Охлаждающие устройства тепловозных дизелей
ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ - устройства и агрегаты, обеспечивающие принудительный отвод и рассеивание в атмосфере избыточной теплоты, связанной с рабочим процессом дизельного двигателя. Отвод теплоты непосредственно от дизеля (от его рабочих цилиндров, крышек цилиндров, поршневой группы, турбокомпрессора, а также и от наддувочного воздуха) и перенос ее от дизеля в охлаждающие устройства осуществляются промежуточными теплоносителями, циркулирующими в системах охлаждения дизеля. Для этого используются водяная система дизеля, в которой теплоносителем служит вода (возможно применение и низкозамерзающих жидкостей антифризов - обычно на основе смеси этиленгликоля и воды), и масляная система дизеля, которая помимо основной функции - смазки - осуществляет теплоотвод и перенос теплоты от поршневой группы и подшипников коленчатого вала, где теплоносителем служит смазочное моторное масло. В системы отвода теплоты от масла и наддувочного воздуха дизеля вводятся промежуточные теплообменники (водомасляные и водовоздушные), с помощью которых теплота от масла и воздуха может быть передана основному теплоносителю — воде.
Основные элементы охлаждающих устройств тепловозных дизелей - теплообменники разных типов (водовоздушные, маеловоздушные, водомасляные и воздуховодяные), вентиляторы и их приводные устройства. Теплообменники, непосредственно рассеивающие теплоту дизеля, отводимую благодаря теплоемкости теплоносителей и их интенсивной циркуляции, в окружающую среду, называют радиаторами.
Согласно основному уравнению теплопередачи, количество передаваемой (от теплоносителя к атмосферному воздуху) теплоты Р прямо пропорционально величине площади теплопередающей поверхности Р и разности температур Δt теплоносителя (охлаждающей жидкости) и атмосферного воздуха: Р=kFΔt;, где k — коэффициент теплопередачи. Так как величина температурного напора Δt ограничена (температура воды в системах охлаждения, как правило, не может превышать 90- 95 °С, масла 80-85 °С, а охлаждающие устройства должны обеспечивать работу дизеля тепловоза при температурах атмосферного воздуха до 40-45 °С), теплопередающие и теплорассеивающие устройства мощных тепловозов должны иметь значительные площади поверхностей охлаждения. Развитие площадей теплопередающих поверхностей достигается за счет дробления потоков на большое число отдельных струй, протекающих в трубках малого поперечного сечения и внешнего оребрения этих трубок. Радиаторами служат многотрубные теплообменники с внешним оребрением трубок, выполняемые в виде секций или блоков. Радиаторная секция состоит из коллекторов, трубных решеток, к которым припаяны трубки плоско-овального сечения, имеющие коллективное или индивидуальное оребрение. Каждая секция отдельно крепится к водяным коллекторам. Радиаторы блочного типа представляют собой монолитную конструкцию из коллекторов, трубок и оребрения.
По конструкции поверхности охлаждения различают трубчато-пластинчатые, трубчато- ленточные и пластинчато-ребристые радиаторы. На тепловозах в основном применяются типовые радиаторные секции трубчато-пластинчатого типа, имеющие коллективное оребрение с пластинами толщиной 0,1 мм, шагом оребрения 2,3-2,83 мм и поверхностью охлаждения 29,05 м2. Коэффициент теплопередачи секции составляет 50-60 Вт/(м2К).
По способу подвода охлаждающего воздуха к радиаторам различают охлаждающие устройства всасывающего и нагнетательного типов. В охлаждающих устройствах всасывающего типа вентиляторное колесо располагается в верхней части шахты, а радиатор - под вентилятором. За счет разрежения воздуха под вентилятором охлаждающий воздух через боковые жалюзи направляется в радиаторы, на выходе из которых нагретый воздух выбрасывается в нагнетательную полость холодильной камеры и через верхние жалюзи отводится в окружающую среду.
В охлаждающих устройствах нагнетательного типа вентиляторная установка находится в нижней части шахты, а радиаторы - со стороны нагнетательной полости вентилятора (потолочное расположение вентиляторов). Охлаждающий воздух поступает к радиаторам из диффузора вентилятора с высокой скоростью, чем достигается повышение эффективности отвода теплоты от теплоносителей дизеля. Коэффициент теплопередачи радиаторов, рассеивающих теплоту, переносимую теплоносителями от дизеля, в атмосферу, возрастает при увеличении скорости протекающего через них воздуха, что достигается просасыванием воздуха через радиаторы за счет разрежения за их фронтом, создаваемого специальными вентиляторами.
Схемы охлаждающих устройств. На тепловозах применяют две основные схемы систем охлаждения. На тепловозах малой и средней мощности для охлаждения воды дизеля используют водовоздушные радиаторы, для масла дизеля - масловоздушные радиаторы (рис. 5.37), например на серийных поездных тепловозах ТЭЗ, на маневровых ТЭМ2. Схема оказывается малоэффективной при создании охлаждающих устройств для мощных формированных дизелей с отводом теплоты в смазочное масло, так как коэффициент теплопередачи масловоздушных радиаторов значительно ниже, чем у водовоздушных. По этой причине, например, большую часть радиатора тепловоза ТЭЗ составляют секции для охлаждения масла (36 секций) и только 24 секции используются для охлаждения воды, хотя количество теплоты, отводимое с водой, в 2 раза больше. На мощных тепловозах применено охлаждение воды в водовоздушных радиаторах, а масла - в промежуточном водомасляном теплообменнике. Вода из контура охлаждения масла затем охлаждается воздухом так же, как и вода из контура непосредственного охлаждения дизеля. Такая схема применена на тепловозах типа 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70 и др. Охлаждение масла промежуточным теплоносителем (водой) позволяет уменьшить общие размеры радиатора на тепловозе. Обе схемы включают также масляный и водяные насосы, обеспечивающие циркуляцию теплоносителей. Наддувочный воздух обычно охлаждается в воздухоохладителе, где вода используется в качестве промежуточного теплоносителя. На тепловозах с гидравлической передачей теплоносителем для отвода теплоты от передачи служит непосредственно сама рабочая жидкость (масло).
Для охлаждения масла на тепловозах применяются в основном высокоэффективные водомасляные теплообменники трубчатого или трубчато-ребристого типа с коэффициентом теплопередачи 700-1100 Вт/(м2К).
На современных тепловозах получают распространение системы, аккумулирующие избыточную тепловую энергию на тепловозе и позволяющие в зимний период эксплуатации снизить вероятность выхода из строя радиаторных секций охлаждающего устройства из-за образования трещин вследствие значительных знакопеременных температурных деформаций, возникающих в трубном пучке радиаторной секции, а также замерзания воды в трубках; повысить тепловое состояние силовой установки, а следовательно, уменьшить механические потери; увеличить топливную экономичность дизеля.
К таким системам относятся следующие: внутрикамерная рециркуляция воздуха - осуществляется подогрев охлаждающего воздуха в радиаторах, который на выходе из вентилятора поступает к фронту радиаторных секций. Данный вид рециркуляции внутри охлаждающего устройства позволяет обеспечить повышение температуры воздуха перед фронтом радиаторов и «облегчить» условия их работы при температуре окружающей среды минус 20 °С и выше. Кроме того, не достигается подогрев наддувочного воздуха на экономически невыгодных режимах малых нагрузок и холостого хода.
На отдельных тепловозах применяют осушение радиаторов охлаждающего устройства для предотвращения снижения теплового состояния дизеля и возможного замерзания воды в трубках радиаторов; повышение безопасного времени простоя тепловоза в резерве с неработающим двигателем; снижение расхода топлива при отстое тепловоза в горячем резерве. Осушение радиаторов достигается путем слива охлаждающей воды в дополнительный бачок. Отключение охлаждающего устройства из круга циркуляции воды дизеля позволяет снизить расход топлива при горячем отстое тепловозов.
Размещение основных частей. Составные элементы охлаждающих устройств (секции радиаторов, соединяющие их коллекторы, вентиляторная установка с приводом и воздуховоды) образуют камеру, называемую шахтой и размещаемую обычно в концевой части кузова секции грузового тепловоза, в головной части капотного кузова маневрового тепловоза или между задней кабиной машиниста и дизельным помещением на односекционных (главным образом, пассажирских) тепловозах. В боковых стенках шахты находятся воздухоприемники - поворотные жалюзи и водяные секции радиаторов, к которым охлаждающая жидкость подводится коллекторами. В центре камеры размещен вентилятор. Внутренняя часть камеры ограничена наклонными стенками, которые, смыкаясь с горизонтальным листом, образуют арку (шахту), служащую для прохода к торцевым дверям секции. Теплообмен в радиаторах интенсифицируется протеканием через их фронтальную поверхность потока внешнего воздуха благодаря разрежению в шахте, создаваемому вентилятором. Воздух засасывается вентилятором через боковые жалюзи, протекает через секции радиаторов, через диффузор вентилятора и выбрасывается наружу. Открытием боковых и верхних жалюзи регулируется подача воздуха, а следовательно, и температуры воды и масла. Привод вентилятора осуществляется по различным схемам и может быть либо механическим - через редуктор и карданный вал непосредственно от вала дизеля (рис. 5.38,а), либо индивидуальным: гидростатическим (рис. 5.38,6 и г) или электрическим (рис. 5.38,в и д). На российских поездных тепловозах используются обычно низконапорные 8-лопастные осевые вентиляторы типа УК-2М. Число вентиляторов зависит от длины фронта радиаторов, схемы компоновки камеры и диаметра лопастей. Применяются вентиляторы с диаметром лопастей 1100 мм (4 вентилятора на тепловозе 2ТЭ116), 1600 мм (2 вентилятора на тепловозе ТЭП60), 1700 мм (2 вентилятора на тепловозах 2ТЭ121 и 2ТЭ136 и 3 вентилятора на тепловозе ТЭП70) и 2000 мм (1 вентилятор на тепловозах типа 2ТЭ10). На некоторых тепловозах шахта охлаждающих устройств отсутствует, т. к. вентиляторы и радиаторы размещаются под крышей машинного помещения над дизелем (рис. 5.38,г). Водомасляные теплообменники обычно размещаются либо непосредственно на дизеле (тип Д49), либо вблизи от него в машинном помещении (2ТЭ10В, ТЭП60); воздухоохладители - непосредственно на дизеле.