Классификация и конструктивные схемы теплообменных аппаратов ДВС

Классификация и конструктивные схемы теплообменных аппаратов ДВС

Охладители наддувочного воздуха, охладители воды и масла всех типов – классификация, конструктивные схемы, виды поверхностей теплообмена, примеры выполненных конструкций теплообменников и их особенности.

 

В системах охлаждения ДВС используются различные теплообменники. Все они, как правило, являются рекуперативными. К рекуперативным относят теплообменники, в которых теплопередача происходит через стенку, разделяющую теплоносители.

Существует множество теплообменников иного типа. В частности, известны водоконтактные теплообменники, к которым относятся градирни. Их применяют в стационарной энергетике, в том числе и для охлаждения дизелей. Градирня представляет собой башенную конструкцию, которая обычно заполнена решётчатыми элементами из дерева, керамики или металла. Горячая вода распыливается над заполнителем и стекает по нему вниз. Наличие заполнителя увеличивает время прохождения воды через зону охлаждения и увеличивает поверхность контакта воды с охлаждающими воздухом. Воздух поступает в башню градирни снизу и выходит в верхней части. Воздух может прокачиваться вентилятором или под действием естественной конвекции. Охлаждённая вода собирается в ёмкость в нижней части градирни, откуда насосом направляется в систему охлаждения. Градирни относительно просты и дёшевы, но велики по размерам, подвергают теплоноситель запыливанию и замораживанию в зимнее время. Известны также водоконтактно-испарительные аппараты, в которых охлаждение жидкости производится при барботировании (продувании воздуха через объём с водой). В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания могут быть применены регенеративные теплообменники. В частности, они могут использоваться для подогревания всасываемого воздуха выхлопными газами. Конструктивно такой теплообменник можно представить как сетчатый барабан, заполненный металлической стружкой или аналогичным пористым материалом с близкой теплоёмкостью. Барабан вращается относительно оси. Обычно диаметр барабана больше его осевой длины. Параллельно оси вращения к поверхности барабана подведены две трубы. По одной идут выхлопные газы. По другой всасывается воздух. После прогрева набивки барабана выпускными газами она способна нагревать просасываемый через неё воздух, когда прогретый фрагмент переместится к срезу всасывающей трубы в результате вращения барабана.

Кроме рассмотренных конструкций, получивших хотя бы некоторое распространение, известны и иные, практически не применявшиеся в серийных устройствах, например жидкостно-плёночные, вакуумно-испарительные и некоторые другие. В то же время основным типом теплообменного аппарата в системах ДВС остаётся рекуперативный, который имеет достаточно много разновидностей, различающихся по многим параметрам. Существующее многообразие отличий является причиной того, чтобы систематизированное представление об этих аппаратах давалось основе их классификации. Предлагаемая классификация делит аппараты по следующим основным признакам.

1. По назначению.

2. По виду теплоносителей.

3. По схеме взаимного течения теплоносителей в теплообменнике.

4. По особенностям перемешивания теплоносителей в каждом последующем сечении по ходу теплоносителей.

5. По виду поверхности теплообмена.

6. По общей схеме конструкции теплообменника.

По назначению теплообменники ДВС можно разделить на охладители наддувочного воздуха (ОНВ), охладители воды (ВО), маслоохладители (МО), охладители топлива (ТО), охладители гидравлических жидкостей (ОГ), подогреватели воды, масла, топлива и наддувочного воздуха.

По виду теплоносителей различают газо-жидкостные (воздухо-жидкостные), воздухо-воздушные (газо-воздушные, газо-газовые), жидкостно-жидкостные теплообменники. Соответственно ОНВ бывают воздухо-воздушными и воздухо-водяными, ВО бывают водо-водяными и водо-воздушными (радиаторы), МО бывают жидкостно-масляными (ЖМТ) или воздухо-масляными (масляные радиаторы). Аналогично делаются охладители гидравлических жидкостей. Охладители топлива обычно выполняют жидкостными, а подогреватели иногда паровыми. Могут также применяться элекетроподогроеватели. В качестве подогревателей всех типов часто выступают охладители, в которые подают греющую среду вместо охлаждающей. Иногда подогреватели делаются в виде специальных конструкций и подсоединяются к специальным теплоносителям (например, к паровой магистрали).

По схеме взаимного течения теплоносителей (см. рис.1.1) различают теплообменники противоточные (а), прямоточные (б), перекрёстноточные (в), с реверсивным током (г). Кроме этих основных схем применяют конструкции с многократным перекрёстным током при общем противотоке (д), теплообменники с многократным реверсивным током (е) и ряд других. Нередко действительная схема взаимного течения теплоносителей не может быть отнесена чётко ни к одному из известных и описанных вариантов или отнесена к ним с определёнными отклонениями. Рассматривая перекрёстноточные теплообменники, выделим понятие ход как часть теплообменного элемента в пределах однократного пересечения потоков теплоносителей (см. рис.1.1 д). При этом отдельным ходом (или точнее термодинамическим ходом) можно считать только очередную часть теплообменного элемента в пределах однократного пересечения теплоносителей, которая будет смещена относительно предыдущей вдоль по течению или против течения второго теплоносителя.

 

 

Рис 1.1. Схемы взаимного течения теплоносителей

 

Если часть теплообменного элемента с однократным пересечением потоков смещается перпендикулярно ходу течения второго теплоносителя, то такая часть ходом с точки зрения теории теплообмена не считается. Эту часть в данном случае можно считать гидравлическим ходом. Например, радиатор, в котором течение воды организовано в соответствии со схемой рис. 1.2, с точки зрения теплотехники следует считать по схеме однократно перекрёстноточным, хотя его теплообменный элемент четырежды пересекается потоком воды. Как видно, все эти пересечения находятся в одной плоскости, перпендикулярной потоку второго теплоносителя (в пределах одного термодинамического хода).

 

 

Рис. 1.2. Схема радиатора с однократным перекрёстным теплотехническим током теплоносителей и четырьмя гидравлическими ходами по воде.

Число термодинамических ходов в теплообменнике обозначается b_т, число гидравлических ходов в пределах одного теплотехнического хода b_г. Общее число конструктивных ходов в теплообменнике тогда равно их произведению

.

По особенностям перемешивания теплоносителя в каждом последующем сечении по ходу теплоносителя теплообменники бывают с перемешиваемыми и не перемешиваемыми теплоносителями, причём каждое из названных выше определений может относиться либо сразу к двум теплоносителям, либо каждый теплоноситель может иметь свой характер перемешивания. Примером перемешиваемого или смешиваемого течения может быть течение воздуха поперёк пучка труб. Здесь за каждым рядом труб воздух полностью перемешивается по всему сечению теплообменника. В результате этого изменение температуры воздуха по ходу теплоносителя зависит только от одной координаты – длины теплообменника по ходу течения воздушного потока. Перпендикулярно этому направлению вдоль или поперёк трубок в любой точке сечения теплообменника температура воздуха теоретически одинакова. Примером не смешиваемого течения теплоносителя может быть ток воды по трубкам пучка перпендикулярно потоку воздуха. В первом ряду трубок по ходу воздуха вода будет нагреваться сильнее, поскольку воздух здесь самый горячий, а в последующих рядах трубок вода будет нагреваться слабее. В результате в каждом сечении водяного потока, перпендикулярного пучку трубок, в том числе и в сечении на выходе из трубного пучка температура воды различна в различных точках сечения, т.е. температура воды будет функцией не только координаты, направленной вдоль по ходу течения потока, но и координаты, направленной по ходу течения воздуха, перпендикулярно названному выше направлению. Кроме отмеченной особенности перемешивания в пределах хода учитывается также перемешивание или не перемешивание потока между ходами. Отмеченные особенности перемешиваний и соответственного характера изменения температур будут влиять в конечном счёте на значение средней по сечению температуры и, соответственно, на эффективность охлаждения в том или ином теплообменнике. Эти особенности, связанные с характером перемешивания потоков, должны учитываться выбором соответствующих расчётных зависимостей при формировании методики расчёта каждого конкретного теплообменника.

По виду поверхности теплообмена рекуперативные теплообменники в основном делят на трубчатые, пластинчатые и трубчато-пластинчатые. Для подробной характеристики теплообменника может использоваться и более обстоятельная классификация в этом направлении, при которой будут определены дополнительные характеристики поверхностей теплообмена (ПТ). Последние, как правило, связаны с дополнениями к уже названным особенностям классификации. Например, можно дать такое определение одному из возможных видов ПТ: «шахматный пучок из круглых труб с индивидуальным ленточным оребрением ».

По общей схеме конструкции теплообменники можно подразделить на кожухотрубные, кожухокоробчатые, типа «труба в трубе», змеевиковые, пакетнопластинчатые и некоторые другие. Примером кожухотрубного теплообменника может служить водоводяной теплообменник с корпусом (кожухом) в виде трубы относительно большого диаметра, в которой размещается трубный пучок из труб малого диаметра. Кожухокоробчатым можно назвать охладитель наддувочного воздуха, в котором теплообменный элемент (пакет или пучок) установлен в коробчатом кожухе. Этот кожух имеет патрубки для подвода и отвода воздуха, а его пакет снабжён крышками с патрубками отвода – подвода воды. Теплообменник типа «труба в трубе» выполнен наподобие кожухотрубного, но только в его кожухе вместо пучка труб устанавливается одна труба. Обычно такой теплообменник имеет малое поперечное сечение при большой длине корпуса. Пакетнопластнчатые (также называемые консольными) теплообменники имеют конструкцию, в которой короб отсутствует, а соединение пластин в пакете производится стяжными анкерами, проходящими через специальные отверстия в наружных углах пластин. В таком теплообменнике две наружные пластины обычно делают утолщёнными (они выполняют роль опорных плит). Прочие пластины зажимаются между ними. Разновидностью таких теплообменников может быть неразборная конструкция, в которой пластины соединяются сваркой или пайкой (спеканием). По таким схемам могут быть изготовлены охладители воды, масла и наддувочного воздуха. Змеевиковые теплообменники могут быть выполнены на основе трубчатого корпуса сравнительно большого диаметра, в который вставляются змеевики, выполненные в виде спиральных «дисков», образованных сгибанием в одной плоскости труб относительно малого диаметра. Начало и конец трубы в каждом таком «диске» соединяется с общим для всех «дисков» коллектором. Примером такого теплообменника может служить утилизационный котёл. В нём через трубчатый корпус снизу поступают выхлопные газы, которые омывают «диски» из тонких труб, проходя перпендикулярно их плоскости. Внутри спиральных труб проходит вода или пар. Возможны иные конструктивные варианты змеевиковых теплообменников.

 

Охладители наддувочного воздуха ДВС

Рис. 1.3. Схемы размещения трубного пучка ОНВ в кожухе: а – верхняя доска подвижна, водяные патрубки снизу; б – то же при водяных патрубках сверху и снизу; в – компенсация…

Охладители воды и масла.

Водо-водяные охладители судовых ДВС (или ВВО)выполняются в виде кожухотрубных или пакетнопластинчатых теплообменников. Конструктивная схема…  

Вопросы для самопроверки к главе 1.

1. Что представляют собой возможные варианты конструкций охладителей наддувочного воздуха? Каковы причины, вызывающие существенные различия в конструкциях?

2. Из каких основных элементов состоит типичная конструкция охладителя наддувочного воздуха?

3. Какой вид поверхности теплообмена применяют в ОНВ и почему?

4. Что представляют собой возможные варианты конструкций водо-водяных охладителей (ВВО)? Сравнить между собой кожухотрубный и консольный охладители воды.

5. Какие виды поверхности теплообмена применяют в ВВО и почему?

6. Привести примеры существенно различных конструкций жидкостных охладителей масла (ЖМТ) и объяснить, в связи с чем они имеют место.

7. Какие виды поверхности теплообмена применяют в ЖМТ и почему?

8. Что представляют собой типичные конструкции воздухо-водяных радиаторов (ВВР) транспортных двигателей? Привести примеры конструкций с существенными различиями и объяснить их причины.

9. Назвать основные элементы конструкции ВВР.

10. Какие виды поверхности теплообмена применяют при изготовлении ВВР и ВМР?

11. Что представляют собой типичные конструкции воздухомасляных радиаторов (ВМР) транспортных двигателей? Указать причины, которые могут вызывать существенные отличия.

Конец главы 1