автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение эффективности тепловоза применением йодомасляного пластинчатого теплообменника

СХ1ДН0УКРА1НСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ

'О

Ггнатьев Олег Леонщович

УДК 629.4.016.1

Пщвнщеппя ефективпоеп тепловоза застосувашшм в'одомасляпого пластинчатого тев ообмнишка

05.22.07 - рухомий склад загизниць та тяга П01здв

АВТОРЕФЕРАТ ДИСЕРТА1

на здобугтя наукового ступеня кандидата техн^чних наук

Луганськ - 1999

Дисертащею е рукопис

Робота виконана в Схцщоукрашському державному ушверситет!

на кафедр1 "Зал1зничний транспорт" Мшштерства освгги та науки

Укра'ши

Науковий кер1вник - кандидат техшчних наук, доцент Могша Валентш 1ванович, Схщноукра'шський державний ушверситет, доцент кафедри "Зал^зничний транспорт"

*

Офвдйш опоненти - доктор техшчних наук, професор Тартаковський Едуард Давидович, зав. кафедрою експлуатаци та ремонту рухомого складу Харьковсько\' державно'1 академн залвничного транспорту

кандидат техшчних наук, Ткаля Василий Степанович, ' холдшгова компашя "Луганськтепловоз", ведучий шженер лабораторй аеродинам1ки та теплотехшки

Провщна установа - Дншропетровський державний техшчний ушверситет зал!зничного транспорту Мшютерства транспорту Укра'ши, кафедра "Локомотиви", м. Дшпропетровськ

Захист вщбудеться 01. 2000 р. о /2 год. На зааданш спещал1зоваж» ради Д29.051.03 при Схщноукра'х'нському державному ушверситет! за адресою: 91034 м. Луганськ, кв. Молод1жний, 20а.

3 дисертащею можна ознайомитися в б!блютещ Схщноукрашського державного ушверситету, 91040, м.Луганськ, кв. Молод1жний, 20а.

Автореферат розюланий " /7 " 01_2000 р.

Учений секретар

спещашоважи вченоТ ради

Осетин ЮЛ.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Для випуску конкурентноспроможних на внутрштьому 1 зовшшньому ринку тепловозов необидно поспйно шдвищувати Ух техшко-економ1чну ефектившсть, наприклад, за рахунок полшшення використання паливно-енергетичних 1 сировинних ресурав. Цьому сприяе удосконалення теплообм1нного устаткування, а саме рекуперативних теплообмшниюв, що дозволяе ¡стотно знизити частку застосування кольорових меташв, полшшити маса-габаритш характеристики I тдвищити Гх надшшсть. Цьому питанию I присвячена дисертащйна робота.

Актуалыпсть теми. Подальше шдвшцення техтко-економ1Чно\' ефективност1 тепловоз1в нерозривно пов'язано л' створенням принципово нових конструкцш охолодниюв, а так само ¡нтенсифшащею теплообмшу в них. Одним ¡з шлях1в рпиення дано! задач1 е створення нових конструкцш теплообмшних апараив. В робот1 запропонована конструкщя теплообмшника, в яко'1 використованы як теплообмшш поверх!» не кругл] трубки з мвд, що застосовуются в даний час, а тоню стал ев I листи складного профшю, яю дозволяють позитивно використовувати для ¡нтенсифкаци теплообм!ну вимушену в5бращю, що виникае при робот! тепловоза. Тому тема дисерташйнсн роботи е актуальною.

Зв'язок роботи з кауковими програмами, планами, темами. Дисертащйна робота узгоджуеться з перелшом прюритетних напрямюв Мшстерства з науки, технолог}'! 1 техшчноУ полкики (п. 5 «Еколопчно чиста енергетика I технологи, що зберц-ають ресурси»). Робота виконана на кафедр! зашзничного транспорту Схщноукра'шського державного ушверситету 1 е частиною держбюджетноТ теми ГН 3-96 "Розробка фшжо-техщчних основ високоефективних систем, засоб1в 1 технолопй транспорту".

Мета 'у задач1 дослщження. Метою дослщження е полшшення використання сировинних ресурс!» за рахунок зниження витрати кольорового металу в системах охолодження тепловоза в результат створення водомасляного пластинчатого теплообмшника з

теплообм1'нними поверхнями з тонких сталевих лиспе спещального профшю, що утворять усередиш щшинш канали каплепод1бно"1 форми, а зовш - конфузор-дифузорноТ форми, ю позитивним використанням для ¡нтенсиф1кащ1 теплообмшу вимушеноТ в1брацп шляхом частковоТ руйнацн прикордонного шару.

Задача дослщження:

• розробка конструктивних вар1ант1в водомасляного теплообмшника шдвищеноТ теплово'У ефективносп з мшмалынш пдравл!чним опором без застосування кольорових метагнв;

• виб1р методу ¡нтенсифкаци теплообмену;

• анашз розроблених теплообмшних поверхонь з використанням

метод1в математичного моделювання;

• апаштичний опис процесу теплообм1ну для дослщжуваноТ теплообмшно"! поверхш, що мае в перетиш гофри спещального профшо;

• визначення геометричних параметр1в конструкци;

• розробка, виготовлення й випробування дослщного водомасляного пластинчатого теплообмшника з теплообмшними поверхнями пщвшценоГ теплово!" ефективносп;

• одержання критер!альних р!внянь для визначення коефщента теплов!ддач! 1 коефщкнта пдравл1чного опору для канал!в, утворених дослщжуваними поверхнями з урахуваниям впливу вимушено!' в!брацн;

• оцшка впливу в!бращ1 на процеси теплообм!ну 1 пдродинамжи, 1 видача рекомендацш про можливють корисного п використання;

• ощнка техшко-економгчноУ ефективност! тепловоза в результат! застосування в систем! . охолодження пластинчатого водомасляного теплообмшника ново! конструкци.

Наукова новизна отриманнх результатов полягае:

• у подальшему розвитку теорн теплообм1ну, пов'язаного з виливом процес1в в!бращ1 на теплоенергетичш I пдродинамгпн характеристики пластинчатих теплообмпшшав;

• в аналшяному опис! процесу теплообмену для поверхш, що мае гофри спещального профшо;

• в одержаны! критер1альних залежностей для знаходження коефщентш тепловщдач! ! гщравл!чного опору стосовно до конфузор-дифузорних щшинних канал!в, що утворен! теплообм!нними поверхнями з гофрами спещального профшо ! що вщчувають вплив вимушеноУ в1бращ1.

Практично значения отриманих результате полягае в:

• розробщ ! створенн! досл!дного зразка рекуперативного пластинчатого теплообм!нника без застосування кольорових метал!в з конфузор-дифузорними ! каплепод!бними щшинними каналами й штенсифкащею теплообм!ну вимушено!' в!брац!ею;

• розробщ методики ! програми комплексних випробувань дослщного зразка пластинчатого водомасляного теплообмшника, що позитивно використовуе вимушену в!брацио для ¿нтенсифкаци теплообм!ну

• розробщ методики розрахунку водомасляних теплообм1нних апарапв пластинчатого типу, що вщчувають вплив вимушено!' в!браци, для систем охолодження мапстральних тепловоз!в ! дизель-по!'зд!в.

Результати дисертащйно! роботи застосовуються в ХК

"Луганськтепловоз" при розробщ водомасляних теплообмшниив для мапстральних тегагавоз1в i дизель-п01зд1в, що дозволяе скоротити обсяг, трудом ¡стгасть i варт1сть дослщно-конструкторських i експериментальних po6iT.

Особистий внесок здобувача:

- обгрунтована необхщшсть i можливють використання на тепловозах теплообмшних апаратсв пластинчатого типу [7];

- розроблена математична модель розрахунку парам етр1в теплообмшно! поверхш, на ш'дстав! якоТ отримаш и геометричш характеристики [4];

- розроблено конструкцно рекуперативного пластинчатого водомасляного теплообмшника [1,5];

- розроблена схема i створен ушверсальний теплотехшчний стенд, що дозволяе моделювати вгбрацпо шддизельноТ рами тепловоза при робот1 його силово'1 установки i доа'пджувати вплив параметр1в Ri6paaiT на робоч1 процеси в пластинчатому водомасляному тештаобмшнику [8];

- розроблено, створено i випробувано дослщний зразок рекуперативного пластинчатого теплообмшника без застосування кольорових метал ¡в, що використовуе для штенсиф!кацп теплообмшу вимушену Bi6paniro [1, 2, 3,4, 5, 6];

- зроблен анал!з результате експер1ментального дослщження пластинчатого теплообмшника, що зазнае д!яння вимушеноТ Bi6pauii [2, 3, 8, 9, 10].

Апробащя результате дисертацн.

OcuoBui результата дисертацшноТ роботи докладалися i обговорювалися на IX Мгжнародшй науково-техшчнш конференци "Проблеми мехашки зал1зшгпюг0 транспорту" у 1997 рощ, VII, VIII i IX М|'жнародних науково-техтчних конференщях "Проблеми розвитку рельсового транспорту" у 1997, 1998 i 1999 роках, на науково-техшчних конференщях СУДУ, а також були подаш на обласному конкура "Kpami розробки в ran уз i науки та техники серед молод! ЛуганськоТ облает!" у 1998 poui, де автор став лауреатом.

Публ1кацн. За результатами виконаних доагпджень опублшовано 10 po6iT. У тому числи 3 статп в наукових журналах (у cniBавторств! з науковим кер1вником), 1 стаття в зб]'рнику труд1в науково-техшчно'1 конференци, отримане ртення про видачу патенту УкраТни на винахщ, 1 депонована стаття i чотири тези доповщей на науково-техшчних конференциях.

Структура й обсяг дисертацн. Дисертацшна робота складаеться з вступу, п'ятьох глав i 3 додатюв. Повний обсяг роботи 150 сторшок, у тому чиогп 70 рисуныв на 26 CTopiHKax, 15 таблиць на 8 сторшках, 3 додатюв на 11 cTopifficax, 121 б!бл)ографичних найменувань на 11 сторшках.

ОСНОВНИЙ 3MICT

У встуш дана загальна характеристика робота, визнанеш мета i задач! дослщження, показан! актуальшсть i новизна теми, подаш основн! шляхи рппення задач1.

Перший роздш М1стить обгрунтування необхщносп розробки теплообм!нник!в пщвищеноУ тепловоТ ефективност!, даний анал1з юнуючих конструкщй охолодник1в води й масла теплоенергетичних установок i шляхи ïxHboro удосконалення. Розглянуто вплив npoueciB Bi6paiyï на ¡нтенсиф1кащю теплообмену. Проанал!зовано дашн про в!брацшний вплив дизель-генераторно!" установки на тепловоз i дане нормування р1вня aiGpaniï тепловоз!в i ïxHix агрегат1в. Виявлено, що одним ¡з найбшьшс в!бронавантаженних м1сць тепловоза при його робой у номшальному режим! е шддазельна рама.

Показано, що великий обсяг в облает! дослщжень i розробок устаткування для оргашзацп процес!в теплообм!ну проводилися i проводяться р!зномаштними оргашзацшми краш СНД, такими як: Схщноукрашський державний ун!верситет, Харк!вська академ!я зал13ничного транспорту, Дн!пропетровський державний ушверситет зал!зничного транспорту, НД1 Держбуду Укршни, УкрНД1Х1ММАШ, Московський державний ушверситет шлях!в сполучення, Всерос!йський теплотехшчний шетитут, Всеросшський науково-дослщний ¡нститут зал!зничного транспорту, Всеросшський науково-доелдаий тепловозний ¡нститут, Науково-дослщний конструкторсько-технолопчний шетитут тракторних i комбайнових двигун!в, ХК "Луганськтепловоз" i in., так i дальнього заруб!жжя, такими як: "Alfa-Laval" (Швецш), "SWEP" (Швец¡я), "W. Schmidt KG" (Австр!я), "Cheiy-Boirel Superplate" (США), "FORD" (США), "APV" (Н!меччина) i ¡н. Великий внесок у розвиток теоретичних i експериментальних досл!джень теплообм!нних anapaTÎB внесли як вггчизняш вчен!, так! як М.И.Белоконь, А.1.Волод!н, Б.М.Галицейський, О.Л. Голубенко, П.М.Сгунов, Л.М.Коваленко, А.М.Коняев, В.Ф.Корагодш, В.Д.Кузьмич, Ю.А.Кул1ков, В.А.Лахно, М.Г.Маханько, Н.И.Мелик-Пашаев, B.K.Miraft, В.1.Могша, М.И.Панов, А.М.Тарадай, В.С.Ткаля, О.П.Третьяков, С.Б.Черток i inmi, так i закордонн! - В.М.Кейс, Р. Лемлих , А.Н.Лондон, Р.М.Фанд i iimii.

Розглянуто р!зноман!тн! конструкцп рекуперативних теплообм!нних апарата i методи штенсиф!кащ1 теплообм!ну в них. Показано, що одним i3 перспективних метод!в, що штенсифшують теплообм!н, е використання Biôpaniï теплообмшних поверхонь, що дозволять частково або цшком зруйнувати прикордонний шар i турбул!зувати потоки теплоносш.

На пщетав! анал!зу проведених дослщжень ! в зв'язку з перспективнютю застосування бшьш дешевих пластинчатих поверхонь

э

теплообмшу з тонкого сталевого листа замють коштовних мщних труб малого Д1аметра, запропонована конструкд1я рекуперативного пластинчатого водомасляного те плообм пшика з конфузор-дифузорними 1 каплепод1бними щшинними каналами, у як\й для ¡нтенсифжащУ теплообмпту поряд ¡з впливом на пот!к робочого середовища формою поверхш теплообмшу, використовуеться I вимушена в1брац1я, що виникае при робот! дизель-генераторноУ установки локомотива, що частково руйнуе прикордонний шар, не порушуючи при цьому ядра. Теплообмшш поверхн! з гофрами, що мають форму розр!заного навшлкругового цил!ндра з обтаником (надал! гофри спещального профшю), що подан! на рис.1, виконаш з тонкого (товщиною до 0,8 мм) сталевого листа з подальшою його антикоррозшною обробкою (оцинковкою).

Для одержання необх!дного ефекту в1д використання вимушено!' в!брац11 запропоновано встановлювати пластинчатий теплообм!нник на п!ддизельну раму, яка е одним i3 найбшьше в!бронагружених м!сць тепловоза при його робот! у ном!нальному режим!, що задовольняе як по ампл!тудним, так i по частотним характеристикам.

Як наслщок проведеного анал!зу науково-техн!чно!' ¡нформац!!' було сформульовано основы задач! доашдження (див. стор. 1).

В другому роздип подан! результата математичного модешовання параметр!в теплообм!нноУ поверхн!. Основними задачами, що вирнпуються в другому роздш!, було знаходження значень товщини витиснення i втрати !мпульсу для досл!джуваного профшю поверхн!, з метою одержання найбшьше рацюнальних геометричних параметр!в гофри, а також висновок aiianiTiWHoro р!вняння теплов1ддач1 для дослщжуваноТ поверхн!.

Для теплообм!нно1 поверхн!, що мае в перетиш гофри спещального профшю, схема яко!" подана на рис. 2, отримана система р!внянь, що описують рух нестисливоУ ршини в стащонарному прикордонному шару:

/

Рис. 1 Пластинчата поверхня теплообм1ну

Рис. 2 Розрахункова схема

Р-

Эр

ду

Эют дх

=0;

Эсоу

_Эр д Эх ду

и-

Эсох

(О

(2)

(3)

де р, со - В1ДПОВ1ДНО густють та швидшсть теплоноыя; р -динам1чний коефвдент в'язкосп; р - тиск тепло но с ¡я у канал!;

¡з початковими умовами: Тст=сош1:; Т,|(=0 =ТН, де I - початковий

момент часу;

1 граничними умовами: т~тк; у=8, де 8 - товщина прикордонного

шару.

При р'нненш поставлених задач були зроблеш так! допущения: рщина нестислива; тому що Рг>1, те 8Т<6; соШах=Ихь Рти=Р»; ср=сопз1; Х=сопб1,

де Рг - критерШ Прандтля; Ср - питома ¡зобарна теплоемшсть теплоноая; I. - коефвдент теплопровщносп; 8Г - тепловий прикордонний шар; сох1 - максимальна швидисть потоку; р„ - максимальна густють потоку.

У основу розрахунку була покладена методика рйнення системи

V.

/

диференщальних ртнянь (енергн, руху 1 нерозривност^ динамичного прикордонного шару Прандгля шляхом пор1внялыю1 оцшки член!в р1вняння Навье-Стокса 1 вщкидання члеш'в другого порядку мал осп. При рпиенш запропонованоУ системи р1внянь використовувалася методика ршення, заснована на застосуванш штегральних стввцщошень ¡мпульав, енергн 1 маси.

У результат! були отримаш р1вняння для визначення, вщповщно, товщини витиснення I втрати ¡мпульсу для дшянки АВ:

5ав =у

('. С08В-Ь2Л Ь +

V

2К

(4)

р-сох-Ь

'лв

■СО.

J юх собР • И азх-со5Р-Ь

0).,

2-Я.

(5)

де у = 1.

Р-®Х

Рос • ®Х1

Товщина витиснення ! втрати ¡мпульсу, вщповщно, для дшянки ВО визначаеться з:

5*во=У-

ь-

соБа ■ Ь"

2 \

* /

(6)

5ВЭ =

р-а>х-Ь

■ со

х1

1-

й.

собсс • Ь со, ■ соэа • Ь +

со,,

2-Я

2-со,, Я

(7)

де И - товщина прикордонного шару на плоскш пластиш; Кх- рад1ус кривизни поверхш.

У результат! постановки наявних даних у ршняння (4-7), а також, з огляду на масса-габаритш характеристики дослщжуваних профипв, були обраш оптимальш геометричш розм1ри гофри: (сс=5° 8^0,8 мм, 11в=2 мм, И,,=2,8 мм, де ( а - кут нахилу обтаника до цилшдричноТ частини гофри; 81 - товщина теплообмшно'1 поверхш; Яв I - внутршнш 1 зовшшнш радауси частини гофри вщповцшо.

Гофри з геометричними параметрами, поданими вище, мають товщину втрати ¡мпульсу 1 товщину витиснення при обтаанш Гх теплоносием (маслом), що дозволяе використовувати в1браццо, що виникае на шддизельнш рам! тепловоза при його робот! у номшальному режим!,

ч

для частковоТ руйнацц прикордонного шару.

Р1вняння для визначення тепловщдач! поверх н)', що спещального профшю в загальному вид! можна записати як

мае гофри

( Г г

N11 =

+ + ^ с!х ^ДТс1х соХ1<1х )

юх ЬАВ Рг

■ 1

^АВ + + Ьсо

«ЯГ

+

чч

ёх

+ 5*

ёдт ёю

>Л

+

XI

ДТёх соХ1ёх J

©и -ьвс 'Рг

•Ь

ВС

^ АВ + + ЬСЕ)

+ (8)

((

ёб*

ёх

8*

' адт с1шХ1

-— ^--

АТёх мХ1ёх J

% Ьср Рг ь

лЛ

со

^АВ + Ьос + Ьсо

■к,

де Ьдв, Ьвс, Ьсо - довжини, вщповщно, дшянок АВ, ВС 1 СВ; АТ - температура гальмування; V - кшематичний коефвдент в'язкост1; К2 - поправочний коефицент.

Метода розрахунку ! проектування теплообмшного устаткування на рухомому склад! в даний час не дозволяють цщком теоретично описати робоч! процеси в теплообмшному апарать Це робить експериментальн! метода прюритетними! вимушуе дослщжувати робоч! процеси й вгоначати оптимальн! умови \х протпсання за допомогою експеримента.

У третьему роздип приведений опис конструкцн дослщного пластинчатого теплообм!нника з конфузор-дифузорними ! каплепод1бними щшинними каналами, подане на рис. 3, де 1,4 - пщводящий колектор; 2, 3 - вводящий колектор; 5 - кожух; 6 - теплообмшна поверхня; 7 - каплетдабний пцлинний канал; 8 - конфузор-дифузорний щшинний канал; 9 - панель.

а-л

8 5 9

Рис.3 Схема дослщного пластинчатого теплообмшника

Випробування пластинчатого теплообмшника проводилися на универсальному теплотехничному стендь Використання стенда дае можливють дослвджувати вплив в1брацп теплообмшноТ поверх!» на теплоенергетичш 1 гщродинам!чш характеристики пластинчатого теплообмшника. Для цього випробуваний теплообмшник установлювався на спещальну хитну платформу, за допомогою якоТ генерувались коливання р13ноТ амшптуди i частота. У роздии подана методика проведения 1 методика обробки отриманих даних теплотехшчних 1 гщродинам1чних випробувань дослщного пластинчатого водомасляного теплообмшника як при вплив1 на нього вимушеноТ шбрацй", так 1 без в1бращУ, тобто коли теплообменник знаходився в нерухомому стань Описано проведене математичне планування експерименту. Для знаходження коефвдента теплов1дда1п 1 коефщ1ента опору, як функц|'У, вщповщно, виду а=/;(Ие, А, 0 1 А, 0, проведений полнофакторний

експеримент.

На пщстав1 математичного планування експерименту отримаш р1вняння регресй для коефщента теплов1ддач1 1 коефнпента пдравл!чного

опору дослщного теплообмшника:

• для коефщента теплов1дцач1

а=-81,859+10,153-Ке-0,266Р-29663,9-А+0,045-аеГ+ (9)

+1409,507-Ке-А-985,954-£А-985,954-11е2-0,009-^-27,933-А2

• для коефвдента опору

^=-3,777+0,902-Яе+0,017^+0,017-А-0,001 -Яе-Г- (10)

-141,557-11еА-38,289-£А-0,010611е2-0,001-*2+8860048-А2

Розраховано погршшсть результат вшшр1в, отриманих у ход! проведения експерименту. Середньоквадратичне вщхилення с клало 9 %, що не перевершуе допустимих значень при проведенш под1бного роду дослщжень.

У четвертому роздин даш результати експериментальних дослщжень дослщного пластинчатого теплообм1нника, як) дозволили оцшити адекватшсть розроблено'1 математично! модел1 знаходження параметр1В теплообмшноУ поверхш. Значения чисел Нуссельта, розраховаш теоретично для дослщжуваноУ поверхш за формулою (8), на 10-ь15 % вище, шж отримаш експериментально. Уточнено значения поправочного коефпцента Кг=0,85...0,87 для р!вняння, що описуе теплов1ддачу на поверхш з гофрами спещального профшо.

Аншиз отриманих коефвдентв тепловщдач1 1 пдравл1чного опору дослщного водомасляного пластинчатого теплообмшника, показав, що при вимушеноУ в^брацп спостер1галося шдвищення штенсивнос™ теплообм1ну до 15-20 % у всьому д1апазош доапджуваних парам етр1в в1брацн теплообмшних поверхонь (частота Г = 5...25 Гц 1 амшптуди А = (0,2...0,6)10 3 м). Слщ зазначити, що з1 збшьшенням частоти 1 амплпуди коливань збшьшуегься штенсивтсть тепловщдач1, причому при частот! коливань £=25 Гц спостер1гаеться максимапьне збшьшення теплов1ддач1 при ВС1Х амшитудах коливання теплообм1нноУ поверх»!. Встановлено, що збшынуючи частоту коливання поверхш (при постшшй амплпуд1 понад 0,2 мм) можна досягти тдвшцення тепловщцач1 до 30 %. Це € немаловажним при установщ пластинчатих теплообмшншав на високооборотних двигунах, наприклад, на дизель-поУздах.

Анал1з результат експериментального дослщження показав, що збшьшення амплпуди коливань теплообмшноУ поверхш веде до росту гщравл1чних утрат, притому, що збшьшення частоти коливань навпаки, веде до Ухнього зниження.

Звщси можна зробити висновок, що в1брацм з невеличкими амшптудами коливання теплообмшноУ поверхш («0,2 мм) 1 частотами коливань понад 10 Гц, дозволяе досягти випереджаючого росту шгенсифкацн теплообмшу над ростом пдравл'1чного опору.

За результатами експериментапьних дослщжень отримаш критер!альш р1вняння для знаходження коефвдента тепловщдач1 i пдравл!чного опору:

• без впливу на дослщжувану теплообмшну поверхню Bi6pauiT

Nu = 0,482 -Re0'494- Pr0'33 •

/ Pr

VPrcry

(П)

де PrCT - значения числа Прандтля стшки;

£ = 234,1 • Re-0'755; (12)

• при BiuiHBi на досл!джувану теплообмшну поверхню Bi6pauii

/ \0.25

Pr л

Pr

V1 4сту

(13)

Nua = 0,108-Re° 927 -Pr0 33 -

183,9-Re;0'653 , (14)

де Re0 - в^бращйне число Рейнольдса, pinne

Re _uo-d3 = A/02+uj-d3

де U0 - результуюча швидюсть потоку, м/с; U - швидкють потоку теплопоЫя, м/с; UA - в1брашйна швидгасть поверхш, 3A=4-A-f; м/с; А - амгаитуда коливання теплообм^нноТ поверхш, м; f - частота коливання теплообмшноУ noBepxHi, с"1; d3 - еюивапентний диаметр, м.

Характеристики дослщжувано!" тешгообмшноУ noeepxni, таю як KpiTepift Нуссельта i коефпнснта г!правл1чного onipy, дор1вшовались з такими ж характеристиками шших трубчастих i пластинчатих поверхонь, яы найбшьш часто використовуються в р1зноманггних теплообмшних апаратах, що випускаються промисловктю. Пор1вняння проводилося на гадстав1 вщомих формул при однакових режимних характеристиках середовища, тобто при однакових числах Рейнольдса. Даш такого пор1вня(шя подан} на рис. 4-5, де 1 - дослщна поверхня (без Bi6paui'0; lBi6p - дослщна поверхня (з вйращею: частотою 20 Гц i амплпудою 0,2 мм); 2 - плоек! трубки з лунками; 3 - плоскi трубки 3i штахетами; 4 - хвилястий канал; 5 - гофри "ялинка"; б - гофри 0,18М

"ялинка 120"; 7 - пластини глади; 8-с1тчасто-потоков! пластини; 9-с1тчасто-noTOKOBi пластини Лаваль Р-12.

Рис.4 Пор1вняш1я р1зноман1тних поверхонь за штенсившстю тепловщдач1

Рис.5 Пор1вняння р1зноман1тних поверхонь за коефЩентом опору

Параметри ni6pau.iT шддизельно1 рами обраш на шдстав! проведених дослщжень впливу в^браци дизель-генераторно! установки на тегаювози типу 2ТЭ116.

У п'ятому роздин приведена методика розрахунку проектного водомасляного пластинчатого теплообмшника з конфузор-дифузорними 1 каплетвдбними щшинними каналами, що зазнае вплив вимушеноТ в1брацп, для систем охолодження тепловоз!в 1 дизель-гамздш.

Подано пор!вняння параметр1в розробленого проектного водомасляного пластинчатого теплообмшника з конфузор-дифузорними 1 каплетдабними щшинними каналами з водомасляним теплообмшником, що використовуеться у даний час на мапстральних тепловозах 2ТЭ116 1 що мае як теплообмшш поверхош мщш трубки малого диаметра.

Дано техшко-економ!чну ощнку використання проектного пластинчатого водомасляного теплообмшника з конфузор-дифузорними ! капле-гоздбними щшинними каналами на локомотив!. Економ^чний ефект вщ упровадження проектного водомасляного пластинчатого теплообмшника обумовлений зниженням соб^вартосп теплообмшного апарата замшою при виготовлеш теплообмшних поверхонь мщ! - сталлю, здешевленню вартост! виготовлення одного квадратного метра теплообмшноТ поверхш в результат замши трубок малого д!аметра на тони сталев! листи з гофрами спещального профшю, а так само зниженням витрат на обслуговування.

Опкуваний економ1чний ефект (з урахуванням ПДВ) вщ застосування проектного рекуперативного водомасляного пластинчатою теплообм1нника з конфузор-дифузорними 1 каплепод^бними щшинними каналами на локомотив! 2ТЭ116 при його виробницт складе 18830 грн. на секцпо (у цшах на 1.08.1999 р.).

висновки

Дисертащйна робота присвячена актуальшй для затзничного транспорту проблем! полтшення використання сировинних ресурс1в при виробництв! тепловоз1в у результат! удосконалювання водомасляних теплообмнших апарат!в для системи охолодження, що дозволяе замшити робоч! поверхш з мщних трубок, сталевими листами.

Подан! в дисертаци результата проведених теоретичних ! експериментальних досл!джень дозволяють зробити таю висновки:

1. У результат! проведених досл1'джень виявлений резерв полшшення використання сировинних ресурс!в при виробництв1 тепловоз!в, що полягае в зниженш використання кольорових метал!в в охолодному устаткуванн! шляхом застосування нових конструкцш водомасляних теплообм!нник!в пластинчатого типу.

2. На пщстав! анал!зу науково-техшчно! шформацп розроблена нова

схема пластинчатого рекуперативного водомасляного теплообмшника й обраний метод ¡нтенсиф1каца тсплообм!ну в ньому, що полягае в сполученш геометричних параметр!в теплообмшног поверхш, як-от, конфузор-дифузорного перетину каналу, з вимушеною в1бращею на пщцизельной рам!, що мае мшце при робот! тепловоза, що дозволяе зам!нити теплообмшш поверхн! з м!дних трубок малого д!аметра, використовуван! в даний час, тонкими сталевими листами з гофрами спещального профшю, ! тим самим пщвищити ефективн!сть тепловоза.

3. Розроблено математичну модель розрахунку параметр!в тепло-обмшно! поверхн!, на шдстав! якоТ отриман! вираження для визначення теплов!дцач! на дослщжувашй пластинчат!й поверхн!, адекватш експерименту, а також товщини втрати !мпульсу ! товщини витиснення на гофрах спещального профшю.

4. На пщстав1 отриманих виражень для розрахунку товщини втрати ¡мпульсу ! товщини витиснення на поверхн! з гофрами спещального профипо, а також з урахуванням теоретичних досл!джень отриман! геометричш характеристики гофр тешюобмшноТ поверхн!: кут нахилу обичника до цшнндрично!" частини гофри - а=5°, внутршнш рад!ус цилпщричшл частини гофри - Яв=2 мм, зовшшнш рад!ус цилшдричноТ частини гофри - II, =2,8 мм, товщина пластинчато!' поверхш - 61=0,8 мм.

5. Створено дослщний зразок рекуперативного водомасляного пластинчатого теплообмшника з дифузор-конфузорними ! капле-под!бними щишнними каналами, в якому теплообмшш поверхш ви-конаш з тонкого оцинкованого сталевого листа з гофрами спещального профшю.

6. Проведет експериментальш дослщження дослщного пластинчатого теплообм1нника дозволили одержати його характеристики! виявити, що в результат! впливи в!браца на теплообмшну поверхню з ампл!тудою коливань - до 0,2 мм ! частотою вщ 15 Гц до 25 Гц штенсившсть теплообм!ну зростае до 30 % при збшыненш коеф!щента опору до 20 %, тобто отриманий ркт !нтенсивност! теплообм!ну випереджае гщравл!чний ошр.

7. На пщстав! експериментальних даних отримаш критер!альне р!вняння для знаходження критерш Нуссельта ! коефодента опору дослщжуваних поверхонь, що утворять конфузор-дифузорш щшинн! канали.

8. Розроблено методику ! програму розрахунку теплообмшного апарата пластинчатого типу з урахуванням вимушеноТ в!бращ1, що дозволили спроектувати водомасляний пластинчатий теплообмшник для системи охолодження тепловоза типу 2ТЭ116, застосування якого дозволить одержати економ!чний ефект за рахунок вщмови вщ використання кольорового металу, здешевлення технолоп!' виготовлення ! зниження витрат на обслуговування в розм!р1 18830 грн. на секщю (у розрахунку

на 1.08.1999 г). .

9. Результата дисертацШно\' робота використовуються в ХК "Лугансыстепловоз" при розробщ водомасляних теплообмшгашв для мапстральних тепловоз!в i дизель-шшд1в, що дозволяе скоротити обсяг, трудомютюсть i вартють дослщно-конструкторських i експеримен-тальних po6¡t.

СПИСОК ОПУБЛ1КОВАНИХ АВТОРОМ РОБ1Т ПО TEMI ДИСЕРТАЦН

1. Могила В.И., Игнатьев O.JI., Креспо Н.В. Выбор рациональной формы диффузор-конфузорных и сфера-угольных каналов водомасляного теплообменника для систем охлаждения магистральных тепловозов. // Вестник Восточноукраинского государственного университета. Изд-во ВУГУ. Сер. Транспорт. - 1996. - С. 75-79.

2. Игнатьев О.Л., Могила В.И. Некоторые результаты экспериментальных исследований компактного рекуперативного пластинчатого теплообменника // Транспорт. — Луганск: ВУГУ. — 1998. -С.34-42.

3. Могила В.И., Игнатьев О.Л. Результаты гидродинамических исследований рекуперативного пластинчатого теплообменника // Bích. Схщноукр. держ. ун-ту. - 1999. - №1 (16). - С.37-40.

4. Игнатьев О.Л., Могила В.И. Определение характеристик пограничного слоя на поверхности сфера-угольного профиля в охладителях масла транспортных средств // Промисловий транспорт. - Луганськ: СУДУ. - 1999,- № .-С.

5. К вопросу интенсификации теплообмена в водомасляном теплообменнике с диффузор-конфузорными и сфера-угольными каналами / Игнатьев О.Л., Могила В.И., Креспо Н.В.; Восточноукр. Ун-т, Луганск. -1995, - 7 е.: ил. - Библиогр.: 4 назв. - Рус. - Деп. В ГНТБ Украины 01.12.95. № 2579 - У к 95.

6. Решение про выдачу патента Украины на изобретение № 97031075, МКИ 6 F28D 9/04, F28F 7/00. Теплообменник. Могила В.И., Игнатьев О.Л., Коняев А.Н. Заявл. 11.03.97; Опубл. 10.10.98. - 7с.

7. Игнатьев О.Л., Могила В.И., Креспо Н.В. Обеспечение запаса надежности силового оборудования тепловозов за счет интенсификации теплообмена в рекуперативном теплообменнике // Тезисы докладов. IX Международ, конф. "Проблемы механики железнодорожного транспорта". Изд-во Днепропетровского государственного технического университета железнодорожного транспорта. - Днепропетровск. - 1996. - С.35.

8. Игнатьев О.Л., Могила В.И., Креспо Н.В., Тшценко В.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов в компактном рекуперативном теплообменнике // Тезисы докладов. VII Международн. научно-техническая конф. "Проблемы развития рельсового транспорта". -

Крым, Ливадия. - 1997.-С.43-44.

9. Игнатьев О.Л., Могила В.И., Кочура А.В. Экспериментальные исследования теплоотдачи в компактном рекуперативном теплообменнике // Тезисы докладов. VIII Международн. научно-техническая конф. "Проблемы развития рельсового транспорта". - Крым, Алушта. - 1998. -С.39-40.

10. Могила В.И., Игнатьев О. Л., Малахов О.В. Результаты экспериментального исследования водомасляного пластинчатого теплообменника // Тезисы докладов. IX Международн. научно-техническая конф. "Проблемы развития рельсового транспорта". - Крым, Алушта. -1999.-С. 23-24.

АНОТАЦ1Я

1гнатьев О.Л. "Пщвищення ефективностс тепловоза застосуванням водомасляного пластинчатого теплообменнику"- Рукопис.

Диссертащя на здобуття ученого ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.22.07 - рухомий склад залЬниць та тяга пошив. — Схщноукрашський державний ушверситет, Луганськ, 1999 р.

Диссертащя присвячена р1шенню завдання шдвшцення ефективност) тепловоза за рахунок застосування ново! конструкщ! водомасляного теплообмшника, яка дозволяе замшити коштовш теплообмшш поверхш з мщних трубок малого Д1аметру б1льш дешевшими сталевими листами з гофрами спещального профшю та з корисним застосуванням змушеноТ Bi6panii для штенсифжацп теплообмшу.

OcuoBiii результата робота дозволять знизити коштовшсть робот при проектуванш та виробництв1 нових охолоджувателш масла у тепловозах та дизель-поездах.

Ключов1 слова: тепловоз, дизель-генераторна установа, тегшообм1нник, пластинчата поверхня теплообмшу, Bi6pauin.

SUMMARY

Ignatiev O.L. "Increase of diesel locomotive efficiency by application of water-oiled plate heat exchanger . - Manuscript.

Thesis on awarding the Candidate Degree (Engineering) on speciality 05.22.07 - rolling-stock of railway and diesel tracktion. - The East Ukrainian State University, Lugansk, 1999.

The thesis is devoted to the solution of the problem of the disel locomotive efficiency increase due to the application of a new water-oiled heat exchanger design, that will allow to substitute expensive stall dimetr copper pipes of the heat exchanger for cheaper corrugated steel sheets of special profile. That will result in using the forced vibration for the intensification of heat exchange.

The main results of the work will allow to reduce the cost of works while lesigning and producing new oil coolers in diesel locomotives.

Key words; disel locomotive, diesel-genegator instalment, heat :xchanger, plate surface of heat exchanger, vibration.

АННОТАЦИЯ

Игнатьев О.Л. " Повышение эффективности тепловоза применением ¡одомасляного пластинчатого теплообменника ". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических гаук по специальности 05.22.07 - подвижный состав железных дорог и тяга юездов. - Восточноукраинский государственный университет, Луганск, 999 г.

Повышение эффективности создаваемых тепловозов неразрывно вязано с разработкой и созданием новейших теплообменных аппаратов, :оторые позволяли бы достигнуть снижения расхода цветного металла и 'меньшить затраты мощности на прокачку теплоносителей.

В диссертации проведен обзор и рассмотрены различные инструкции рекуперативных теплообменных аппаратов и методы штенсификации теплообмена в них. Было выявлено, что одним из гаиболее перспективных методов, позволяющих интенсифицировать еплообмен, является использование колебаний теплообменных юверхностей для частичного или полного разрушения пограничного слоя I турбулизации потока теплоносителя. Показано, что работы по [нтенсификации процесса конвективного теплообмена и созданию гаиболее экономичного технологичного теплообменного оборудования [ривели в последнее время к существенному усовершенствованию инструкций теплообменных аппаратов и раскрыли возможности замены радиционных гладкостенных медных труб поверхностями теплообмена, ыполненными из тонкого стального листа с приданием этим поверхностям ложных форм. На основании этого была разработана конструкция одомасляного пластинчатого теплообменника. Пластинчатый еплообменник содержит тонкие стальные пластины с гофрами, имеющими юрму разрезанного пополам кругового цилиндра с обтекателем, в ;альнейшем гофры специального профиля, которые соединены попарно, бразуя каплеобразные щелевые каналы. Пластины через ряд примыкают к ротивоположным стенкам корпуса и располагаются относительно каналов смежных рядах в коридорном порядке с образованием конфузор-иффузорного профиля щелевых каналов. Для интенсификации еплообмена в пластинчатом теплообменнике используется вынужденная ибрация, имеющая место на под дизельной раме тепловоза при его работе.

А и

Это способствует частичному разрушению пограничного слоя и позволяет добиться опережающего роста теплоотдачи над гидравлическим сопротивлением.

В диссертации разработана математическая модель расчета параметров пластинчатой теплообменной поверхности с гофрами специального профиля. Получено выражение для расчета теплообмена на исследуемой пластинчатой поверхности. На основании разработанной математической модели рассчитаны геометрические параметры гофр специального профиля.

С целью определения характеристик опытного водомасляного пластинчатого теплоо'бменника с конфузор-диффузорными и каплеобразными щелевыми каналами был создан универсальный теплотехнический стенд, позволяющий исследовать влияние вибрации, возникающей при работе тепловоза, на рабочие процессы, происходящие в теплообменном аппарате.

Проведенные комплексные экспериментальные исследования опытного пластинчатого теплообменника позволили получить его теплотехнические и гидродинамические характеристики и оценить влияние на них вынужденной вибрации. Было выявлено, что в результате воздействия вибрации на теплообменную поверхность интенсивность теплообмена возрастает до 30% при увеличении коэффициента сопротивления до 20%, т.е. получен опережающий рост интенсивности теплообмена над гидравлическим сопротивлением. На основании экспериментальных данных получены критериальные уравнения для . нахождения числа Нуссельта и коэффициента сопротивления исследуемых поверхностей с гофрами специального профиля, образующих конфузор-диффузорные щелевые каналы. Выбраны рациональные параметры вибрации теплообменшх поверхностей (амплитуда колебаний поверхности - до 0,2 мм с частотой от 15 Гц до 25Гц).

Сравнение исследуемой поверхности с другими пластинчатыми и трубчатыми поверхностями, используемыми в настоящее время в промышленных теплообменных аппаратах, показали ее высокую эффективность.

В диссертации разработана методика и программа расчета теплообменного аппарата пластинчатого типа с учетом вынужденной вибрации для систем охлаждения тепловоза, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к масляным охладителям, применяемым на подвижном составе железных дорог Украины. В результате применения проектного пластинчатого водомасляного теплообменника на тепловозах типа 2ТЭ116 ожидаемый экономический эффект, за счет отказа от использования трубок малого диаметра из цветного металла (меди) и заменой их оцинкованными стальными листами с гофрами специального

профиля и снижения стоимости изготовления и уменьшение затрат на обслуживание, составит 18830 грн. на секцию (в расчете на 1.08.1999 г.), что позволит снизить себестоимость тепловоза и повысить его эффективность в целом.

Результаты диссертационной работы используются в ХК "Лугансктепловоз" при разработке водомасляных теплообменников для магистральных тепловозов и дизель-поездов, что позволяет сократить объем, трудоемкость и стоимость опытно-конструкторских и экспериментальных работ.

Ключевые слова: тепловоз, дизель-генераторная установка, теплообменник, пластинчатая поверхность теплообмена, вибрация.

Подписано в печать Ъ_.0[_.2000 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл. печ. JI. 1,0. Тираж 100 экз. Издат. №369'. Заказ № 3 .

Издательство Восточноукраинского государственного Университета 91034, г.Луганск, кв.Молодежный, 20а.

Участок оперативной полиграфии Восточноукраинского государственного университета 91034, г. Луганск, кв. Молодежный, 20а.