Теплообменные аппараты двигателей внутреннего сгорания

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Московский государственный открытый университет

Коломенский институт (филиал)

имени В.С. Черномырдина"

Факультет Инженерно-экономический

Кафедра Технологии машиностроения и САПР

Реферат

по дисциплине:

"Системы двигателей"

"Теплообменные аппараты двигателей внутреннего сгорания"

Выполнил Кучин К.А.

Проверил Сокол Е.Е.

Коломна 2013

Содержание

Введение

§1. Общие сведения о теплообменных аппаратах

§2. Классификация теплообменных аппаратов ДВС

§3. Охладители воды и масла

3.2 Воздухо-водяные охладители

3.3 Масляные охладители

§4. Охладители наддувочного воздуха ДВС

Заключение

Список литературы

Введение

Первые упоминания о теплообменнике историки относят к VI веку до нашей эры. До нас дошли прекрасно сохранившиеся фрески с изображениями воинов древней Галлии, которые первыми смогли использовать принцип передачи тепла в так называемых "Термах" - древнеримских (древнегреческих) банях.

Аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов, называют теплообменными. Эти аппараты имеют разнообразное конструктивное оформление, которое зависит от характера протекающих в них процессов и условий проведения этих процессов.

Теплообменник - одно из немногих технических устройств, хорошо известных даже весьма далеким от техники людям. В самом деле, в каждой квартире под подоконником установлены радиаторы отопления - массивные, ощетинившиеся ребрами чугунные трубы или более современные, более изящные их аналоги. Это теплообменные аппараты, в которых теплоноситель - горячая вода - отдает через металлическую стенку теплоту воздуху наших квартир.

Радиаторы отопления - самые распространенные и самые известные, но, пожалуй, не самые ответственные теплообменники. В конце концов, если они по какой-то причине и откажут, день-другой вполне можно перебиться: включить электрические обогреватели или, в крайнем случае, потеплее одеться. А в промышленности редкое производство может обойтись без надежно работающих теплообменников.

Теплообменники относятся к энергопотребляющему оборудованию и могут использоваться как отдельно, так и в технологическом процессе. По конструкции теплообменники очень разнообразны в зависимости от условий производства и технико-экономических требований.

Только в химической индустрии теплообменные устройства составляют свыше трети массы и стоимости всего оборудования. Химические реакции идут при определенной температуре; от температуры зависит скорость процессов, активность катализаторов, полнота превращений, чистота продуктов. В одном случае потоки необходимо нагревать, в другом - охлаждать, в третьем - утилизировать неиспользованное тепло. И везде требуются теплообменники - разных размеров, разных конструкций. Они требуются не только в нефтехимии и нефтепереработке, но и в тепловой и атомной энергетике, в металлургии, пищевой промышленности. И хотя в теплообменниках не происходят превращения веществ, эти аппараты на каждом производстве относят к основным, что составляют фундамент технологии.

В химической технологии теплообменники используются в процессах нагревания и охлаждения, при конденсации паров и кипении жидкостей, в процессах ректификации, абсорбции, кристаллизации, в экзо - и эндотермических реакциях, при выпаривании и др.

Есть ещё одна область техники, где теплообмен имеет решающее значение. Это транспорт. Любое транспортное средство - автомобиль, трактор, морское судно, самолёт, космический корабль - немыслимо без радиаторов и другой теплообменной аппаратуры.

§1. Общие сведения о теплообменных аппаратах

При работе современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) необходимо постоянно отводить от них теплоту в окружающую среду. Часть теплоты отводится вместе с выхлопными газами, и этот процесс обусловлен вторым законом термодинамики - для получения полезной работы в тепловых двигателях обязателен как подвод теплоты, так и её отвод. Кроме этой теплоты, её соизмеримое количество отводится в окружающую среду системой охлаждения двигателя. Отвод этой части теплоты имеет в основном иную причину. Она связана, в первую очередь, с необходимостью поддержания допустимого термического и напряжённого состояния деталей двигателя, а также с поддержанием определённой температуры смазочного масла, при котором оно обеспечивает оптимальный режим смазывания трущихся пар. С учётом сформулированной оценки функций системы охлаждения следует понимать, что такой теплоотвод является вынужденным и что он вреден с точки зрения термодинамики, поскольку в этом процессе теплота, подведенная с топливом, просто теряется, пусть даже вынужденно. Очевидно, что для повышения экономичности двигателя следует по возможности уменьшать количество теплоты, отведенной по названной причине. Такая концепция успешно реализуется в современном двигателестроении и должна учитываться при проектировании систем охлаждения и их аппаратов. Так, охлаждение камеры сгорания двигателя должно обеспечивать не только допустимое термическое и напряжённое состояние деталей этого элемента, но и поддерживать температуру внутренних стенок на том уровне, при котором процессы наполнения цилиндра воздушным зарядом и сгорания в цилиндре двигателя будут проходить наиболее эффективно. Аналогичным образом, охлаждение наддувочного воздуха нельзя свести

только к оценке количества отводимой в этом случае теплоты. Охлаждение наддувочного воздуха сильно влияет на рабочий цикл двигателя и должно оцениваться с учётом такого влияния. Затраты энергии на работу системы охлаждения составляют в отдельных случаях до 7% мощности двигателя, а масса и габариты - примерно такую же величину от массы и объёма двигателя.

Теплообменные аппараты ДВС достаточно разнообразны по своей конструкции, по назначению, по видам теплоносителей, по особенности влияния на работу двигателя, по особенностям компоновки в системе охлаждения и на двигателе и по ряду других параметров. Соответственно на современных двигателях могут одновременно применяться от 3 до 6 и даже более существенно различных по всем своим особенностям теплообменников, которые должны работать согласованно в одной системе и обеспечивать нормальную работу двигателя для всех возможных режимов и условий эксплуатации.

теплообменный аппарат двигатель внутренний

§2. Классификация теплообменных аппаратов ДВС

В системах охлаждения ДВС используются различные теплообменники. Все они, как правило, являются рекуперативными. К рекуперативным относят теплообменники, в которых теплопередача происходит через стенку, разделяющую теплоносители.

Существует множество теплообменников иного типа. В частности, известны водоконтактные теплообменники, к которым относятся градирни. Их применяют в стационарной энергетике, в том числе и для охлаждения дизелей. Градирня представляет собой башенную конструкцию, которая обычно заполнена решётчатыми элементами из дерева, керамики или металла. Горячая вода распиливается над заполнителем и стекает по. нему вниз. Наличие заполнителя увеличивает время прохождения воды через зону охлаждения и увеличивает поверхность контакта воды с охлаждающими воздухом. Воздух поступает в башню градирни снизу и выходит в верхней части. Воздух может прокачиваться вентилятором или под действием естественной конвекции. Охлаждённая вода собирается в ёмкость в нижней части градирни, откуда насосом направляется в систему охлаждения. Градирни относительно просты и дёшевы, но велики по размерам, подвергают теплоноситель запыливанию и замораживанию в зимнее время. Известны также водоконтактно-испарительные аппараты, в которых охлаждение жидкости производится при барботировании (продувании воздуха через объём с водой). В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания могут быть применены регенеративные теплообменники. В частности, они могут использоваться для подогревания всасываемого воздуха выхлопными газами. Конструктивно такой теплообменник можно представить как сетчатый барабан, заполненный металлической стружкой или аналогичным пористым материалом с близкой теплоёмкостью. Барабан вращается относительно оси. Обычно диаметр барабана больше его осевой длины. Параллельно оси вращения к поверхности барабана подведены две трубы. По одной идут выхлопные газы. По другой всасывается воздух. После прогрева набивки барабана выпускными газами она способна нагревать просасываемый через неё воздух, когда прогретый фрагмент переместится к срезу всасывающей трубы в результате вращения барабана.

По назначению.

По виду теплоносителей.

По схеме взаимного течения теплоносителей в теплообменнике.

По особенностям перемешивания теплоносителей в каждом последующем сечении по ходу теплоносителей.

По виду поверхности теплообмена.

По общей схеме конструкции теплообменника.

По назначению теплообменники ДВС можно разделить на охладители наддувочного воздуха (ОНВ), охладители воды (ВО), маслоохладители (МО), охладители топлива (ТО), охладителями гидравлических жидкостей (ОГ), подогреватели воды, масла, топлива и наддувочного воздуха.

По виду теплоносителей различают газо-жидкосгные (воздухо-жидкостные), воздухо-воздушные (газо-воздушные, газо-газовые), жидкостно-жидкостные теплообменники. Соответственно ОНВ бывают воздухо-воздушными и воздухо-водя ными, ВО бывают водо-водяными и водо-воздушными (радиаторы), МО бывают жидкостно-масляными (ЖМТ) или воздухомасляными (масляные радиаторы). Аналогично делаются охладители гидравлических жидкостей. Охладители топлива обычно выполняют жидкостными, а подогреватели иногда паровыми. Могут также применяться элекетроподогроеватели. В качестве подогревателей всех типов часто выступают охладители, в которые подают греющую среду вместо охлаждающей. Иногда подогреватели делаются в виде специальных конструкций и подсоединяются к специальным теплоносителям (например, к паровой магистрали)

По схеме взаимного течения теплоносителей (см. рис.1) различают теплообменники противоточные (а), прямоточные (б), перекрёстноточные (в), с реверсивным током (г). Кроме этих основных схем применяют конструкции с многократным перекрёстным током при общем противотоке (д), теплообменники с многократным реверсивным током (е) и ряд других. Нередко действительная схема взаимного течения теплоносителей не может быть отнесена чётко ни к одному из известных и описанных вариантов или отнесена к ним с определёнными отклонениями. Рассматривая перекрёстноточные теплообменники, выделим понятие ход как часть теплообменного элемента в пределах однократного пересечения потоков теплоносителей (см. рис.1 д). При этом отдельным ходом (или точнее теплотехническим ходом) можно считать только очередную часть теплообменного элемента в пределах однократного пересечения тепло - носителей, которая будет смещена относительно предыдущей вдоль по течению или против течения второго теплоносителя.

Если часть теплообменного элемента с однократным пересечением потоков смещается перпендикулярно ходу течения второго теплоносителя, то такая часть ходом с точки зрения теории теплообмена не считается. Эту часть в данном случае можно считать гидравлическим ходом.

Рис 1. Схемы взаимного течения теплоносителей

По особенностям перемешивания теплоносителя в каждом последующем сечении по ходу теплоносителя теплообменники бывают с перемешиваемыми и не перемешиваемыми теплоносителями, причём каждое из названных выше определений может относиться либо сразу к двум теплоносителям, либо каждый теплоноситель может иметь свой характер перемешивания. Примером перемешиваемого или смешиваемого течения может быть течение воздуха поперёк пучка труб. Здесь за каждым рядом труб воздух полностью перемешивается по всему сечению теплообменника. В результате этого изменение температуры воздуха по ходу теплоносителя зависит только от одной координаты - длины теплообменника по ходу течения воздушного потока. Перпендикулярно этому направлению вдоль или поперёк трубок в любой точке сечения теплообменника температура воздуха теоретически одинакова. Примером не смешиваемого течения теплоносителя может быть ток воды по трубкам пучка перпендикулярно потоку воздуха. В первом раду трубок по ходу воздуха вода будет нагреваться сильнее, поскольку воздух здесь самый горячий, а в последующих рядах трубок вода будет нагреваться слабее. В результате в каждом сечении водяного потока, перпендикулярного пучку трубок, в том числе и в сечении на выходе из трубного пучка температура воды различна в различных точках сечения, т.е. температура воды будет функцией не только координаты, направленной вдоль по ходу течения потока, но и координаты, направленной по ходу течения воздуха, перпендикулярно названному выше направлению. Кроме отмеченной особенности перемешивания в пределах хода учитывается также перемешивание или не перемешивание потока между ходами. Отмеченные особенности перемешиваний и соответственного характера изменения температур будут влиять, в конечном счёте на значение средней по сечению температуры и, соответственно, на эффективность охлаждения в том или ином теплообменнике. Эти особенности, связанные с характером перемешивания потоков, должны учитываться выбором соответствующих расчётных зависимостей при формировании методики расчёта каждого конкретного теплообменника.

По виду поверхности теплообмена рекуперативные теплообменники в основном делят на трубчатые, пластинчатые и трубчато-пластинчатые. Для подробной характеристики теплообменника может использоваться и более обстоятельная классификация в этом направлении, при которой будут определены дополнительные характеристики поверхностей теплообмена (ПТ). Последние, как правило, связаны с дополнениями к уже названным особенностям классификации. Например, можно дать такое определение одному из возможных видов ПТ: "шахматный пучок из круглых труб с индивидуальным ленточным оребрением".

По общей схеме конструкции теплообменники можно подразделить на кожухотрубные, кожухокоробчатые, типа "труба в трубе", змеевиковые, пакетнопластинчатые и некоторые другие. Примером кожухотрубного теплообменника может служить водоводяной теплообменник с корпусом (кожухом) в виде трубы относительно большого диаметра, в которой размещается трубый пучок из труб малого диаметра. Кожухокоробчатым можно назвать охладитель наддувочного воздуха, в котором теплообменный элемент (пакет или пучок) установлен в коробчатом кожухе.

Этот кожух имеет патрубки для подвода и отвода воздуха, а его Пакет снабжён крышками с патрубками отвода - подвода веды. Теплообменник типа "труба в трубе" выполнен наподобие кожухотрубного, но только в его кожухе вместо пучка труб устанавливается одна труба. Обычно такой теплообменник имеет малое поперечное сечение при большой длине корпуса. Пакетнопластнчатые (также называемые консольными) теплообменники имеют конструкцию, в которой короб отсутствует а соединение пластин в пакете производится стяжными анкерами, проходящими через специальные отверстия в наружных углах пластин. В таком теплообменнике две наружные пластины обычно делают утолщёнными (они выполняют роль опорных плит). Прочие пластины зажимаются между ними. Разновидностью таких теплообменников может быть неразборная конструкция, в которой пластины соединяются сваркой или пайкой (спеканием). По таким схемам могут быть изготовлены охладители воды, масла и наддувочного воздуха. Змеевиковые теплообменники могут быть выполнены на основе трубчатого корпуса сравнительно большого диаметра, в который вставляются змеевики, выполненные в виде спиральных "дисков", образованных сгибанием в одной плоскости труб относительно малого диаметра. Начало и конец трубы в каждом таком "диске" соединяется с общим для всех "дисков" коллектором. Примером такого теплообменника может служить утилизационный котёл. В нём через трубчатый корпус снизу поступают выхлопные газы, которые омывают "диски" из тонких труб, проходя перпендикулярно их плоскости. Внутри спиральных труб проходит вода или пар. Возможны иные конструктивные варианты змеевиковых теплообменников.

§3. Охладители воды и масла

Охладители воды судовых ДВС обычно выполняются водо-водяными (ВВО). Охладители воды транспортных и стационарных ДВС выполняются водо-воздушными. Водо-воздушные рекуперативные теплообменники обычно называют радиаторами. Охладители воды стационарных ДВС могут выполняться как в виде радиаторов, так и в виде градирен или барботерных теплообменных аппаратов (вода охлаждается при пропускании (барботировании) через ёмкость с водой пузырьков охлаждающего воздуха). Для стационарных ДВС возможно также использование ВВО, если имеются подходящие условия для применения системы охлаждения с такими теплообменниками.

3.1 Водо-водяные охладители

Водо-водяные охладители судовых ДВС (или ВВО) выполняются в виде кожухотрубных или пакетнопластинчатых теплообменников. Конструктивная схема кожухотрубного теплообменника показана на рис.2.

Рис.2. Конструктивная схема кожухотрубного водо-водяного охладителя с сегментными диафрагмами: 1 - подвижная трубная доска; 2,5 - водяные крышки; 3 - уплотнение между корпусом подвижной трубной доской; 4 - неподвижная трубная доска; 6 - трубки трубного пучка; 7 - диафрагмы; 8 - корпус (кожух)