Рис. 128. Водовоздушиая секция радиатора:

/ - боковой щиток; 2 - охлаждающая пластина; 3 - усилительная пластина; 4 - решетка; 5 - корпус; 6 - плоская трубка; 7 ~ отверстие для прохода воды; 8 - отверстие для крепежной шпильки

Водовоздушную секцию радиатора (рис. 128) выполняют из плоскоовальных бесшовных трубок 6, изготовленных из латуни Л96. Плоскоовальные трубки имеют сечение обтекаемой формы, поэтому их аэродинамическое сопротивление потоку воздуха значительно меньше, чем у круглых. Трубки с внешними размерами 19,5x2,2 мм и толщиной стенки 0,55 мм расположены в шахматном порядке по направлению потока воздуха, так как при шахматных пучках труб и прочих равных условиях коэффициенты теплоотдачи от поверхности трубок к воздуху выше, чем при коридорных.

Количественной характеристикой процесса передачи теплоты в теплообменниках является коэффициент теплопередачи. Для секций радиаторов с оребренными поверхностями коэффициент теплопередачи, Вт/(м-К), отнесенный к наружной поверхности, омываемой воздухом,

1

(1/ai-f 6A)F2 i-f 1/а2

где ttj - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубок к жидкости, Вт/(м-К); аз - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубок к воздуху, Вт/(м-К); б - толщина трубки секции, м; ?1, - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м-К); fi и fа - площадь поверхности, омываемая соответственно жидкостью и воздухом, м. 188

Применяемая в качестве теплоносителя вода характеризуется высоким значением коэффициента теплоотдачи [а = 4650т--н 6400 Вт/(м • К) ] по сравнению с охлаждающим теплоносителем-воздухом [оа = 58-=-175 Вт/(м-К)]. Поэтому все водовоздушные теплообменники со стороны, омываемой воздухом, имеют дополнительное оребрение поверхности охлаждения, которое снижает термическое сопротивление воздушной стороны.

В водовоздушных секциях радиаторов роль коллективного оребрения выполняют медные охлаждающие пластины 2 (см. рис. 128) толщиной 0,1 мм, припаянные к трубкам. Концевые пластины имеют толщину 0,6 мм, что позволяет более точно фиксировать взаимное расположение трубок. Концы трубок вставляют в отверстия в медных трубных решетках 4, развальцовывают и припаивают. Трубные решетки, соединенные пайкой или сваркой со стальными корпусами 5, образуют коллекторы секций радиатора (коробки). Для соединения с коллектором радиатора в каждой коробке имеются отверстия 7 для прохода воды и 8 для крепежных шпилек. Изготовленную секцию подвергают гидравлическим испытаниям при давлении 0,3 МПа.

В последнее время на тепловозах применяют водовоздушные секции с шагом оребрения (расстоянием между охлаждающими пластинами) 2,3 мм. Применение более прогрессивной технологии соединения элементов (способом спекания вместо окунания), изменение конструкции боковых щитков 1 (прямые вместо загнутых) и уменьшение шага оребрения (по сравнению с шагом оребрения секций 2,83 мм) позволяет увеличить поверхность охлаждения секций воздухом, живое сечение для прохода воздуха и одновременно уменьшить массу секций при одинаковых габаритных размерах.

Коэффициент теплопередачи серийных водяных секций зависит главным образом от величины коэффициента теплоотдачи «вз поверхности секции к омывающему ее воздуху. В интервале (7- 12 м/с) обычно применяемых скоростей воздуха коэффициент К = 58-81 Вт/(м-К). Для масловоздушных секций коэффициент теплопередачи равен 21-25 Вт/(м-К), что объясняется низким значением коэффициента теплоотдачи от масла к внутренней поверхности трубок, так как течение жидкости в них ламинарное.

Во ВНИТИ разработана конструкция масловоздушных секций, в трубках которых установлены турбулизаторы. Применение этой конструкции позволило повысить коэффициент теплопередачи секций в 2-2,5 раза. При ламинарном движении жидкости интенсивность теплопередачи невелика, при переходе же в область турбулентного режима она значительно возрастает. Для масел, обладающих большой вязкостью, осуществление турбулентного режима путем увеличения скорости потока невыполнимо. Критические скорости для них настолько велики, что практически их нельзя осуществить вследствие больших гидравлических сопротивлений. Поэтому в масловоздушных секциях используют искус-

ственную турбулизацию потока масла при помощи зигзагообразных пластин, вставляемых внутрь трубок.

Серийные масловоздушные секции по конструкции незначительно отличаются от водовоздушных. В масловоздушных секциях применяют трубки с увеличенным живым сечением для прохода жидкости, что обусловлено значительно большей вязкостью масла. Трубки расположены в коридорном порядке по направлению потока воздуха, и шаг оребрения пластин увеличен до 3,28 мм. Такое расположение трубок вызвано стремлением снизить аэродинамическое сопротивление секций при увеличении поперечного сечения трубок. Увеличение расстояния между пластинами оребрения и уменьшение их числа также снижают аэродинамическое сопротивление. Для масловоздушных секций это вполне оправдано, так как теплопередача в них ограничена вследствие низкого коэффициента теплоотдачи со стороны масла, а не со стороны воздуха, как в водовоздушных секциях.

Опыт эксплуатации тепловозов с масловоздушными радиаторами показал, что секции таких радиаторов работают недостаточно надежно, в процессе эксплуатации наблюдался их массовый выход из строя. При заводских ремонтах число дефектных масловоздушных секций составляло свыше 50%. Такие явления связаны с тем, что при работе тепловозов в номинальном режиме в результате значительной вязкости масла и существенной ее зависимости от температуры давление в секциях достигало 0,4-1 МПа, а при пуске 1,2-1,4 МПа. Кроме того, разность температур первого и последнего по потоку воздуха рядов трубок в зимних условиях составляла 50° С. Поэтому возникали сложные циклические деформации, приводящие в конечном итоге к появлению трещин и течи масла.

Вследствие низкой надежности масловоздушных секций на современных тепловозах для охлаждения масла дизеля их не устанавливают а применяют системы охлаждения с промежуточными водомасляными теплообменниками. Эти системы характеризуются повышенной надежностью, так как исключается воздействхе низких температур окружающего воздуха непосредственно на масло, и снижением затрат на их эксплуатацию и ремонт (табл. 15).

Тепловой расчет радиатора. Целью проектировочного расчета радиатора является определение необходимого числа секций для обеспечения заданной теплорассеивающей способности, а также температур охлаждаемой жидкости и воздуха на выходе из радиатора. Расчет ведут с использованием уравнений теплопередачи

Q = KF М (29)

и теплового баланса

Q = Gic.i {t[ - tl) = G,c,, - t,).

(30)

где Q - количество теплоты, передаваемой в одной секции радиатора от охлаждаемой жидкости (воды, масла), к охлаждающему 190

Геометрические параметры серийных секций радиаторов

Параметр

Водяные секции

Масляные секции *

Расстояние между центрами отверстий крепления,

мм.......

Поверхность теплообмена, мм;

высота . . .

ширина . . .

глубина . . . Размеры трубок,

мм.......

Толщина стенки трубок, мм . . . Шаг расположения трубок, мм: по фронту по глубине Расположение трубок в пучке . . . Число рядов трубок по глубине Число трубок в секции, шт.....

Пластины оребрения:

шаг, мм . .

толщина, мм

число в секции Живое сечение для прохода, м:

воздуха . . .

жидкости . . Поверхность теплообмена, омываемая воздухом, м Поверхность теплообмена, омываемая жидкостью, м. Масса секции, кг

1356 860 686

1206 710 535

152,5 187

19,5X2,2

0,55

16 22

Шахматное

2,83 422X2

0,1361

2,3 0,1

525X2 302X2 232X2

0,149 1 0.0786 0,00132

21,0 29,60 16,9

3 04 45,65 42,25

1,77 27,8

0,0662 0,00132

13,1

1,35 24,55

1356/686

1206/535 152,5 197/200

13,5Х2,9/25,4Х Х3,5

0,55/0,50

14 24/31

Коридорное

80/58

3,28 0,1

364 X 2/159 X2

0,1135/0,04884 0,00336

19,3/8,66

3,76/- 48,0/30,7

♦ в числителе приведены данные масляных секций без турбулнзаторов, знаменателе - с турбулизаторамн.

воздуху, Вт; К - коэффициент теплопередачи секции, Вт/(м-К); F - расчетная поверхность теплообмена одной секции, м; - средний температурный напор в пределах секции между жидкостью и воздухом, °С; и Gg - расход соответственно жидкости и воздуха через секцию радиатора, кг/с; Cpi и сг - средние в пределах секции удельные теплоемкости (при постоянном давлении) соответственно охлаждаемой жидкости и воздуха, Дж/(кг-К); t[vi ti - температура соответственно жидкости и воздуха на входе в секцию, °С; й и /2 - температура соответственно охлаждаемой жидкости и воздуха на выходе из секции, °С.

Используя уравнения (29) и (30), можно вычислить только два неизвестных, тогда как при проектировании нового радиатора неизвестных значительно больше. Поэтому для определения всех неизвестных приходится привлекать дополнительные данные и использовать метод последовательных приближений.

При тепловом расчете тепловозного радиатора, собираемого из серийно выпускаемых секций, основой расчета являются значения коэффициента теплопередачи, полученные в результате экспериментальных исследований соответствующих секций и обобщенные в виде критериальных уравнений. После обработки многочисленных экспериментальных данных по теплопередаче водовоздушных секций получено обобщенное критериальное уравнение следующего вида:

К, = А Re3 ReAe

(31)

где Ki = Kdr/Кз - критерий Кирпичева; - гидравлический диаметр воздушной стороны секции, м; Х - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м-К); Нбвз = «вз «г/р-вз - критерий Рейнольдса для воздушного потока; Ывз - массовая скорость воздуха в наиболее узком сечении секции, кг/(м-с); ,3 - коэффициент динамической вязкости воздуха. Па-с; Яец, = «вд «гва/м-вд - критерий Рейнольдса для потока воды в трубках секции; - массовая скорость воды в трубках, кг/(м-с); гд -гидравлический диаметр трубки, м; р,вд - коэффициент динамической вязкости воды, Па-с; 6= [(Гвд - Твз/Твд] - температурный фактор; Гвд, Твз - абсолютная температура соответственно воды и воздуха на входе в секцию. К; А, п, п, р - постоянные, определяемые экспериментально (табл. 16).

Для водовоздушных секций с шагом оребрения 2,83 мм гидравлический диаметр воздушной стороны dj. = 4,56-10~* м, а для секций с шагом оребрения 2,3 мм 4 = 3,8-10" м. Для всех стандартных водовоздушных секций гидравлический диаметр трубок djA = 2,098-10" м. Чтобы упростить методику теплового расчета радиатора, физические параметры воздуха и воды принимают при их температуре на входе в секцию, а коэффициент теплопередачи относят к среднеарифметическому значению температурного напора.

Значения экспериментальных постоянных (табл. 16), входящих в уравнение (31), зависят от режимов движения теплоносителей 192

В секциях, обусловленных критериями Рейнольдса для потоков воды и воздуха. В результате проведенных исследований теплопередачи серийных секций установлено, что при уменьшении критерия Рейнольдса для потока воды ниже КСвд = 3800 значительно уменьшается интенсивность передачи теплоты. Поэтому массовые скорости воды в трубках секций необходимо принимать такими, чтобы Нсвд > 3800, что соответствует Ывд > 600кг/(м-с) (при = 90 °С).

Температура теплоносителей в пределах тепловозных радиаторов изменяется незначительно, поэтому средний температурный напор

Af = (4 + 4)/2-(4 + 4)/2,

что значительно упрощает методику расчета, так как в этом случае совместное решение уравнений (29) и (30) дает возможность определить необходимое число секций в явном виде

2ИвдСрвд«вД 2ИвзСр8зСйвз /

(32)

где вд, вз - температура соответственно воды и воздуха на входе в секцию, °С; Q - количество теплоты, которое необходимо передать в радиаторе от охлаяодаемой жидкости к охлаждающему воздуху, Вт; Срвд, срвз-средние удельные теплоемкости соответственно воды и воздуха, Дж/(кг-К); «вд. - живое сечение секции соответственно для прохода воды и воздуха, м.

Количество секций радиатора при заданной теплорассеивающей способности Q можно уменьшить, увеличивая разность температур теплоносителей на входе в секции (вд - вз). повышая массовые скорости теплоносителей «вд и «вз в каналах секций.

Для увеличения разности температур теплоносителей необходимо температуру охлаждаемой жидкости дизелей принимать максимально допустимой. С этой целью на современных дизелях ис-

Значения эксперимеитальиых постоянных для серийных секций (при Кбвд > 3800)