Выбор основных параметров, расчёт и конструирование тепловозов

       В тепловозных  дизелях с наддувом с целью  повышения их цилиндровой мощности  необходимо, кроме того, отводить  теплоту от наддувочного воздуха, который обычно охлаждается водой.

       На тепловозах  с гидропередачей охлаждающие  устройства предназначаются и  для охлаждения рабочей жидкости (масла) гидропередачи.

       Охлаждающее  устройство включает в себя  теплообменники для охлаждения  воды, масла и наддувочного воздуха, вентиляторы, воздушные каналы для подвода и отвода атмосферного воздуха, трубопроводы и насосы для циркуляции воды и масла, приборы и устройства для контроля и регулирования работы системы охлаждения.

      Теплообменники  для охлаждения воды и масла  атмосферным воздухом собирают  из соответствующих стандартных  секций. Секции, объединённые коллекторами, образуют радиаторы. Радиаторы,  воздушные каналы и вентиляторы  компонуют в части тепловоза,  называемой холодильной камерой  (холодильником).

       Водомасляные  теплообменники обычно размещаются  непосредственно на дизеле (дизель  Д49) либо вблизи него в машинном помещении тепловоза. Воздухоохладители размещаются непосредственно на дизелях.

 

3.1 Обоснование  выбора типа охлаждающего устройства

Компромиссным решением, используемым на большинстве типов тепловозов, является открытая двухконтурная система  охлаждения (Рис. 3.1.). В двухконтурной  системе контур охлаждения элементов  дизеля и контур охлаждения наддувочного воздуха и масла разделены. В качестве основного теплоносителя используется вода, циркулирующая в замкнутых системах охлаждения (контурах) с поверхностными теплообменниками. Каждый контур системы оборудован индивидуальным насосом. Это дает возможность раздельного регулирования температуры охлаждающей воды в обоих контурах. На проектируемом тепловозе целесообразно применить данную схему водяного охлаждения.

 

Рис. 1.. Двухконтурная схема водяного охлаждения конструкции теплового дизеля

3.2 Расчет числа секций радиатора первого контура охлаждения воды дизеля

Поскольку я ранее приняли для проектного тепловоза открытую систему охлаждения, то принимаю температуру ºС. Температуру охлаждающего воздуха на входе в секции радиаторов принимаем равной   ºС.

     Q_в.д. = 0,3427*Ne+37 = 0,3427*3408+37 = 1020кВт - тепловыделение дизеля в охлаждающую воду.

    Q_{в.д.(проект)} ≈ Qв.д._(прот)*(Ne_{(проект)}/Ne_(прот)) = 1020*(3900/4400) = 904 кВт

 

    Q_м.д. = 343,92*ln(Ne)-2234= 517 кВт- тепловыделение дизеля в масло.

 

    Q_н.в. = 0,0167* Ne^1,3083 = 699 кВт- тепловыделение дизеля от надувочного воздуха.

 

Таблица 2. Геометрические параметры серийных секций радиаторов

Параметр	Водо-воздушные секции
Длина секций по месту крепления	1356	686
Рабочая длина трубок между  решетками, , мм	1206	535
Фронтальная ширина  секции, мм	152,5
Глубина секции, мм	187
Поверхность, омываемая жидкостью, , м2	3,04	1,35
Поверхность, омываемая воздухом, , м2	29,6	13,1
Живое сечение для прохода  жидкости, , м2	0,00132
Живое сечение для прохода  воздуха, , м2	0,149	0,0662
Число трубок в секции	68
Расположение трубок в  секции	Шахматное
Наружные размеры трубок, мм	19,5 х 2,2
Толщина стенок трубок, мм	0,55
Число охлаждающих платин	525 х 2	232 х 2
Шаг оребрения, мм	2,3
Масса секции, кг	42,25	24,55

 

При физические параметры равны следующим величинам: для воздуха при температуре ºС коэффициент динамической вязкости Па·с, коэффициент теплопроводности , Вт/м·К, удельная теплоемкость Дж/кг·К;

 для воды при температуре ºС: плотность кг/м³, коэффициент динамической вязкости Па·с, удельная теплоемкость Дж/кг·К, коэффициент теплопроводности , Вт/м·К, коэффициент кинематической вязкости м²/с.

Определяю подачу водяного насоса первого контура:

Для монтажа холодильника принимаю стандартные секции с длиной активной части 1206 мм.

3.2.1 Определяю ориентировочное число секций первого контура охлаждения, задавшись величиной V_вд.

,

где – массовая скорость воды в трубках секции. Принимается в пределах 900…1500 кг/м²·с. В нашем случае принимаю кг/м²·с.

Массовая скорость воздуха  между пластинами оребрения секции находится в пределах 8…14 кг/м²·с. Принимаем в дальнейших расчетах кг/м²·с.

тогда

секций.

3.2.2 Определяю число секций радиаторов, исходя из теплорассеивающей способности

,

где – теплорассеивающая способность секций радиатора при заданных условиях теплообмена, Вт.

где – теплорассеивающая способность секций радиатора при заданных условиях теплообмена, Вт.

, Вт

В этом выражении неизвестной  является величина k – коэффициент теплопередачи секции радиатора

, Вт/м²·К,

где К_i – критерий Кирпичева.

 

 

 

3.2.3 Определяем числа Рейнольдса для воды и воздуха при выбранных расчетных температурах. Число Рейнольдса характеризует режим течения жидкости или газа

Находим число Рейнольдса для воды при ºС

,

где d_Гвд – гидравлический диаметр трубки. м.

Находим число Рейнольдса для воздуха при температуре ºС

,

где d_Гвз – гидравлический диаметр воздушной стороны секции, м. м.

3.2.4 Определяем величину температурного фактора

,

где T’_вд – абсолютная температура воды на входе в секцию, К.

 

К. -абсолютная температура воздуха на входе в секцию К.

 

3.2.5 Для полученного ранее значения числа Рейнольдса, рассчитываю критерий Кирпичева

.

 

 

3.2.6 Нахожу величину теоретического коэффициента теплопередачи

.

3.2.7 Определяю необходимое количество секций

Используя уравнение теплового  баланса и уравнение теплопередачи, нахожу необходимое количество секций.

С учетом запаса на загрязнение  стенок трубок радиаторов принимаем  количество секций равным 15 шт.

3.2.8 Определяю температуру воды на выходе из секций радиаторов:

.             3.2.9 Определяю температуру воздуха на выходе из секций радиаторов:

.

3.2.10 Гидравлическое  сопротивление движению воды  через водовоздушные секции радиаторов:

.

Для всего контура охлаждения воды дизеля гидравлическое сопротивление  движению воды необходимо увеличить  в 2,5 раза:

3.2.11 Определяю необходимую мощность на привод водяного насоса

Предварительное значение расхода  мощности:

.

где – расчетный КПД водяного насоса.

Принимаю , тогда:

.

С учетом ответственности  выполняемой функции и обеспечения  бесперебойной циркуляции воды в  контуре охлаждения, предварительно рассчитанную величину необходимой мощности увеличиваю в 2…3 раза. Если принять двухкратный запас мощности, то для привода водяного насоса необходим двигатель мощностью 4,2 кВт.

3.3 Расчет числа секций радиатора второго контура охлаждения масла и надувочного воздуха

Исходные данные для дизеля 1-1Д49

 – температура воды на  входе в секции радиатора;

- температура охлаждающего воздуха  на входе в секции радиатора.

По справочным данным, на основании принятых величин температур, определяю физические параметры теплоносителей:

• для воздуха при температуре ºС коэффициент динамической вязкости Па·с, коэффициент теплопроводности , Вт/м·К, удельная теплоемкость Дж/кг·К;
• для воды при температуре ºС плотность кг/м³, коэффициент динамической вязкости Па·с, удельная теплоемкость Дж/кг·К, коэффициент теплопроводности , Вт/м·К, коэффициент кинематической вязкости м²/с.

Определяю подачу водяного насоса второго контура:

Для монтажа охлаждающего устройства применяю стандартные секции с длиной активной части 1206 мм.

 

3.3.1Определяю ориентировочное число секций второго контура охлаждения

 

где: – массовая скорость воды в трубках секции. Принимаю

 секций.

3.3.2 Определяю число секций радиаторов исходя из теплорассеивающей способности

,

где – теплорассеивающая способность секции радиатора при заданных условиях теплообмена, Вт.

где – коэффициент теплопередачи секции радиатора.

,

где – критерий Кирпичева.

.

3.3.3 Определяю числа Рейнольдса для воды и воздуха

Число Рейнольдса для воды при :

Число Рейнольдса для воздуха при :

3.3.4 Определяю величины температурного фактора

3.3.5 Определяю критерий Кирпичева

 

3.3.6 Коэффициент  теплопередачи

.

3.3.7 Определяю необходимое количество секций

Используя уравнение теплового  баланса и уравнение теплопередачи, нахожу необходимое количество секций.

С учетом запаса на загрязнение  стенок трубок радиаторов принимаю количество секций равным 31 шт.

3.3.8 Температура  на выходе из секций радиаторов

.

3.3.9 Температура  воздуха на выходе из секций  радиаторов

.

3.3.10 Гидравлическое  сопротивление движению воды  через водовоздушные секции радиаторов

.

  Для всего контура охлаждения воды дизеля гидравлическое сопротивление движению воды увеличиваю в 2,5 раза:

3.3.11 Определяю необходимую мощность на привод водяного насоса

Предварительное значение расхода  мощности:

.

где – расчетный КПД водяного насоса.

Принимаю , тогда:

.

С учетом ответственности  выполняемой функции и обеспечения  бесперебойной циркуляции воды в  контуре охлаждения, предварительно рассчитанную величину необходимой мощности увеличиваю в 2…3 раза. Для привода водяного насоса применяю двигатель мощностью 6,4 кВт.

3.4 Расчёт водомасляного  теплообменника

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 теплосъёма в  заданных размерах в теплообменниках  применяют противоточное или  противоточно-перекрёстное течение  жидкостей.

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