Підвищення ефективності тепловоза застосуванням водомасляного пластинчатого теплообмінника

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 629. 4. 016.1

Підвищення ефективності тепловоза застосуванням водомасляного пластинчатого теплообмінника

05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття ученого ступеня

кандидата технічних наук

Ігнатьєв Олег Леонідович

Луганськ 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Східноукраїнському державному університеті на кафедрі “Залізничний транспорт” Міністерства освіти України

Захист відбудеться “18”лютого 2000 р. о 12-30 год. На засіданні спеціалізованої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському державному університеті за адресою: 91034 м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського державного університету, 91040, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий “17” січня 2000 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

АНОТАЦІЯ

Ігнатьєв О.Л. "Підвищення ефективності тепловоза застосуванням водомасляного пластинчатого теплообміннику"- Рукопис.

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

Дисертація присвячена рішенню завдання підвищення ефективності тепловоза за рахунок застосування нової конструкції водомасляного теплообмінника, яка дозволяє замінити коштовні теплообмінні поверхні з мідних трубок малого діаметру більш дешевшими сталевими листами з гофрами спеціального профілю та з корисним застосуванням змушеної вібрації для інтенсифікації теплообміну.

Основні результати роботи дозволять знизити коштовність робот при проектуванні та виробництві нових охолоджувателів масла у тепловозах та дизель-поїздах.

Ключові слова: тепловоз, дизель-генераторна установа, теплообмінник, пластинчата поверхня теплообміну, вібрація.

SUMMARY

Ignatiev О.L. "Increase of diesel locomotive efficiency by application of water-oiled plate heat exchanger ". - Manuscript.

Thesis on awarding the Candidate Degree (Engineering) on speciality 05.22.07 - rolling-stock of railway and diesel traction. - The East Ukrainian State University, Lugansk, 1999.

The thesis is devoted to the solution of the problem of the diesel locomotive efficiency increase due to the application of a new water-oiled heat exchanger design, heat will allow to substitute expensive stall diameter copper pipes of the heat exchanger for cheaper corrugated steel sheets of special profile. That will result in using the forced vibration for the intensification of heat exchange.

The main results of the work will allow to reduce cost of works while designing and producing new oil coolers in diesel locomotives.

Key words: diesel locomotive, diesel-generator instalment, heat exchanger, plate surface of heat exchanger, vibration.

теплообмін водомасляний гідравлічний

АННОТАЦИЯ

Игнатьев О.Л. " Повышение эффективности тепловоза применением водомасляного пластинчатого теплообменника ". - Рукопись.

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

Повышение эффективности создаваемых тепловозов неразрывно связано с разработкой и созданием новейших теплообменных аппаратов, которые позволяли бы достигнуть снижения расхода цветного металла или уменьшить затраты мощности на прокачку теплоносителей.

В диссертации проведен обзор и рассмотрены различные конструкции рекуперативных теплообменных аппаратов и методы интенсификации теплообмена в них. Было выявлено, что одним из наиболее перспективных методов, позволяющих интенсифицировать теплообмен, является использование колебаний теплообменных поверхностей для частичного или полного разрушения пограничного слоя и турбулизации потока теплоносителя. Показано, что работы по интенсификации процесса конвективного теплообмена и созданию наиболее экономичного технологичного теплообменного оборудования привели в последнее время к существенному усовершенствованию конструкций теплообменных аппаратов и раскрыли возможности замены традиционных гладкостенных медных труб поверхностями теплообмена, выполненными из тонкого стального листа с приданием этим поверхностям сложных форм. На основании этого была разработана конструкция водомасляного пластинчатого теплообменника. Пластинчатый теплообменник содержит тонкие стальные пластины с гофрами, имеющими форму разрезанного пополам кругового цилиндра с обтекателем, в дальнейшем гофры специального профиля, которые соединены попарно, образуя каплеобразные щелевые каналы. Пластины через ряд примыкают к противоположным стенкам корпуса и располагаются относительно каналов в смежных рядах в коридорном порядке с образованием конфузор-диффузорного профиля щелевых каналов. Для интенсификации теплообмена в пластинчатом теплообменнике используется вынужденная вибрация, имеющая место на поддизельной раме тепловоза при его работе. Это способствует частичному разрушению пограничного слоя и позволяет добиться опережающего роста теплоотдачи над гидравлическим сопротивлением.

В диссертации разработана математическая модель расчета параметров пластинчатой теплообменной поверхности с гофрами специального профиля. Получено выражение для расчета теплообмена на исследуемой пластинчатой поверхности. На основании разработанной математической модели рассчитаны геометрические параметры гофр специального профиля.

С целью определения характеристик опытного водомасляного пластинчатого теплообменника с конфузор-диффузорными и каплеобразными щелевыми каналами был создан универсальный теплотехнический стенд, позволяющий исследовать влияние вибрации, возникающей при работе тепловоза, на рабочие процессы, происходящие в теплообменном аппарате.

Проведенные комплексные экспериментальные исследования опытного пластинчатого теплообменника позволили получить его теплотехнические и гидродинамические характеристики и оценить влияние на них вынужденной вибрации. Было выявлено, что в результате воздействия вибрации на теплообменную поверхность интенсивность теплообмена возрастает до 30% при увеличении коэффициента сопротивления до 20%, т.е. получен опережающий рост интенсивности теплообмена над гидравлическим сопротивлением. На основании экспериментальных данных получены критериальные уравнения для нахождения числа Нуссельта и коэффициента сопротивления исследуемых поверхностей с гофрами специального профиля, образующих конфузор-диффузорные щелевые каналы. Выбраны рациональные параметры вибрации теплообменных поверхностей (амплитуда колебаний поверхности - до 0,2 мм с частотой от 15 Гц до 25Гц).

Сравнение исследуемой поверхности с другими пластинчатыми и трубчатыми поверхностями, используемыми в настоящее время в промышленных теплообменных аппаратах, показали ее высокую эффективность.

В диссертации разработана методика и программа расчета теплообменного аппарата пластинчатого типа с учетом вынужденной вибрации для систем охлаждения тепловоза, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к масляным охладителям, применяемым на подвижном составе железных дорог Украины. В результате применения проектного пластинчатого водомасляного теплообменника на тепловозах типа 2ТЭ116 ожидаемый экономический эффект, за счет отказа от использования трубок малого диаметра из цветного металла (меди) и заменой их оцинкованными стальными листами с гофрами специального профиля и снижения стоимости изготовления, и уменьшение затрат на обслуживание, составит 18830 грн. на секцию (в расчете на 1.08.1999 г.), что позволит снизить себестоимость тепловоза и повысить его эффективность в целом.

Результаты диссертационной работы используются в ХК "Лугансктепловоз" при разработке водомасляных теплообменников для магистральных тепловозов и дизель-поездов, что позволяет сократить объем, трудоемкость и стоимость опытно-конструкторских и экспериментальных работ.

Ключевые слова: тепловоз, дизель-генераторная установка, теплообменник, пластинчатая поверхность теплообмена, вибрация.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Для випуску конкурентноспроможних на внутрішньому і зовнішньому ринку тепловозів необхідно постійно підвищувати їх техніко-економічну ефективність, наприклад, за рахунок поліпшення використання паливно-енергетичних і сировинних ресурсів. Цьому сприяє удосконалення теплообмінного устаткування, а саме рекуперативних теплообмінників, що дозволяє істотно знизити частку застосування кольорових металів, поліпшити маса-габаритні характеристики і підвищити їх надійність. Цьому питанню і присвячена дисертаційна робота.

Актуальність теми. Подальше підвищення техніко-економічної ефективності тепловозів нерозривно пов'язано зі створенням принципово нових конструкцій охолодників, а так само інтенсифікацією теплообміну в них. Одним із шляхів рішення даної задачі є створення нових конструкцій теплообмінних апаратів. В роботі запропонована конструкція теплообмінника, в якої використовані як теплообмінні поверхні не круглі трубки з міді, що застосовуються в даний час, а тонкі сталеві листи складного профілю, які дозволяють позитивно використовувати для інтенсифікації теплообміну вимушену вібрацію, що виникає при роботі тепловоза. Тому тема дисертаційної роботи є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота узгоджується з переліком пріоритетних напрямків Міністерства з науки, технології і технічної політики (п. 5 «Екологічно чиста енергетика і технології, що зберігають ресурси»). Робота виконана на кафедрі залізничного транспорту Східноукраїнського державного університету і є частиною держбюджетної теми ГН 3-96 "Розробка фізико-технічних основ високоефективних систем, засобів і технологій транспорту".

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є поліпшення використання сировинних ресурсів за рахунок зниження витрати кольорового металу в системах охолодження тепловоза в результаті створення водомасляного пластинчатого теплообмінника з теплообмінними поверхнями з тонких сталевих листів спеціального профілю, що утворять усередині щілинні канали каплеподібної форми, а зовні - конфузор-дифузорної форми, із позитивним використанням для інтенсифікації теплообміну вимушеної вібрації шляхом часткової руйнації прикордонного шару.

Задача дослідження:

розробка конструктивних варіантів водомасляного теплообмінника підвищеної теплової ефективності з мінімальним гідравлічним опором без застосування кольорових металів;

вибір методу інтенсифікації теплообміну;

аналіз розроблених теплообмінних поверхонь з використанням методів математичного моделювання;

аналітичний опис процесу теплообміну для досліджуваної теплообмінної поверхні, що має в перетині гофри спеціального профілю;

визначення геометричних параметрів конструкції;

розробка, виготовлення й випробування дослідного водомасляного пластинчатого теплообмінника з теплообмінними поверхнями підвищеної теплової ефективності;

одержання критеріальних рівнянь для визначення коефіцієнта тепловіддачі і коефіцієнта гідравлічного опору для каналів, утворених досліджуваними поверхнями з урахуванням впливу вимушеної вібрації;

оцінка впливу вібрації на процеси теплообміну і гідродинаміки, і видача рекомендацій про можливість корисного її використання;

оцінка техніко-економічної ефективності тепловоза в результаті застосування в системі охолодження пластинчатого водомасляного теплообмінника нової конструкції.

Наукова новизна отриманих результатів полягає:

у подальшому розвитку теорії теплообміну, пов'язаного з впливом процесів вібрації на теплоенергетичні і гідродинамічні характеристики пластинчатих теплообмінників;

в аналітичному описі процесу теплообміну для поверхні, що має гофри спеціального профілю;

в одержанні критеріальних залежностей для знаходження коефіцієнтів тепловіддачі і гідравлічного опору стосовно до конфузор-дифузорних щілинних каналів, що утворені теплообмінними поверхнями з гофрами спеціального профілю і що відчувають вплив вимушеної вібрації.

Практичне значення отриманих результатів полягає в:

розробці і створенні дослідного зразка рекуперативного пластинчатого теплообмінника без застосування кольорових металів з конфузор-дифузорними і каплеподібними щілинними каналами й інтенсифікацією теплообміну вимушеної вібрацією;

розробці методики і програми комплексних випробувань дослідного зразка пластинчатого водомасляного теплообмінника, що позитивно використовує вимушену вібрацію для інтенсифікації теплообміну;

розробці методики розрахунку водомасляних теплообмінних апаратів пластинчатого типу, що відчувають вплив вимушеної вібрації, для систем охолодження магістральних тепловозів і дизель-поїздів.

Результати дисертаційної роботи застосовуються в ХК "Луганськтепловоз" при розробці водомасляних теплообмінників для магістральних тепловозів і дизель-поїздів, що дозволяє скоротити обсяг, трудомісткість і вартість дослідно-конструкторських і експериментальних робіт.

Особистий внесок здобувача:

обґрунтована необхідність і можливість використання на тепловозах теплообмінних апаратів пластинчатого типу [7];

розроблена математична модель розрахунку параметрів теплообмінної поверхні, на підставі якої отримані геометричні характеристики [4];

розроблено конструкцію рекуперативного пластинчатого водомасляного теплообмінника [1, 5];

розроблена схема і створене універсальний теплотехнічний стенд, що дозволяє моделювати вібрацію піддизельної рами тепловоза при роботі його силової установки і досліджувати вплив параметрів вібрації на робочі процеси в пластинчатому водомасляному теплообміннику [8];

розроблено, створено і випробувано дослідний зразок рекуперативного пластинчатого теплообмінника без застосування кольорових металів, що використовує для інтенсифікації теплообміну вимушену вібрацію[1, 2, 3, 4, 5, 6];

зроблено аналіз результатів експериментального дослідження пластинчатого теплообмінника, що зазнає діяння вимушеної вібрації [2, 3, 8, 9, 10].

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на IX Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми механіки залізничного транспорту" у 1997 році, VII, VIII і IX Міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми розвитку рейкового транспорту" у 1997, 1998 і 1999 роках, на науково-технічних конференціях СУДУ, а також були подані на обласному конкурсі "Кращі розробки в галузі науки та техніки серед молоді Луганської області" у 1998 році, де автор став лауреатом.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 робіт. У тому числі: 3 статті в наукових журналах (у співавторстві з науковим керівником), 1 стаття в збірнику трудів науково-технічної конференції, отримане рішення про видачу патенту України на винахід, 1 депонована стаття і чотири тези доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'ятьох глав і 3 додатків. Загальний обсяг роботи 150 сторінок, у тому числі 70 рисунків на 26 сторінках, 15 таблиць на 8 сторінках, 3 додатків на 11 сторінках, 121 бібліографічних найменувань на 11 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі дана загальна характеристика роботи, визначені мета і задачі дослідження, показані актуальність і новизна теми, подані основні шляхи рішення задачі.

Перший розділ містить обгрунтування необхідності розробки теплообмінників підвищеної теплової ефективності, даний аналіз існуючих конструкцій охолодників води й масла теплоенергетичних установок і шляхи їхнього удосконалення. Розглянуто вплив процесів вібрації на інтенсифікацію теплообміну. Проаналізовано данні про вібраційний вплив дизель-генераторної установки на тепловоз і дане нормування рівня вібрації тепловозів і їхніх агрегатів. Виявлено, що одним із найбільше вібронавантаженних місць тепловоза при його роботі у номінальному режимі є піддизельна рама.

Показано, що великий обсяг в області досліджень і розробок устаткування для організації процесів теплообміну проводилися і проводяться різноманітними організаціями країн СНД, такими як: Східноукраїнський державний університет, Харківська академія залізничного транспорту, Дніпропетровський державний університет залізничного транспорту, НДI Держбуду України, УкрНДІХІММАШ, Московський державний університет шляхів сполучення, Всеросійський теплотехнічний інститут, Всеросійський науково-дослідний інститут залізничного транспорту, Всеросійський наукова-дослідний тепловозний інститут, Науково-дослідний конструкторсько-технологічний інститут тракторних і комбайнових двигунів, ХК "Луганськтепловоз" і ін., так і дальнього зарубіжжя, такими як: "Alfa-Laval" (Швеція), “SWEP” (Швеція), "W. Schmidt KG" (Австрія), "Chery-Boirel Superplate" (США), "FORD" (США), “APV” (Німеччина) і ін. Великий внесок у розвиток теоретичних і експериментальних досліджень теплообмінних апаратів внесли як вітчизняні вчені, такі як М.И.Білоконь, А.І.Володін, Б.М.Галицейський, О.Л. Голубенко, П.М.Єгунов, Л.М.Коваленко, А.М.Коняєв, В.Ф.Корагодін, В.Д.Кузьмич, Ю.А.Куликов, В.А.Лахно, М.Г.Маханько, Н.И.Мелик-Пашаєв, В.К.Мігай, В.І.Могила, М.И.Панов, А.М.Тарадай, В.С.Ткаля, О.П.Третьяков, Є.Б.Черток і інші, так і закордонні - В.М.Кейс, Р. Лемлих , А.Н.Лондон, Р.М.Фанд і інші.

Розглянуто різноманітні конструкції рекуперативних теплообмінних апаратів і методи інтенсифікації теплообміну в них. Показано, що одним із перспективних методів, що інтенсифікують теплообмін, є використання вібрації теплообмінних поверхонь, що дозволять частково або цілком зруйнувати прикордонний шар і турбулізувати потоки теплоносіїв.

На підставі аналізу проведених досліджень і в зв'язку з перспективністю застосування більш дешевих пластинчатих поверхонь теплообміну з тонкого сталевого листа замість коштовних мідних труб малого діаметра, запропонована конструкція рекуперативного пластинчатого водомасляного теплообмінника з конфузор-дифузорними і каплеподібними щілинними каналами, у якій для інтенсифікації теплообміну поряд із впливом на потік робочого середовища формою поверхні теплообміну, використовується і вимушена вібрація, що виникає при роботі дизель-генераторної установки локомотива, що частково руйнує прикордонний шар, не порушуючи при цьому ядра. Теплообмінні поверхні з гофрами, що мають форму розрізаного навпілкругового циліндра з обтічником (надалі гофри спеціального профілю), що подані на рис.1, виконані з тонкого (товщиною до 0,8 мм) сталевого листа з подальшою його антикорозійною обробкою (оцинковкою).

Рис. 1 Пластинчата поверхня теплообміну

Для одержання необхідного ефекту від використання вимушеної вібрації запропоновано встановлювати пластинчатий теплообмінник на піддизельну раму, яка є одним із найбільше вібронагружених місць тепловоза при його роботі у номінальному режимі, що задовольняє як по амплітудним, так і по частотним характеристикам.

Як наслідок проведеного аналізу науково-технічної інформації було сформульовано основні задачі дослідження (див. стор. 1).

В другому розділі подані результати математичного моделювання параметрів теплообмінної поверхні. Основними задачами, що вирішуються в другому розділі, було знаходження значень товщини витиснення і втрати імпульсу для досліджуваного профілю поверхні, з метою одержання найбільше раціональних геометричних параметрів гофри, а також висновок аналітичного рівняння тепловіддачі для досліджуваної поверхні.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Розрахункова схема

Для теплообмінної поверхні, що має в перетині гофри спеціального профілю, схема якої подана на рис. 2, отримана система рівнянь, що описують рух нестисливої рідини в стаціонарному прикордонному шару:

; (1)

; (2)

, (3)

де , - відповідно густість та швидкість теплоносія; - динамічний коефіцієнт в`язкості; р - тиск теплоносія у каналі;

із початковими умовами:

Тст=const;

, д

де t - початковий момент часу;

і граничними умовами: к; y=, де - товщина прикордонного шару.

При рішенні поставлених задач були зроблені такі допущення: рідина нестислива; тому що

Pr1, те т; max=х1; max=; ср=const; =const,

де Pr - критерій Прандтля; ср - питома ізобарна теплоємність теплоносія; - коефіцієнт теплопровідності; т - тепловий прикордонний шар; х1 - максимальна швидкість потоку; - максимальна густість потоку.

У основу розрахунку була покладена методика рішення системи диференціальних рівнянь (енергії, руху і нерозривності) динамічного прикордонного шару Прандтля шляхом порівняльної оцінки членів рівняння Навьє-Стокса і відкидання членів другого порядку малості. При рішенні запропонованої системи рівнянь використовувалася методика рішення, заснована на застосуванні інтегральних співвідношень імпульсів, енергії і маси.

У результаті були отримані рівняння для визначення, відповідно, товщини витиснення і втрати імпульсу для ділянки АВ:

, (4)

, (5)

.

Товщина витиснення і втрати імпульсу, відповідно, для ділянки ВD визначається з:

; (6)

, (7)

де h - товщина прикордонного шару на плоскій пластині; Rx- радіус кривизни поверхні.

У результаті підстановки наявних даних у рівняння (4-7), а також, з огляду на маса-габаритні характеристики досліджуваних профілів, були обрані оптимальні геометричні розміри гофри: (=50, 1=0,8 мм, Rв=2 мм, Rн=2,8 мм, де ( - кут нахилу обтічника до циліндричної частини гофри; 1 - товщина теплообмінної поверхні; Rв і Rн - внутрішній і зовнішній радіуси частини гофри відповідно.

Гофри з геометричними параметрами, поданими вище, мають товщину втрати імпульсу і товщину витиснення при обтіканні їх теплоносієм (маслом), що дозволяє використовувати вібрацію, що виникає на піддизельній рамі тепловоза при його роботі у номінальному режимі, для часткової руйнації прикордонного шару.

Рівняння для визначення тепловіддачі поверхні, що має гофри спеціального профілю в загальному виді можна записати як



(8)

,

де LAB, LBC, LCD - довжини, відповідно, ділянок AB, BC і CD; Т - температура гальмування; - кінематичний коефіцієнт в`язкості; Кz - поправочний коефіцієнт.

Методи розрахунку і проектування теплообмінного устаткування на рухомому складі в даний час не дозволяють цілком теоретично описати робочі процеси в теплообмінному апараті. Це робить експериментальні методи пріоритетними і вимушує досліджувати робочі процеси й визначати оптимальні умови їх протікання за допомогою експерименту.

У третьому розділі приведений опис конструкції дослідного пластинчатого теплообмінника з конфузор-дифузорними і каплеподібними щілинними каналами, подане на рис. 3, де 1,4 - підводящий колектор; 2, 3 - відводящий колектор; 5 - кожух; 6 - теплообмінна поверхня; 7 - каплеподібний щілинний канал; 8 - конфузор-дифузорний щілинний канал; 9 - панель.

Випробування пластинчатого теплообмінника проводилися на універсальному теплотехнічному стенді. Використання стенда дає можливість досліджувати вплив вібрації теплообмінної поверхні на теплоенергетичні і гідродинамічні характеристики пластинчатого теплообмінника. Для цього випробуваний теплообмінник установлювався на спеціальну хитну платформу, за допомогою якої генерувались коливання різної амплітуди і частоти. У розділі подана методика проведення і методика обробки отриманих даних теплотехнічних і гідродинамічних випробувань дослідного пластинчатого водомасляного теплообмінника як при впливі на нього вимушеної вібрації, так і без вібрації, тобто коли теплообмінник знаходився в нерухомому стані. Описано проведене математичне планування експерименту. Для знаходження коефіцієнта тепловіддачі і коефіцієнта опору, як функції, відповідно, виду =f1(Re, А, f) і =f2(Re, А, f), проведений полнофакторний експеримент.

На підставі математичного планування експерименту отримані рівняння регресії для коефіцієнта тепловіддачі і коефіцієнта гідравлічного опору дослідного теплообмінника:

для коефіцієнта тепловіддачі

=-81,859+10,153Re-0,266f-29663,9A+0,045Ref+ (9)

+1409,507ReA-985,954fА-985,954Re2-0,009f2-27,933A2

для коефіцієнта опору

=-3,777+0,902Re+0,017f+0,017A-0,001Ref- (10)

-141,557ReA-38,289fА-0,0106Re2-0,001f2+8860048A2

Розраховано погрішність результатів вимірів, отриманих у ході проведення експерименту. Середньоквадратичне відхилення склало 9 %, що не перевершує допустимих значень при проведенні подібного роду досліджень.

У четвертому розділі дані результати експериментальних досліджень дослідного пластинчатого теплообмінника, які дозволили оцінити адекватність розробленої математичної моделі знаходження параметрів теплообмінної поверхні. Значення чисел Нуссельта, розраховані теоретично для досліджуваної поверхні за формулою (8), на 1015 % вище, ніж отримані експериментально. Уточнено значення поправочного коефіцієнта KZ=0,85…0,87 для рівняння, що описує тепловіддачу на поверхні з гофрами спеціального профілю.

Аналіз отриманих коефіцієнтів тепловіддачі і гідравлічного опору дослідного водомасляного пластинчатого теплообмінника, показав, що при вимушеної вібрації спостерігалося підвищення інтенсивності теплообміну до 15-20 % у всьому діапазоні досліджуваних параметрів вібрації теплообмінних поверхонь (частоти f = 5...25 Гц і амплітуди А = (0,2...0,6)10-3 м). Слід зазначити, що зі збільшенням частоти і амплітуди коливань збільшується інтенсивність тепловіддачі, причому при частоті коливань f=25 Гц спостерігається максимальне збільшення тепловіддачі при всіх амплітудах коливання теплообмінної поверхні. Встановлено, що збільшуючи частоту коливання поверхні (при постійній амплітуді понад 0,2 мм) можна досягти підвищення тепловіддачі до 30 %. Це є немаловажним при установці пластинчатих теплообмінників на високооборотних двигунах, наприклад, на дизель-поїздах.

Аналіз результатів експериментального дослідження показав, що збільшення амплітуди коливань теплообмінної поверхні веде до росту гідравлічних утрат, притому, що збільшення частоти коливань навпаки, веде до їхнього зниження.

Звідси можна зробити висновок, що вібрація з невеличкими амплітудами коливання теплообмінної поверхні (0,2 мм) і частотами коливань понад 10 Гц, дозволяє досягти випереджаючого росту інтенсифікації теплообміну над ростом гідравлічного опору.

За результатами експериментальних досліджень отримані критеріальні рівняння для знаходження коефіцієнтів тепловіддачі і гідравлічного опору:

без впливу на досліджувану теплообмінну поверхню вібрації

, (11)

де Prст - значення числа Прандтля стінки;

; (12)

при впливі на досліджувану теплообмінну поверхню вібрації

, (13)

, (14)

де Reo - вібраційне число Рейнольдса, рівне

,

де Uо - результуюча швидкість потоку, м/с; U - швидкість потоку теплоносія, м/с; U - вібраційна швидкість поверхні, =4Af; м/с; А - амплітуда коливання теплообмінної поверхні, м; f - частота коливання теплообмінної поверхні, с-1; dэ - еквівалентний діаметр, м.

Характеристики досліджуваної теплообмінної поверхні, такі як критерій Нуссельта і коефіцієнта гідравлічного опору, дорівнювались з такими ж характеристиками інших трубчастих і пластинчатих поверхонь, які найбільш часто використовуються в різноманітних теплообмінних апаратах, що випускаються промисловістю. Порівняння проводилося на підставі відомих формул при однакових режимних характеристиках середовища, тобто при однакових числах Рейнольдса. Дані такого порівняння подані на рис. 4-5, де 1 - дослідна поверхня (без вібрації); 1вібр - дослідна поверхня (з вібрацією: частотою 20 Гц і амплітудою 0,2 мм); 2 - плоскі трубки з лунками; 3 - плоскі трубки зі штахетами; 4 - хвилястий канал; 5 - гофри "ялинка"; 6 - гофри 0,18М "ялинка 120"; 7 - пластини гладкі; 8-сітчасто-потокові пластини; 9-сітчасто-потокові пластини Лаваль Р-12.

Рис 2 Порівняння різноманітних поверхонь за інтенсивністю тепловіддачі



Рис. 3 Порівняння різноманітних поверхонь за коефіцієнтом опору

Параметри вібрації піддизельної рами обрані на підставі проведених досліджень впливу вібрації дизель-генераторної установки на тепловози типу 2ТЭ116.

У п'ятому розділі приведена методика розрахунку проектного водомасляного пластинчатого теплообмінника з конфузор-дифузорними і каплеподібними щілинними каналами, що зазнає вплив вимушеної вібрації, для систем охолодження тепловозів і дизель-поїздів.

Подано порівняння параметрів розробленого проектного водомасляного пластинчатого теплообмінника з конфузор-дифузорними і каплеподібними щілинними каналами з водомасляним теплообмінником, що використовується у даний час на магістральних тепловозах 2ТЭ116 і що має як теплообмінні поверхні мідні трубки малого діаметра.

Дано техніко-економічну оцінку використання проектного пластинчатого водомасляного теплообмінника з конфузор-дифузорними і каплеподібними щілинними каналами на локомотиві. Економічний ефект від упровадження проектного водомасляного пластинчатого теплообмінника обумовлений зниженням собівартості теплообмінного апарата заміною при виготовлені теплообмінних поверхонь міді - сталлю, здешевленню вартості виготовлення одного квадратного метра теплообмінної поверхні в результаті заміни трубок малого діаметра на тонкі сталеві листи з гофрами спеціального профілю, а так само зниженням витрат на обслуговування.

Очікуваний економічний ефект (з урахуванням ПДВ) від застосування проектного рекуперативного водомасляного пластинчатого теплообмінника з конфузор-дифузорними і каплеподібними щілинними каналами на локомотиві 2ТЭ116 при його виробництві складе 18830 грн. на секцію (у цінах на 1.08.1999 р.).

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена актуальній для залізничного транспорту проблемі поліпшення використання сировинних ресурсів при виробництві тепловозів у результаті удосконалення водомасляних теплообмінних апаратів для системи охолодження, що дозволяє замінити робочі поверхні з мідних трубок сталевими листами.

Подані в дисертації результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити такі висновки:

У результаті проведених досліджень виявлений резерв поліпшення використання сировинних ресурсів при виробництві тепловозів, що полягає в зниженні використання кольорових металів в охолодному устаткуванні шляхом застосування нових конструкцій водомасляних теплообмінників пластинчатого типу.

На підставі аналізу науково-технічної інформації розроблена нова схема пластинчатого рекуперативного водомасляного теплообмінника й обраний метод інтенсифікації теплообміну в ньому, що полягає в сполученні геометричних параметрів теплообмінної поверхні, як-от, конфузор-дифузорного перетину каналу, з вимушеною вібрацією на піддизельной рамі, що має місце при роботі тепловоза, що дозволяє замінити теплообмінні поверхні з мідних трубок малого діаметра, використовувані в даний час, тонкими сталевими листами з гофрами спеціального профілю, і тим самим підвищити ефективність тепловоза.

Розроблено математичну модель розрахунку параметрів теплообмінної поверхні, на підставі якої отримані вираження для визначення тепловіддачі на досліджуваній пластинчатій поверхні, адекватні експерименту, а також товщини втрати імпульсу і товщини витиснення на гофрах спеціального профілю.

На підставі отриманих виражень для розрахунку товщини втрати імпульсу і товщини витиснення на поверхні з гофрами спеціального профілю, а також з урахуванням теоретичних досліджень отримані геометричні характеристики гофри теплообмінної поверхні: кут нахилу обтічника до циліндричної частини гофри - =50, внутрішній радіус циліндричної частини гофри - Rв=2 мм, зовнішній радіус циліндричної частини гофри - Rн=2,8 мм, товщина пластинчатої поверхні - 1=0,8 мм.

Створено дослідний зразок рекуперативного водомасляного пластинчатого теплообмінника з конфузор-дифузорними і каплеподібними щілинними каналами, в якому теплообмінні поверхні виконані з тонкого оцинкованого сталевого листа з гофрами спеціального профілю.

Проведені експериментальні дослідження дослідного пластинчатого теплообмінника дозволили одержати його характеристики і виявити, що в результаті впливи вібрації на теплообмінну поверхню з амплітудою коливань - до 0,2 мм і частотою від 15 Гц до 25 Гц інтенсивність теплообміну зростає до 30 % при збільшенні коефіцієнта опору до 20 %, тобто отриманий ріст інтенсивності теплообміну випереджає гідравлічний опір.

На підставі експериментальних даних отримані критеріальне рівняння для знаходження критерію Нуссельта і коефіцієнта опору досліджуваних поверхонь, що утворять конфузор-дифузорні щілинні канали.

Розроблено методику і програму розрахунку теплообмінного апарата пластинчатого типу з урахуванням вимушеної вібрації, що дозволило спроектувати водомасляний пластинчатий теплообмінник для системи охолодження тепловоза типу 2ТЭ116, застосування якого дозволить одержати економічний ефект за рахунок відмови від використання кольорового металу, здешевлення технології виготовлення і зниження витрат на обслуговування в розмірі 18830 грн. на секцію (у розрахунку на 1.08.1999 г).

Результати дисертаційної роботи використовуються в ХК "Луганськтепловоз" при розробці водомасляних теплообмінників для магістральних тепловозів і дизель-поїздів, що дозволяє скоротити обсяг, трудомісткість і вартість дослідно-конструкторських і експериментальних робіт.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Могила В.И., Игнатьев О.Л., Креспо Н.В. Выбор рациональной формы диффузор-конфузорных и сфера-угольных каналов водомасляного теплообменника для систем охлаждения магистральных тепловозов. // Вестник Восточноукраинского государственного университета. Изд-во ВУГУ. Сер. Транспорт. - 1996. - С. 75-79.

2. Игнатьев О.Л., Могила В.И. Некоторые результаты экспериментальных исследований компактного рекуперативного пластинчатого теплообменника // Транспорт. - Луганск: ВУГУ. - 1998. - С.34-42.

3. Могила В.И., Игнатьев О.Л. Результаты гидродинамических исследований рекуперативного пластинчатого теплообменника // Вiсн. Схiдноукр. держ. ун-ту. - 1999. - №1 (16). - С.37-40.

4. Игнатьев О.Л., Могила В.И. Определение характеристик пограничного слоя на поверхности сфера-угольного профиля в охладителях масла транспортных средств // Промисловий транспорт. - Луганськ: СУДУ. - 1999. - С.108-110.

5. К вопросу интенсификации теплообмена в водомасляном теплообменнике с диффузор-конфузорными и сфера-угольными каналами / Игнатьев О.Л., Могила В.И., Креспо Н.В.; Восточноукр. Ун-т, Луганск. - 1995, - 7 с.: ил. - Библиогр.: 4 назв. - Рус. - Деп. В ГНТБ Украины 01.12.95. № 2579 - Ук 95.

6. Решение про выдачу патента Украины на изобретение № 97031075, МКИ 6 F28D 9/04, F28F 7/00. Теплообменник. Могила В.И., Игнатьев О.Л., Коняев А.Н. Заявл. 11.03.97; Опубл. 10.10.98. - 7с.

7. Игнатьев О.Л., Могила В.И., Креспо Н.В. Обеспечение запаса надежности силового оборудования тепловозов за счет интенсификации теплообмена в рекуперативном теплообменнике // Тезисы докладов. IХ Международ. конф. "Проблемы механики железнодорожного транспорта". Изд-во Днепропетровского государственного технического университета железнодорожного транспорта. - Днепропетровск. - 1996. - С.35.

Игнатьев О.Л., Могила В.И., Креспо Н.В., Тищенко В.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов в компактном рекуперативном теплообменнике // Тезисы докладов. VII Международн. научно-техническая конф. "Проблемы развития рельсового транспорта". - Крым, Ливадия. - 1997.-С.43-44.

9. Игнатьев О.Л., Могила В.И., Кочура А.В. Экспериментальные исследования теплоотдачи в компактном рекуперативном теплообменнике // Тезисы докладов. VIII Международн. научно-техническая конф. "Проблемы развития рельсового транспорта". - Крым, Алушта. - 1998. - С.39-40.

10. Могила В.И., Игнатьев О.Л., Малахов О.В. Результаты экспериментального исследования водомасляного пластинчатого теплообменника // Тезисы докладов. IX Международн. научно-техническая конф. "Проблемы развития рельсового транспорта". - Крым, Алушта. - 1999. - С. 23-24.

Размещено на Allbest.ru