РАДИАТОР СОТОВОГО ТИПА С ТУРБУЛИЗИРУЮЩИМИ ВСТАВКАМИ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МАСЛА И ВОДЫ
RADIATOR OF HONEYCOMB TYPE WITH SWIRLER INSERTS FOR OIL AND WATER COOLING

Изобретение предназначено для применения на транспорте и относится к охлаждающим устройствам работающего оборудования дизельных локомотивов.
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 цилиндропоршневой группы, вызвала бы коробление деталей, появление трещин и т.д. Для отвода тепла от дизеля в нем используют в качестве теплоносителя воду и масло. Вода охлаждает цилиндры дизеля, крышки цилиндров и остальной газовыпускной тракт. Масло (вода) охлаждает поршни и другие трущиеся детали. В современных дизелях, кроме того, необходимо охлаждать надувочный воздух, а в гидроприводе - его масло. Заставляя циркулировать воду или масло между нагретыми частями дизеля и охлаждающими устройствами по замкнутому контуру, необходимую долю тепла от нагретых деталей отводят теплоносителями и рассеивают в окружающую воздушную среду [1].
Принцип отвода тепла в охлаждающих устройствах заключается в следующем. Теплоноситель (вода, а в отдельных случаях и масло) подводится к секциям радиаторов системы охлаждения, расположенным фронтом с боков кузова в специальной закрытой камере (шахте). Теплоноситель перетекает по множеству оребренных 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 воздуха, просасываемого через секции, площади теплорассеивающей поверхности и свойств теплопередающих поверхностей, характеризуемых коэффициентом передачи.
Наиболее близким решением, а следовательно, прототипом является секция радиатора сотового типа, которая состоит из множества охлаждающих трубок круглого сечения с шестигранными основаниями [2]. Пакеты охлаждающих трубок установлены между коллекторами, в шахматном порядке. Длина трубок зависит от мощности радиатора. Трубки радиатора сотового типа расположены шестигранными отверстиями горизонтально по направлению движения тепловоза (Фиг. 1). Концы трубок вставлены в специально предусмотренные для новой конструкции отверстия трубных решеток. Трубки расположены горизонтально параллельно друг другу, расстояние между ними зависит от мощности радиатора, через который протекает охлаждающая жидкость, шестигранные концы их спаяны.
Технический результат работы данного радиатора, заключается в том,
что нагретая охлаждающая жидкость движется между охлаждающими трубками, омывая их наружные поверхности, в результате чего охлаждающие трубки нагреваются и передают тепло внутренней поверхности трубки. При протекании внутри трубок охлаждающий воздух нагревается, после чего попадает в окружающую среду, и теплота рассеивается.
При получении оптимальных массогабаритных показателей при создании данного типа радиатора необходимо обеспечить наибольшую площадь охлаждения, омываемую воздухом, для чего необходимо стремиться расположить как можно больше охлаждающих трубок в ограниченном объеме путем уменьшения диаметра трубки и расстояний между ними. С другой стороны, с точки зрения трудоемкости сборки и последующего обслуживания необходимо принять диаметры трубок и расстояния между ними удобными для работы при создании, сборке, техническом обслуживании и ремонте.
Наиболее оптимальным расположением трубок в радиаторе является шахматное, в результате чего при данном расположении становится максимально возможным использовать весь полезный объем радиатора при обеспечении заданной поверхности охлаждения радиатора. Дополнительно обтекание трубы в пучке отличается от обтекания одиночной трубы, поскольку на него оказывают положительное воздействие рядом стоящие трубы. Между соседними трубами в отдельном поперечно-обтекаемом ряду образуются сужения, которые дополнительно изменяют градиент давления. В той же мере изменяются распределения скорости над трубой и характер вихревого обтекания кормовой ее части. В шахматном пучке течение жидкости в некоторой степени соответствует течению по изогнутому каналу, когда поочередно происходит сужение и расширение. Поэтому поля скоростей по глубине шахматных пучков тождественны.
f
f
f
При этом влияние расположения труб на среднюю теплоотдачу трубы в пучке разное при различных значениях числа рейнольдца Re (число, характеризующее параметры течения вязкой жидкости). При низких числах Re теплоотдача трубы в первом ряду пучка практически совпадает с теплоотдачей одиночного цилиндра и теплоотдачей трубы в глубинном ряду. При больших числах Re турбулентность потока в межтрубном пространстве пучков увеличивается, что соответствующим образом повышает и интенсивность теплоотдачи трубы в глубинном ряду по сравнению с теплоотдачей в первом ряду, так как ряды труб в пучке являются турбулизаторами потока. В большинстве случаев теплоотдача по глубине пучков труб стабилизируется, начиная с третьего или четвертого ряда. В общем, в зависимости от заданных параметров радиатора можно увеличить турбулентность потока и теплоотдачу труб глубинных рядов по сравнению с теплоотдачей труб первого ряда на 10-50%, а теплоотдача труб во втором ряду на 5-15% ниже, чем в глубинном ряду [3]. Что в общем конечном итоге приводит к интенсификации теплообменных процессов и более эффективной передаче тепла от жидкости к материалу трубок.
Если интенсивность теплопередачи тепла от жидкости к трубкам при
изменении параметров радиатора можно сделать оптимальной, то по результатам проведенных термодинамических расчетов передача тепла от внутренней поверхности трубки к охлаждающему воздуху происходит менее эффективно (Фиг. 2). По результатам термодинамического расчета типовой трубки 1 сотового радиатора получены диаграммы, отражающие температурные поля установившегося процесса теплообмена. В процессе теплообмена трубку снаружи обтекает нагретая жидкость, внутри трубки проходит охлаждающий воздух, который нагревается по мере движения по трубке. Как видно по температурным диаграммам продольного 2 и поперечного 3 разрезов трубки, более 30% внутреннего объема воздуха при прохождении трубки не успевает прогреться.
Параллелепипедальная форма корпуса радиатора 4 является нерациональной (Фиг. 3), так как при шахматном расположении охлаждающих элементов остаются объемы габаритного пространства радиатора 5 без использования, что для наглядности закрашены красным цветом на выносном элементе А, данные объемы заполняются дополнительными объемами охлаждающей жидкости, что увеличивает ее общий объем в системе охлаждения. Дополнительно прямоугольная форма стенок является недостаточно жесткой при изготовлении радиатора и требует увеличения толщины боковых стенок, что требует дополнительного расхода метала при изготовлении.
Основными недостатками прототипа являются:
1. Недостаточная площадь поверхности охлаждения, омываемая охлаждающим воздухом при сравнении с типовыми секциями радиатора, представляющими собой пучки плоскоовальных трубок, оребренные медными пластинами.
2. Нерациональное использование массогабаритных показателей при использовании прямоугольной формы корпуса радиатора.
Задачей изобретения является модификация конструкции радиатора с целью увеличения площади радиатора, омываемой воздухом, и улучшение габаритных показателей радиатора при сотовом расположении трубок.
Поставленная задача увеличения площади радиатора, омываемой воздухом, решается за счет применения турбулизующих вставок. В радиаторе сотового типа для охлаждения масла и воды, состоящем из охлаждающих трубок круглого сечения с шестигранными основаниями, расположенными горизонтально по направлению движения тепловоза для обеспечения прохождения воздуха по трубке, в соответствии с изобретением в охлаждающие трубки круглого сечения впаиваются турбулизирующие вставки, причем толщина пластины турбулизирующей вставки уменьшается от края трубки к ее центру. Форма боковых стенок корпуса радиатора изменена в форме волны таким образом, чтобы один радиатор по волне входил в другой, с возможностью добавления в габаритные параметры радиатора дополнительных трубок.
Предлагается модифицировать конструкцию сотового радиатора путем осуществления вложения в охлаждающие трубки диаметром D, толщиной s турбулизирующих вставок 6 (Фиг. 4) или 8 (Фиг. 5) и последующей их спайки с трубкой 1. Турбулизирующая вставка может быть двух типов поперечного сечения а) и б).
Сечение а) состоит из n медных пластин 7 (Фиг. 4), соединенных между собой крест-накрест, путем разреза по центру до середины прямоугольных пластин и вставки их друг в друга. Данная вставка может быть нескольких видов и различается количеством пластин в зависимости от диаметра трубки и необходимой поверхности охлаждения. После сборки турбулизирующую вставку закручивают с шагом закрутки h. Для снижения сопротивления воздуха при прохождении радиатора в закрученной турбулизирующей вставке проделаны к отверстий диаметром d, центры которых равномерно расположены по окружности, проходящей через середину длины радиуса трубки. Для эффективной работы ребра и рационального использования цветных металлов толщина турбулизирующих вставок уменьшается от края трубки к ее центру соответственно от толщины Т до толщины t.
Турбулизирующая вставка с сечением б) (Фиг. 5) собирается из трех медных прямоугольных листов. Каждый из листов загибают в виде швеллера и на уголках швеллера с каждой стороны на небольшом расстоянии делают небольшие прорезы до середины. При этом разрезы на двух пластинах 9 вставки делают с одной стороны на обоих уголках, на третьей пластине 10 разрезы делают на одном уголке с одной стороны и с другой стороны пластины на противоположном уголке. При сборке последовательно соединяют пластины 9 и 10 одним уголком, далее с противоположной стороны третьей пластиной 9 соединяют два оставшихся угла швеллеров, в результате чего производится скрепление всей конструкции вставки. Данная конструкция вставки не предусматривает закрутку пластин. Но в зависимости от диаметра трубки D при ее использовании можно добиться равномерного распределения живого сечения воздуха между каналами путем изменения ширины сторон и углов загиба пластины в швеллер. Применение данной вставки возможно, когда требуется обеспечить максимальную площадь охлаждения в трубках небольшого диаметра с минимальным сопротивлением движения воздуха, так как в данной вставке очень хорошо сочетается большая площадь охлаждения с равномерным распределением живого сечения для прохода воздуха по каналам в охлаждающем элементе, что снизит интенсивность их загрязнения в эксплуатации.
Для увеличения площади спаивания турбулизирующих вставок с трубкой края медных пластин вставок загибают. При спайке первоначально производят облужение припоем внутренней поверхности трубки и наружных краев турбулизирующей вставки. Затем турбулизирующую вставку вставляют в трубку и производят ее нагрев. При высокой температуре припой расплавляется и под действием капиллярных сил заполняет точки контакта трубки с турбулизирующей вставкой, в результате чего производится спаивание. Для улучшения качества пайки листы турбулизирующей вставки предварительно загибают 12, для наглядности показано на выносном элементе Б. Трубка, спаянная с турбулизирующей вставкой, далее будет называться охлаждающим элементом.
Вне зависимости от формы и типа турбулизирующей вставки для исключения интенсивного загрязнения радиатора в условиях эксплуатации одним из условий является соблюдение минимальных линейных размеров каналов для прохода воздуха, которые должны быть не менее 2,3 мм.
При изготовлении турбулизирующих вставок для улучшения теплоотдачи на медных пластинах вставок выдавлены небольшие бугорки,
способствующие завихрению проходящего по ним воздуха.
Применением турбулизирующих вставок можно добиться (в зависимости от конструкции вставки) увеличения поверхности охлаждения омываемой воздухом радиатора в 1.5÷3 раза.
Выполнение закрутки турбулизирующей вставки с шагом h создаст эффект закручивания (турбулизации) охлаждающего воздуха при прохождении внутри охлаждающего элемента, изменение траекторий движения воздуха приведено на диаграмме 12 (Фиг. 6). Турбулизация воздуха способствует уменьшению толщины ламинарного пограничного слоя, что приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи охлаждающего элемента на единицу площади охлаждающей поверхности на 9-24% в зависимости от величины угла закручивания и скорости течения охлаждающего воздуха. По результатам термодинамического расчета предлагаемой трубки с турбулизирующей вставкой сотового радиатора получена диаграмма 13, на которой отражен процесс теплообмена. Расчеты охлаждающего элемента проводились при одинаковых условиях, что и расчет типовой трубки. На данной диаграмме видно, что входящий охлаждающий воздух интенсивно нагревается и на выходе из трубки имеет температуру, сопоставимую с температурой нагретой жидкости, которая омывает трубку. Что хорошо просматривается на трех сечениях, расположенных по ходу движения охлаждающего воздуха: в начале трубки сечение В, в середине трубки сечение Г и в конце трубки сечение Д. По результатам расчета применение турбулизирующей вставки (в зависимости от конструкции) в общем повышает эффективность теплообменных процессов в радиаторе в 2-3,5 раза.
Задача улучшения габаритных показателей радиатора решается следующим образом. Известно, что радиаторы в локомотиве расположены в ряд, устанавливаются параллельно друг другу с минимальными зазорами меду ними, в результате чего предлагается для эффективного использования габаритных размеров радиатора и увеличения поверхности охлаждения изменить форму боковых стенок его корпуса в форме волны таким образом, чтобы один радиатор по волне входил в другой 14 (Фиг. 7). В результате чего в габаритные параметры радиатора можно будет добавить дополнительные трубки 15, показанные для наглядности синим цветом на выносном элементе Е, которые увеличат поверхность охлаждения радиатора на 4-10% и на соответствующую величину уменьшится объем необходимой охлаждающей заполненной жидкости в радиаторе. Дополнительно изменение боковых стенок в волну придаст корпусу радиатора жесткость и прочность, необходимую при транспортировке при снятии с тепловоза, при выполнении ремонта и технического обслуживания секций радиатора.
Список литературы
1. Тепловозы: механическое оборудование, устройство и ремонт [Текст] / А.А. Пойда, Н.М. Хуторянский, В.Е. Кононов. - Москва: Транспорт, 1988. - 480 с.
2. Пат. Российская Федерация 76076, МПК F01P 3/00. Радиатор сотового типа для охлаждения масла и воды [Текст] / Мельниченко О.В., Горбаток С.А., Газизов Ю.В.; заявитель и патентообладатель Иркутский гос-ый ун-т путей сообщения. - №2008114482/22; заявл. 14.04.08; опубл. 10.09.08.
3. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982. 472 с.