Если бы вся тепловая энергия, образованная в цилиндрах дизеля, превращалась в механическую, а отработавшие газы и детали, соприкасающиеся с ними, были холодными и отсутствовали потери на трение, то коэффициент полезного действия дизеля был бы равен 100%. Однако в действительности этого нет и быть не может. В наиболее совершенных дизелях примерно 40% тепла, введенного с топливом, превращается в полезную работу, а остальное тепло теряется с отработавшими газами, на нагрев деталей и преодоление сил трения. Достаточно указать, например, что температура нижних поршней дизеля 10Д 100 в некоторых точках достигает 450°С. Лишь на 50— 100°С ниже температура отдельных точек цилиндровых крышек дизелей 5Д49. Если не принять специальных мер, то соприкасающиеся с горячими газами детали быстро перегреются, механическая прочность их уменьшится, пленка смазки между ними выгорит. Сухое трение сильно затруднит движение трущихся деталей и приведет к повреждению их рабочих поверхностей. Чтобы этого не случилось, нормальное тепловое состояние деталей дизеля поддерживается с помощью специальной системы охлаждения. Самый простой способ охлаждения — это рассеивание тепла в окружающую среду поверхностями самих деталей. Так и делают у дизелей небольшой мощности, используя воздушное охлаждение. Но для мощного дизеля такое решение задачи неприемлемо, так как размеры поверхностей нагревающихся деталей ничтожно малы по сравнению с тем количеством тепла, которое нужно отвести от них для нормальной работы. А увеличить эти размеры непосредственно в дизеле нельзя из-за ограниченных габаритов тепловоза. Где же выход? Тепловоз в отличие от теплохода окружен только воздухом. Очевидно, окружающий воздух и есть та единственная среда, которая может окончательно поглотить тепло от нагревающихся деталей дизеля. Вот почему дизельный локомотив должен иметь устройство, отдающее в конечном счете тепло воздуху. Такое устройство, в котором тепло передается от среды, имеющей более высокую температуру, к среде с более низкой температурой, называется теплообменником. На тепловозах проблема охлаждения деталей дизеля разрешена благодаря применению специальных теплообменников-холодильников, находящихся вне дизеля. Но воздух плохой теплоноситель. Поэтому приходится увеличивать (развивать) наружную поверхность холодильника. Чтобы понять, как это достигается, обратимся к рис. 94, где показаны две одинаковые трубки, которые отличаются между собой только тем, что одна из них (справа) снабжена тонкими пластинами (ребрами), расположенными поперечно к цилиндру. Благодаря этим ребрам наружная поверхность цилиндра, с которой тепло переходит в окружающий воздух, увеличивается в несколько раз. В этом и заключается смысл и значение оребрения.
Рис. 94. а - с гладкой; б - с оребренной поверхностью
Холодильник тепловоза состоит из так называемых секций (рис. 95), каждая из которых представляет собой комплект плоскоовальных трубок малого сечения (рис. 96).
Рис. 95. Водяная секция
Чтобы получить более развитую поверхность охлаждения, на трубки по всей высоте нанизаны поперечные тонкие пластины (ребра). Трубки установлены в шахматном или коридорном порядке на определенном расстоянии друг от друга. Они изготовлены из латуни (сплава меди с цинком). Концы трубок вставлены и припаяны соответственно к верхней и нижней трубным решеткам. К бортам трубных решеток приварены крышки, которые образуют вместе с решетками трубные коробки, называемые коллекторами. Чтобы обеспечить высокую теплопроводность, пластины изготовлены из меди, но медь — дефицитный материал. Стремление уменьшить его расход и снизить массу холодильника привело к уменьшению толщины пластин до 0,08—0,1 мм. Именно такие пластины, разделенные между собой узкими промежутками (2,3 мм), позволяют увеличить общую наружную поверхность охлаждения одной секции до значительных размеров (29—30 м2) и в то же время придать трубкам нужную жесткость. Всего на трубки одной водяной секции холодильника тепловоза 2ТЭ10В надето 1040 пластин. Водяная секция имеет 68 рабочих трубок, по которым проходит вода.
Рис. 96. Плоскоовальная форма трубок, округленных тонкими пластинами
Для снижения аэродинамического сопротивления секций холодильника трубки делают обтекаемой плоскоовальной формы (см. рис. 95 и 96). Чем больше поверхность плоскоовальиых оребренных трубок в секции и чем больше секций в холодильнике, тем больше и поверхность охлаждения. Например, общая омываемая воздухом поверхность секций для охлаждения воды дизеля тепловоза 2ТЭ10В доходит до 547 м2. Если же к этому добавить еще поверхность водяных секций, охлаждающих воду, которая используется для отвода тепла от масла (в теплообменнике) и наддувочного воздуха дизеля (в охладителе), то общая поверхность, омываемая воздухом, достигнет 1602 м2. Итак, необходимая по размерам очень развитая наружная поверхность охлаждения находится вне дизеля. Как же передать ей тепло от поверхности наиболее нагретых деталей, как перенести это тепло в другое место? Теплоносителями, т. е. переносчиками тепла, служат вода и масло, осуществляющие постоянную связь между дизелем и холодильником. Вода и масло омывают поверхности нагревающихся деталей дизеля и, отбирая тепло, нагреваются сами. Именно эти жидкости -теплоносители нуждаются в охлаждении. На всех тепловозах горячая вода охлаждается атмосферным воздухом в водяных секциях холодильника. Отвод тепла от секций будет интенсивнее, если их принудительно обдувать воздухом от вентилятора, подобно тому, как мы это делаем в жаркий летний день с помощью веера или настольного вентилятора. Для этой цели воздух, засасываемый одним или несколькими вентиляторами, прогоняется через секции холодильника и выбрасывается наружу. Скорость воздуха, проходящего через секции, достигает 8— 10 м/с. Чем больше скорость воздуха, тем эффективнее передается тепло. Количество тепла, отдаваемого секциями, зависит и от температуры воды. Чтобы уменьшить размеры тепловозного холодильника, температуру воды, охлаждающей дизель, повышают до 80—95° С, а при закрытых системах охлаждения даже до 105—110°С. Закрытыми называют такие системы охлаждения, в которых вода находится под избыточным давлением, предупреждающим ее кипение при температурах более 100°С. Подача воды к секциям и обратно в дизель осуществляется насосами. Почему? Движение жидкости по замкнутому трубопроводу называется циркуляцией. Различают циркуляцию естественную и принудительную. Если налить в сосуд любой формы (рис. 97) жидкость и начать ее подогревать, то жидкость в сосуде будет непрерывно перемещаться.
Рис. 97. Схема циркуляции воды в открытом сосуде
Так как горячая жидкость легче холодной, то подогретые снизу частицы ее будут подниматься, а на их место сверху поступит более холодная жидкость. Такое движение жидкости называется естественной циркуляцией. Но при естественной циркуляции жидкость движется медленно. Это не обеспечивает интенсивного отвода тепла от дизеля. Чтобы ускорить циркуляцию и тем самым увеличить отвод тепла, на каждый дизель устанавливают насосы, которые принудительно перемещают охлаждающую жидкость с определенной скоростью. Описанная замкнутая система охлаждения дает возможность иметь сравнительно небольшое количество воды в системах охлаждения. А для тепловозов это очень важно, так как позволяет уменьшить массу и габариты устройств системы охлаждения. Поэтому на всех тепловозах применяются только замкнутые системы, в которых вода добавляется лишь для восполнения утечек- и испарения. Система охлаждения одного дизеля 10Д100 на тепловозе 2ТЭ10В вмещает 1450 кг воды.