автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Повышение эффективности охладителей масла из оребренных труб для дизелей и газовых двигателей

Решениями ХХУ1 съезда КПСС и пятилетним планом развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 гг. предусмотрено дальнейшее развитие отечественного машиностроения, в том числе - дальнейшее повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания. Основными задачами при этом являются повышение агрегатных и цилиндровых удельных мощностей, снижение удельной металлоемкости двигателей, снижение энергетических потерь, экономия топлива.

Среди комплекса мероприятий, направленных на решение этих проблем, большое значение имеют работы по повышению эффективности охладителей масла дизелей, то есть по уменьшению габаритов и массы маслоохладителей, а также их энергетических потерь.

Предъявляемые к маслоохладителям дизелей требования объясняются необходимостью уменьшения габаритов и массы теплообменников, исходя из определенной компоновки агрегатов, массы теплооб-менных элементов, изготовляемых из дефицитных цветных металлов (меди и мельхиора) и энергетических потерь, приводящих к увеличению удельного расхода топлива.

В отрасли дизелестроения для охлаждения масла выпускаются кожухотрубчатые водомасляные теплообменники с сегментными перегородками. Поскольку коэффициенты теплоотдачи по маслу существенно меньше коэффициентов теплоотдачи по воде, то в последнее время в качестве теплообменных элементов вместо гладких труб стали использовать трубы, оребренные поперечновинтовой накаткой. В отрасли освоена трубка с диаметром оребрения 25 мм (рис.0.I). Выпускаемая в отрасли конструкция маслоохладителей имеет существенные резервы по повышению ее эффективности.

Актуальность задачи повышения весогабаритных показателей маслоохладителей дизелей вызывает постоянный интерес отечественТелло о Зленная тру5ха, оребрениоя лолеречнобин/лобои маха/лхои/Ои с. 0.Jных и зарубежных исследователей к рассмотрению вопросов выбора теплообменных элементов [l-б] и матриц [б, 7-12*] маслоохладителей, обеспечивающих максимальную тепловую эффективность. К вопросам уменьшения масс и габаритов теплообменников тесно примыкают задачи разработки методов расчета ^2,11,13-19^. К настоящему времени эти задачи решены только частично. Одной из причин этого является отсутствие математических методов определения граничных условий при обтекании оребренных труб потоком моторного масла. До настоящего времени' граничные условия определялись в результате громоздкого трудоемкого эксперимента для каждого размера труб. В связи с этим, определение их для большой номенклатуры труб, а также для различных моторных масел не представлялось возможным. Поэтому решение задач по выбору конструкции теплообменных элементов проводилось с использованием аппроксимаций и отличалось достаточно высокой погрешностью. Также недостаточно разработаны вопросы конструирования матриц теплообменных элементов. Отсутствуют достаточно точные завис голости для определения протечек в зазорах унифицированная оребренная трубка - перегородка и рекомендации по выбору толщины перегородки, обусловленные этими протечками. Отсутствие точных зависимостей для определения протечек и граничных условий привело к недостаточной точности используемых методов расчета маслоохладителей, что в свою очередь привело к увеличению коэффициента запаса, а следовательно к перерасходу цветных металлов, из которых изготовляются теп-лообменные элементы, и к утяжелению конструкций. Не решены так же вопросы целесообразности установки унифицированных оребренных труб в зоне продольного обтекания их маслом.

Целью данного исследования является разработка ряда мероприятий, направленных на повышение эффективности кожухотрубных маслоохладителей дизелей из оребренных труб.- 5 В теоретической части исследований разработана математическая модель процессов гидродинамики и теплоотдачи при обтекании моторным маслом оребренной трубки, на основании которой создан аналитический метод расчета локальных и средних коэффициентов теплоотдачи на ребре и перепадов давления. На основе расчетной методики созданы алгоритм и программа расчета на ЭЦВМ. Программа написана на языке "ФОРТРАН 1У" применительно к машине EC-I020. На основе разработанного метода проведены расчетные исследования по определению рациональной высоты оребрения теплообменной трубки, по изменению конфигурации ребра теплообменной трубки и по определению изменения эффективности маслоохладителей при использовании их на различных моторных маслах.

В экспериментальной части работы проведена экспериментальная проверка разработанного метода расчета коэффициентов теплоотдачи и перепада давления на оребренной трубке при обтекании ее моторным маслом, проведено сравнительное исследование продольного и поперечного обтекания оребренных труб. На основе этого сравнения предложен ряд конструкций, использование которых приводит к уменьшению массы теплообменника. Проведено исследование протечек в зазоре оребренная трубка - перегородка. Экспериментальное определение этих протечек позволило разработать методику расчета маслоохладителей и на ее основе определить влияние конструктивных параметров теплообменной трубки и перегородки на эффективность маслоохладителя.

Сочетание расчетного и экспериментального методов исследований позволило выявить ряд закономерностей, использование которых привело к разработке ряда практических рекомендаций, направленных на повышение эффективности маслоохладителей дизелей. На защиту выносятся следующие положения: - аналитическая модель процессов гидродинамики и теплопе- 6 редачи при обтекании оребренной трубки потоком моторного масла;- экспериментальные зависимости для определения протечек в зазоре оребренная трубка - перегородка;- выводы и практические рекомендации, полученные в результате расчетно-экспериментального исследования, направленного на повышение эффективности маслоохладителей дизелей.

ОГЛАВЛЕНИЕСтр.

ВВЕДЕНИЕ.21. ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ ПО ТЕПЛООБМЕНУ И ГИДРОДИНАМИКЕОРЕЕРЕННЫХ ТРУБ ПРИ ОБТЕКАНИИ Ж МОТОРНЫМ МАСЛОМ. 101.1. Исследования теплообменник элементов кожухотрубных охладителей масла из оребренных труб. 101.1.1. Исследования приведенных тепловых и гидравлических характеристик труб, оребренных по-перечновинтовой накаткой, при обтекании их моторным маслом. 101.1.2. Исследования локальной теплоотдачи оребренных труб.161.1.3. Математические модели обтекания оребренных труб потоком моторного масла.231.1.4. Особенности теплопроводности оребреннойтрубы.261.1.5. Методы сравнения конвективных поверхностей. 301.2. Исследования интенсификации теплообмена в охладителях масла путем оптимизации матрицы теплообменника.351.2.1. Исследования протечек масла в кожухотрубных маслоохладителях.351.2.2. Исследования компоновок пучка маслоохладителей.451.3. Постановка задачи исследования.472. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОГО ТЕ1Ш00БМЕНА ПРИ ОБТЕКАНИИОРЕЕРЕННЫХ ТРУБ ПОТОКОМ МОТОРНОГО МАСЛА.502.1. Основные предпосылки и блок-схема математическоймодели. 50- 8 2.2. Потенциальное обтекание цилиндра. 552.3. Теплоотдача и сопротивление при гидродинамически стабилизированном течении в прямолинейном каналепри переменной температуре стенки. 562.4. Температурное поле ребра. 662.5. Вззультаты расчетов по разработанному алгоритму 743. РАСЧШО-ЭИЕПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КШУХОТГУБНЫХ МАСЛООХЛАДИТЕЛЕЙ ИЗ ТРУБ, ОРЕБРЕННЫХ ПОПЕРЕЧНОВИНТОВОй НАКАТКОЙ. 783.1. Экспериментальный стенд для исследований кожухо-трубньк маслоохладителей. Методика обработки результатов исследований.Погрешность исследований. 783.2. Сопоставление результатов расчета теплоотдачи и сопротивления оребренных труб при обтекании их моторным маслом с экспериментальными данными. 853.3. Васчетно-экспериментальные исследования рационального оребрения теплообменной оребренной трубки. 904. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТРИЦЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ К0ЖУХ0Т1УБ-НЫХ МАСЛООХЛАДИТЕЛЕЙ ИЗ ТОТ,ОРЕБРЕННЫХ ПОПЕРЕЧНОВИНТОВОЙ НАКАТКОЙ. 974.1. Исследование протечек в зазорах теплообменная трубка, оребренная поперечновинтовой накаткой, -перегородка. 974.2. Исследование схем течения в кожухотрубных маслоохладителях из оребренных труб. 1104.3. Расчетное исследование эффективности маслоохладителей при охлаждении различных сортов моторныхмасел. 118ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 122ЛИТЕРАТУРА. 124ПРИЛОЖЕНИЕ I. Программа расчета локальных и средних коэффициентов теплоотдачи и перепада давления при обтекании оребренной трубки моторныммаслом.130ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты экспериментальных исследованийтеплообменных пучков. 143ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программа поверочного расчета кожухотрубныхохладителей масла. 151ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Копии авторских свидетельств предложенных конструкций маслоохладителей повышеннойэффективности. 164ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Материалы о внедрении. 170

На основании полученных результатов сформулированы следующие ВЫВОДЫ:

1. Разработанный аналитический метод расчета коэффициентов теплоотдачи и сопротивления оребренной трубки в потоке вязкой жидкости имеет погрешность 8%. Показано, что сходимость метода, в пределах указанной погрешности обеспечивается числом разбиений ребра по радиусу и по углу на 15. Показано, что погрешность разработанной методики расчета маслоохладителей составляет 10%.

2. Показано, что повышение тепловой эффективности маслоохладителей обеспечивается путем:

- снижения коэффициента оребрения теплообменных труб до 5;

- среза кормовой зоны ребра с относительной величиной среза 0,3-0,4;

- установки толщины поперечных сегментных перегородок б мм;

- ликвидации или уменьшения зон с продольным обтеканием оребренных труб.

3. Разработанные в диссертационной работе мероприятия позволили повысить эффективность маслоохладителей в среднем на 20-30°%. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет по данным Бериславского машиностроительного завода и ЦНВДИ 107 тыс. рублей в год.

ЗАЮЛОЧЕНИЕ

1. Разработан аналитический метод расчета конвективных коэффициентов теплоотдачи на ребре круглой оребренной трубки и перепада давления при ЖКеШО и H50<Pfe<4ooo ,учитывающий всю совокупность характерных физических явлений и интегрально находящийся в удовлетворительной корреляции с проведенным экспериментом.

2. Проведены расчетно-экспериментальные исследования по определению высоты и формы круглого ребра теплообменной трубки,обеспечивающих максимальную тепловую эффективность теплообменного пучка.

3. Экспериментально исследованы протечки в зазорах между оребренной теплообменной трубкой и перегородкой. Получены апрок-симационные зависимости для протечек. Разработана уточненная методика расчета кожухотрубных маслоохладителей из оребренных труб с учетом протечек. Расчетом определено влияние протечек, а также толщины перегородки и величины зазора на эффективность маслоохладителей.

4. Исследовано влияние компановки маслоохладителей на их эффективность. Экспериментально получены соотношения эффективности поперечного и продольного обтеканий оребренных труб. Предложены конструкции маслоохладителей повышенной эффективности на 15 -20% ,защищенные авторскими свидетельствами.

0. Расчетным путем с использованием разработанных алгоритмов исследовано влияние сорта охлаждаемого моторного масла на эффективность маслоохладителя.

1. Корень В.М. Исследование элементов воздухо- и маслоохладителей транспортных турбопоршневых дизелей. - Диссертация на соискание степени к.т.н., ЛПИ им.М.И.Калинина, Л., 1974, 183 с.

2. Определение тепловых и гидравлических характеристик трубных пучков охладителей масла и воздуха (отчет) 7168, Б273709, ЛПИ им. М.И.Калинина, Вайсман М.Д., Л., 1973, 133 с.

3. Исследование гидравлических и тепловых характеристик оребренной трубы в потоке масла (отчет), Б674805, ИФГПЭ АН Лит.ССР, Улинскас Р.В., Каунас, 1978, 19 с.

4. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М.: Энергия, 1977, 462 с.

5. Таборек Дж. Проектирование теплообменников. В кн. Теплообмен. Достижения. Проблемы. Перспективы.: Избранные труды 6-й Международной конференции по теплообмену. - М.: Мир, 1981, с.265-302.

6. Жукаускас А.А., Улинскас Р.В., Сипавичюс Ч.-С.Ю. Средняя теплоотдача и гидравлическое сопротивление поперечно обтекаемых потоком вязкой жидкости пучков труб при низких значениях Re .

7. Труды АН Лит.ССР, Сер.Б, 1978, т.2, с.93-103.

8. Bell К. Final report of cooperative research program on shell and tube heat exchangers.-Univ. delaweare eng. expt. sta. bull.,1963,5,N1,p.26-40

9. Сурис П.Л. Влияние холостых перетечек масла на работу маслоохладителя. Энергомашиностроение, 1965, № I, с.47-48.

10. Кинщак А.Н., Толкачев Н.А., Кислик Л.И., Литвиненко В.И. Влияние холостых протечек на теплообмен в межтрубном пространстве кожухотрубных маслоохладителей. В кн.: Конструирование и производство транспортных машин. Харьков, 1979, №11,с.106-108.

11. Кузнецов Е.Ф. Расчет гидродинамических и тепловых характеристик кожухотрубных теплообменников. Энергомашиностроение, 1978, № 12, с.20-23.

12. Исследование на стендах и в эксплуатационных условиях тепло-обменных аппаратов ГТУ и КМ с целью улучшения их эксплуатационных характеристик и снижения металлоемкости (отчет), Б663707, ПО "Невский завод" им.В.И.Ленина, Кузнецов Е.Ф.,1. Л., 1977, 53 с.

13. Зозуля Н.В., Хавин А.А., Калинин Б. Л. Исследование влияния компоновок на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление пучка труб со спиральными ребрами. Киев: Информационное письмо JS 31 института Теплоэнергетики АН УССР, 1962, 6 с.

14. Ильин Л.Н., Стырикович М.А. Упрощенный расчет теплопередачи в поперечных ребрах на круглых трубах. Советское котлотур-бостроение, 1940, № 2, с.15-17.

15. Gardner К.А. Efficiency of Extended Surfасе.-Trans.ASME, 1945,67,H8,p.621-625

16. Smidt E. Die Warmeubertragung durch Rippen.-Zs. VDJ,1926,Bd, 70,N2,s.885-889

17. Бакластов A.M., Ефимов А.Л., Горбенко В.А. Расчет эффективности (КПД) ребра сложной конфигурации для газо-жидкостныхтеплообменников. Труды МЭИ, М., 1976, вып.283, с.54-61.

18. Каневец Г.Е. Обобщенные методы расчета теплообменников. -Киев: Наукова думка, 1979, 352 с.

19. Волэк К. Алгоритм проектирования теплообменников с оптимальными параметрами. Теплоэнергетика, 1975, JS 2, с. 12.

20. Андреев М.М., Берман С.С., Булгаев В.Т., КЪстров Х.Н. Тепло-обменная аппаратура энергетических установок. М.: Машгиз, 1963, 123 с.

21. Росинский А.З., Шкловер Г.Г. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление в маслоохладителях КГЗ. Энергомашиностроение1964, № 10, с.21-24.

22. Кузнецов Е.Ф. Теплоотдача и сопротивление кожухотрубных маслоохладителей. Энергомашиностроение, 1970, № 3, с. 4245.

23. Смоляк А.А. Экспериментальное исследование вязких жидкостей при поперечном обтекании цилиндра. Известия АН БССС, Сер. физика энергетических наук, 1977, № 4, с.99-103.

24. Tinker J. Shell side characteristics of shell and tube heat exchangers.-Trans.ASME,1958,60,H9,p.36-45

25. Кузнецов Е.Ф., Меш P.И., Шахнович И.Е. Маслоохладители из труб с низкими спиральными ребрами. Энергомашиностроение,1965, № II, с.7-10.

26. Разработка, создание и испытание опытных образцов охладителей масла и наддувочного воздуха (отчет), 15-645, 710238, ЦНВДИ, Молодцов Н.И., Л., 1972, 92 с.

27. Корень В.М., Тропп Э.А., Улитин В.Г. Экспериментальное исследование конвективного теплообмена круглого ребра в потоке вязкой жидкости. Известия ВУЗов СССР, Энергетика, 1976, I 9, с.84-89.

28. Красина Э.С. Теплообмен в пучках труб с поперечными ребрами. Известия ВТИ, 1952, № 12, с.12-16.

29. Пшениснов И.Ф., Лужнов М.И. Исследование влияния неравномерности теплоотдачи по поверхности круглого ребра на его эффективность. Теплоэнергетика, 1970, № 9, с.83-85.

30. Кузнецов Н.В., Пшениснов И.Ф. Влияние неравномерности теплоотдачи по поверхности непрерывного спирального и проволочного оребрения на его эффективность. Теплоэнергетика, 1974, В 6, с.30-33.

31. Скринска А.Ю., Стасюлявичюс Ю.К. Экспериментальное исследование влияния неравномерности коэффициента теплоотдачи на эффективность ребристых труб. Труды АН Лит.ССР, 1965, Сер. Б, 1(40), с.85-94.

32. Шин В.Ф., Тохтарова Л.С. Исследование поправочного коэффициента к теоретическому значению эффективности круглого ребра. Теплоэнергетика, 1975, № 5, с.39-42.

33. Петриченко P.M. Уточненный метод теплового расчета оребренных поверхностей. В сб. Теплонапряженность поршневых двигателей. : Ярославский политехнический институт, Ярославль, 1978.

34. Красильников В.Б. Исследование процесса теплообмена в ребристо-трубчатом охладителе: наддувочного воздуха форсированного ДВС. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., ЦНВДИ, Л., 1980, 228 с.

35. Юдин В.Ф., Готовский В.А. Приближенный метод расчета конвективной теплоотдачи пучков ребристых труб при поперечном обтекании газовым потоком. Труды ЦКГИ, Л., 1975, вып.131,с.58-72.

36. Мигай В.К. Расчет теплообмена в поперечно обтекаемых шахматных пучках труб. Теплоэнергетика, 1978, В 2, с.31-34.

37. Петриченко P.M., Петриченко М.Р. Конвективный теплообмен в . поршневых машинах. Л.: Машиностроение, 1979, 232 с.

38. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974, 711 с.

39. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. М.: Физмат-гиз, 1962, 479 с.

40. Murray W.M, Heat dissipation through an annular disk of uniform thickness.-Journal of Applied Mechanics,Trans.ASME,1938, vol.60,p.A-78

41. Скринска А., Стасюлявичюс Ю. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков ребристых труб. Вильнюс: Минтис, 1974, 243 с.

42. Дымо Б.В. 0 теплопроводности ребристой поверхности при различных материалах ребер и стенки. Труды НКИ, Николаев, 1975, вып.97, с.3-8.

43. Sikka S.,Jdbal М. Temperature distributi on and effictivenes of a two dimensional radiation and convektion circular fin.-AIAA Journal,1970,vol.8,p.101-106

44. Спэрроу E.M., Хеннеки Д.К. Зона пониженной температуры в основании ребра. Теплопередача, 1970, т.92, № I, с.154-156.

45. Shah R.K. Compakt heat exchanger surfache selection methos.-6th Int. Heat Transfer Conf.,Toronto,1978,Ottawa,1978,vol.4, p.193-199

46. Саликов А.П., Гутпман C.H. Методика сравнения пучков труб с проволочным оребрением. Энергомашиностроение, 1959, $ II, с.25.

47. Охладители кожухотрубчатые водомасляные и водо-водяные дизелей и газовых двигателей. /ГОСТ 13211-80. М.: Издатель. ство стандартов, 1980, 9с.

48. Кузнецов Е.Ф. Выбор геометрии оребрения воздухо- и газоох-. ладителей. Энергомашиностроение, 1976, № 5, с. 17-18.

49. Кирпичев М.В. О наивыгоднейшей форме поверхности нагрева. -Известия ЭНИНа им. Г.М.Кржижановского, 1944, № 12, с.21-23.

50. Glaser Р. Bewertung von Warme austauschsystemen mit Hilfe Leistungszehe.-Angewandte Chemie,1948,N5,s.78-86

51. Мицкевич А.И. Эффективность теплоотдающих поверхностей. -В сб. Тепло- и массоперенос. Минск, 1965, т.1, с.87.

52. Гухман А.А. Методика сравнения конвективных поверхностей нагрева. ЖТФ., 1938, т. 8, вып. 17, с.П-13.-129

53. Антуфьев В.М. Сравнительные исследования конвективных поверхностей на основе энергетических характеристик. Энергомашиностроение, 1964, № 5, с.7-8.

54. Антуфьев В.М. Сравнительные исследования теплоотдачи и сопротивления ребристых поверхностей. Энергомашиностроение, 1961, № 2, с.25.

55. Бренштейн И.Д., Кузнецов Е.Ф. и др. Поперечная жесткая направляющая перегородка кожухотрубного теплообменника. Авторское свидетельство № 553440, кл.Р£8Г ^/44 , 11.04.72.

56. Юдин В.Ф., Тохтарова Л.С. Теплоотдача и сопротивление шахматных и коридорных ребристых пучков. Энергомашиностроение, 1964, № I, с.11-13.

57. Карасина Э.С. Теплоотдача в пучках с поперечными ребрами. Рациональная конструкция ребристого экономайзера. Диссертация на соискание степени к.т.н., ВТИ, М., 1951, 150 с.

58. Jameson S,L. Tube spacing in finnedtube banks.-Trans.of ASME,November 1945,vol.67,N8,p.633-641

59. Петухов B.C. Теплообмен и сопротивление при ламинарном те. чении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967, 411 с.

60. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977, 343 с.

61. Кейс В.М., Лондон А.А. Компактные теплообменники. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, 160 с.

62. Уилкс С. Математическая статистика. М.: Наука, 1967, 85с.

63. Экспериментальное исследование теплофизических свойств масел, применяемых для дизелей (отчет), 368/81, ГНИ им. М.Д. Миллионщикова, Григорьев Б.А., Грозный, 1981, 96 с.

64. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.-М.: Энергия, 1977, 343 с.