5 Расчет охлаждающего устройства тепловоза

5.1. Разработка расчетной схемы охлаждения

Расчет охлаждающего устройства (ОУ) производится с целью определения оптимальной поверхности охлаждения и параметров вентилятора.

Данный раздел начинается с подробного описания классификации охлаждающего устройства проектируемого тепловоза по следующим признакам:

– по схемам системы охлаждения;

– месту расположения радиаторов;

– форме расположения радиаторов;

– числу радиаторов;

– этажности радиаторов;

– конструкции шахты;

– схеме работы вентиляторов;

– количеству вентиляторов;

– способу регулирования температуры жидкости.

После этого составляется расчетная схема системы охлаждения. В ней следует показать расположение радиаторов в каждом контуре охлаждения, расположение вентиляторов, направление движения жидкости в каждом контуре и направление движения воздуха через радиаторы. Расчетная схема должна соответствовать тепловозу-образцу и выполнена в двух видах: сверху и сбоку тепловоза. На рис.1 показан пример расчетной схемы охлаждения.

Рисунок 1 Расчетная схема системы охлаждения

5.2 Расчет оптимальной поверхности охлаждения

Для решения поставленной задачи, необходимо определить количество тепла, отводимого от воды ДВС, Q_B, масла Q_М и наддувочного воздуха Q_HB , по общему уравнению, кДЖ/с,

Q_B = (_B b_e N_e Q_H^B) 3600, (1)

Q_M = (_M b_e N_e Q_H^B) 3600, (2)

Q_НВ = (_НВ b_e N_e Q_H^B) 3600, (3)

где Q_i - количество тепла отводимое с охлаждающей жидкостью, кДж/с;  _i – доля тепла сгоревшего в ДВС топлива, отводимая в ОУ данным теплоносителем; b_e – удельный расход топлива ДВС, кг/ кВт ч; N_e – эффективная мощность ДВС, кВт; Q_Н^Р – низшая теплота сгорания дизельного топлива, 42500 кДж/ кг.

В табл. 2 приведены основные технические характеристики современных тепловозных ДВС.

Таблица 2

Основные технические характеристики ДВС

Характеристика	ПД1М (ТЭМ2)	2-26ДГ (ТЭМ7)	2Д100 (2ТЭ3)	10Д100 ( ТЭ10)	14Д40 (М62)	11Д45 (ТЭП60)	5Д49 (2ТЭ116)	2В-9 ДГ (2ТЭ121,ТЭП70)
Ne, кВт	882	1470	1470	2200	1476	2200	2200	2940
b e , кг/ кВт ч	0,231	0,210	0,231	0,218	0,218	0,231	0,214	0,207
Теплоотвод, %: в воду ДВС, В в масло, М в воду, охлаждающую наддвувочный воздух, НВ	22,5 3,1 2,0	16,5 9,8 5,7	15,7 9,8 –	16,0 11,0 4,1	16,0 8,6 –	17,0 8,9 4,5	14,9 8,1 6,4	13,4 6,4 7,5

После определения количества тепла от теплоносителей необходимо задаться их температурами, согласно нижеприведенным рекомендациям.

Температура наружного воздуха: ₁ = + 40 ⁰С.

Температура воздуха после охлаждения водяных радиаторов ДВС:

– при водяной системе открытого типа

₂^В = ₁ + (25 - 35) ⁰C; (4)

– при водяной системе закрытого типа

₂^В = ₁ + (35 - 45) ⁰C. (5)

Температура воздуха после охлаждения водяных радиаторов второго контура

₂^В = ₁ + (15 - 20) ⁰C. (6)

Температура воздуха после охлаждения масляных радиаторов

₂^М = ₁ + (15 - 18) ⁰C. (7)

Температура воды на выходе из ДВС:

– при водяной системе открытого типа t₁^B = 85 …90 ⁰C;

– при водяной системе закрытого типа t₁^B = 105 ⁰C;

– при водяной системе закрытого типа (высокотемпературная)

t₁^B = 120…130 ⁰C;

Температура масла на выходе из ДВС:

– при водяной системе открытого типа t₁^M = 80…85 ⁰C;

– при водяной системе закрытого типа температура масла поддерживается на уровне температуры воды.

Температура воды ДВС после охлаждения в радиаторах ОУ

t₂^B = t₁^B – (8 - 10) ⁰C. (8)

Температура масла после охлаждения в радиаторах ОУ

t₂^M = t₁^M – (10 - 15) ⁰C. (9)

Температура воды на входе в холодильник наддувочного воздуха

t₁^HB = 70…75 ⁰C.

Температура воды на выходе из холодильника наддувочного воздуха

t₂^HB = t₁^HB + (3 - 5) ⁰C. (10)

Температура воды на входе в радиаторы второго контура при выходе из холодильника наддувочного воздуха -75 – 78 ⁰С, при выходе из водомасляного теплообменника – 70 – 75 ⁰С.

После выбора температур производится расчет оптимальной поверхности охлаждения, расхода жидкости и воздуха путем решения трех уравнений:

–уравнения теплопередачи в ОУ, кДж/с,

Q = K Ft, (11)

– уравнения теплового баланса при отдаче тепла от жидкости к стенке, кДж/с,

Q = c_Ж G_Ж (t₁ – t₂); (12)

– уравнение теплового баланса при передачи тепла от стенки к воздуху, кДж/с,

Q = c_ВЗ G_ВЗ (₁ - ₂), (13)

где К – коэффициент теплопередачи от жидкости к воздуху, кВт/(м²К);  F – расчетная поверхность охлаждения, м²; t – средний температурный напор, т.е. средняя разность температур охлаждаемой жидкости и нагреваемого воздуха, ⁰С,

t = [(t₁ + t₂)/2] – [(₁ + ₂)/2], (14)

где t₁ и t₂ – температура жидкости перед ОУ и за ними, ⁰С; с_Ж и с_В – удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости и воздуха. Для воды с_В = 4,19 кДж/(кг К), для воздуха с_ВЗ = 1 кДж/(кг К); G_Ж , G_В – весовой расход жидкости и воздуха, кг/ час.

Для решения поставленной задачи необходимо определить коэффициент теплопередачи радиаторов. Коэффициент теплопередачи для водяных радиаторов К_В определяется из графической зависимости, построенной на основании аналитических расчетов, исходя из значений массовой скорости воздуха U_В и скорости воды в трубках радиаторов – V_B (рис. 2).

Массовая скорость воздуха в водяных радиаторах принимается в пределах 8–10 кг/(м²с). Массовая скорость в масляных радиаторах зависит от их расположения относительно водяных: при однорядном расположении радиаторов в холодильной камере (тепловоз ТЭМ2), массовая скорость воздуха определяется из условий равенства сопротивлений h водяных и масляных радиаторов, размещенных в одном ряду по фронту воздушного потока, т. е.

h_В = h_{М .} (15)

В свою очередь для стандартных водяных радиаторов

h_B = 4,6 U_В^1,83 (16)

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопередачи

водяных радиаторов от U_В и V_В

Для стандартных масляных радиаторов

h_M = 4,8 U_M^1,75. (17)

Тогда для принятых водяных радиаторов U_В из нижеприведенного соотношения определяют U_М

4,8U_M^1,75 = 4,6U_B^1,83. (18)

При двухрядном (последовательном) расположении масляных и водяных радиаторов (тепловоз 2ТЭ3) массовая скорость воздуха в масляных радиаторах U_М определяется из условия, что количество воздуха, проходящего через масляные и водяные радиаторы, одинаково:

U_M W_M = U_B W_B, (19)

где W_М и W_В – площадь живого сечения для прохода воздуха соответственно в масляном и водяном радиаторах, м², (см. [4]).

Откуда U_M = U_B (W_B / W_M ). (20)

Коэффициент теплопередачи К_М для масляных радиаторов определяется из рис. 3 по U_M и принятой V_M .

Характеристики современных радиаторов приведены в [4]. Линейные скорости движения жидкостей в радиаторах принимаются в пределах:

V_В = 0,9–1,2 м/с, V_М = 0,12–0,36 м/с.

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопередачи

масляных радиаторов от U_М и V_М

Подставляя найденные значения U_i и V_i в графические зависимости, изображенные на рис. 2 и 3, определяют значения коэффициента теплопередачи для водяных К_В и , при необходимости, для масляных радиаторов К_М.

После определения коэффициентов теплопередачи производят расчет поверхности охлаждения F, м², используя уравнение (11):

F_i = Q/ (К_i t). (21)

В связи с тем, что трубки радиаторов в процессе эксплуатации загрязняются, рассчитанную поверхность охлаждения увеличивают на  10 – 15 %,м,

F_Дi = (1.1 – 1.15) F_i. (22)

Далее определяют количество радиаторов в ОУ:

Z = F_Дi /  F, (23)

где F – поверхность охлаждения, омываемая воздухом, одного радиатора, м².

Если ОУ состоит из серийных и коротких радиаторов, то их общее количество рассчитывается следующим образом:

Z = F_Дi / (Fc + F_K), (24)

а число серийных и коротких радиаторов определяется как

Z_C = Z_K = Z. (25)

После расчета числа радиаторов определяют расход жидкости и воздуха, кг/с,

G_{Ж i} = Q_i/ [c_Ж (t₁ – t₂)], (26)

G_{В i} = Q_i/ [c_В (₁ – ₂)]. (27)

Правильность выполненного расчета проверяют путем определения количества воздуха, которое может пройти через найденное число радиаторов, кг/с. Для ОУ, состоящих из одних серийных радиаторов:

G_В¹ = Z U_i W. (28)

Для ОУ состоящих из серийных и коротких радиаторов

G_B¹ = U_i (Z_C W_C + Z_К W_К). (29)

Разница между значениями G_B и G_B¹ не должна превышать 2–3 %, в противном случае необходимо произвести перерасчет количества радиаторов.

Решение системы трех уравнений производится для каждого водяного контура проектируемого тепловоза. При расчете первого контура учитывается тепло, отводимое от ДВС. При расчете второго контура учитывается тепло, отводимое от масла и наддувочного воздуха или только от наддувочного воздуха (см. табл. 2).