Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка эффективности охлаждающих устрйоств тепловозов в условиях эксплуатации 6
1.1 Метод оценки эффективности охлаждающих устройств тепловозов в условиях эксплуатации 6
1.2 Эффективность.охлаждающих устройств тепловозов, эксплуатируемых в условиях Севера 8
2. Совершенствование конструкции охлаждающих устройств 15
2.1 Анализ процесса развития и совершенствования охлаждающих устройств тепловозов 15
2.2 Анализ методов повышения эффективности термодинамических процессов в водовоздушных радиаторов тепловоза 28
2.3 Анализ методов оптимизации критериев эффективности охлаждающих устройств 34
3 Совершенствование конструкции водовоздушных секций радиаторов тепловозов 39
3.1 Обоснование гипотезы интенсификации процессов теплопередачи в секциях радиаторов тепловозов 39
3.2 Выбор и обоснование критериев оптимизации параметров секций радиатора тепловоза 42
3.3 Выбор варьируемых параметров оптимизации секции, обоснование их ограничений 43
3.4 Выбор и обоснование метода оптимизации конструктивных параметров секции радиаторов 50
3.5 Оптимизация формы одиночной трубки по критерию теплоотдачи к воздуху 55
3.6 Оптимизация размеров сечения одиночной трубки по критерию гидродинамического сопротивления течению воды 57
3.7 Оптимизация расположения пучка трубок по фронту, по критерию - аэродинамического сопротивления воздуху 59
3.8 Формирование пучка трубок секции радиатора по количеству рядов в глубину 67
4 Лаборатоно стендовые исследования термодинамических процессов модели трубок и секций радиатора 69
4.1. Задачаи объект экспериментальных исследований 69
4.2 Особенности конструкционно-функциональных решений лабораторного комплекса 70
4.3 Методы и средства стендовых исследований элементов секций радиаторов ОУТ 73
4.4 Обработка опытных данных 78
4.5 Результаты экспериментальной оценки теплотехнических и термодинамических показателей модели секции 80
4.6 Формирование критериальных уравнений теплоотдачи каплеобразной формы трубки 83
5. Развитие метода оптимизации охлаждающих устройств тепловоза 86
5.1 Составление целевой функции оптимизации 87
5.2 Обоснование параметров и критериев целевой функции 89
5.3 Технико-экономическая эффективность разработанной секции радиатора 98
Заключение 103
Библиографический список 105
- Эффективность.охлаждающих устройств тепловозов, эксплуатируемых в условиях Севера
- Анализ методов повышения эффективности термодинамических процессов в водовоздушных радиаторов тепловоза
- Выбор и обоснование критериев оптимизации параметров секций радиатора тепловоза
- Особенности конструкционно-функциональных решений лабораторного комплекса
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время более 42 % перевозочного процесса в ОАО «РЖД» выполняется тепловозной тягой. «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.», утвержденной распоряжением правительства РФ № 877-р, подписанным главой Правительства В.В. Путиным 17 июня 2008 г. предусмотрено строительство железных дорог не только по территории Якутии, но и Колымы, Чукотки, Охотского побережья, Камчатки, где перевозочный процесс будет осуществляться только тепловозной тягой. Гарантии эффективной и надежной работы оборудования тепловозов в климатических условиях обозначенных территорий определяются не только ГОСТом 15150-76 г., но и организационно-технологическими, социально-демографическими, а также экономическими факторами.
Производители отечественных тепловозов, традиционно придерживаются универсальных принципов создания охлаждающих устройств тепловозов (ОУТ), рассчитывая на температуры окружающей среды от +40 до -45 С. В тоже время в районах Крайнего и Среднего Севера температуры наружного воздуха могут опускаться до -65 С, а существенные проблемы с работоспособностью оборудования охлаждающих устройств тепловозов наблюдаются уже при температурах -30 С.
Целенаправленными исследованиями надежности работы ОУТ установлено, что только в локомотивных депо Тында и Комсомольск (ДВЖД) из года в год происходит до 1000 случаев отказов оборудования охлаждающих устройств, из них 96 % приходится на секции радиаторов. В каждом депо на внеплановое восстановление их работоспособности расходуется более 10-15 млн. руб. в год. Коэффициент готовности локомотивов, определяемый ОУТ, не превышает 0,84.
Эффективная работа ОУТ, непосредственно определяет надежность и долговечность работы оборудования дизеля, охлаждаемого водой и маслом. Кроме того, охлаждающие устройства тепловоза занимают 12-18 % объема их кузова; на ОУТ приходится 85-88 % объема всего вспомогательного оборудования; 7-9 % надте-лежечной массы тепловоза; ОУТ потребляют 4-7 % номинальной мощности тепловоза на привод насосов и вентиляторов. Поэтому повышение эксплуатационной эффективности ОУТ является весьма актуальной темой.
Известный вклад в повышение эффективности и надежности работы ОУТ внесли такие известные ученые и специалисты, как Н.И. Белоконь, А.И. Володин, В.Г. Григоренко, П.М. Егунов, А.Ю. Куликов, Н.И. Панов, А.И. Резник, Е.Я. Рога-чев, В.М.Соломонов, А.П. Третьяков и многие другие, но данная проблема остается по-прежнему острой и актуальной.
Целью диссертационной работы является решение научно-технической проблемы повышения эффективности охлаждающих устройств тепловозов, путем оптимизации конструкции их элементов в области допустимых решений (ОДР).
Объектом исследований является водовоздушная секция радиатора (ВВСР), охлаждающих устройств тепловозов.
Предметом исследований являются термодинамические процессы в водовоз-душной секции радиатора охлаждающих устройств тепловозов.
Основные задачи исследования:
выполнить целенаправленный анализ эксплуатационной надежности работы ВВСР и ОУТ;
систематизировать принципы и последовательность конструкторских решений совершенствования ОУТ;
выполнить анализ и систематизацию теоретических направлений повышения эффективности ОУТ;
разработать математическую модель эффективной ВВСР и исследовать тер модинамические процессы в ней по ОДР;
уточнить методику оптимизации ОУТ по минимуму приведенных затрат учетом эксплуатационных критериев и эффективной модели ВВСР;
разработать и изготовить лабораторный комплекс, позволяющий определит влияние технических и конструктивных параметров на термодинамические процес сы в ВВСР.
При решении задач использовались: статистические методы определения надежности работы ОУТ; методы планирования и анализа эксперимента; метод приведенных эксплуатационных затрат; однопараметрический и вариационный методы оптимизации.
Проведено математическое моделирование тепловых процессов каплеобразно" трубки по законам термо-, газо- и гидродинамики. Нахождение оптимальных решений задач производилось путем численного решения нелинейных интефальных уравнений Навье-Стокса, с применением ЭВМ и профаммного пакета COSMOSFloWorks. Достоверность и сходимость имитационного моделирования сопоставлялись с результатами опытов на спроектированном лабораторном комплексе.
Эксплуатационные исследования проведены на полигонах «Дальневосточной железной дороги» и «Железных дорог Якутии». Опытные и аналитические данные, обрабатывались по методу теплового подобия.
Научная новизна.
Получены критериальные уравнения теплоотдачи одиночной каплеобразной трубки и на ее основе водовоздушной секции радиатора.
Определены зависимости технических и конструктивных параметров формы каплеобразного сечения трубки на термодинамические процессы секции радиатор по критериям областей допускаемых решений.
Разработана методика расчета и оптимизации секций радиаторов охлаждающих устройств тепловозов с каплеобразной формой сечения трубки.
Уточнен метод оптимизации ОУТ по минимуму приведенных затрат с учетом реальных климатических условий и режимов работы тепловозов.
Достоверность основных научных положений подтверждается хорошей сходимостью результатов моделирования термодинамических процессов в одиночной и в пучке трубок с данными стендовых и эксплуатационных испытаний. Спроектированный и построенный испытательный лабораторный комплекс располагает высокоточным измерительно-регистрационным оборудованием, погрешность которого не превышает установленные стандартами пределы.
Практическая значимость.
Показана возможность использовать созданный, принципиально новый, патентно-чистый, элемент ОУТ, отличающийся от существующих повышенной эффективностью теплоотдачи более 20 %, обеспечивающий снижение: аэро- и гидро- сопротивлений, расход цветного металла, затраты мощности на привод вентиляторов и насосов, расхода топливо-энергетических ресурсов в эксплуатации; повышающий надежность работы ОУТ и тепловоза в целом.
Полученный патент № 82826 РФ, F28F 1/02. «Секция радиатора системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания» и разработанный метод интенсификации процессов теплообмена на поверхности охлаждающих устройств может быт использован в трубчато-пластинчатых теплообменниках во многих отраслях дизеле- и машиностроения, о чем свидетельствуют «Серебряные медали» Петербургской технической ярмарки новых разработок и Московского международного салона инноваций, в 2010 г.
Лабораторный комплекс используется в учебном процессе и НИР кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели» ДВГУПС.
На защиту выносится:
Критериальные уравнения термодинамических процессов трубки с каплеобразной формой сечения и водовоздушной секции ОУТ.
Теоретическое обоснование области допускаемых решений термодинамических процессов каплеобразной трубки и на ее основе ВВСР.
Уточнение метода оптимизации технико-экономической эффективности ОУТ по минимуму приведенных затрат с разработанной секцией радиатора по области допускаемых решений и реальных условий эксплуатации.
Реализация работы. Экспериментальная часть исследований выполнена в рамках федеральной «Инновационной общеобразовательной программы 2007-2008» - «Разработка охлаждающих устройств тепловозов для работы в условиях Севера, с экстремально низкими температурами окружающей среды». По итогам работы на кафедре «Тепловозы и тепловые двигатели» ДВГУПС создан научно-исследовательский лабораторный комплекс для исследований термодинамических процессов структурных элементов ОУТ.
Результаты работы внедрены в научно-поисковый и учебный процесс кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели» ДВГУПС.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы, представлялись и обсуждались: на международной научно-технической конференции «Модернизация тепловозов. Пути решения» (Якутск, 2007 г.); на международной научно-технической конференции «Двигатели-2008» (Хабаровск, ДВГУПС, ТОГУ); на региональных и международных научно-технических конференциях ДВГУПС (в период с 2007-2010 г. - 7 выступлений); на межвузовском семинаре (ДВГУПС, ТОГУ в 2008 и 2010 г.); на краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов (ТОГУ, 2009 и 2010 г.); на Петербургской технической ярмарке (удостоена «Серебряной медали», в номинации эффективность внедрения новых разработок, модернизация производства, 2010 г.); на Московском международном салоне инноваций и инвестиций (удостоена «Серебряной медали», 2010 г.).
Публикации. По выбранной тематике опубликовано 11 печатных работ, в то числе 2 в изданиях рекомендованных ВАК. Получен патент № 82826 РФ, F28F 1/02.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-й глав, за ключения, библиографического списка из 106 наименований. Работа изложена н 112 страницах машинописного текста, включая 5 таблиц, 45 рисунков.
Эффективность.охлаждающих устройств тепловозов, эксплуатируемых в условиях Севера
Качество рабочего процесса тепловозного дизеля, долговечность его узлов и деталей во многом зависит от эффективности работы охлаждающих устройств.
В процессе эксплуатации функциональные показатели надежности охлаждающих устройств тепловоза (далее - ОУТ) имеют тенденцию к ухудшению. Нестабильное температурное состояние теплоносителей дизеля (воды и масла) приводит: к снижению надежности элементов оборудования силовой установки и ее эксплуатационного к.п.д.; к ухудшению топливной экономичности; к повышенному расходу масла и т.п. В результате снижения надежности дизеля повсеместно растут эксплуатационные затраты и стоимость жизненного цикла тепловоза в целом.
Результаты ежегодного анализа технического состояния тепловозного парка ОАО «РЖД» с 2006-2009г. свидетельствуют, что на систему охлаждения, в среднем, приходится до 20% отказов от всех неисправностей по тепловозу, а они способствуют повышению отказов по дизелю до 30%. Эти соотношения особенно проявляются при работе ОУТ в условиях Севера (Якутии, Забайкалья, Дальнего Востока).
«Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 203 Ог» предусматривает освоение территории Якутии, Колымы, Чукотки, Охотского побережья, Камчатки, где перевозочный процесс будет осуществляться только тепловозной тягой. Социально-демографические, организационно-технологические, экономические и климатические условия этих регионов определяют весьма высокие и не ординарные требования к надежной работе всего оборудования тепловоза, и особенно его охлаждающих устройств.
Производители отечественных тепловозов, традиционно придерживаются универсальных принципов создания ОУТ, рассчитывая на температуры окружающей среды от +40 до -45С [56]. Однако полигоны железных дорог ОАО «РЖД», расположенные на территориях Амурской области, Забайкальского и Хабаровского края характеризуются экстремально суровыми природно-климатическими условиями, где температуры окружающей среды опускаются до -65С.
Так согласно данным метеорологических наблюдений среднегодовая температура в отдельных районах региона отрицательна и составляет от О до —5С, а на полигоне «Железные Дороги Якутии» —10,2С, при этом продолжительность периода со среднесуточными температурами ниже 0С достигает - 216 дней. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом около 200 дней [79].
Экспериментально установлены зависимости эксплуатационных затрат и климатических условий [36]. Результаты анализа эксплуатационных расходов за 2006-2009гг. только в локомотивном депо Тында (ДВЖД) свидетельствуют, что на восстановление работоспособности ОУТ расходуются более 10,8 млн.руб/год [78]. На рис. 1.2 приведены численные значения случаев отказа оборудования ОУТ тепловозов в локомотивном депо Тында.
Результаты анализа эксплуатационной надежности узлов и агрегатов ОУТ в локомотивном депо Комсомольск (ДВЖД) свидетельствует, о еще более сложной ситуации, где ежегодно производят более 900 неплановых замен водовоздушных секций радиаторов ОУТ.
Согласно статистическим данным 96% всех неплановых ремонтов ОУД приходится на водовоздушные секции радиатора. В результате обследования и систематизации большой выборки отказавших секций радиаторов их можно сгруппировать по характеру неисправностей: деформации (вздутие) трубок (рис. 1.3а); трещины в местах пайки трубок к трубной решетке (рис. 1.36); загрязнение внутренних поверхностей трубок и трубных коробок, а также наружных поверхностей секций (рис. 1.3 в,г); смятие и разрушение пластин оребрения (рис. 1.3а,б).
Исследованиями [10, 19, 77, 78] установлена зависимость появления отказов секций радиаторов в процессе эксплуатации. Отказам подвергаются, преимущественно передние трубки секции радиатора (по фронту всасываемого потока воздуха). Они охлаждаются более интенсивно, чем последующие. При температуре наружного воздуха -50 + -60С разность температур металла первого и последнего в глубину рядов трубок достигает 80С и выше. При работе тепловоза на номинальном режиме создается «температурный перекос» в секции, что ведет к изменению длины трубок. В результате различного удлинения первого и последнего ряда трубок появляются дополнительные изгибающие моменты (рис 1.4), которые вызывают перенапряжения в трубных решетках и самих трубках. Температурные деформации приводят к появлению трещин в местах пайки трубок к трубной решетке.
Анализ показывает, что выход из строя трубок секций радиаторов по причине появления в них течи вызваны в основном перемерзанием трубок в зимний период. Однако явление перемерзання вызвано не только низкими температурами наружного воздуха [15]. Этому способствует конструкция трубки, ее сечение и интенсивное загрязнение в процессе эксплуатации.
В ходе исследований проведен анализ надежности секций радиаторов в условиях эксплуатации локомотивного депо ст. Тында [78]. При выборке данных учитывались: количество отказов секций радиатора в зависимости от пробега тепловоза после ТР-2 и ТР-3; сезонность отказов (месяц с температурами окружающей среды ниже 0С); характер отказов. По результатам анализа представлена гистограмма зависимостей на рис. 1.5.
Как видно из рис. 1.5 частота отказов секций радиаторов тепловозов имеет вид нормального закона распределения, что характеризует явление возникающих отказов, как постепенно нарастающих. Учитывая ресурс работы секции радиаторов между ремонтами ТР-2 равный 150 тыс.км, установлено, что средняя наработка до отказа узла составляет в среднем 62 тыс.км. К причинам, способствующим возникновению отказов секций радиаторов необходимо добавить неудовлетворительное техническое выполнение технологических регламентов по водоподготовке.
В процессе многолетних наблюдений за эксплуатацией тепловозного парка локомотивных депо Тында, Комсомольск, Ружино, Хабаровск были установлены и обоснованы зависимости интенсивного загрязнения систем охлаждения тепловозов [87]. Подобное состояние этой проблемы отмечается и на других железных дорогах страны.
Анализ методов повышения эффективности термодинамических процессов в водовоздушных радиаторов тепловоза
Фундаментальными исследованиями отечественных ученых: М.В.Кирпичева, М.А.Михеева, А.А.Жукаускас, С.С.Кутателадзе, Н.И.Белоконь и многих др. достигнуты значительные успехи в создании общей теории процессов поверхностных теплообменников. Основы современной теории теплопередачи позволяют классифицировать секции радиатора холодильной камеры тепловоза, как трубчато-пластинчатый теплообменник с перекрестным током теплоносителей, типа воздух-вода [67].
Конструкция водовоздушных секций радиаторов представляет собой пучок шахматно-расположенньгх бесшовных гладких труб, изготовленных из латуни (Л-96), толщиной 0,55мм. Оребрение выполнено тонкими (0,1мм) медными пластинами, которые соединяются с трубками методом спекания.
Известно, что охлаждение теплоносителей дизеля в тепловозных водовоздушных радиаторах, характеризуется сложным процессом теплопередачи. Этот процесс является результатом совместного действия конвекции, теплопроводности и лучеиспускания. Учитывая тонкостенную конструкцию радиатора, высокие теплопроводные свойства меди и латуни, а также их относительно низкую излучающую способностью, -конвективный перенос тепла можно рассматривать в качестве основного явления.
Для оценки влияния конвективной передачи тепловой энергии на работу водовоздушной секции радиатора (ВВСР) необходимо выделить процессы теплоотдачи от воды к трубкам радиатора и теплоотдачу от трубок к охлаждающему потоку воздуха. Исследователями установлено, что для интенсификации теплопередачи в ВВСР наиболее целесообразно рассматривать, теплоотдачу со стороны воздуха [35, 59], так как это явление имеет значительно большее термическое сопротивление, чем теплоотдача со стороны воды.
Такой подход объясняется результатами первых исследований пограничного слоя, проведенных еще в 1904г Л.Прандтлем [103], которые стали основой гидродинамической теории О.Рейнольдса [55]. Согласно этой теории вблизи теплопередающей стенки существует пограничный ламинарный поток теплоносителя, определенной толщины. В ламинарном характере течения жидкостей и газов имеет место передача тепловой энергии теплопроводностью, при этом коэффициент теплопроводности для воздуха (XBO3flyxa=0J022-0,030BT/M-K) значительно ниже, чем для воды ( воды=0,55-0,68Вт/м-К). Этот слой как бы изолирует стенку трубки от основной массы воздушного потока. Задача интенсификации теплообмена состоит в том, чтобы уменьшить толщину этого слоя. Наиболее эффективным в этом случае является турбулизация нагнетаемого воздушного потока.
В практике отечественного и зарубежного производства теплообменных аппаратов широко распространен метод перфорации пластин ореберения. Которая представляет собой процесс штамповки неровностей или отверстий определенной формы, позволяющих реализовать более высокую степень турбулентности потока воздуха. Этот подход, достаточно, хорошо изучен в экспериментальных работах ученых теплотехников: МаханькоМТ., Гухмана А.А., Кунтыша В.Н., Иохведова И.П., Дьяченко Б.С.
Другим известным, способом повышения интенсификации теплоотдачи к воздуху является шероховатость поверхности трубки. Для существующих тепловозных ВСР шероховатость составляет 2,3 мкм.
Важную роль в конструкции радиатора играют форма и размеры трубок, которые в основном определяют габаритные и мощностные показатели поверхностных теплообменников [84]. Несмотря на то, что общая площадь поверхности охлаждения трубок в 5раз меньше площади оребрения, коэффициент теплоотдачи трубок выше, чем от оребрения в 2,5-Зраза [55].
В стандартных ВВСР применены трубки плоскоовальной формы. Практика применения плоскоовальных форм трубок в теплообменных аппаратах нашла широкое распространение большинства отечественных и зарубежных транспортных машин различной специализации. Это обусловлено хорошими аэродинамическими и теплопередающими свойствами этих трубок, которые достаточно изучены и потому наиболее удобны при проектировании систем охлаждения транспортных машин.
Целенаправленные исследования, выполненные учеными ВНИИЖТа, сформировали определенный стереотип, существующих на сегодняшний день, конструкций ВВСР.
В работе [25] высказаны предположения: применение трубок плоскоовальной формы (рис. 2.7) обеспечивает наибольшую интенсивность теплоотдачи всей охлаждающей решетки оребрения радиатора по сравнению с другими формами трубок; ширина сечения трубки должна быть минимальной (размер а=1мм), при котором достигается наибольшая эффективность коэффициента теплопередачи и аэродинамическое сопротивление ВВСР»
Сторонниками этих предположений было большинство ученых и исследователей в течении многих лет, поэтому в дальнейших теоретических и экспериментальных работах МИИТа, ВНИТИ, ВНИИЖТа и др. рассматривались исключительно плоскоовальные трубки. Общая сходимость во мнениях позволила сформировать требования ГОСТ 2936-75 к производству трубок плоскоовальной формы для тепловозных ВВСР, а также весь типовой ряд серийно выпускаемых секций радиаторов отечественных тепловозов ГОСТ 20556-75.
В фундаментальных работах Прандтля Л. [106], Шлихтинга Г. [103], Кармана Т., Кутателадзе С.С. [48] и др., исследованы условия неизотермического обтекания тел различной формы (в том числе трубок). Однако процессы термодинамики рассматривались, в основном, с точки зрения проявления поверхностного пограничного слоя, характера полей распределения скоростей и температур жидкостей и газов. В тоже время, задача объективного сравнения эффективности теплопередающих свойств трубок различной формы исследователями в работах не ставилась, что дает возможность только косвенно предполагать о характере теплоотдачи в исследуемых формах одиночных трубок и требует дополнительных исследований.
Отметим, что процесс теплоотдачи еще более усложняется, если в поперечном потоке воздуха расположена не одна, а пучок (пакет) трубок. В практике производства теплообменных аппаратов, в том числе и тепловозных секций радиаторов, широко распространены два типа расстановки труб в пучке: шахматное и коридорное расположение. Основными конструкционными параметрами пучка являются размеры самих трубок и расстояния между их осями по фронту и глубине.
Исследованиями А.А.Жукаускаса [32, 33], Г.А. Михайлова [54] и др. . установлено, что от схемы компоновки пучка и его характеристик, определяется характер течения воздуха и принцип омывания им стенок трубок. Так условия омывания первого ряда трубок в обоих пучках близки к условиям омывания в одиночных трубах. Для последующих рядов характер теплоотдачи значительно изменяется, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Величина изменения коэффициента теплоотдачи в основном определяется турбулизацией потока и обширностью вихревой зоны, впереди стоящих трубок. При этом между трубками, расположенных по глубине, возникает застойная (мертвая) зона со слабой циркуляцией воздуха. Поэтому при проектировании параметров пучка труб необходимо избегать нерационального их расположения в потоке воздуха.
Выбор и обоснование критериев оптимизации параметров секций радиатора тепловоза
О критериях оптимизации, в общем случае, говорят как о количественной характеристике достигаемой цели [90]. В частном случае, - совершенствование конструкции секции радиатора. Известно, что в трубчато-пластинчатых теплообменниках протекают одновременно три функционально зависимых, термодинамических процессов: 1) теплопередача от теплоносителей дизеля, в конечном итоге, к атмосферному воздуху; 2) падение аэродинамического напора просасываемого воздуха через решетку секции радиатора; 3) гидравлический перепад давлений воды в системе охлаждения до и после радиатора. От качества технической организации этих процессов во многом зависит эффективность работы радиатора. Анализ параметрических зависимостей процессов тепломассобмена радиатора свидетельствует, что выбор единого общего критерия работы водовоздушного теплообменника тепловоза, весьма затруднителен. Поэтому физический смысл всех трех явлений, наиболее целесообразно, представить: - коэффициентом теплопередачи к, - аэродинамическим АРаэр и гидравлическим АР сопротивлениями.
Универсальность подхода к выбору нескольких частных критериев к, АРаэр, АРгиь в качестве определяющих, апробирована многолетней практикой научных исследований не только тепловозных охлаждающих устройств [43, 61], но и других технических средств, использующих масло-и водовоздушные теплообменники. Требования к критериям оптимизации можно представить выражениями: Заметим, что решение задач оптимизации с учетом трех критериев одновременно, связано с методологическими сложностями. Для упрощения решения принято условие двигаться к оптимуму последовательно, по одному критерию, при определенных ограничениях двух других. Известно, что критерии оптимизации к, АРаэр, АР д являются функциями большого числа факторов и параметров. В общем виде соотношение критериев и факторов представлено выражениями
Параметры, находящиеся в скобках, условно можно классифицировать на: управляемые независимые переменные; постоянные и переменные; не подлежащие управлению. Параметры, предполагающие управляемый переменный характер работы ОУТ определяются: скоростью течения теплоносителей (воды и воздуха) совд, С0вз\ режимами работы дизеля и температурой его теплоносителей ted. Переменными неуправляемыми параметрами являются: температура наружного воздуха te3; физические параметры теплоносителей -теплопроводность Хвз, Хвд , плотность рвз, рвд; вязкость {лвз, ]лвд; теплоемкость СРвз сРвд Постоянные параметры характеризуют конструкцию секции радиаторов, следующими параметрами: геометрической формой трубок 0W; размерами их сечений Sw; количеством трубок птр; расстоянием между осями трубок по фронту кфр и рядами по глубине п . В качестве постоянных параметров трубок и секций следует учитывать их размеры, типы оребрения, а также теплопроводные свойства используемых материалов Х . Анализ существующей литературы [12, 22] показал, что управляемые и неуправляемые переменные факторы являются определяющими в задачах математического моделирования температур теплоносителей дизеля.
При этом в рамках решения задач совершенствования конструкции самого теплообменника наиболее целесообразно выбрать в качестве определяющих параметров оптимизации - именно конструктивные Ф, птр, Целенаправленный детализированный анализ термодинамических процессов в секции радиатора свидетельствует, что количество варьируемых факторов может доходить до двух десятков и более. Такое количество переменных создает непреодолимые трудности при определении оптимума. Известно, что каждый из постоянных критериев или параметров, характеризующий рабочий процесс секции радиатора, находится в функциональной взаимосвязи с другими. Поэтому метод ранжирования критериев по степени их значимости в данном случае не может быть использован. Однако учитывая последовательность достижения оптимума выбранных критериев оптимизации, в данной работе сделана попытка идентификации нескольких определяющих геометрических параметров теплообменника, по которым проводится варьирование. Для этого воспользуемся общими принципами подготовки и планирования исследования: определение нулевой (исходной) точки и определение последовательности оптимизации параметров; обоснование определяющего параметра; выбор интервала варьирования параметра; определение области оптимизации и функциональных ограничений. Одна из первых методик последовательного определения оптимальных размеров тепловозных охлаждающих устройств приведена в работе [62], где рассматриваются вопросы формирования эффективной и компактной конструкции водомасляного, кожухотрубного теплообменника тепловоза. Логика построения исследования представляется следующим образом: - на первом этапе выполнены испытания и получены характеристики отдельно взятых трубок различного сечения; - на втором этапе, исследованы различные варианты расположения пучка трубок и определено наиболее эффективное их количество.
Особенности конструкционно-функциональных решений лабораторного комплекса
В соответствие с целью, задачами и методикой исследований по теме диссертационной работы спроектирован и изготовлен лабораторный комплекс, который позволяет моделировать режимы работы ОУТ и регистрировать их термодинамические параметры. Внешний вид, структурные и функциональные позиции стенда-модели приведены на рис.4.2.
В стенде находится аэродинамическая труба прямоугольного сечения 4, с одной стороны которой устанавливается опытная модель секции 6. Размеры сечения аэродинамической трубы рассчитаны, на испытание стандартных и коротких тепловозных секций радиаторов б, рис 4.2а. С противоположной стороны секциям установлен осевой вентилятор 2, для нагнетания охлаждаемого воздуха.
Скорость воздушного потока регулируется в диапазоне скоростей 6-16м/с посредством частоты вращения осевого вентилятора. Этим практически охватываются все встречающиеся в реальных системах охлаждения тепловозов скорости воздуха на номинальном режиме работы дизеля. Забор воздуха осуществляется с помещения лаборатории, температура которого учитывается при эксперименте. При опытах в зимний период предусмотрен забор воздуха наружного с контролем его температуры.
На достоверность результатов лабораторного моделирования существенное влияние оказывает плоскопараллельное движение воздушного потока на входе в испытуемую модель. Для получения такого результата поток воздуха в аэродинамической трубе проходит через «выпрямляющую» решетку, которая спрямляет явные вихревые воздушные потоки при работе вентилятора на нагнетание. Параметры ячеек решетки и место установки в аэродинамической трубе определялось расчетно-экспериментальным методом. Поведение вихря в аэродинамической трубе, до и после выпрямляющей решетки, отслеживалось по направлению тонких лент длинной 30мм, расположенных по площади и диагоналям сечения аэродинамической трубы. В конечном итоге, экспериментальные исследования характера движения потока воздуха на входе в модель секции ОУТ позволили получить его картину, изображенную на рис. 4.3
Внутренним теплоносителем в лабораторном комплексе является вода, как и в натурных секцях радиаторов, установленных на тепловозе.
Вода нагревается в баке 8, объемом 300л, электронагревателем мощностью 10,5кВт, с автоматическим подогревом в диапазоне 70-85С.
Циркуляция подогретой воды по замкнутой системе трубопроводов 7 обеспечивается водяным насосом 3 с электрическим приводом и сетчатым фильтром. Для минимизации теплопотерь в окружающую среду, подогревательный бак 8 и трубопроводы 7 теплоизолированы, что позволяет сохранять температуру теплоносителя в течении продолжительного периода времени. Привод водяного насоса и производительность вентилятора плавно регулируются, что позволяет моделировать режимы работы реального охлаждающего устройства в полном диапазоне скоростей теплоносителей. Основным достоинством данного стенда является полная автоматизация исследовательских и рабочих процессов. Управление и мониторинг параметрами эксперимента производится с компьютера (рис. 4.2в), что обеспечивает одновременное измерение параметров, оперативность и точность обработки получаемых опытных данных.
В процессе опытов температура подогретой воды поддерживалась на уровне 68-72С. Точность измерения ее фактического значения составляет ±0,1 С, что обеспечивает получение необходимой достоверности результатов опытов.
Лабораторно-стендовыми исследованиям предшествовала разработка методики, в которой максимально учтены параметры реальных объектов, режимы их работы, а также результаты математического моделирования.
Методикой лабораторно-стендовых исследований элементов секций радиаторов ОУТ предусмотрено:
1. Имитация реальных режимов работы холодильной камеры тепловоза в условиях лаборатории. Для этого в качестве теплоносителей используются вода и воздух; температуру воды необходимо поддерживать на уровне 75-85С; скорость течения воды 0,8-1,2м/с; скорость воздушного потока 6-16 м/с; давление воды в трубопроводе 0,3-0,35МПа. На основе приведенных параметров бьш выполнен расчет, и проект изготовления лабораторного комплекса.
Принималось во внимание, что одной из главных характеристик секций радиаторов тепловозных холодильников является коэффициент теплопередачи, к , кВт/(м2 С). Величина этого показателя определяет массу и габариты всего охлаждающего устройства. Коэффициент теплопередачи определяется по типовому выражению: Хт- коэффициент теплопроводности трубки, Вш/(м С). Лабораторный эксперимент позволяет определить величину «/, непосредственно на стенде. Напомним, что параметры материалов трубок, (медь или латунь) Зт я Хт в уравнении 4.1, на величину процесса теплопередачи влияют в не значительной степени, менее 1%. Поэтому, для сравнительной оценки расчетов экспериментальных данных можно использовать уравнение теплопередачи в виде
При этом тепловой режим в моделях исследуемой поверхности рассматривается, как стационарный. Коэффициенты лучистой теплоотдачи ОУТ не учитываются из-за их незначительности.
