Способы охлаждения наддувочного воздуха

Охлаждение воздуха может осуществляться водой или воздухом. При применении воды температура воздуха после охладителя лишь на несколько градусов превышает температуру воды на входе. При применении воздуха в качестве охладителя температура заряда после охлаждения примерно на 15° превышает температуру окружающей среды.

Для охлаждения наддувочного воздуха могут использоваться следующие способы.

1. Поверхностное охлаждение в рекуперативных теплообменниках.

2. Испарительное охлаждение за счет впрыскивания жидкости в надувочный воздух.

3. Водоконтактное охлаждение за счет теплообмена при непосредственном контакте с жидкостью.

4. Турбодетандерное охлаждение.

Поверхностные охладители

В системах охлаждения наддувочного воздуха наибольшее распространение получили поверхностные охладители.

По виду теплоносителя охладители могут воздухо-воздушные и водо-воздушные. По конструктивной схеме охладители разделяют на пластинчатые и трубчатые, которые получили большее распространение.

Основное преимущество трубчатых теплообменников – надежность, особенно в условиях вибрации.

Газовые охладители применяются только в автотракторных и тепловозных двигателях. Главное их преимущество – простота конструкции.

Коэффициент теплоотдачи для воздуха на порядок ниже, чем для жидкости, поэтому для интенсификации теплоотдачи между газом и поверхностью теплообменника часто увеличивают площадь поверхности оребрением. На рис. 9.2 показаны конструктивные схемы теплообменников и трубок с оребрением.

Рис. 9.2. Конструктивные схемы теплообменников:

а – трубчатый; б – трубки с оребрением; в – пластинчатый

В зависимости от направления движения теплоносителей теплообменники могут быть прямоточными, противоточными и перекрестноточными.

В прямоточном теплообменнике горячий и холодный теплоносители движутся при параллельном движении в одном направлении. В противоточном теплообменнике теплоносители движутся навстречу по параллельным каналам. В перекрестноточном теплообменнике теплоносители движутся во взаимно перпендикулярном направлении.

Теплообменник должен обеспечивать температуру наддувочного воздуха не ниже 320 К. Снижение температуры наддувочного воздуха обычно составляет 40-70°. Противоточный теплообменник является более эффективным по сравнению с прямоточным, что иллюстрируется зависимостью изменения температуры теплоносителей при различном направлении их движения (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Изменение температуры теплоносителей в теплообменнике:

Т _к – температура воздуха после компрессора; Т _к – температура воздуха после охладителя;
Т ₁ – температура охлаждающего теплоносителя перед охладителем; Т ₂ – температура охлаждающего теплоносителя после охладителя

Для изготовления теплообменников применяют медь, медно-никелевый сплав, латунь, алюминий, сплав алюминия с марганцем и пластмассы. Сталь из-за низкой теплопроводности и недостаточной коррозионной стойкости не применяют.

Для оценки охладителя используется ряд характеристик. Значения некоторых из них для водовоздушных охладителей оговариваются в ГОСТ[1].

Тепловая эффективность охладителя рассчитывается по следующей формуле

и должна быть не менее 0,7.

Гидравлический КПД охладителя

,

где D р _ох – потери давления наддувочного воздуха в охладителе.

Величина D р _ох согласно ГОСТ для тепловозных, судовых и промышленных дизелей должна быть не более 4,9 кПа.

Количество тепла, отведенное в охладителе

Q = G _кD T _ох с_р,

где G _к – расход воздуха; с_р – удельная теплоемкость наддувочного воздуха при средней температуре.

Среднелогарифмический температурный напор

.

Коэффициент использования массы охлаждающего элемента

,

где m – суммарная масса теплообменных труб или пластин.

Значения k_g для тепловозных двигателей должны быть не менее 29,1 Вт/(кг×К), для судовых – не менее 23,1 Вт/(кг×К), для газовых – не менее 19,8 Вт/(кг×К).

Коэффициент использования объема охлаждающего элемента

,

где V – объем, занимаемый трубным пучком или пучком пластин.

Значения k_V для тепловозных двигателей должны быть не менее 63,9 Вт/(м³×К), для судовых и газовых – не менее 46,5 Вт/(м³×К).

Кроме приведенных характеристик может использоваться коэффициент энергетической эффективности

,

где N ₁ – мощность, затрачиваемая на прокачку охлаждаемого воздуха; N ₂ – мощность, затрачиваемая на прокачку охлаждающего теплоносителя.

Рекомендуемые значения коэффициента h_эох – не менее 40 для трубчатых теплообменников и не менее 15 для пластинчатых теплообменников.

9.2.2. Испарительное, водоконтактное и турбодетандерное
охлаждение

При испарительном охлаждении охлаждающая вода распыливается перед входным патрубком компрессора, в результате чего процесс сжатия в нем приближается к изотермическому. При этом температура воздуха на выходе из компрессора падает почти пропорционально количеству впрыскиваемой воды. Например, при расходе воды, составляющем 1% от расхода воздуха, снижение температуры воздуха составляет 24°, а при 1,6% – 40°.

Снижение температуры можно рассчитать по следующей формуле

,

где G _к – расход воды; q _н – теплота на нагрев воды до температуры насыщения; q _и – теплота испарения.

При испарительном охлаждении КПД компрессора и степень повышения давления на 3-5% выше, чем без охлаждения, температура газов перед турбиной на 60-80° ниже.

Однако данный метод не получил распространения из-за ухудшения свойств смазочного масла при попадании в него воды, а также из-за высоких требований к чистоте и жесткости воды.

При контактном охлаждении надувочный воздух непосредственно контактирует со струями воды. Недостатками метода являются возможность попадания воды в цилиндры двигателя, большой расход воды и необходимость дополнительных затрат мощности на прокачку воды.

Принцип работы турбодетандера основан на расширении воздуха в рабочем колесе турбины. Воздух отдает энергию, за счет чего происходит понижение его температуры. Эта энергия может использоваться для дополнительного сжатия газа в компрессоре.