УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к транспортному и сельскохозяйственному машиностроению, в частности к конструкциям систем охлаждения силовых установок, и может быть использована при изготовлении теплообменных аппаратов.
Система охлаждения транспортного средства для оптимальных условий работы предусматривает наличие нескольких теплообменников для охлаждения различных сред, таких как, например, жидкий хладагент двигателя, масло, тосол, наддувочный воздух. Системы охлаждения могут также включать теплообменник кондиционера.
Наиболее широко распространенным на практике является размещение нескольких теплообменников последовательно друг за другом (см., например, SU №1509295, опубл. 23.09.89.)
Известна из патента RU №2270765 (опубл.27.02. 2006) система охлаждения автомобиля, которая решает задачу уменьшения расхода топлива и обеспечивает большую силу тяги. Система включает первый теплообменник, предназначенный для охлаждения первого жидкого теплоносителя, второй теплообменник, предназначенный для охлаждения второго жидкого теплоносителя и третий теплообменник, предназначенный для системы кондиционирования воздуха. В соответствии с описанным конструктивным исполнением лобовые поверхности теплообменников не налагаются одна на другую, а теплообменники размещены так, что третий теплообменник расположен напротив второго теплообменника, что значительно увеличивает занимаемый ими объем.
Известен из заявки на патент США №20050109483 (опубл. 26.05.2005) блок теплообменников системы охлаждения, содержащий два теплообменника, один из которых предназначен для охлаждения первой охлаждаемой среды потоком внешнего воздуха, а второй предназначен для охлаждения второй охлаждаемой среды потоком внешнего воздуха. Второй теплообменник выполнен из двух связанных между собой переходным каналом частей, размещенных так, что
лобовые поверхности каждой части обращены в сторону потока внешнего воздуха и не перекрываются. Одна из частей второго теплообменника размещена с тыльной стороны первого теплообменника, а другая со стороны лобовой поверхности первого теплообменника, тем самым частично его перекрывая. Первый теплообменник, а также каждая часть второго теплообменника содержит пакет трубчатых элементов, снабженный межтрубными гофрированными насадками с образованием каналов для прохода внешнего воздуха. Изобретение решает задачу создания компактного блока теплообменников. Недостатком является недостаточная эффективность теплообмена вследствие того, что лобовые поверхности каждого теплообменника частично перекрыты.
Известен из патента США №4736727 (опубл. 12.04.88.), выбранный за прототип, блок теплообменников системы охлаждения транспортного средства с дизельным двигателем, в которой воздушный теплообменник размещен над водяным теплообменником так, что лобовые поверхности каждого не перекрывают друг друга. Третий теплообменник, приспособленный для системы кондиционирования воздуха, размещен перед водяным теплообменником, частично перекрывая его лобовую поверхность для входящего потока внешнего охлаждающего воздуха. Водяной и воздушный теплообменники выполнены в виде первого коллектора с входным каналом и второго коллектора с выходным каналом, между которыми размещен пакет разнесенных на заданное для каждого теплообменника расстояние трубчатых элементов. Выходной канал водяного теплообменника выполнен в виде выступающего за габариты блока изогнутого трубопровода. Недостатком является недостаточно высокая эффективность охлаждения и повышенные габариты водяного теплообменника.
В основу полезной модели поставлена задача устранения вышеуказанных недостатков и создания усовершенствованного устройства охлаждения транспортного средства, обладающего при достаточной компактности высокой теплообменной эффективностью, а также способствующего сокращению времени и трудоемкости монтажных операций за счет обеспечения возможности транспортировки устройства в собранном виде.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве охлаждения силовой установки транспортного средства, содержащем первый теплообменник,
приспособленный для охлаждения первой охлаждаемой среды потоком внешнего воздуха, проходящим через первую лобовую поверхность, принадлежащую первому теплообменнику; второй теплообменник, приспособленный для охлаждения второй охлаждаемой среды потоком внешнего воздуха, проходящим через вторую лобовую поверхность, принадлежащую второму теплообменнику; при этом второй теплообменник размещен над первым теплообменником так, что их лобовые поверхности не перекрываются для того, чтобы поток воздуха, проходящий через вторую лобовую поверхность, не проходил через первую лобовую поверхность, и поток воздуха, проходящий через первую лобовую поверхность, не проходил через вторую лобовую поверхность; причем каждый теплообменник содержит входной и выходной каналы и два коллектора, между которыми размещен пакет разнесенных на заданное для каждого теплообменника расстояние трубчатых элементов, заключенных между верхним и нижним прижимными элементами, при этом трубчатые элементы в пакете связаны двумя опорными элементами, один из которых находится в плотном контакте по всей соприкасаемой поверхности с первым коллектором, а другой находится в плотном контакте по всей соприкасаемой поверхности со вторым коллектором, причем опорные элементы жестко связаны с прижимными элементами и выполнены так, что один конец каждого трубчатого элемента сообщен с первым коллектором, а другой конец сообщен со вторым коллектором, новым является то, что первый теплообменник выполнен с обеспечением организации многоходового потока охлаждаемой среды через пакет трубчатых элементов с четным количеством ходов, при этом входной и выходной каналы первого теплообменника связаны с одним коллектором, причем входной канал выполнен так, что имеет участок, размещенный на втором теплообменнике, при этом пакет трубчатых элементов каждого теплообменника снабжен внутритрубными гофрированными насадками с образованием каналов для прохода охлаждаемой среды и межтрубными гофрированными насадками с образованием каналов для прохода внешнего воздуха.
Целесообразно, чтобы коллекторы, прижимные и опорные элементы, гофрированные насадки, выходные каналы каждого теплообменника, а также входной канал второго теплообменника и участок входного канала первого
теплообменника, размещенный на втором теплообменнике, были выполнены из алюминиевых сплавов.
Целесообразно входной канал первого теплообменника выполнять в виде переходного элемента и связанного с ним участка входного канала первого теплообменника, размещенного на втором теплообменнике, при этом переходной элемент располагать по существу вертикально и связывать с другого конца с верхней торцовой частью коллектора первого теплообменника.
Предпочтительно переходной элемент выполнить в виде цилиндрического патрубка из резиновых смесей.
Возможно переходной элемент выполнить в виде металлической трубы.
Целесообразно переходной элемент размещать так, чтобы он не выступал за пределы лобовой и противоположной ей поверхностей теплообменников.
Предпочтительно жестко связать первый и второй теплообменники в единый блок с возможностью разъединения.
Возможно жестко связать первый и второй теплообменники в единый блок неразъемно.
Целесообразно выполнять трубчатые элементы в виде плоскоовальных труб заданной высоты с заданной толщиной стенки. Желательно при этом высоту трубы выбирать из диапазона от приблизительно 3 мм до приблизительно 10 мм, предпочтительно от приблизительно 5 мм до приблизительно 7 мм, а толщину стенки из диапазона от приблизительно 0,5 мм до приблизительно 1,0 мм, предпочтительно от приблизительно 0,70 мм до приблизительно 0,80 мм.
Кроме того, трубчатые элементы в пакете ориентированы по существу параллельно друг другу и расположены в условной плоскости, нормальной к вектору потока воздуха.
Возможно, что охлаждаемой средой первого теплообменника является вода или жидкость, содержащая воду, а охлаждаемой средой второго теплообменника является наддувочный воздух.
Возможно также, что охлаждаемой средой первого теплообменника является масло, а охлаждаемой средой второго теплообменника является вода или жидкость, содержащая воду.
Кроме того, охлаждаемой средой первого теплообменника может быть первое масло, а охлаждаемой средой второго теплообменника может быть второе масло или охлаждаемой средой первого теплообменника будет наддувочный воздух, а охлаждаемой средой второго теплообменника будет вода или жидкость, содержащая воду.
Предпочтительно, чтобы пакет трубчатых элементов, по меньшей мере, одного теплообменника был образован из одного ряда трубчатых элементов
Возможно, что пакет трубчатых элементов, по меньшей мере, одного теплообменника будет образован из, по меньшей мере, двух рядов трубчатых элементов.
Целесообразно, чтобы расстояние, на которое разнесены трубчатые элементы в пакете, было выбрано из диапазона от приблизительно 3 мм до приблизительно 12 мм, предпочтительно от приблизительно 6 мм до приблизительно 9 мм.
Предпочтительно, чтобы профиль гофр межтрубной насадки имел эвольвентную форму, а профиль гофр внутритрубной насадки имел прямоугольную форму.
Возможно организацию многоходового потока в пакетах обеспечить выполнением в коллекторах перегородок.
Целесообразно, чтобы внутритрубная и межтрубная гофрированные насадки были жестко связаны с трубчатым элементом.
Предпочтительно выполнить плотный контакт опорного элемента с коллектором по всей соприкасаемой поверхности неразъемным.
Возможно снабдить теплообменники элементами крепления кожуха вентилятора.
Кроме того, возможно выполнить второй теплообменник с обеспечением организации многоходового потока охлаждаемой среды через пакет трубчатых элементов.
Наиболее полно понять и разобраться можно в приведенном далее подробном описании со ссылками на примеры и чертежи, на которых представлено:
На фиг.1 изображен общий вид заявляемого устройства с тыльной стороны.
На фиг.2 - показан фрагмент пакета теплообменника
Устройство, проиллюстрированное на фиг.1, содержит теплообменник 1, приспособленный для охлаждения первой охлаждаемой среды (направление потока показано стрелкой а) и размещенный вплотную над ним теплообменник 2, приспособленный для охлаждения второй охлаждаемой среды (направление потока показано стрелкой в).
Теплообменник 1 и теплообменник 2 жестко связаны между собой.
Охлаждающей средой является атмосферный воздух, нагнетаемый устанавливаемым перед двигателем вентилятором (не показаны). Теплообменники смонтированы так, что лобовая поверхность (противоположная тыльной, наблюдаемой на фиг.1) каждого из них находится в плоскости, по существу перпендикулярной к вектору потока воздуха.
В зависимости от того, с какой системой силовой установки сообщен каждый теплообменник, охлаждаемой средой, могут быть различные масла, наддувочный воздух или различные жидкости, например вода или тосол или смесь воды и антифриза.
Возможна подача охлаждаемой среды в теплообменники в различных вариантных исполнениях, например, возможен вариант исполнения, при котором охлаждаемой средой теплообменника 1 будет наддувочный воздух, а охлаждаемой средой теплообменника 2 будет жидкость. Возможен вариант исполнения, при котором охлаждаемой средой теплообменника 1 будет первое масло из одного контура охлаждения, а охлаждаемой средой теплообменника 2 будет второе масло из другого контура охлаждения. Возможны и другие варианты исполнения.
В данном конкретном примере показано устройство охлаждения для грузовых автомобилей «Камаз» в таком исполнении, при котором первой охлаждаемой средой является охлаждающая жидкость двигателя, а второй охлаждаемой средой является наддувочный воздух.
Воздушный теплообменник 2 содержит коллектор 3 с входным каналом 4 и коллектор 5 с выходным каналом 6, расположенные с противоположных концов трубчатых элементов, которые объединены в пакет 7.
Водяной теплообменник 1 содержит коллектор 8 и коллектор 9, расположенные с противоположных концов трубчатых элементов, которые объединены в пакет 10.
В полости коллектора 9 выполнена перегородка 11, разделяющая коллектор на верхнюю камеру 12 и нижнюю камеру 13 для организации двухходового потока жидкости через пакет 10.
Верхняя камера 12 выполнена с вертикально ориентированным алюминиевым патрубком 14, расположенным в верхней торцовой части коллектора 9. Патрубок 14 связан с вертикально расположенным переходным элементом 15, выполненным в виде резинового патрубка, простирающегося продольно боковой стенке коллектора 5 теплообменника 2, не выходя за его пределы по ширине. Второй конец патрубка 15 связан с вертикально ориентированным патрубком 16 трубопровода 17, расположенного на верхней стороне теплообменника 2. Трубопровод 17, показанный на Фиг.1 пунктирной линией, выполнен с входом 18 для подвода охлаждаемой среды в теплообменник.
Трубопровод 17 с патрубком 16, каналом подвода 18 выполнен из алюминиевых сплавов и может иметь круглое, прямоугольное или овальное сечение. В вариантах исполнения трубопровод 17 может быть выполнен в виде изогнутой трубы или иметь коробчатую сварную конструкцию.
Переходной элемент 15 может быть выполнен в виде металлического патрубка.
Патрубок 14, переходной элемент 15, трубопровод 17 с патрубком 16 и входом 18 образуют входной канал теплообменника 1.
С нижней камерой 13 коллектора 9 связан выходной канал 19 теплообменника 1.
Возможны варианты исполнения, при которых будет осуществлена четырех или шести-ходовая (или более) организация потока. В этом случае в коллекторе 8 также будет выполнено необходимое количество перегородок 11.
Организация многоходового потока охлаждаемой среды обеспечивает повышение тепловой эффективности теплообменника и всего устройства охлаждения в целом.
Количество трубчатых элементов для одного хода выбирают с учетом допустимых значений гидросопротивлений по охлаждаемой среде.
Возможно исполнение теплообменника 2 также с многоходовой организацией потока охлаждаемой среды.
Многоходовую организацию потока можно выполнить и иным, чем с применением перегородок образом.
Коллекторы и входные каналы теплообменника 2 выполнены преимущественно из алюминиевого сплава АМц.М.
Коллекторы и выходной канал теплообменника 1 также выполнены преимущественно из алюминиевого сплава АМц.М.
Каждый пакет трубчатых элементов (фиг.2) представляет собой выбранное для каждого теплообменника количество расположенных друг над другом на заданном расстоянии друг от друга плоскоовальных трубчатых элементов 20, которые образуют трубный ряд. Трубчатые элементы 20 в каждом пакете ориентированы по существу параллельно друг другу и расположены в условной плоскости, нормальной к вектору потока внешнего воздуха. Один конец каждого трубчатого элемента 20 в пакете сообщен с одним коллектором, а другой конец с противоположным ему коллектором.
В данном конкретном примере в пакетах всех теплообменников используют выполненные из листов алюминиевого сплава АМцАС-2М трубчатые элементы с толщиной стенки от 0,72 мм до 0,80 мм. В вариантных исполнениях толщина стенки может составлять от 0,5 мм до 1,0 мм.
Высота трубчатого элемента составляет 5,5-5,6 мм. В вариантных исполнениях высота трубчатых элементов может составлять от 3 мм до 10 мм.
Расстояние (зазор) между соседними трубчатыми элементами 20 составляет приблизительно 6,85 мм и может варьироваться в пределах от 3 мм до 12 мм, предпочтительно от 6 мм до 9 мм.
Максимальную ширину и длину трубчатых элементов подбирают исходя из задаваемых габаритных размеров теплообменников.
В зависимости от ширины трубчатых элементов и ширины блока пакет трубчатых элементов может быть выполнен из одного, двух или более трубных рядов, располагаемых параллельно фронтальной плоскости (лобовой поверхности) теплообменника.
Трубчатые элементы 20 объединены в пакете двумя разнесенными по длине трубчатых элементов 20 опорными элементами 21, выполненными из алюминиевого сплава АМц.М. Опорные элементы 21 расположены поперек трубчатых элементов и жестко связаны с двумя прижимными элементами -пластинами 22, ограничивающими пакет сверху и снизу. Прижимные элементы 22 расположены перпендикулярно опорным элементам и выполнены из алюминиевого сплава АМц.М. Со стороны трубчатых элементов перед прижимными пластинами находятся разделительные пластины 23, выполненные из алюминиевых листов с плакирующим слоем. Возможно выполнение прижимных элементов 22 из листов алюминиевых сплавов имеющих плакирующий слой. В этом случае отпадает необходимость в разделительных пластинах 23.
Один из опорных элементов 21 находится в плотном неразъемном контакте по всей соприкасаемой поверхности с одним коллектором, а другой находится в плотном неразъемном контакте по всей соприкасаемой поверхности с другим коллектором. Каждый опорный элемент 21 выполнен в виде пластины со сквозными отверстиями под трубчатые элементы и выполняет функцию трубной решетки коллектора.
Опорные элементы 21 жестко связаны с прижимными элементами 22 с образованием пакета прямоугольной формы.
Каждый трубчатый элемент 20 снабжен жестко связанной с ним внутритрубной гофрированной насадкой 24, профиль гофр которой имеет прямоугольную форму с шагом не менее 2 мм. Гофрированная насадка 24 образует развитую теплообменную поверхность со стороны охлаждаемой среды. Шаг гофрированной насадки 24 подбирается для каждой охлаждаемой среды. В случае если охлаждаемой средой будет масло, целесообразно выполнить некоторое увеличение шага для предотвращения образования засоров в каналах.
В зазорах между трубчатыми элементами 20 размещена межтрубная гофрированная насадка 25, профиль гофр которой имеет эвольвентную форму. Гофрированная насадка 25 жестко связана вершинами гофр с трубчатыми элементами 20 и образует развитую теплообменную поверхность со стороны потока внешнего воздуха.
Высота межтрубной гофрированной насадки 25 задается размером зазора между трубчатыми элементами. Межтрубная и внутритрубная насадки выполнены из алюминиевой фольги АМц, толщиной 0,13 мм-0,17 мм, возможно выполнение внутри - и межтрубной насадок из фольги различных толщин, от 0,1 мм до 0,2 мм.
Благодаря наличию гофрированных насадок увеличивается суммарная площадь теплообменной поверхности.
Межтрубная гофрированная насадка может быть выполнена любой другой формы, например, прямоугольной или трапецевидной. Межтрубная гофрированная насадка 25 может быть выполнена с жалюзийными ребрами, образующими треугольные каналы. С помощью прорезей, выполненных на гладких ребрах, с последующим отгибом лепестков в разные стороны (прорези не доходят до вершин ребер) осуществляется срыв (разрушение) пограничного слоя охлаждающего воздуха с поверхности гофр, что существенно интенсифицирует теплоотдачу.
Наиболее высокую компактность теплообменной поверхности обеспечивает эвольвентная форма гофрированной насадки.
Гофрированная поверхность межтрубной насадки обеспечивает высокую степень турбулизации потока воздуха и жесткость конструкции пакета трубчатых элементов теплообменника.
Теплообменники 1 и 2 объединены в единый блок. Связь может быть выполнена сваркой соседних прижимных элементов (пластин) двух теплообменников, т.е., нижнюю прижимную пластину 22 теплообменника 2 приваривают к верхней прижимной пластине 22 теплообменника 1.
Также связь теплообменников может быть осуществлена при помощи разъемного болтового соединения. В выступающих участках смежных прижимных пластин теплообменников выполняют отверстия, в которые вставляют болты. На болты накручивают гайки, что обеспечивает жесткую фиксацию теплообменников друг относительно друга. Размер и количество болтов и гаек выбирается исходя из компоновочных условий и прочности болтовых соединений.
К блоку теплообменников по месту установки в автомобиль обычно крепится кожух вентилятора и другое навесное оборудование, а также
кронштейны бокового крепления и кронштейн нижнего крепления. В связи с этим в коллекторах теплообменника 2 предусмотрено крепление шпилек со стороны фронтальной части (не показано). По бокам к коллекторам теплообменника приваривают соответственно правый и левый боковые крепежные элементы. В нижней части теплообменника 1 к нижней прижимной пластине приваривают нижний крепежный элемент. По контуру блока устанавливают рамку 26, к которой в последствии крепят кожух вентилятора.
Рамку 26 прикрепляют к блоку посредством сварки.
В варианте с неразборным блоком рамку 26 изготавливают цельной, т.е. неразъемной, и устанавливают после сборки блока. В варианте с разборным блоком рамку 26 выполняют разборной из двух различных частей, одну из которых связывают с первым теплообменником, а другую со вторым теплообменником.
Выполнение теплообменников в едином блоке обеспечивает возможность его транспортировки в собранном виде, что облегчает монтаж теплообменников.
Выполнение блока разборным повышает ремонтопригодность устройства.
Все основные элементы каждого теплообменника: коллекторы с патрубками, пакеты трубчатых элементов с внутритрубными и межтрубными гофрированными насадками, прижимными и опорными элементами выполнены из алюминиевых сплавов, что снижает их вес и способствует снижению стоимости.
Кроме того, однородность материала значительно увеличивает коррозионную стойкость теплообменников, так как исключается возможность возникновения токов электрохимического происхождения, которые создаются при контакте различных материалов
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Наддувочный воздух через входной патрубок 4 теплообменника 2 поступает под давлением в коллектор 3, где распределяется по трубчатым элементам 20 пакета 7, движется по ним как показано стрелками а и, протекая по трубчатым элементам 20, охлаждается потоком атмосферного воздуха. Выходящий из трубчатых элементов 20 наддувочный воздух собирается в коллекторе 5 и выводится через патрубок 6. Атмосферный воздух набегает на
теплообменник по существу перпендикулярно его лобовой поверхности и обдувает пакет 7, через теплообменные поверхности которого происходит теплообмен между воздухом и прокачиваемым надувочным воздухом.
Охлаждаемая в теплообменнике 2 жидкость поступает через вход 18, проходит по трубопроводу 17 через патрубок 16 и патрубок 15, поступает через патрубок 14 в верхнюю камеру 12 коллектора 9, проходит по связанным с камерой 12 трубчатым элементам 20 пакета 10 в прямом направлении и по связанным с камерой 13 трубчатым элементам 20 пакета 10 обратном направлении с последующим выводом ее из нижней камеры 13 через выходной канал 19.
Предназначенный для установки на автомобили «КАМАЗ» водяной теплообменник содержит 26 трубчатых элементов, а воздушный теплообменник содержит 16 трубчатых элементов. Масса блока составляет не более 45кг.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство является более компактным и обладает высокой эффективностью охлаждения.