Охладители воды и масла.

Охладители воды судовых ДВС обычно выполняются водо-водяными (ВВО). Охладители воды транспортных и стационарных ДВС выполняются водо-воздушными. Водо-воздушные рекуперативные теплообменники обычно называют радиаторами. Охладители воды стационарных ДВС могут выполняться как в виде радиаторов, так и в виде градирен или барботерных теплообменных аппаратов (вода охлаждается при пропускании (барботировании) через ёмкость с водой пузырьков охлаждающего воздуха). Для стационарных ДВС возможно также использование ВВО, если имеются подходящие условия для применения системы охлаждения с такими теплообменниками.

Водо-водяные охладители судовых ДВС (или ВВО)выполняются в виде кожухотрубных или пакетнопластинчатых теплообменников. Конструктивная схема кожухотрубного теплообменника показана на рис. 1.14. Корпус такого теплообменника изготавливается в виде трубы большого диаметра, в котором размещается трубный пучок из гладких (не оребрённых) трубок малого диаметра. Концы трубок крепятся в трубных досках. Обычно одна из трубных досок обладает подвижностью для обеспечения компенсации тепловых расширений. Размещение трубок в трубных досках может выполняться по системе диагональной разбивки, по системе концентрических окружностей и по ряду иных возможных геометрий. Основой выбора системы расположения труб в трубных досках является стремление к максимальному заполнению объёма корпуса при обеспечении возможной равномерности размещения теплообменной поверхности по этому объёму. Одновременно учитываются требования к технологичности, прочности, устойчивости пучка к загрязнениям и некоторые другие. Обычно заборная вода проходит внутри трубок пучка, а пресная вода проходит между трубками. Для регулирования скорости воды внутри трубок охладитель может выполняться по забортной воде как одноходовым, так и многоходовым. Для обеспечения необходимой скорости пресной воды и придания определённого направления её течению внутри корпуса устанавливаются диафрагмы. Благодаря установке диафрагм схема течения теплоносителя с внешней стороны трубного пучка приближается к многократно-перекрёстному току. На рис. 2.1 схема взаимного течения теплоносителей в охладителе соответствует так называемому однократному реверсивному току. При этом охладитель имеет два хода теплоносителя внутри трубок (обычно это забортная вода), а для второго теплоносителя реализован многократный перекрёстный ток относительно реверсивного потока первого теплоносителя.

 

Рис.1.14. Конструктивная схема кожухотрубного водо-водяного охладителя с сегментными диафрагмами: 1- подвижная трубная доска; 2, 5 – водяные крышки; 3 – уплотнение между корпусом подвижной трубной доской; 4 – неподвижная трубная доска; 6 – трубки трубного пучка; 7 – диафрагмы; 8 – корпус (кожух)

 

Диафрагмы для изображённого теплообменника имеют вид окружности с удалённым сегментом (сегментные диафрагмы). Каждая диафрагма имеет сверления, через которые с малым зазором проходят трубки. Щель между диафрагмой и корпусом (кожухом) может уплотняться специальным уплотнением для уменьшения соответствующих протечек. Следует сказать, что схема действительного течения потока внутри корпуса имеет сложную структуру. Если ядро потока движется примерно по направлению Д, указанному стрелками на рис. 1.15, то часть потока протекает через зазоры между трубками и диафрагмами (П), часть между основной структурой пучка и корпусом (О), а часть между стенками корпуса и диафрагмами (Б). Всё это делает реальную картину обтекания пучка трубок потоком весьма сложной и влияет на точность и сложность теплотехнических расчётов теплообменника. Кроме сегментных диафрагм встречаются также кольцевые (рис. 1.16) и стержневые.

 

Рис. 1.15. Схема действительного обтекания потоком пучка труб в кожухотрубном теплообменнике с сегментными диафрагмами: Д – основной поток, П – протечки в зазорах между диафрагмами и трубками, Б – байпасный поток между диафрагмами и корпусом, О – обводной поток между корпусом и боковой поверхностью пучка

 

Рис. 1.16. Схема кожухотрубного водоводяного охладителя с кольцевыми диафрагмами: 1 – кольцевые диафрагмы

 

Рис. 1.17. Кожухотрубный ВВО с сегментными диафрагмами конструкции Бериславского машиностроительного завода

 

 

Стержневая диафрагма представляет собой набор стержней, расположенных примерно в одной плоскости, перпендикулярной осям трубок пучка (подобно струнам в теннисной ракетке). Стержни пропускают между трубками, а наружные концы крепят в отверстиях колец, охватывающих пучок в местах размещения диафрагм. Часть сечения пучка, как и в случае применения диафрагм иной конструкции, остаётся свободной и используется для поворота потока в обратном направлении перед его движением через последующий зазор с рядом расположенной диафрагмой. Имеются сведения, что наиболее компактные конструкции кожухотрубных теплообменников обеспечиваются применением сегментных диафрагм. Конструкция реального кожухотрубного теплообменника с сегментными диафрагмами представлена на рис. 1.17.

На рис. 1.18 показан общий вид возможной конструкции консольного пластинчатого теплообменника. Подводящие и отводящие патрубки теплоносителей в подобных конструкциях могут располагаться как по одну сторону пакета, так и с обеих его сторон. Вид отдельной пластины для таких теплообменников показан на рис. 1.19, а на рис. 1.20 показан вид фрагмента теплообменной поверхности из нескольких пластин. Поверхности пластин имеют систему выступов и впадин, образованных штамповкой. В настоящее время на поверхности пластин штампуют горизонтальные гофры треугольного или синусоидального сечения. озможны также не только сплошные горизонтальные формы гофр, но и гофры дугообразной формы, прерывистые гофры треугольного, цилиндрического или сфероидального профиля. Это так называемые ленточно-поточные пластины, имеющие наибольшее распространение для ВВО. Жидкость между пластинами здесь движется в основном поперечно осевым линиям гофр. Форма потока жидкости между пластинами подобна форме волнистой ленты. Такая структура потока способствует интенсивной турбулизации теплоносителя и улучшает теплообмен при прочих равных условиях.

 

 

Рис.1.18. Консольный пластинчатый жидкостно-жидкостный теплообменник: 1 – подвод охлаждаемой среды, 2 – подвод охлаждающей среды, 3 – отвод охлаждаемой среды, 4 – отвод охлаждающей среды

 

Ранее применялись пластины с иной организацией потока. Они либо имели выступы, предназначенные только для обеспечения жёсткости (плоские пластины), либо имели выштампованные зигзагообразные или продольные каналы, вдоль которых двигалась жидкость (канальчатые пластины). Такие каналы мало интенсифицировали теплообмен, но сильно увеличивали гидравлическое сопротивление. Если рабочие скорости воды в аппаратах из канальчатых пластин должны быть в пределах 1,5…2,5 м/с, то в аппаратах из ленточно-поточных пластин эти скорости при той же интенсивности теплообмена могут быть снижены до 0,3…0,9 м/с. На рис. 1.21 показаны основные элементы конструкции консольных теплообменников, выпускаемых фирмой Альфа-Лаваль.

 

 

Рис 1.19. Отдельная пластина жидкостно-жидкостного теплообменника

 

 

Рис.1.20. Сборка пластин жидкостно-жидкостного теплообменника

 

На рис. 1.22 показана схема взаимного течения теплоносителей, которую возможно организовать в таких теплообменниках. Большинство применяемых пластинчатых охладителей отличаются от трубчатых прежде всего тем, что допускают разборку и последующую качественную механическую чистку. В то же время опыт эксплуатации судовых теплообменников свидетельствует, что при обычных условиях эксплуатации необходимость в таких операциях в межремонтные периоды чаще всего отсутствует, а существующие способы очистки кожухотрубных теплообменников в условиях периодических ремонтов не представляют особых сложностей. Одновременно отмечается относительно меньшая надёжность работы пластинчатых теплообменников. Вероятность появления течи в полостях таких теплообменников и смешения теплоносителей для них выше, чем для кожухотрубных. Последнее обстоятельство может быть решающим, если условия эксплуатации соответствуют вышеназванным. В то же время есть отдельные районы эксплуатации дизельных энергетических установок, где возможность срочной и качественной очистки в межремонтные периоды может быть важным преимуществом. В частности, необходимости в таких чистках возникают при работе ВВО в водоёмах с тёплой, минерализованной водой и сильно развитой системой водных микроорганизмов, склонных образовывать отложения на стенках водяных каналов теплообменников.

Если же сравнивать объёмы и массы трубчатых и пластинчатых водо-водяных охладителей, то их соотношение зависит от удельной тепловой нагрузки. При нагрузках выше 0,0055 кВт/м² преимущество имеют кожухотрубные охладители. Указанное соотношение справедливо для типовых конструкций пластинчатых ВВО, в частности, сконструированных в соответствии со схемой на рис. 1.21. Эти конструкции содержат большое число тяжёлых и громоздких элементов, применение которых не всегда и не везде является принципиально необходимым. В принципе, возможно создание более лёгких и компактных конструкций, основанных на неразборных (сварных) соединениях пластин. Однако в этом случае теряется важное преимущество возможности межремонтной очистки, а также снижается надёжность в связи с появлением дополнительных напряжений от сварки и появления всякого рода неоднородностей в металле теплообменной поверхности, ведущих к образованию трещин и свищей в соединениях пластин

 

 

Рис.1.21. Основные элементы конструкции типичных консольных теплообменников (стяжные болты не показаны): 1 – неподвижная плита; 2 – первая пластина, прилегающая к плите; 3 – пакет рабочих пластин; 4 – концевая пластина; 5 – опорная балка; 6 – стойка; 7 – нажимная подвижная плита; 8 – направляющая балка

Рис. 1.22. Возможная схема взаимного течения теплоносителей в консольном пластинчатом теплообменнике

 

. Следует отметить, что поиски более рациональных конструкций пластинчатых теплообменников продолжаются, в то время как принципиальное развитие конструкций кожухотрубных практически завершено. Соответственно не следует исключать возможности появления новых пластинчатых ВВО с более удачными показателями.

1.3. Воздухо-водяные охладители воды (радиаторы или ВВР)

могут выполняться на основе трубчатых, трубчато-пластинчатых, пластинчатых ПТ. Современные радиаторы имеют оребрение со стороны воздушного потока. Принципиально такие ПТ могут не отличаться от применяемых для ОНВ. Известны конструкции радиаторов и ОНВ, в которых применялись ПТ одинаковых видов. В то же время специфика конструкции и условий работы радиаторов предрасполагает к использованию в них более тонкостенных водяных трубок и более стойких к ударным и вибрационным нагрузкам конструкций поверхностей теплообмена. Этим условиям хорошо отвечают ПТ, выполненные на базе пучков из плоско-овальных труб с поперечным групповым оребрением. Кроме того, для некоторых двигателей, работающих в условиях особо запылённого воздуха (строительные, дорожные и сельскохозяйственные машины) приходится увеличивать минимально допустимое расстояние между рёбрами по сравнению с ОНВ до 3…4 мм. В связи с тем, что радиаторы обычно прокачиваются (продуваются) воздухом с помощью осевых вентиляторов, они должны иметь сравнительно малое воздушное сопротивление, а это определяет пропорции основных габаритных размеров пучка радиатора: он имеет относительно малую глубину пучка по ходу воздуха и относительно большую площадь фронта по сравнению с ОНВ. Наиболее распространённые виды ПТ для радиаторов показаны на рис.1.8 и рис. 1.23. Общий вид типичной конструкции радиатора приведен на рис. 1.24.

Рис. 1.23. Наиболее распространённые виды ПТ для ВВР: а – трубчато-пластинчатая; б –трубчато-ленточная; в, г – пластинчато-ленточные

 

 

 

Рис. 1.24. Типичная конструкция ВВР

 

Обычно сердцевина радиатора (рис. 1.25) крепится к боковым стойкам за верхнюю доску. Нижняя доска имеет возможность свободного перемещения по длине водяных трубок. Перемещения в иных направлениях ограничиваются дополнительными элементами конструкции, связанными с нижней доской и боковыми стойками.

 

 

Рис. 1.25. Сердцевина радиатора

 

Боковые стойки должны прилегать без зазоров к теплообменному пучку радиатора, чтобы исключить паразитные протечки воздуха мимо пучка. Выходы трубок в обеих трубных досках закрываются бачками. Бачки могут иметь перегородки, формирующие направление течения водяного потока между трубными досками. Обычно радиаторы имеют сравнительно малое число рядов труб, поперечных ходу воздуха. В связи с этим схема взаимного течения теплоносителей может соответствовать рис.1.2.

Такая схема теплотехнически соответствует однократному перекрёстному току, но при этом радиатор имеет несколько гидравлических ходов. Цилиндрический воздухоподводящий канал вентилятора и прямоугольный наружный периметр фронта радиатора в системах охлаждения двигателей средней и высокой мощности соединяют переходным кожухом, препятствующим паразитным утечкам потока воздуха от вентилятора по любым направлениям мимо теплообменного элемента (сердцевины) радиатора. Поток воздуха лучше направлять от вентилятора к радиатору, что обеспечивает повышенную турбулизацию потока перед входом в теплообменный элемент. Часто ВВР устанавливают в одном блоке с масляным радиатором, воздухо-воздушным охладителем наддувочного воздуха, а возможно и с другими теплообменниками, которые размещают последовательно по ходу охлаждающего воздуха от вентилятора. Расход воздуха от вентилятора может регулироваться с помощью жалюзи. Общее устройство подобного радиаторного блока представлено на рис. 1.26.

1.4. Охладители масла. Охладители масла судовых и стационарных ДВС обычно выполняются водомасляными (жидкостно-масляными или ЖМТ). Для стационарных двигателей возможно также исполнение маслоохладителей в виде воздушно-масляных теплообменников или радиаторов (ВМР). Охладители масла транспортных ДВС часто выполняют в виде ВМР, но могут изготавливать и как ЖМТ.

Конструктивно ЖМТ могут выполняться близкими к водо-водяным охладителям. В этом случае они изготавливаются либо кожухотрубными, либо пакетно-пластинчатыми. Кроме таких конструкций возможны кожухокоробчатые аппараты. Для двигателей относительно малой мощности возможно применение маслоохладителей на основе схемы «труба в трубе» и некоторых других. Поверхность теплообмена со стороны масла у современных ЖМТ обычно оребряется. Вид оребрения ПТ близок к применяемому для охладителей наддувочного воздуха, т.е. соответствует представленному на рис.1.6…1.9 и 1.23. Принципиальные конструктивные схемы кожухотрубных ЖМТ будут соответствовать рис. 1.14, 1.15, а общий вид кожухотрубного ЖМТ практически не отличается от представленного на рис.1.16. Принципиальным отличием ЖМТ от ВВО будет то, что ПТ со стороны масла обычно выполняется оребрённой. И кожухотрубные, и кожухокоробчатые ЖМТ обычно имеют по маслу и по воде несколько ходов.

 

 

Рис. 1.26. Блок водяного и масляных радиаторов автомобиля КамАЗ-5320:

1 — заливная горловина и пробка с паровым и воздушным клапанами; 2, 3, 21 - дренажные трубки; 4 — кронштейн крепления радиатора; 5 — рези­новые подушки; 6 — гайка крепления радиатора; 7 — тяга крепления радиатора к поперечине; 8 — водяной радиатор; 9 — нижний бачок; 10 – трубчато-ленточная сердцевина ВВР; II — жалюзи; 12, 13, 17 – привод управления жалюзи; 14 — масляный алюминиевый радиатор гидроусилителя руля; 15 — трубчато-пластинчатый радиатор для охлаждения масла двигателя; 16 — трубки сердцевины; 18 — верхний бачок; 19 — входной патрубок; 20 — кожух вентилятора; 22 — расширительный бачок

 

Взаимная схема течения теплоносителей может соответствовать многократному перекрёстному току при общем противотоке или реверсивному току. Возможны и иные схемы взаимного течения теплоносителей, в том числе не соответствующие каноническим. На рис.1.27 дана схема подобного кожухокоробчатого теплообменника, а на рис. 1.28 показан вид ПТ, применённой для этого ЖМТ. Пакетнопластнчатые ЖМТ изготавливают на основе пластин так называемого сетчато-поточного типа (рис.1.29). Здесь между пластинами вставляется перфорированная прокладка, навешиваемая на приваренные к пластине крючки. Прокладка предназначена для интенсификации теплообмена и устанавливается на стороне пластины, обращённой к маслу. Вместо перфорированной пластины возможны иные решения, обеспечивающее увеличение площади поверхности и интенсификацию теплообмена со стороны масла. Например, поверхность пластин со стороны масла может покрываться накладным или приварным оребрением.

 

 

Рис. 1.27. Схема кожухокоробчатого ЖМТ: а – схема течения теплоносителей; в – конструктивная схема ЖМТ

 

Принципиально конструкции пластинчатых ЖМТ будут соответствовать конструкциям ВВО, представленным на рис. 1.18 и 1.21.

Воздушно-масляные охладители (радиаторы) или ВМР изготавливаются на основе прямоугольных пучков (пакетов) круглых или плоско-овальных труб. Для интенсификации теплообмена поверхности труб как со стороны воздуха, так и со стороны масла должны иметь оребрение. В этом случае обеспечивается наибольшая компактность соответствующих теплообменников.

 

 

 

Рис.1.28. ПТ из плоско-овальных труб с ленточно-рассечённым оребрением: а – общий вид элемента ПТ; в – вид ПТ по ходу масла; с – аксонометрия оребрения

 

Обычно же при изготовлении таких теплообменников учитываются технологические возможности производителя и то, что количество отводимой теплоты в ВМР сравнительно невелико по отношению к ВВР.

В реальных условиях производства агрегатов ДВС часто реализуют компромиссные решения, не обеспечивающие максимума компактности, но отвечающие приемлемой технологичности.

 

 

 

Рис.1.29. Рабочие пластины маслоохладителя фирмы «Альфа-Лаваль»

 

В этих случаях для ВМР применяют трубки, оребрённые только со стороны воздуха, а в некоторых случаях даже трубки без оребрения. Одновременно учитывается сравнительно высокое давление масла в трубках ВМР и отсутствие коррозионного воздействия масла на поверхности теплообмена.

С учётом последних обстоятельств трубки могут выполняться из стали или алюминия. Оребрение со стороны воздуха по конструктивным особенностям не отличается от применяемого для охладителей наддувочного воздуха, хотя характерные размеры оребрения могут иметь определённые отличия, устанавливаемые в ходе оптимизации ВМР. Конструктивно ВМР весьма близок к ВВР, но отличается меньшими размерами площади теплопередающей поверхности, а также формой и прочностью бачков (коллекторов) (рис. 1.30).

 

Рис. 1.30. Внешний вид алюминиевого масляного радиатора

 

 

Если для современных компактных ВМР внутри масляных каналов устанавливают внутреннее оребрение, то оно имеет вид рассечённых (рис.1.31 а, б) или просто гофрированных пластин (в, г). Эти внутренние пластины могут быть соединены с металлом трубок посредством спекания.

 

Рис. 1.31 Установка внутреннего оребрения внутри плоско-овальных масляных каналов

Чем меньше двигатель, тем меньше мощность теплового потока в масло. Для двигателей малой мощности охлаждение масла может выполняться прямо в поддоне двигателя с помощью змеевиковой трубки, погружённой в масляную ванну. Через трубку прокачивается охлаждающая вода. Возможно также охлаждение масла просто за счёт теплоотвода через стенки поддона, которые обычно оребряются с наружной стороны. При возрастании мощности двигателя масло может охлаждаться в небольшом теплообменнике, размещённом в радиаторном бачке. Теплообменник выполнен в виде вставленных одна в другую трубок. В кольцевом зазоре между трубками проходит масло. Для турбулизации потока масла на внутреннюю трубку с большим шагом навита проволока. Охлаждение масла выполняется водой, находящейся в бачке радиатора, которая обтекает снаружи погружённый в неё охладитель масла описанной конструкции.