Підвищення ефективності тепловозів шляхом використання в охолоджувальному пристрої секцій радіатора з сітчастим оребренням

Размещено на http://www.allbest.ru/

CХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

УДК. 629. 714.

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕПЛОВОЗІВ ШЛЯХОМ ВИКОРИСТАННЯ В ОХОЛОДЖУВАЛЬНОМУ ПРИСТОЇ СЕКЦІЙ РАДІАТОРА З СІТЧАСТИМ ОРЕБРЕННЯМ

05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів

БИКАДОРОВ ВАДИМ ВІКТОРОВИЧ

Луганськ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському державному університеті на кафедрі "Автомобілі", Міністерства освіти України.

Науковий керівник:

Куліков Юрій Андрійович, професор, доктор технічних наук, Східноукраїнський державний університет, завідуючий кафедри "Автомобілі".

Офіційні опоненти:

Коняєв Олексій Миколайович, професор, доктор технічних наук, Східноукраїнський державний університет, професор кафедри "Залізничного транспорту";

Ткаля Василь Степанович, кандидат технічних наук, ведучій інженер лабораторії аеродинаміки та теплотехніки холдінговой компанії "Луганськтепловоз".

Провідна установа - Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, Міністерство транспорту України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "19" березня 1999 р. о 11-00 год. на засіданні спеціалізованої ради Д 29.051.03 при Східноукраїнському державному університеті за адресою: 348034 м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського державного університету, 348040, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а.

Автореферат розісланий "18" лютого 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.І. Осенін.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Одним з головних завдань розвитку народногосподарського комплексу України в умовах економічної кризи, побудови рухомого складу, є освоєння випуску нових економічних і високоефективних тепловозів.

Теплоенергетична установка (ТЕУ) сучасного тепловоза являє собою складний комплекс різноманітного енергетичного устаткування, одним з найважливіших елементів якого є охолоджувальний пристрій (ОП), на долю якого припадає до 7 % потужності ТЕУ і 60 % всієї міді, що використовується в тепловозі. Зараз у конструкції практично всіх теплообмінних апаратів (ТА), що використовуються на локомотивах, застосовується дорога мідь, при цьому слід зазначити, що основна частина витрат міді припадає на водоповітряні секції радіатора.

Актуальність теми. В умовах боротьби за зниження собівартості продукції, а також при пріоритетному розвитку ресурсоощадних технологій стає цілком очевидною необхідність пошуку альтернативних конструкцій водоповітряних радіаторів, при виготовленні яких, витрати міді, інших кольорових металів, а також сплавів, дефіцитних для України, були б зведені до мінімуму, а також дозволили б скоротити витрати потужності на привод вентиляторів ОП тепловозів.

Удосконалення елементів ОП і, в першу чергу, секцій радіатора, на долю яких припадає більше половини маси та вартості системи охолодження, дозволить досягти ефективності допоміжного обладнання тепловоза.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота присвячена вирішенню завдання підвищення ефективності тепловозів шляхом використання в системі охолодження водоповітряних секцій радіатора з сітчастим оребренням, в яких можна звести до мінімуму застосування кольорових металів і сплавів. Вона виконувалася у рамках науково-дослідної роботи "НД й ДКР по створенню водоповітряної секції радіатора з мінімальним використанням у конструкції дефіцитних кольорових металів і сплавів", що проводилася Луганським відділенням Транспортної академії України та Східноукраїнським державним університетом СУДУ на замовлення Холдингової компанії (ХК) "Луганськтепловоз" у рамках робіт, що велися за програмою "Дизель-поїзд" цільової комплексної програми розвитку залізничного транспорту України.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження являється підвищення ефективності тепловозів шляхом використання в системі охолодження водоповітряних секцій радіатора з сітчастим оребренням і мінімальним застосуванням гостродефіцитних кольорових металів і сплавів.

Задачі дослідження:

Визначення основного напрямку та принципу створення водоповітряних секцій радіатора з мінімальним застосуванням у їхній конструкції кольорових металів сплавів.

Теоретичне дослідження процесів тепломасообміну у водоповітряних секціях радіатора з сітчастим оребренням.

Подальший розвиток математичної моделі ОП з урахуванням використання дослідних секцій радіатора з сітчастим оребренням.

Експериментальні дослідження моделей, макетів і натурних секцій радіатора з сітчастим оребренням.

Розробка раціональних варіантів конструкції дослідної секції радіатора з мінімальним використанням кольорових металів і сплавів.

Техніко-економічна оцінка ефективності використання на тепловозах водоповітряних секцій радіатора з сітчастим оребренням.

Наукова новизна одержаних результатів.

Розроблено принципи створення раціональної конструкції водоповітряної секції радіатора з сітчастим оребренням. Одержано аналітичну залежність, що характеризує зв'язок інтенсивності тепловіддачі сітчастої поверхні до питомого теплоутримання потоку, тобто число Стантона для сітчастого оребрення водоповітряних секцій радіатора.

Розроблено методику оптимізації параметрів сітчастої поверхні для теплообмінників рекуперативного типу. Одержано математичну модель ОП тепловоза з урахуванням використання секцій радіатора з сітчастим оребренням.

Одержано параметричні та критеріальні залежності, що описують енергетичні характеристики дослідних секцій залежно від основних параметрів конструкції і режимів роботи.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено алгоритми та програми розрахунку параметрів оребренної сітчастої поверхні водоповітряних секцій радіатора, а також режимів роботи ОП тепловоза з урахуванням дослідних секцій, що дозволяють скоротити обсяг, трудомісткість і вартість дослідних, дослідно-конструкторських та експериментальних робіт при створенні ОП, які впроваджені у ХК "Луганськтепловоз", а також у ВАТ "Людиновотепловоз".

Розроблено, створено й випробувано натурні зразки водоповітряних секцій радіатора з сітчастим оребренням з мінімальним використанням кольорових металів і сплавів, що мають більш високі енергетичні характеристики та дозволяють знизити наведені витрати на ОП.

Доведено техніко-економічну ефективність використання в ОП тепловозів секцій радіатора з сітчастим оребренням.

Особистий внесок здобувача:

розроблено методику оптимізації параметрів сітчастої поверхні для теплообмінників рекуперативного типу. Одержано математичну модель ОП тепловоза з урахуванням використання секцій радіатора з сітчастим оребренням;

розроблено, створено й випробувано натурні зразки водоповітряних секцій радіатора з сітчастим оребренням;

одержано параметричні та критеріальні залежності, що описують енергетичні характеристики дослідних секцій залежно від основних параметрів конструкції і режимів роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на III, IV, V Міжнародних науково-технічних конференціях з проблем розвитку локомотивобудування в 1993, 1994 і 1995 роках, на Міжнародній конференції "Проблеми транспорту" в 1994 році, науково-технічних радах ХК "Луганськтепловоз", а також на науково-технічних конференціях СУДУ.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 робіт. У тому числі: 3 статті у наукових журналах (у співавторстві із науковим керівником, де дисертанту належить доповнення математичної моделі ОП із урахуванням застосування секцій радіатора із сітчастим оребранням), одно авторське свідоцтво, а також 4 депоновані роботи.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел і 3-х додатків. Загальний обсяг роботи 162 сторінок, у тому числі 107 сторінок машинописного тексту, 36 рисунків, 12 таблиць, 129 бібліографії з найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі дається загальна характеристика роботи, визначені мета та завдання досліджень, показані актуальність і новизна теми, подані основні напрямки вирішення завдання.

Перший розділ містить аналіз стану основних напрямків досліджень з питань по підвищенню ефективності секцій радіатора.

Великий обсяг теоретичних та експериментальних досліджень щодо розробки й оптимізації параметрів конструкцій секцій радіатора ОП тепловозів, а також стендові та натурні випробування були проведені у колишньому СРСР різними організаціями: Всесоюзним науково-дослідним інститутом залізничного транспорту, Московським інститутом інженерів транспорту, Всесоюзним науково-дослідним тепловозним інститутом та його Луганським філіалом, Луганським машинобудівним інститутом, Брянським машинобудівним інститутом, Виробничим об'єднанням "Луганськтепловоз" та ін. тепломасообмін радіатор сітчастий оребрення

Величезний внесок у розвиток теоретичних та експериментальних методів дослідження ТА, у тому числі секцій радіатора внесли д.т.н. О.А. Шелест, М.І. Бєлоконь, М.І. Панов, О.П. Третьяков, В.Є. Євенко, В.Д. Кузьмич, Ю.А. Куліков, к.т.н. П.М. Єгунов, Є.Я. Рогачов, Є.О. Ситников, М.С. Малинов, Є.Б. Черток, В.С. Ткаля, В.І. Богданов та ін.

Багаторічні теоретичні та експериментальні дослідження, проведені різними організаціями, дозволили дати оцінку існуючим і перспективним типам секцій радіаторів, накреслити шляхи їхнього удосконалювання.

Одному з перспективних напрямків досліджень у галузі інтенсифікації конвективного теплообміну шляхом використання різних турбулізаторів присвячені роботи різних учених - А.А. Жукаускаса, А.А. Гухмана, Е.А. Калініна, Г.А. Дрейцера, С. А. Ярхо, Г.Н. Вороніна, Є.В. Дубровського, автори наукового відкриття №242 "Закономірність зміни тепловіддачі на стінках каналів з дискретною турбулізацією потоку при змушеній конвекції". Є.І. Мікуліна, Ю.А. Кулікова, В.В. Буркова, Є.О. Ситникова, В. Кейса, А. Лондона, Є. Сперроу, Р. Вебба, С. Клайна та ін.

Згадані вище дослідження А.А. Жукаускаса показали можливість подальшої інтенсифікації процесів тепловіддачі за рахунок використання як турбулізаторів дротів невеликого діаметра. Однак це потребувало проведення спеціальних досліджень з доцільності застосування такого роду оребрення в секціях радіатора.

У зв'язку з перспективою застосування в якості оребрення сітчастої поверхні, що дозволяє істотно збільшити тепловіддачу у повітря, розглянуто питання можливості заміни гостродефіцитних матеріалів, міді та її сплавів, що традиційно використовуються в конструкціях радіаторів тепловозів, на менш дорогі - латунь, сталь та ін., при деякому зниженні енергетичних параметрів секції. Застосування оребрення сітки вимагає зміни технології виготовлення таких радіаторів.

Проведений аналіз попередніх досліджень дозволив сформулювати основні завдання (див. сторінку 2).

У другому розділі подано результати теоретичних досліджень процесів тепломасообміну у водоповітряних секціях радіатора з сітчастим оребренням, а також математична модель процесів тепломасообміну в ОП тепловоза з урахуванням використання дослідних секцій радіатора.

Система диференційних рівнянь динамічного суміжного шару для рішення задачі визначення впливу параметрів сітчастого оребрення на тепломасообмін перетворена у систему рівнянь:

де: с - щільність теплоносія;

щ - швидкість теплоносія;

ср - питома теплоємність теплоносія;

Т - температура у динамічному суміжному шарі;

Р - тиск у динамічному суміжному шарі;

- коефіцієнт теплопровідності;

м - динамічна в'язкість теплоносія;

R - радіус циліндричної поверхні;

x - відстань між сусідніми циліндрами;

з граничними умовами: R x ; 0 _x .

Через складність процесів динамічної та теплової взаємодії потоку з поверхнею теплообміну з сіток було зроблено такі припущення: режим руху потоку теплоносія стаціонарний, на інтенсифікацію теплообміну впливають лише циліндричні поверхні розташовані впоперек потоку теплоносія.

Розв'язанням рівнянь (1), (2), (3) методом інтегральних співвідношень імпульсів, енергії та маси одержано аналітична залежність, що характеризує відношення інтенсивності тепловіддачі сітчастої поверхні до питомої тепломісткості потоку, тобто число Стантона:

- кут між дотичної до циліндричної поверхні та вісью х, град.;

с_СТ і с'_{щ -} щільності теплоносія біля стінки і в центрі потоку, кг/м³;

щ_CТ і щ - швидкості теплоносія біля стінки і в центрі потоку, м/с;

R_х - проекція радіуса циліндричної поверхні на вісь х, м;

St^*=0.485/(Pr^mReⁿ) - критерій Стантона;

K_Z - поправочний коефіцієнт.

Одержаний розв'язок дозволив провести прогнозні дослідження щодо вибору раціональних значень параметрів сітчастого оребрення, а також уточнити математичну модель ОП з урахуванням використання дослідних секцій радіатора:

для першого контуру:

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

де: Q_B - кількість теплоти, що відводиться від води дизеля, кВт;

л=W_ji/W_Bi

- відношення водяних еквівалентів щодо повітря і до води відповідно;

для другого контуру:

де: Q_M, Q_{OHB -} кількість теплоти, що відводиться від масла і наддувного повітря, кВт;

д ₁=2W_B21/W_f21; д ₂=2W_B21/W_f22; л ₁=W_B1/W_O21;

- відношення водяних еквівалентів контуру щодо води і поверхні тепловіддачі з боку повітря для відповідного контуру;

T_1n і T_2n - відповідно температури гарячого й холодного теплоносіїв у шахті ОП;

k_1, k ₂ - коефіцієнт тепловіддачі, що визначається за допомогою виразу (4);

z_in - кількість секцій радіатора і-го контуру, розташованих у шахті ОП.

Рівняння (6), (9), (13) показують баланс теплоти щодо води. Рівняння (5), (10), (11) складені на основі балансу передачі теплоти від води до повітря в групах секцій Z₁, Z₂₂, Z₂₁. Рівняння (7), (14), (15) виражають баланс теплоти між водою та повітрям, а (12) показує баланс теплоти по воді.

Одержані рівняння лінеаризовані за умовою, що середній температурний перепад у секціях радіатора прийнятий за середньоарифметичним значенням, значення коефіцієнтів при невідомих температурах теплоносіїв і правих частин рівняння постійні.

У зв'язку з тим, що аналітичним шляхом визначити вплив усіх факторів, згаданих у математичній моделі (K = f(щ, d, a, t, F₂ та ін.), на енергетичні характеристики секцій радіатора складно, тому необхідно провести експериментальні дослідження моделей секцій радіатора з сітчастим оребренням. Ці дослідження проводяться з метою перевірки й уточнення результатів розрахункових досліджень виразу (4), визначення впливу на теплообмін та опір матеріалу сітчастого оребрення, діаметра дротів сітки (d), розмірів вічка сітки (a), кроку оребрення (t) та вибору раціональних геометричних параметрів поверхні теплообміну для натурних секцій радіатора.

У третьому розділі показано результати експериментальних досліджень моделей, макетів і натурних секцій радіатора з сітчастим оребренням.

Теплоаеродинамічним дослідженням піддавалися моделі секцій із зовнішніми розмірами поперечного перерізу трубок 17 х 2,5 х 0,4 мм та колективним сітчастим оребренням. Оребрення моделей виконувалося з мідної, стальної та латунної сітки. Пропаювання моделей секцій здійснювалося методом занурення у ванну з розплавленим припаєм з наступним сильним струшуванням для видалення надлишку припою, що забезпечувало високу якість контакту трубки з сіткою, а також дротин сітки при мінімальному динамічному опорі.

Усі моделі, що складаються з чотирьох рядів трубок, розташованих у шаховому порядку, мали робочу довжину L_p = 50 мм. Виходячи з попередніх досліджень робіт, для дослідних моделей був обраний оптимальний крок розташування трубок по фронту - 12,5 мм. Параметри оребрення змінювалися в таких межах: d = 0,2…0,6 мм; a = 0,8…1,6 мм; t = 2,8…3,2 мм.

Макети секцій мали робочу довжину L_p = 240 мм, а в натурні секції з сітчастим стальним (№1; параметри оребрення a = 1,2 мм, d = 0,4 мм, t = 3,0 мм) та латунним оребренням (№2,3; відповідно параметри оребрення a =1,2 мм, d = 0,4 мм, t = 3,0 мм та a = 1,2 мм, d = 0,4 мм, t = 3,2 мм довжину L_p = 535 мм. При виготовленні дослідної секції №3, оребрюючі пластини якої перед складанням були піддані сплющуванню на гідравлічному пресі для зменшення товщини пластини в місцях перехрещення дротин, відпрацьована раціональна технологія її складання. Так, зокрема, обрано раціональну товщину покриття припоєм сітчастих пластин, що складає 0,015 мм і забезпечує міцне з'єднання окремих дротин, а також з трубками при спіканні в печі.

Результати випробувань моделей секцій радіатора наведені на рис. 1, на котрім прийняті слідуючи скорочення: 1-0,4-1,2-3,2; і т.д., де перша цифра визначає діаметр дроту (d) у мм, друга - відстань між сусідніми дротинами (a) у мм, третя - крок оребрення (t_p) у мм.

Аналіз результатів, одержаних у ході досліджень дослідних моделей радіатора, дозволив зробити такі висновки:

коефіцієнт теплопередачі K_Л моделей секцій з мідним дротяним оребренням на 90 … 92 % вище, ніж у серійної секції радіатора;

коефіцієнт, для латунного та сталевого оребрення відповідно вищий на 75…82 % і 15…18 %;

аеродинамічний опір ?С ₂ моделей перевищує аеродинамічний опір серійної секції радіатора на 52 … 64 %;

комплексні показники kF₂, kF₂/ДС₂, що характеризують відповідно теплову напруженість поверхні охолодження секції з боку повітря і потужність на прокачування теплоносія, дослідні моделі порівняно з серійною секцією перевищують її на 15…17 %, 3…5 % для мідного сітчастого оребрення; нижче на 1…2 %, 2…4 % відповідно для латунного оребрення і нижче на 12…15 %, 30…39 % відповідно для стального оребрення.

Одержані результати дозволяють припустити, що в каналах, утворених сітчастими пластинами охолодження і плоскоовальними трубками, двомірна поверхня поперечних виступів у вигляді дротинок циліндрів малого діаметра не приводить до турбулізації всього потоку теплоносія, а турбулізує лише шар потоку біля поверхні оребрення, де виробляється основний температурний напір між оребренням і потоком 70…80 %. При цьому збільшується довжина поперечного виступу потоку вздовж циліндра. В результаті додаткова турбулізація потоку відбувається, в основному, лише у верхній частині циліндра, біля стінки. При цьому за циліндром-дротом, очевидно, залишається ламінізована зона, в якій відбувається дисипація вихрових структур, що генеруються у верхній частині циліндра. Наступний аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що із збільшенням кроку розташування оребрення t у дослідних секціях відповідно збільшується значення коефіцієнта теплопередачі K_Л та зменшується аеродинамічний опір моделі ?С₂. Із збільшенням діаметра дроту відбувається значне зростання аеродинамічного опору секцій при деякому зменшенні коефіцієнта теплопередачі, а із збільшенням розміру вічка (a) (міжосьової відстані між сусідніми дротинами) відбувається зростання коефіцієнта теплопередачі при незначному зростанні аеродинамічного опору моделей.

У ході досліджень були одержані поліноми, що висловлюють залежність коефіцієнта теплопередачі і аеродинамічного опору моделей секцій радіаторів з сітчастим латунним оребренням від параметрів d, a і t.

Аналіз залежності виду (17), (18) дозволяє припустити таке: при збільшенні величини співвідношення a/d від 1 до 3 відбувається зростання коефіцієнта теплопередачі (на 7 …10 %), що пояснюється процесом турбулізації повітряного потоку в пристінному суміжному шарі, де відбувається максимальна генерація температурного напору, а потім при a/d ? 3 спостерігається зниження коефіцієнта теплопередачі, очевидно, за рахунок того, що характеристики сітчастої поверхні наближаються до таких же параметрів, що і в гладкій пластині. Це, в першу чергу, пов'язано з тим, що при зменшенні розміру вічка міжосьової відстані між сусідніми дротинами, генеровані за дротом вихорові структури не одержують свого максимального розвитку. Що стосується зміни аеродинамічного опору, то він при збільшенні значення a/d зменшується, що в першу чергу пов'язано із зменшенням діаметра дроту, а також з тим, що генеровані за дротом вихорові структури при зменшенні a не встигають повністю розвинутися, а при збільшенні a - згасають ще до нової перешкоди - чергового дроту.

Данні, наведені на рис. 1, можуть бути апроксимовані у вигляді залежностей:

у параметричній формі:

одержаних для 0,2 ? х ? 1,5 м/с; 3 ? u_2f ? 12 кг/м ²с;

у критеріальній формі:

одержаних для 900 ? Re₂ ? 6000 і 2,5 ? a/d ? 4,5.

За результатами проведених досліджень уточнено значення поправочного коефіцієнта K_Z = 1,18…1,21 для рівняння, що описує відношення інтенсивності тепловіддачі до питомого теплозмісту потоку, що обтікає циліндричну поверхню (4).

Проведені експериментальні дослідження моделей секцій радіатора дозволили оцінити адекватність розробленої математичної моделі процесів теплообміну на сітчастій поверхні. За результатами досліджень моделей були обрані раціональні параметри сітчастого оребрення й виготовлені макети та натурні секції радіатора.

Результати досліджень макетів і натурних секцій радіатора показані на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Залежність коефіцієнта теплопередачі та аеродинамічного опору дослідних моделей секцій радіатора від масової швидкості повітря: 1-0,4-1, 2-3,2; 2-0,2-0,8-3,2; 3-0,4-1,2-3,0; 4-0,2-0,8-3,0; 5-0,4-1,2-2,8; 6-0,2-0,8-2,0; 7-0,6-1,6-3,2; 8-0,6-1,6-3,0; 9-0,6-1,6-2,8; 10 - серійна секція/восьмирядні моделі

Коефіцієнт теплопередачі К_Л макетів і натурних секцій (№1,2,3) з латунним і стальним дротяним оребренням відповідно на 15 … 18 % (№1) і 75…86 % (№2,3) вище, ніж у серійної секції радіатора. Аеродинамічний опір ?С ₂ макетів і натурних секцій перевищує аеродинамічний опір серійної секції радіатора на 55 … 65 % (№1, 2) і 25 … 30 % (№3).

Дослідна секція зі стальним сітчастим (№1) оребренням за комплексними енергетичними показниками kF₂ та kF/ДС ₂ поступається серійній секції відповідно на 19…22 % та 50…55 %.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Залежність коефіцієнта теплопередачі та аеродинамічного опору дослідних макетів і натурних секцій радіатора від масової швидкості повітря: 1 - серійна секція радіатора; 2 - радіатор зі стальним сітчастим оребренням; 3 - радіатор з латунним сітчастим оребренням; 4 - радіатор з латунним сітчастим оребренням (пластини після прокатки)

Дослідна секція з латунним сітчастим оребренням (№2) за показником kF₂ перевищує серійну секцію на 19…22 %, а за показником kF/ДС ₂ дещо поступається їй. Дослідна секція з латунним сітчастим оребренням (№3), за комплексним показником kF₂ перебуває на рівні серійної секції, а за показником kF/ДС ₂ поступається серійній секції на 5…7 %. При цьому вартість дослідної секції на 45…50 % менша від серійної.

Данні, показані на рис. 2, можуть бути апроксимовані у вигляді залежностей:

у параметричній формі:

одержаних для 0,2 ? х ? 1,5 м/с; 3 ? u_2f ? 12 кг/м ²с;

у критеріальній формі:

одержаних для 900 ? Re₂ ? 6000 і 2,5 ? a/d ? 4,5.

Дослідні натурні секції радіатора були випробувані в умовах експлуатації на тепловозі 2ТЕ 10Л № 435.

Одержані результати експериментальних моделей, макеті і натурних секцій радіатора з сітчастим оребренням, дозволяють оптимізувати параметри конструкції та режими роботи ОП тепловозів з використанням цих секцій.

У четвертому розділі подано результати досліджень раціональних параметрів конструкції і режимів роботи ОП тепловозів з використанням секцій радіатора з сітчастим оребренням на прикладі тепловозу 2ТЕ 116УП.

При розрахунку ОП тепловоза 2ТЕ 116УП, проводилася перевірка працездатності математичної моделі та програми "RA-OY", а також співставлення одержаних результатів з розрахунковими дослідженнями у випадку використання пакету програм, написаних у відповідності з РТМ 24.040.022-73. Тепловози. Методи розрахунку систем охолодження (для серійних секцій радіатора).

Розрахунок ОП проводився за умови застосування секцій радіатора:

серійних за кресленням Р.132.000.000. - серійний варіант;

з сітчастим мідним оребренням - варіант №1;

з сітчастим латунним оребренням - варіант №2;

з сітчастим стальним оребренням - варіант №3,4.

Дослідження проводилися за умови: дизель працює на номінальному режимі і завдання зводиться до знаходження невідомих температур теплоносіїв (води, повітря, масла, наддувного повітря) при заданої мінімальної кількості секцій радіатора та витратами потужності на привод вентиляторів ОП і температурі зовнішнього повітря T_HП=318 (313) K.

У табл. наведені основні характеристики варіантів ОП тепловоза 2ТЕ 116УП, аналіз яких дозволяє зробити такі висновки:

кількість секцій радіатора, що забезпечують заданий тепловідвід при T_HП=318 K і номінальному значенні витрат потужності на привод вентилятора N_B=95 кВт, складає відповідно: 44 серійні секції радіатора; 40 дослідних з мідним сітчастим оребренням; 46 з латунним сітчастим оребренням (максимальна кількість секцій в існуючих габаритах шахти ОУ); 50 зі стальним сітчастим оребренням;

кількість секцій радіатора, що забезпечують заданий тепловідвід при T_HП=313 K та N_B=95 кВт, складає відповідно: 42 серійних секції радіатора; 38 дослідних з мідним сітчастим оребренням; 44 з латунним сітчастим оребренням;

кількість дослідних секцій радіатора зі стальним сітчастим оребренням, що забезпечують заданий тепловідвід при T_HП=313 K і максимально припустимій потужності на привод вентиляторів ОП N_B=125 кВт, складає 46 шт.

Подальший аналіз показав, що при однакових витратах потужності на привод вентиляторів N_B=95 кВт і температурі оточуючого повітря T_HП=318 K, за масогабаритними показниками ОП тепловоза, оснащене дослідними секціями радіатора порівняно з серійними мають:

для мідних секцій ширину фронту, масу і вартість менше на 0,3 м, 260 кг та 900 грн. відповідно;

для латунних секцій однакові габарити, а масу міді і вартість менше на 300 кг і 1700 грн. відповідно;

для стальних секцій ширину фронту більше на 0,45 м, а масу міді і вартість менше на 500 кг і 4060 грн. відповідно.

Кількість дослідних секцій радіатора зі стальним сітчастим оребренням, що забезпечують заданий тепловідвід при Т_НП=313 і при максимально припустимій потужності на привод вентиляторів ОП ?_В=125 кВт, складає 46 шт.

Таблиця. Характеристики ОП тепловоза 2ТЕ 116УІІ

Характеристика	ОП серійного типу	ОП з дослідними секціями
		№ 1	№ 2	№ 3	№ 4
Потужність тепловоза, Квт	2650
Тип секцій радіатора, що використовуються в ОП	серійні секції радіатора за кресленням Р.132.000.000.	секції з сітчас- тим оребрен-ням	секції з сітчас- тим оребрен-ням	секції з сітчастим оребрен- ням	секції з сітчастим оребре-нням
Тип вентиляторів та їх кількість	УК-2М, 4 шт.
Витрати потужності на привід вентиляторів ОП, кВт	95	125
Кількість секцій радіатора в ОП при ТНП=318 313 К, шт.	44 (42)	40 (38)	46 (44)	50 (48)	46 (44)
Маса кольорового металу в ОУ, кг	1250 1193	884 840	736 704	550 528	506 484
Вартість секцій, грн.	10500 10080	9600 (9120)	8740 (8360)	7000 (6720)	6440 (6160)

ВИСНОВКИ

Визначено напрямок і принципи створення високоефективних водоповітряних секцій з сітчастим оребренням і мінімальним застосуванням в їхній конструкції кольорових металів і сплавів, при максимальному збереженні існуючої технології виготовлення.

Одержано аналітичну залежність, що характеризує відношення інтенсивності тепловіддачі поверхні до питомого теплоутримання потоку, тобто число Стантона, що дозволила обрати раціональні параметри сітчастого оребрення - діаметр дроту і міжосьову відстань між дротинами. Розроблено математичну модель і програму розрахунку параметрів водоповітряних секцій з сітчастим оребренням, що дозволили уточнити математичну модель ОП з урахуванням використання дослідних секцій радіатора.

Проведено експериментальні дослідження моделей секцій радіатора з сітчастим оребренням, що дозволили уточнити теоретичне вирішення за визначенням тепловіддачі від оребренням до повітря і встановити раціональні параметри оребрення.

Підтверджено данні досліджень на моделях результатами випробувань макетів і натурних секцій. Порівняно із серійною секцією радіатора дослідні секції мають:

коефіцієнт теплопередачі K_Л вищий на 92…95 %, 75…80 % та 15…22 % для мідного, латунного та стального оребрення відповідно;

аеродинамічний опір ?С ₂ дослідних секцій вищий на 25…30 %;

комплексні показники kF₂ та kF/ДС ₂ для мідного оребрення вищі на 15…17 % та 3…5 % відповідно; для латунного - перебувають на тому ж рівні, для стального оребрення нижчі на 12…15 % і 30…39 % відповідно.

Спроектовано, створено і випробувано, у тому числі в умовах експлуатації на тепловозі 2ТЕ 10Л № 435, натурні зразки водоповітряних секцій радіатора з сітчастим латунним оребренням.

Установлено, що при однакових витратах потужності на привод вентиляторів і температури оточуючого повітря, за масогабаритними показниками ОП тепловоза, оснащене дослідними секціями радіатора порівняно з серійними мають:

для мідних секцій ширину фронту, масу і вартість менше на 0,3 м, 260 кг та 900 грн. відповідно;

для латунних секцій однакові габарити, а масу міді і вартість менше на 300 кг і 1700 грн. відповідно;

для сталевих секцій ширину фронту більше на 0,45 м, а масу міді і вартість менше на 500 кг і 4060 грн. відповідно.

Результати дисертаційної роботи впроваджені у ХК "Луганськтепловоз", а також у ВАТ "Людиновотепловоз".

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Куликов Ю.А., Лахно В.А., Быкадоров В.В. Математическое моделирование теплоотдающей поверхности сетчатого типа // Вестник Восточноукраинского государственного университета. Изд-во ВУГУ. Серия транспорт. - Луганск, 1996. - С. 148-152.

Куликов Ю.А., Лахно В.А., Быкадоров В.В. Математическая модель охлаждающего устройства тепловоза с учетом применения опытных секций радиатора // Приднепровский научный вестник. Серия машиностроение. - Днепропетровск, 1997. - №52(61). -С. 41-44.

Куликов Ю.А., Лахно В.А., Быкадоров В.В. Перспективные конструкции теплообменных аппаратов для систем охлаждения теплоэнергетических установок транспортных средств // Приднепровский научный вестник. Серия машиностроение. - Днепропетровск, 1997. - №52(61). -С. 37-41.

Пат. 2052758 РФ, МКИ В 61С 5/02 "Способ оптимизации поверхности теплообмена с дискретными турбулизаторами". Заявл. 25.12.91. Опуб. 20.01.96. - БИ №4. - 3 с. Куликов Ю.А., Лахно В.А., Быкадоров В.В.

Лахно В.А., Куликов Ю.А., Быкадоров В.В. Математическая модель сетчатого оребрения теплообменника пластинчато-ребристого типа. Деп. в ГНТБ Украины, №1866-Ук 95.

Куликов Ю.А., Лахно В.А., Быкадоров В.В. Рациональное использование тепловой энергии на тепловозе // Восточноукр. гос. ун-т. -Луганск, - 1994. - 18 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 15.05.94. №991-Ук 94.

Куликов Ю.А., Лахно В.А., Кущенко А.В., Ткаченко И.Ф., Быкадоров В.В. Некоторые аспекты использования аккумулятора теплоты на тепловозе // Восточноукр. гос. ун-т. - Луганск, 1995. - 8 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 25.07.95. №1863-Ук 95.

Лахно В.А., Куликов Ю.А., Быкадоров В.В. Исследования процессов, происходящих при течении газа в моделях каналов типа диффузор-конфузор, методом визуализации. ЛМСИ, Луганск, 1992. -12 с. - Рус. - Деп. в УкрИНТЭИ 12.08.92 №1206-Ук 92.

Куликов Ю.А., Лахно В.А., Быкадоров В.В. Перспективы развития конструкций водовоздушных секций радиатора. Тезисы докладов. Проблемы развития локомотивостроения. Международная конференция по проблемам развития локомотивостроения. Новочеркасск, 1994.

Куликов Ю.А., Лахно В.А., Быкадоров В.В. Моделирование работы О.У. тепловоза с секциями с сетчатым оребрением. Тезисы докладов. Международная конференция по проблемам развития локомотивостроения. Крым, Алушта. 1995.

АНОТАЦІЇ

Бикадоров В.В. Підвищення ефективності тепловозів шляхом використання в охолоджуваючому пристрої секцій радіатора з сітчастим оребренням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - рухомий склад залізниць і тяга поїздів. - Східноукраїнський державний університет, Луганськ, 1999 р.

Дисертація присвячена вирішенню завдання підвищення ефективності тепловозів шляхом використання в системі охолодження водоповітряних секцій радіатора з сітчастим оребренням, які дозволять звести до мінімуму використання гостродефіцитних кольорових металів і сплавів.

Основні результати роботи знайшли застосування при проектуванні нових тепловозів, які оснащені новими радіаторами з сітчастим оребренням.

Ключові слова: тепловоз, теплоенергетична установка, охолодний пристрій, радіатори, сітчасте оребрення.

Быкадоров В.В. Повышение эффективности тепловозов путем использования в охлаждающем устройстве секций радиатора с сетчатым оребрением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Восточноукраинский государственный университет, Луганск, 1999 г.

Диссертация посвящена решению задачи повышения эффективности тепловозов путем использования в системе охлаждения водовоздушных секций радиатора с сетчатым оребрением, в которых можно свести к минимуму применение остродефицитных цветных металлов и сплавов.

Основные результаты работы нашли применение при проектировании новых тепловозов, оснащенных новыми радиаторами с сетчатым оребрением.

Ключевые слова: тепловоз, теплоэнергетическая установка, охлаждающее устройство, радиаторы, сетчатое оребрение.

Bukadorov V.V. Increase of efficiency locomotive by use radiator with mesh in a cooling device. - Manuscript.

The dissertation on of a scientific degree of the candidate of technical sciences on a specialty 05.22.07 - rolling - stock of railway and traction of train. - Eastukrainian State University, Lugansk, 1999.

Dissertation is devoted to the decision of a problem of increase of a efficiency by use in a system of cooling with mesh, in which it is possible to reduce to an minimum application of color metals and alloys. The main results of work have found application at designing new locomotive, equipped with a cooling device with mesh.

Key words: locomotiv, heatenergetial installations locomotives, cooling system, basis of account and designing.

Размещено на Allbest.ru