Повышение эффективности охладителей масла из оребренных труб для дизелей и газовых двигателей

• Автор: Шмурак, Марк Самуилович
• Шифр специальности: 05.14.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Ленинград
• Количество страниц: 176 c. : ил

ВВЕДЕНИЕ
Решениями ХХУ1 съезда КГЮС и пятилетним планом развития народного хозяйства СССР на 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 теплообменных 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 мм рис.0.1. Выпускаемая в отрасли конструкция маслоохладителей имеет существенные резервы по повышению ее эффективности.
Актуальность задачи повышения весогабаритных показателей маслоохладителей дизелей вызывает постоянный интерес отечествен

Телло оолеилаа лпруЗха, оре5релиоя леречно6ил7обои НОРОЛЛОЦ

рис. .
ных и зарубежных исследователей к рассмотрению вопросов выбора теплообменных элементов 1б и матриц б,7 маслоохладителей, обеспечивающих максимальную тепловую эффективность. К вопросам уменьшения масс и габаритов теплообменников тесно примыкают задачи разработки методов расчета 2,II,. 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 зависимости 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 теплообменные 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.
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 У применительно к машине ЕС. 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
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 расчетноэкспериментального исследования, направленного на повышение эффективности маслоохладителей дизелей.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ ПО ТЕПЛООБМЕНУ И ГИДРОДИНАМИКЕ
ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ ПРИ ОБТЕКАНИИ ИХ МОТОРНЫМ МАСЛОМ
1.1. Исследования теплообменных элементов кояухотрубных охладителей масла из оребренных труб .
1.1.1. Исследования приведенных тепловых и гидравлических характеристик труб, оребренных поперечновинтовой накаткой, при обтекании их моторным маслом.
1.1.2. Исследования локальной теплоотдачи оребренных труб
1.1.3. Математические модели обтекания оребренных труб потоком моторного масла
1.1.4. Особенности теплопроводности оребренной
1.1.5. Методы сравнения конвективных поверхностей. .
1.2. Исследования интенсификации теплообмена в охладителях масла путем оптимизации матрицы теплообменника .
1.2.1. Исследования протечек масла в коясухотрубных маслоохладителях
1.2.2. Исследования компоновок пучка маслоохладителей
1.3. Постановка задачи исследования
2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОБТЕКАНИИ
ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ ПОТОКОМ МОТОРНОГО МОЛА.
2.1. Основные предпосылки и блоксхема математической
модели
2.2. Потенциальное обтекание цилиндра
2.3. Теплоотдача и сопротивление при гидродинамически стабилизированном течении в прямолинейном канале
при переменной температуре стенки
2.4. Температурное поле ребра.
2.5. Результаты расчетов по разработанному алгоритму .
3. РАСЧЕТНОЭКСПЕРЙМЕРГГАЛШОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОВУХСТРУБНЫХ МАСЛООХЛАДИТЕЛЕЙ ИЗ ТРУБ,
ОРЕБРЕННЫХ ПОПЕРЕЧНОВИНТОВОЙ НАКАТКОЙ.
3.1. Экспентальный стенд для исследований кожухотрубных маслоохладителей. Методика обработки результатов исследований.Погрешность исследований. .
3.2. Сопоставление результатов расчета теплоотдачи и сопротивления оребренных труб при обтекании их моторным маслом с экспериментальными данными .
3.3. Расчетноэкспериментальные исследования рационального оребрения теплообменной оребренной трубки . .
4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТРИЦЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОЖУХОТРУБНЫХ МАСЛООХЛАДИТЕЛЕЙ ИЗ ТРУБ.ОРЕБРЕННЫХ ПОПЕРЕЧНОВРИТО
ВОЙ НАКАТКОЙ .
4.1. Исследование протечек в зазорах теплообменная трубка, оребренная поперечновинтовой накаткой, перегородка
4.2. Исследование схем течения в канухотрубных маслоохладителях из оребренных труб
4.3. Расчетное исследование эффективности маслоохладителей при охлаждении различных сортов моторных
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Материалы о внедрении
I. Способ интенсификации теплообмена путем оребрения поверхности, имеющей меньший коэффициент теплоотдачи, известен давно и широко используется в рекуперативных теплообменниках. Однако,если применение оребренных труб для охлаждения воздуха широко известно как в отечественной, так и в зарубежной практике, то применение оребренных труб в кожухотрубных охладителях масла ограничено в основном отечественной промышленностью. Поэтому в настоящее время, работ по исследованию кожухотрубных охладителей масла из оребренных труб недостаточно. Большой вклад в исследование теплообменных оребренных труб внесли Антуфьев В. М., Карасина Э. С., Кейс В. М., Лондон А. П., Пукаускас , Стырикович М. А., Каневец Г, Кунтнш В. Б., Мигай В. К., Шмидт Т, Керн Д. К., Гарднер К. А., Белл К. Тинкер И. Рассмотрим основные работы и направления, проводимые в области исследования охладителей масла из труб, оребренных поперечновинтовой накаткой. I.I. I.I. В настоящее время в отечественной и зарубежной практике в качестве теплообменных элементов для охладителей масла дизелей широко используются гладкие трубы. Проведены довольно об
ширные исследования этого направления б,7,2з. Отечественной промышленностью в отрасли двигателестроения освоены унифицированные теплообменше трубы, оребренные поперечновинтовой накаткой, с диаметром оребрения мм, которые применяются и для охлаждения масла. В зарубежном двигателестроении для охлаждения масла дизелей оребренные трубы не применяются. Работ по исследованию охладителей масла из сребренных труб в настоящее время недостаточно, сходимость их неудовлетворительна. Последнее объясняется тем, что испытания проводятся на натурных образцах охладителей масла дизелей. При этом, на результаты испытаний сильно влияет ряд факторов, отличных для каждого теплообменника, таких как, например, течение масла в зазорах трубка перегородка, отличие геометрических размеров труб в пределах допусков на их геометрические размеры. Поэтому полученные результаты тлеют довольно узкую применимость и широкое их распространение вне модельной области представляется недостаточно корректным. В 2 проведено обобщение испытаний оребренных труб, приведенных в . Результаты обработки опытов по теплоотдаче выражены зависимостью
где П 0,6 Кор
1. Р поверхности ребер и трубки. Зависимость . Яе 1,,Ри 0,0,6. Кеиоо, 1. При выводе безразмерных уравнений проводился учет протечек тела меаду трубкой и перегородкой и корпусом и перегородкой. В работе не приведены погрешности обобщения зависимостей. В I приведена подобная зависимость на основе обобщения экспериментальных исследований пяти типов оребренных труб. Следует отметить, что обобщение безразмерных уравнений для оребренных труб пока не имеет достаточной физической основы. Поэтому вследствии сложности протекающих процессов и влияния многочисленных факторов на теплообмен и сопротивление безразмерные обобщенные уравнения имеют повышенную погрешность , что не может удовлетворять требованиям, предъявляемым к точности расчетов маслоохладителей. Следует также отметить, что обобщение экспериментальных исследований при обтекании оребренных и гладких труб маслом и воздухом в общую зависимость нецелесообразно и приводит к повышенным погрешностям вследствии больших различий протекающих физических процессов. Поэтому в настоящее время предпочтительно пользоваться безразмерными уравнениями для каждого типа трубки. В к приведены результаты исследования пяти пучков оребренных труб, характеристики которых приведены в таблице 1. Испытания обобщены в форме
Таблица . Величины Л , ГЦ , В и гг приведены в таблице 1. Таблица 1. В были проведены испытания пучков оребренных труб с диаметрами оребрения ,, ,5 и мм медных, мельхиоровых и биметаллических. Экспериментальные исследования были обработаны в виде
Л1иМе Ръ , 1. Ей. В Яе 1. Эти формулы не учитывают направление теплового потока в виде отношений чисел Прандтля при температурах потока и стенки и имеют довольно узкую область применения, так как испытания труб проводились в полноразмерных пучках.