Підвищення ефективності тепловоза застосуванням водомасляного пластинчатого теплообмінника

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:

 

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

 

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

 

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.

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

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

де Prст – значення числа Прандтля стінки;

при впливі на досліджувану теплообмінну поверхню вібрації

 

де Reo – вібраційне число Рейнольдса, рівне

 

де Uо – результуюча швидкість потоку, м/с; U – швидкість потоку теплоносія, м/с; U – вібраційна швидкість поверхні, 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