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,
предназначенный для охлаждения первой охлаждаемой среды потоком внешнего воздуха, проходящим через лобовую поверхность, принадлежащую первому теплообменнику; второй теплообменник, предназначенный для охлаждения второй охлаждаемой среды потоком внешнего воздуха, проходящим через лобовую поверхность, принадлежащую второму теплообменнику; и третий теплообменник, предназначенный для охлаждения третьей охлаждаемой среды потоком внешнего воздуха, проходящим через третью лобовую поверхность, принадлежащую третьему теплообменнику; при этом третий теплообменник размещен над вторым теплообменником так, что их лобовые поверхности не перекрываются для того, чтобы поток внешнего воздуха, проходящий через вторую лобовую поверхность, не проходил через третью лобовую поверхность, и поток внешнего воздуха, проходящий через третью 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 размещен под вторым теплообменником так, что их лобовые поверхности не перекрываются для того, чтобы поток внешнего воздуха, проходящий через указанную первую лобовую поверхность, не проходил через указанную вторую лобовую поверхность, и поток внешнего воздуха, проходящий через указанную вторую лобовую поверхность, не проходил через указанную первую лобовую поверхность, 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. Коллекторы, прижимные
и опорные элементы, гофрированные насадки, входные и выходные каналы каждого теплообменника выполнены из алюминиевых сплавов.
Целесообразно смонтировать теплообменники на рамном каркасе, образуя сборную конструкцию в виде единого блока, выполнив элементы крепления теплообменников к рамному каркасу с возможностью разъединения.
Предпочтительно, чтобы рамный каркас представлял собой две установленные по существу вертикально четырехугольные рамки, выполненные из уголковых элементов так, что при креплении теплообменников, по меньшей мере, часть первой рамки контактирует с элементами крепления, находящимся со стороны лобовой поверхности теплообменников, а, по меньшей мере, часть второй рамки контактирует с элементами крепления, находящимся со стороны противолежащей лобовой поверхности.
Желательно снабдить рамный каркас опорами, монтируемыми в его нижней части. Возможно выполнение опор амортизируемыми.
Возможно жестко связать первый, второй и третий теплообменники между собой в единый блок с возможностью разъединения или неразъемно.
Целесообразно трубчатые элементы в пакете ориентировать по существу параллельно друг другу и располагать в условной плоскости, нормальной к вектору потока воздуха.
Предпочтительно трубчатые элементы выполнять в виде плоскоовальных труб.
Целесообразно высоту трубы выбирать из диапазона от приблизительно 3 мм до приблизительно 10 мм, предпочтительно от приблизительно 5 мм до приблизительно 7 мм.
Желательно, чтобы толщина стенки трубчатого элемента была выбрана из диапазона от приблизительно 0,5 мм до приблизительно 1,0 мм, предпочтительно от приблизительно 0,70 мм до приблизительно 0,80 мм.
Целесообразно, чтобы, по меньшей мере, один теплообменник был выполнен с обеспечением организации, по меньшей мере, двухходового потока охлаждаемой среды через пакет трубчатых элементов. Предпочтительно для организации, двухходового потока выполнить в одном коллекторе перегородку.
Предпочтительно, чтобы профиль гофр межтрубной насадки имел эвольвентную форму, а профиль гофр внутритрубной насадки имел прямоугольную форму.
Желательно обеспечить плотный неразъемный контакт опорного элемента с коллектором по всей соприкасаемой поверхности.
Возможно, чтобы охлаждаемой средой первого теплообменника являлось масло, охлаждаемой средой второго теплообменника являлась вода или жидкость, содержащая воду, а охлаждаемой средой третьего теплообменника наддувочный воздух.
Возможно, чтобы охлаждаемой средой первого теплообменника являлось первое масло, охлаждаемой средой второго теплообменника являлось второе масло, а охлаждаемой средой третьего теплообменника вода.
Возможно выбрать охлаждаемой средой первого теплообменника воду или жидкость, содержащую воду, охлаждаемой средой второго теплообменника масло, а охлаждаемой средой третьего теплообменника наддувочный воздух.
Возможно расположение трубчатых элементов в пакете в один или несколько рядов.
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.
Желательно, чтобы высота гофрированной межтрубной насадки соответствовала расстоянию, на которое разнесены трубчатые элементы. Целесообразно, чтобы внутритрубная и межтрубная насадки были жестко связаны с трубчатым элементом.
Возможно, при изготовлении пакетов трубчатых элементов разных теплообменников, использовать однотипные элементы, например опорные элементы и трубчатые элементы, что позволяет располагать трубчатые элементы разных теплообменников на одинаковом расстоянии друг от друга.
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 сриг.2 - показан фрагмент пакета теплообменника.
Устройство, проиллюстрированное на фиг.1, содержит теплообменник 1, предназначенный для охлаждения первой охлаждаемой среды (направление потока показано стрелкой а), размещенный вплотную над ним теплообменник 2, предназначенный для охлаждения второй охлаждаемой среды (направление потока показано стрелкой в) и размещенный вплотную над теплообменником 2 теплообменник 3, предназначенный для охлаждения третьей охлаждаемой среды (направление потока показано стрелкой с).
Между теплообменниками размещена теплоизолирующая прокладка (не показано), выполненная из паронита.
Охлаждающей средой является атмосферный воздух, нагнетаемый устанавливаемым перед двигателем вентилятором (не показаны). Теплообменники смонтированы так, что лобовая поверхность (наблюдаемая как противоположная показанной на фиг.1 тыльной стороне блока) 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 вода, охлаждаемой средой теплообменника 2 будет наддувочный воздух, а охлаждаемой средой теплообменника 3 будет масло. Возможен также вариант исполнения, при котором охлаждаемой средой теплообменника 1 будет первое масло, охлаждаемой средой теплообменника 2 будет второе масло, а охлаждаемой средой теплообменника 3 будет наддувочный воздух. Возможны и другие варианты исполнения.
В данном конкретном примере показано устройство охлаждения для комбайнов с дизельным двигателем в таком исполнении, при котором первой охлаждаемой средой является трансмиссионное масло, второй охлаждаемой средой является охлаждающая жидкость двигателя и третьей охлаждаемой средой является наддувочный воздух.
Масляный теплообменник 1 содержит коллектор 4 с входным каналом 5 и коллектор 6 с выходным каналом 7. Коллектор 4 и коллектор 6 расположены с противоположных концов трубчатых элементов, которые объединены в пакет 8.
Водяной теплообменник 2 содержит коллектор 9 с входным каналом 10 и коллектор 11 с выходным каналом 12, расположенные с противоположных концов трубчатых элементов, которые объединены в пакет 13. Входной канал 10 расположен в верхней части коллектора 9, а выходной канал 12 расположен в нижней части коллектора 11.
В полости коллекторов 9 и 11 выполнено по две перегородки, обозначенные одной цифрой 14, разделяющие каждый коллектор на отдельные камеры для организации пятиходового потока жидкости через теплообменник 2.
Благодаря перегородкам 14 поток охлаждаемой жидкости, проходя через пакет 13 теплообменника 2, несколько раз меняет свое направление на противоположное.
Возможны варианты исполнения, при которых многоходовая организация потока через пакет трубчатых элементов 13 будет выполнена с четным количеством ходов. В этом случае входной и выходной каналы будут связаны с одним из коллекторов.
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.
Воздушный теплообменник 3 содержит коллектор 15 с входным каналом 16 и коллектор 17 с выходным каналом 18, расположенные с противоположных концов трубчатых элементов, которые объединены в пакет 19.
Возможно исполнение теплообменника 3 и/или теплообменника 1 также с многоходовой организацией потока охлаждаемой среды.
Коллекторы, а также выполненные в виде патрубков входные и выходные каналы теплообменников 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 приблизительно 0,5 мм до приблизительно 1,0 мм.
Высота трубчатого элемента составляет 5,5-5,6 мм. В вариантных исполнениях высота трубчатых элементов может составлять от приблизительно 3 мм до приблизительно 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.
Максимальная ширина и длина трубчатых элементов подбираются 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 размещены разделительные пластины 23, выполненные из алюминиевых листов с плакирующим слоем. Возможно выполнение прижимных элементов 22 из листов алюминиевых сплавов с плакирующим слоем. 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 внешнего потока 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.
Все теплообменники объединены в единый сборно-разборный блок рамным каркасом. Рамный каркас представляет собой две четырехугольные рамки 26, выполненные из уголковых элементов. На фиг.1 показана тыльная рамка 26 каркаса, находящаяся с тыльной стороны теплообменников. Аналогичная лицевая рамка 26 расположена со стороны лобовой поверхности теплообменников (не показана).
Рамки 26 установлены вертикально и выполнены из уголковых элементов так, что при креплении теплообменников вертикальные части лицевой рамки 26 контактируют с выступающими участками опорных элементов 21 со стороны лобовой поверхности теплообменников, а вертикальные части тыльной рамки 26 контактируют с выступающими участками опорных элементов 21 с тыльной стороны. Верхняя горизонтальная часть лицевой рамки 26 контактирует с выступающими участками верхнего прижимного элемента 22 теплообменника 3 со стороны лобовой поверхности, а верхняя горизонтальная часть тыльной рамки 26 контактирует с выступающими участками верхнего прижимного элемента 22 теплообменника 3 с тыльной стороны. Нижняя горизонтальная часть лицевой рамки 26 контактирует с выступающими участками нижнего прижимного элемента 22 теплообменника 1 со стороны лобовой поверхности, а
нижняя горизонтальная часть тыльной рамки 26 контактирует с выступающими участками нижнего прижимного элемента теплообменника 3 с тыльной стороны.
В нижней части рамный каркас снабжен опорами 27, выполняемыми, например амортизируемыми.
Каждый теплообменник связан с рамками 26 независимо друг от друга. Крепление теплообменников к рамкам осуществлено болтовыми соединениями 28.
Крепление теплообменников к рамкам может быть осуществлено другим подходящим способом, обеспечивающим в случае необходимости разборку блока.
Рамный каркас выполняет функцию крепления блока теплообменников на транспортное средство, что в целом способствует уменьшению количества деталей.
Связь теплообменников в единый блок может быть выполнена сваркой соседних прижимных элементов (пластин) двух соседних теплообменников, т.е., нижнюю прижимную пластину теплообменника 2 приваривают к верхней прижимной пластине теплообменника 1, а нижнюю прижимную пластину теплообменника 3 приваривают к верхней прижимной пластине теплообменника 2.
Также связь теплообменников может быть осуществлена при помощи разъемного болтового соединения (не показано). 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.
Выполнение теплообменников в едином блоке обеспечивает возможность его транспортировки в собранном виде, что облегчает монтаж теплообменников.
Выполнение блока разборным повышает ремонтопригодность устройства.
Все элементы каждого теплообменника: коллекторы с входными и выходными каналами, 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 двух разных материалов.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Охлаждаемая среда, например масло теплообменника 1 через входной канал 5 подается под давлением в коллектор 4, распределяется по трубчатым элементам 20 пакета 8, движется по ним как показано стрелками а и, протекая по трубчатым элементам 20, охлаждается потоком атмосферного воздуха. Охлажденное масло собирается в коллекторе 6 и выводится через выходной канал 7.
Воздух набегает на теплообменник по существу перпендикулярно лобовой поверхности и обдувает пакет, через теплообменные поверхности которого происходит теплообмен между воздухом и прокачиваемым маслом.
Охлаждение третьей среды (надувочного воздуха) в теплообменнике 3 осуществляется аналогичным образом.
В теплообменнике 2 поступающая через входной канал 10 в первую камеру коллектора 9 охлаждаемая жидкость проходит по трубчатым элементам 20 пакета 13 несколько раз в прямом и обратном направлении (показано стрелками в), выходит в последнюю камеру коллектора 11 с последующим выводом ее через выходной канал 12.
Предназначенный для установки на комбайны (с номинальной мощностью двигателя 213 кВт) предлагаемый блок теплообменников выполнен длиной 1089 мм, высотой 858 мм и шириной 240мм. Масляный теплообменник содержит 18 трубчатых элементов, водяной теплообменник содержит 68 трубчатых элементов, а воздушный теплообменник содержит 26 трубчатых элемента. Масса блока составляет 67 кг.
Результаты испытаний блока теплообменников для комбайнов представлены в таблице.
Таблица
Производительность водяного насоса
320 л/мин
Температура охлаждающей жидкости на выходе
71,6°С
Температура охлаждающей жидкости на входе
100°С
Давление охлаждающей жидкости
0,1 МПа
Температура надувочного воздуха на входе
145°С
Температура надувочного воздуха на выходе
42°С
Расход надувочного воздуха
1150 кг/час
Расход масла
80 л/мин
Давление масла на входе
8,6 кг/см<sup>2</sup>
Перепад давления
2,3 кг/см<sup>2</sup>
Температура масла на входе
96°С
Температура масла на выходе
87°С
Таким образом, предлагаемый блок компактен и обладает высокой эффективностью охлаждения.