При сгорании топлива в цилиндрах дизеля выделяется большое количество тепла, которое нагревает стенки цилиндров, поршни, крышки, выпускные коллекторы и т. д. Если бы от этих деталей не отводилось тепло, работа дизеля была бы невозможной - высокая температура не позволила бы подвести масло к трущимся деталям цилиндро-поршневой группы, вызывала бы коробление деталей, появление трещин и т. д. Для отвода тепла от дизеля в нем используют в качестве теплоносителей воду и масло. Вода охлаждает цилиндры дизеля, крышки цилиндров и остальной газовыпускной тракт. Масло охлаждает поршни и другие трущиеся детали. В современных дизелях, кроме того, необходимо охлаждать наддувочный воздух, а в гидроприводе- его масло. Заставляя циркулировать воду и масло между нагретыми частями дизеля и охлаждающими устройствами по замкнутому контуру, необходимую долю тепла от нагретых
іеталей отводят теплоносителями и рассеивают в окружающую воздушную среду. Опыт показывает, что на современных тепловозах примерно 8- 12% тепла, выделяемого в цилиндрах дизеля, отводится с охлаждающей водой, 6-10%-с маслом, а 4-6%-с водой, охлаждающей наддувочный воздух.
При меньших долях отводимого тепла от дизеля с водой и маслом детали будут перегреваться, а теплоносители- вскипать и испаряться. Процесс рассеивания тепла в окружающую среду достаточно сложен. Это связано с переменным режимом работы дизеля, у которого количество выделяемого в цилиндрах тепла зависит от позиции контроллера и нагрузки, а также с переменными температурами наружного воздуха, которые могут колебаться от -50 °С до +40 °С. Вместе с тем температура охлаждающей жидкости для обеспечения надежности и экономичности работы дизеля не должна колебаться в широких пределах, а должна поддерживаться на определенном уровне. В связи с этим охлаждающие устройства должны иметь возможность регулирования температур теплоносителей.
Принцип отвода тепла в охлаждающих устройствах заключается в следующем. Теплоноситель (вода, а в отдельных случаях и масло) подводится к трубчатым секциям радиаторов системы охлаждения, расположенным фронтом с боков кузова в специальной закрытой камере (шахте). Теплоноситель перетекает по множеству ореб-ренных снаружи трубок секций из одних коллекторов в другие. При этом между трубками секций по всему фронту их расположения проходит подаваемый вентилятором воздух. Воздух, проходя между трубками и их оребрением, забирает тепло от теплоносителя и нагретый выбрасывается из шахты наружу.
Количество тепла, отводимого от жидкости (воды или масла), будет зависеть от времени, количества, температуры и скорости ее циркуляции по трубкам, а также скорости, количества и температуры воздуха, просасываемого через секции, площади теплорассе-ивающей поверхности, и свойств теп-лопередающих поверхностей, характеризуемых коэффициентом теплопередачи.
Необходимые размеры и параметры охлаждающего устройства определяют из уравнений теплового баланса и уравнения теплопередачи:
О Ово:<дГрАт;
С? гт-ср.
где 0 - количество тепла, которое необходимо отвести охлаждающим устройством в единицу времени. кДж; О* - подача насоса (количество жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени), м*"!/ч;
6'в,,.,,, - подача вентилятора (количество воздуха, просасываемого через секции в единицу времени), м3/ч:
<.'*, - удельные теплоемкости жидкости и воздуха. кДж/(кг-К) (удельная теплоемкость представляет собой количество тепловой энергии, требуемой для нагревания одного килограмма жидкости или воздуха при повышении температуры на один градус Кельвина или Цельсия); к - коэффициент теплопередачи, кДж/(м2-ч-К) (коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепловой энергии передается через один квадратный метр охлаждающей поверхности в час при перепаде средних температур в один градус между жидкостью и воздухом),
Д1 - разность между температурами жидкости до охлаждения и после охлаждения,
Дт - разность между температурами воздуха до поступления в секции радиаторов и после выхода из них; Д^ср - разность между средней температурой жидкости и средней температурой воздуха;
? - площадь охлаждающей поверхности одной секции радиаторов, смг;
г - число секций радиаторов
Первые два уравнения теплового баланса основаны на положении: сколько тепловой энергии отдает жидкость, столько же ее должен получить воздух. При этом тепловая энергия жидкости определяется ее удельной теплоемкостью, количеством жидкости, подаваемой через секции насосом, и степенью снижения температуры, а тепло, полученное воздухом, - его удельной теплоемкостью, количеством воздуха, выдаваемого вентилятором, и степенью повышения его температуры. Эти уравнения позволяют определить требуемый расход воздуха через секции и выбрать вентилятор соответствующей подачи.
Уравнение теплопередачи показывает, что количество отдаваемого тепла пропорционально площади тепло-отдающей поверхности (гР), коэффициенту теплопередачи к и разности температур охлаждающей жидкости и воздуха. Так как значение температурного перепада А/ср ограничено (температура воды в системе охлаждения, как правило, не превышает 90- 95 °С, а масла - 80-85 °С), охлаждающие устройства должны обладать значительными площадями поверхностей охлаждения. В свою очередь ограничения по массе и габаритным размерам не позволяют устанавливать на тепловозах охлаждающие устройства больших размеров и массы. Поэтому основным средством увеличения теплорассеивающей способности охлаждающих устройств является повышение коэффициента теплопередачи к.
Коэффициент теплопередачи зависит от скорости жидкости, протекающей по трубкам секций, ее вязкости, скорости воздуха, подаваемого вентилятором через секции, материала трубок, их чистоты, а также от характера течения жидкости по трубкам - ламинарного (спокойного) или турбулентного (с завихрениями). Коэффициент теплопередачи растет с увеличением скорости движения жидкости и вбз-духа. Его значения при медных трубках значительно выше, чем при остальных, поэтому трубки секций и теплообменников и их оребрение выполняют обычно из меди. С увеличением вязкости жидкости коэффициент к уменьшается. Так, если у водяных секций его значение равно 293-314 кДж1 1(м2-ч-К), то у масляных при прочих равных условиях - 83-96 кДж1 (м2-ч-К). При загрязненных секциях величина к снижается на 15-30%.
Применение на тепловозах масло-воздушных секций приводит к снижению надежности охлаждающих устройств. Масло, будучи вязкой жидкостью, в холодное время застывает, что вызывает резкое повышение давления в трубках секций, при котором они разрушаются. Поэтому на современных тепловозах от охлаждения масла в масловоздушных секциях отказались. Охлаждая масло водой в водомасляных теплообменниках, а воду к теплообменникам подводят от обычных водяных секций, устанавливаемых в шахте охлаждающего устройства. Это повышает надежность устройств, уменьшается число секций и размеры шахт, позволяет поддерживать более стабильной температуру масла.
Одним из резервов уменьшения габаритных размеров охлаждающих устройств является применение на тепловозах высокотемпературного охлаждения с температурой воды в системе свыше 100 °С. Чтобы вода при этих температурах не закипала, систему герметизируют и поддерживают в ней избыточное давление, которое ограничивается предохранительным клапаном. Избыточное давление создается парами горячей воды. Высокотемпературное охлаждение имеет ряд преимуществ перед обычным: сокращается на 30-40% теплоотдача дизеля в воду, повышается к. п. д. дизеля на 1-2%, повышается устойчивость рабочего процесса дизеля на холостом ходу и частичных нагрузках, увеличивается температурный перепад между температурой воды и температурой наружного воздуха. Это дает возможность значительно сократить массу и габаритные размеры охлаждающего устройства.
⇐ | Водяные системы тепловозов | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Особенности охлаждающих устройств тепловозов 2ТЭ10М, ТЭП70 и ТЭМ2 | ⇒