Статья: Совершенствование системы охлаждения энергетических установок с учетом организации высокотемпературного режима

ФГБОУВО Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С УЧЕТОМ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА

Магистрант Миткевич Илья Олегович

г. Санкт-Петербург, Россия

Системы охлаждения современных и перспективных форсированных поршневых и комбинированных двигателей должны обеспечивать оптимальное и стабильное тепловое состояние деталей и узлов. Оптимальным следует считать такой температурный уровень, при котором материалы деталей сохраняют свои прочностные свойства, моторные масла сохраняют высокую смазывающую и несущую способность, а потери теплоты через систему охлаждения минимальны.

Известно, что на работе двигателя отрицательно сказывается как недостаточное, так и излишнее охлаждение. Перегрев двигателя вызывает ухудшение наполнения цилиндров воздушным зарядом, неполное сгорание топлива и его повышенный расход, нарушение условий жидкостного трения, возникновение повышенных износов и задиров трущихся поверхностей в узлах трения, повышенный расход масла на угар, снижение прочностных свойств материалов и появление термоусталостных разрушений. Переохлаждение двигателя приводит к чрезмерному повышению вязкости масла и, в следствие этого, к возрастанию механических потерь, снижению эффективного КПД двигателя, а также к ухудшению смесеобразования и воспламенения, переносу процесса сгорания на линию расширения и повышенным расходам топлива [1, 2].

Удельное количество теплоты, отводимое от двигателя системой охлаждения, составляет на номинальных режимах работы от 12 до 35 %, а с переходом на долевые нагрузки эти потери еще более возрастают. Очевидно, что для повышения эффективности двигателей тепловые потери, в том числе, и через систему охлаждения необходимо сокращать. В перспективных системах охлаждения сокращение тепловых потерь осуществляется за счет повышения температуры охлаждающей жидкости.

Статистические данные по развитию и совершенствованию поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) свидетельствуют о непрерывном повышении температурного уровня жидкостных систем охлаждения. Если в 60-е годы температура воды на выходе из двигателя рекомендовалась 50…55єС, то позднее этот уровень поднялся до 60…65єС, а когда в дизелях стали использовать сернистые топлива появились рекомендации повысить температуру воды до 70…75єС. В современных двигателях рекомендуются еще более высокие температуры - 75…85єС, а перспективными считаются высокотемпературные системы охлаждения (ВТО), в которых температура охлаждающей жидкости превышает 100 єС [3, 4].

Поддержание столь высоких температур стало возможным благодаря эффективным мерам по интенсификации охлаждения деталей цилиндропоршневой группы, приближению охлаждающей жидкости к тепловоспринимающим поверхностям, применению более высококачественных моторных масел.

В настоящее время системы ВТО приобретают широкое распространение, а различные конструктивные особенности и условия их эксплуатации позволяют разделить их на две группы. Первая - с парообразованием внутри полостей охлаждения. В условиях кипения коэффициент теплоотдачи существенно возрастает. В связи с этим оптимальной температурой систем ВТО данного типа следует считать такую, при которой наступает развитое поверхностное кипение. Вторая группа - системы без парообразования внутри полостей охлаждения, т.е. системы охлаждения с последующим парообразованием. Системы охлаждения с последующим парообразованием предусматривает охлаждение ДВС охлаждающей жидкостью с температурой выше 100єС за счет повышения давления, создаваемого циркуляционным насосом или дополнительными элементами системы. охлаждение двигатель поршневой

Однако влияние повышения температурного уровня системы охлаждения на показатели рабочего процесса ДВС и состояние его деталей носит не однозначный характер, что требует проведения исследований для установления оптимального уровня повышения температуры охлаждающей жидкости, определения предпочтительных областей применения ВТО и разработки конструкций, позволяющих его реализовывать.

Для решения поставленных задач необходимо рассмотреть особенности теплообмена в полостях охлаждения и влияние изменений интенсивности теплоотвода при переходе на высокотемпературное охлаждение на показатели рабочего процесса ДВС.

Теплоотдача от стенок гильзы и крышки цилиндров к ОЖ характеризуется сложными процессами тепломассообмена, наличием локальных зон пристеночного слоя жидкости, где изменяется ее агрегатное состояние при вынужденном течении и вибрации теплоотдающей поверхности. Вследствие этого в полостях охлаждения имеют место три режима теплоотдачи [5]:

1. конвективный теплообмен без фазовых переходов жидкости, интенсивность которого в значительной мере определяется относительной скоростью потока, формой канала и характеристиками теплоносителя (I);

2. теплообмен в присутствии пристеночного кипения (II);

3. теплообмен при кипении в объеме (III).

Характер теплообмена определяется плотностью тепловых потоков, температурами теплоотдающей поверхности и охлаждающей жидкости.

При увеличении температуры охлаждающей жидкости до 90…95^оС наблюдается линейный рост температуры стенок и коэффициента теплоотдачи, температура жидкости в пристеночном пограничном слое при этом не превышает температуры насыщения t_s. При дальнейшем повышении температуры охлаждающей жидкости температура в пограничном слое превышает температуру t_s, что приводит к появлению заторможенного кипения и более интенсивному повышению коэффициента теплоотдачи.

Переход заторможенного кипения в развитое пузырьковое обеспечивает резкий рост коэффициента теплоотдачи от стенки в охлаждающую жидкость. Следствием этого является некоторое замедление роста температуры стенки с повышением температуры охлаждающей жидкости. Первоначально поверхностное кипение возникает на отдельных наиболее нагретых участках поверхностей деталей, а затем по мере возрастания температуры охлаждающей жидкости и степени форсирования двигателя оно может распространиться на всю охлаждаемую поверхность. Локальное увеличение интенсивности теплоотвода приводит к искажению температурного поля детали, это необходимо учитывать при анализе ее теплового и напряженного состояния.

Температурный уровень, соответствующий переходу от режима конвективного теплообмена к режиму теплообмена при пузырьковом кипении может регулироваться путем изменения гидростатического давления в системе охлаждения. Повышение давления в системе затрудняет образование паровых пузырьков на охлаждаемой поверхности и увеличивает температурный интервал конвективного теплообмена. Зависимость температуры насыщения от гидростатического давления определяется по формуле

(1)

Экспериментальные исследования [6] позволили получить зависимости коэффициента теплоотдачи и температуры охлаждающей жидкости от давления в системе охлаждения. При прочих равных условиях повышение давления приводит к снижению коэффициента теплоотдачи.

Это объясняется тем, что с ростом давления увеличивается температура насыщения, и режим поверхностного кипения наступает при больших значениях температуры теплоотдающей поверхности. Эксперименты позволили установить качественные зависимости для коэффициентов теплоотдачи в охлаждающую жидкость [7]

(2)

(3)

Снижение коэффициента теплоотдачи и повышение температур наружных поверхностей стенок цилиндра приводит к росту температур внутренних поверхностей деталей и осредненной за цикл температуры рабочего тела (рис. 1).

Рисунок 1 - Передача теплоты через цилиндровую втулку

Изменение температурного уровня способствует сокращению тепловых потерь через систему охлаждения, что обеспечивает повышение экономичности двигателя при одновременном снижении термических напряжений в цилиндровой втулке, изменяются показатели политропы сжатия и расширения, коэффициент наполнения, условия смесеобразования, жесткость сгорания, условия смазывания и, следовательно, величина механических потерь в цилиндропоршневой группе.

Форсирование поршневых и комбинированных двигателей, сопровождающееся необходимостью отводить большее количество теплоты от деталей цилиндропоршневой группы, повышением температурного уровня деталей ЦПГ и увеличению плотности теплового потока, приводит к преобладанию в полостях охлаждения теплообмена в присутствии поверхностного кипения, значительному увеличению коэффициента теплоотдачи и, следовательно, к чрезмерным потерям в ОЖ.

Для сокращения потерь через систему охлаждения необходимо исключить условия для возникновения развитого кипения в полстях охлаждения при повышенном температурном уровне деталей цилиндропоршневой группы.

Для определения влияния высокотемпературного охлаждения на показатели работы ДВС можно использовать методику, описанную в работе [5]. При переводе двигателя с нормальной системы охлаждения на высокотемпературную можно считать, что неизменными остаются площади тепловоспринимающих и теплоотдающих поверхностей, расход теплоносителя и толщины теплопроводящих стенок. С достаточной степенью точности можно допустить постоянство теплопередаточных функций П 1 - от рабочего тела к стенке цилиндра, П 2 - в теплопередающей стенке, П 3 - от стенки к охлаждающей жидкости. Изменение количества теплоты, отводимой через систему охлаждения, в этом случае определяется отношением

где Q^в_охл, Q^н_охл - теплота отводимая через систему охлаждения соответственно при высокотемпературном и нормальном охлаждении; t^в_охл, t^н_охл - температура охлаждающей жидкости соответственно при высокотемпературном и нормальном охлаждении.

Уравнения n независимых переменных, описывающие рабочий процесс двигателя, в общем случае нелинейны, поэтому решение системы таких уравнений может вызвать значительные трудности. Однако, если кривизна поверхности рабочих параметров невелика, то возможна замена поверхности плоскостью, касательной к точке А, в области которой производится изучение процесса. Аналитически эта операция над системой уравнений представляет ее разложение в ряд при использовании только первых (линейных) членов. Все частные производные по n независимым переменным вычисляются в окрестностях точки А. В случае изменений одного из параметров, характеризующих рабочий процесс по сравнению с параметром в точке А, изменения, происходящие с другими параметрами, можно искать не на криволинейной поверхности, а на плоскости. Подобные расчеты удобнее выполнять в относительных приращениях. Если приращение параметра Дх, а его значение в точке А равняется х, то относительное приращение составляет

На основании уравнений, связывающих параметры рабочего цикла, с использованием описанного метода линеаризации уравнений [5] были определены значения относительных изменений основных параметров для четырехтактных дизелей коэффициента наполнения Дзv, коэффициента избытка воздуха Дб, механического КПД Дзm, индикаторного КПД Дзi, эффективного КПД Дзe.

Перевод двигателя на ВТО не приводит к изменению давления начала сжатия, и давления остаточных газов. При этих условиях изменение коэффициента наполнения будет определяться только подогревом заряда на впуске, величина которого возрастает пропорционально температуре охлаждающей жидкости. Степень подогрева рабочего заряда определяется условиями теплообмена со стенками цилиндра, массой заряда, величиной температурного напора. Так как температура стенок цилиндра связана с температурой охлаждающей жидкости t_ст = t_ст (t_охл), то ее приращение составляет

Индекс 0 указывает, что параметр вычислен в окрестностях исходного режима.

Проведенные расчеты, выполненные для двигателя 8 ЧН 14/14, позволили установить коэффициенты линейных уравнений

h_v = C₁ Dt_охл,

a--=--C₂ Dt_охл,

h_мех = C₃ Dt_охл,

h_i = C₄ Dt_охл

h_e = C₅ Dt_охл

Значения параметров рабочего цикла з_v, б, з_m, з_i, з_e характерные для номинального режима двига теля семейства ЧН 14/14 при нормальном охлаждении (t_охл = 80єС) и результаты расчетов приведены на рис. 2. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами исследований двигателей Ч 10,5/13 и 6Ч 15/18, приведенными в работе [5].

Повышение температуры охлаждающей жидкости приводят к снижению коэффициентов наполнения и избытка воздуха. Основная часть механических потерь в ДВС (до 70 %) приходится на потери трения в цилиндропоршневой группе. Величина этих потерь существенно зависит от вязкости масла, которая, в свою очередь, определяется температурой поверхности гильзы цилиндра [6]. При повышении температуры динамическая вязкость масла резко уменьшается. Полученная линеаризованная зависимость показывает, что рост температуры охлаж дающей жидкости приводит к увеличению механического КПД, причем тем в большей степени, чем ниже механический КПД двигателя при нормальном охлаждении. Повышение механического КПД возможно до определенной температуры, значение которой ограничивается свойствами масла, его способностью сохранять смазывающие свойства и противостоять термическому разложению.