Расчет рекуперативного теплообменника

В теплообменных аппаратах для охлаждения наддувочного воздуха основными видами теплообмена являются теплоотдача и теплопроводность.

Линейная плотность теплового потока, передающаяся от воздуха к стенкам трубки круглого сечения (рис. 9.4) на единицу площади за счет теплоотдачи

,

где a_в – коэффициент теплоотдачи для воздуха.

Рис. 9.4. Теплоотдача между воздухом и охлаждающей средой
через цилиндрическую стенку

Теплота, передающаяся через стенку

,

где l – коэффициент теплопроводности материала стенки.

Теплота, передающаяся от стенки к охлаждающей среде

,

где a_ж – коэффициент теплоотдачи для охлаждающей среды.

Из этих уравнений получаем

,

где k_l – линейный коэффициент теплопередачи, равный

.

При загрязнении омываемых поверхностей теплообменника коэффициент теплопередачи уменьшается. Поэтому в формулу вводят термическое сопротивление, учитывающее загрязнение R _заг, значения которого составляют 3,5×10^-4 – 8,5×10^-4 м²×К/Вт

.

Тепловой поток, передаваемый через трубку длиной l, составляет

Q = q_l l = k_l l D T.

Расчет теплообменника сводится к определению коэффициента теплопередачи k или коэффициентов теплоотдачи a.

Рассмотрим порядок расчета теплообменника на примере воздухо-воздушного охладителя (радиатора).

Одна из возможных конструктивных схема радиатора приведена на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Конструктивная схема радиатора охлаждения наддувочного воздуха

Исходными данными для расчета являются расход воздуха G _к, температура воздуха после компрессора Т _к, температура воздуха после охладителя Т _ох.

Для выбранной схемы расчетным элементом является трубка с ребром (на рис. 9.5 выделен пунктиром), эквивалентом которой является трубка с ребром постоянной расчетной высоты h _р.

Необходимо рассчитать теплопередачу через данный элемент и затем определить количество этих элементов и размеры радиатора.

Количество теплоты, отводимой от воздуха

,

где с_р – теплоемкость воздуха при постоянном давлении.

Расход охлаждающей среды (воздуха)

, ,

где Т ₁ – температура охлаждающего воздуха перед радиатором; Т ₂ – температура охлаждающего воздуха после радиатора.

Для определения коэффициента теплоотдачи необходимо найти число Нуссельта, которое зависит от числа Рейнольдса.

Число Рейнольдса для охлаждаемого воздуха

,

где w _ох – скорость воздуха (при расчетах принимается равным
22 м/с); d _эох – эквивалентный внутренний диаметр трубки; n_ох - кинематическая вязкость воздуха.

Число Нуссельта для прямых гладких труб находится по эмпирической зависимости

,

где Pr_ох – число Прандтля (для воздуха Pr» 0,71)

Коэффициент теплоотдачи для охлаждаемого воздуха

,

где l_ох – коэффициент теплопроводности (для воздуха l_ох »
» 0,026 Вт/(м×К).

Аналогично находится коэффициент теплоотдачи a_в для охлаждающего воздуха. Число Нуссельта находится по эмпирической зависимости для пучка труб.

Затем находится приведенный коэффициент теплоотдачи, значение которого зависит от степени оребрения

,

где y_р – коэффициент оребрения (y_р = F _п/ F _вн); F _п – площадь наружной поверхности оребренной трубы F _тр и поверхности ребер F _р (F _п = = F _р + F _тр); F _вн – внутренняя площадь трубы; h_р – коэффициент эффективности ребер.

Коэффициент эффективности ребер зависит от характеристики ребра m (l_р – коэффициент теплопроводности материала)

и расчетной высоты ребра h _р. Зависимость между этими величинами показана на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Коэффициент эффективности ребер

Коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности труб

.

Необходимая площадь поверхности радиатора

,

где D T_n – среднелогарифмический температурный напор (см. выше).

Зная площадь поверхности F, можно определить количество расчетных элементов и размеры радиатора B и H.

Потери давления охлаждаемого воздуха определяются как сумма местных потерь и потерь на трение в трубках

,

где x_м – коэффициент местных потерь; l_тр – коэффициент потерь на трение; l _т – длина всех трубок радиатора.

Потери давления охлаждающего воздуха

,

где x_м – коэффициент местных потерь при прохождении воздуха через радиатор.

Коэффициент x_м в зависимости от числа Рейнольдса находится по одной из эмпирических зависимостей

 при Re < 2000,

 при Re > 2000.

В случае если охлаждающий воздух подается принудительно вентилятором, то его мощность можно определить по формуле

,

где h_вен – КПД вентилятора.

9.4. Системы охлаждения и регулирование температуры
наддувочного воздуха

Как уже отмечалось, наибольшее распространение получили воздухо-воздушные и водо-воздушные охладители (радиаторы) наддувочного воздуха. Существует большое разнообразие схем систем охлаждения и регулирования температуры воздуха. В простейшей системе воздух охлаждается потоком окружающего воздуха в охладителе, установленном перед водяным радиатором системы охлаждения двигателя или рядом с ним (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Схема системы охлаждения наддувочного воздуха
автотракторного двигателя:

1 – двигатель; 2 – турбокомпрессор; 3 – радиатор наддувочного воздуха;
4 – радиатор системы охлаждения двигателя; 5 – вентилятор

На рис. 9.8 показана схема охлаждения наддувочного воздуха двигателя Mack V -8, который устанавливается на грузовики Renault и Magnum.

Рис. 9.8. Схема охлаждения наддувочного воздуха двигателя Mack V -8

Особенностью схемы является привод вентилятора системы охлаждения от воздушной турбины.

При работе двигателя как излишне низкая, так и чрезмерно высокая температура воздуха отрицательно сказываются на работе двигателя. При высокой температуре снижается наполнение двигателя, повышается температура отработавших газов, увеличивается расход топлива, растет максимальная температура цикла и тепловая напряженность деталей. При низкой температуре воздуха увеличивается максимальное давление цикла, увеличиваются ударные нагрузки, ухудшается распыл топлива, увеличиваются низкотемпературные отложения на деталях двигателя. Поэтому часто система охлаждения надувочного воздуха имеет элементы регулирования температуры. Одна из схем регулирования приведена на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Схема регулирования температуры надувочного воздуха

При снижении температуры наддувочного воздуха менее 45° С клапан перекрывает подачу воздуха в теплообменник.

Американский концерн Cummins разработал двигатель, имеющий следующую схему охлаждения наддувочного воздуха (рис. 9.10).

Рис. 9.10. Схема регулирования температуры надувочного воздуха
двигателя Cummins

Система включает радиатор охлаждения жидкости, разделенный на две части: в одной части радиатора охлаждается жидкость для системы охлаждения двигателя; в другой части – для охладителя наддувочного воздуха. Сечения трубок радиатора для охладителя наддувочного воздуха подобраны так, чтобы температура жидкости на выходе из радиатора ниже, чем температура жидкости для охлаждения двигателя. На холодном двигателе жидкость через охладитель не идет.

Контрольные вопросы

1. В чем положительный эффект охлаждения наддувочного воздуха?

2. Всегда ли охлаждение наддувочного воздуха оправдано?

3. В каком случае необходимо охлаждение наддувочного воздуха?

4. Какие способы используются для охлаждения наддувочного воздуха?

5. В чем преимущество трубчатых охладителей наддувочного воздуха по сравнению с пластинчатыми?

6. Какое направление теплоносителей в теплообменнике более эффективно?

7. Какие характеристики используются для оценки охладителя наддувочного воздуха?

8. В чем различие испарительного и водоконтактного охлаждения наддувочного воздуха?

9. Что является расчетным элементом при расчете рекуперативного теплообменника?

10. Почему как излишне низкая, так и чрезмерно высокая температура воздуха, поступающего в двигатель, отрицательно сказываются на работе двигателя?

РАЗВИТИЕ СИСТЕМ НАДДУВА

В качестве агрегатов наддува для ДВС наибольшее распространение получили поршневые, роторные, роторно-винтовые нагнетатели и турбокомпрессоры. В настоящее время все большие дизельные двигатели мощностью более 150 кВт, используемые в промышленности, судостроении, в дорожно-строительных работах оснащаются турбокомпрессорами. В автомобильном транспорте практически любой дизельный двигатель мощностью более 80 кВт оснащается турбокомпрессором, и все большая доля бензиновых двигателей имеет наддув. Сегодня практически все автомобильные фирмы имеют модели двигателей с турбонаддувом.