CC BY
66
УДК 629.4.077-621.1
I. М. Б1ЛОБОРОДОВА, Ю. I. ОСЕН1Н, I. I. СОСНОВ (Схщноукра!нський нацiональний унiверситет iM. Володимира Даля, Луганськ)
ОЦ1НКА ОСНОВНИХ ТЕПЛОТЕХН1ЧНИХ ПАРАМЕТР1В СИСТЕМИ ОХОЛОДЖЕННЯ ДИСКОВОГО ГАЛЬМА ЛОКОМОТИВА
У статп виконано тепловий (конструктивный) розрахунок рвдинно-повггряного рекуперативного тепло-обмшника з метою оцшного визначення площ теплообмшних поверхонь i витрат теплоноспв, необхщних для розсiювання теплово! енергп, що генеруеться дисковим гальмом локомотива.
В статье выполнен тепловой (конструктивный) расчет жидкостно-воздушного рекуперативного теплообменника с целью оценочного определения площадей теплообменных поверхностей и расходов теплоносителей, необходимых для рассеивания тепловой энергии, генерируемой дисковым тормозом локомотива.
In the article a thermal (constructive) calculation of the liquid-air recuperative heat exchanger is executed. Its purpose was an estimation of the areas of heat-exchange surfaces and the consumption of heat carriers necessary for dissipation of thermal energy generated by a locomotive disk brake.
Основною перешкодою для збшьшення га-льмово! потужносп дискового гальма локомотива, що накладае обмеження на дiапазон швидкостей, при якому вш застосовуеться, е штенсивне тепловидшення у контакт гальмо-вого диска з накладками. Температури сполу-чених поверхонь, при цьому, досягають сотень градуав (у деяких випадках до 1000 °С), що негативно впливае на ефектившсть i безпеку гальмування в цшому. Здатнiсть самого галь-мового диска розсдавати тепло за рахунок кон-векци та випромiнювання орiентовно становить 10...25 % вщ загально! кшькосп теплово! енергп, що генеруеться тд час гальмування (для початково! швидкостi гальмування 120 км/год i середньо! температури в контактi гальмово-го диска з леговано! стал iз накладками: 400...800 °С вщповщно) [1].
У данiй роботi розглянуто один з можливих варiантiв збшьшення частки тепла, вщведеного при гальмуванш, за допомогою використання системи примусового (активного) охолоджен-ня, побудовано! на базi рекуперативного тепло-обмiнного апарату.
Для визначення перспектив такого ршення необхщно провести оцiнку основних теплотех-нiчних параметрiв системи охолодження дискового гальма локомотива. До цих параметрiв вщносяться: величина площi поверхш тепло-обмiну та значення кшцевих температур теплоноспв, що визначають кiлькiсть вiдведеного тепла. 1х можна знайти за допомогою теплового розрахунку зазначеного теплообмшного апара-та.
Спошб вiдбору тепла з областi контакту i його передача гарячому теплоноаев^ у загаль-ному випадку за шших рiвних умов, не буде впливати на роботу теплообмшного апарата. Тому проведемо оцшний тепловий розрахунок, не уточнюючи яким чином тепло передаеться гарячому теплоношев^ а його первюну температуру (на входi в теплообмшний апарат) бу-демо вважати вщомою.
ОСНОВН1 ПОЛОЖЕННЯ ТЕПЛОВОГО РОЗРАХУНКУ
У цей час найбшьш часто використовуються два методи теплового розрахунку рекуператив-них теплообмшних апараив (далi теплообмш-ника): метод середнього температурного напору i метод теплово! ефективносп [2]. Для попе-редньо! оцiнки вибiр методу не мае принципо-вого значення, тому зупинимося на першому варiантi.
Основними розрахунковими рiвняннями е: рiвняння теплопередачi:
F
Q = J кг ■At1 ■dF1 = Ik -At •F, (1)
0
i рiвняння теплового балансу:
Qi = Q2 +AQ,
де Q1, Q2 - кшьюсть теплоти, вiддано!' гарячим i сприйнято! холодним теплоносiями вщповщ-но;
AQ - втрати теплоти в навколишне середо-вище.
© Бшобородова I. М., Осенiн Ю. I., Соснов I. I., 2009
= сх -Ых = Сх ■ Ср^! -Q2 = 02 -Ы2 = 02 ■ Ср2{Ц -
(2)
тут i далi iндекс «1» вiдповiдаe гарячому теп-лоносieвi (що переносить тепло вiд гальмового диску до теплообмшника), iндекс «2» - холодному теплоносieвi (охолоджуючому теплооб-мiнник);
G1, G2 - масовi витрати теплоносив; 5/1, Ы2 - змiна ентальпiй теплоносив; ср1, ср2 - питомi iзобарнi теплоeмностi теплоносив;
^, , - температури гарячого теплоносiя на входi i виходi з теплообмшника вщповщно;
,2, ,2 - температури холодного теплоношя на входi i виходi з теплообмiнника вщповщно;
к - сумарний (повний) коефщент теплопе-редачi теплообмiнника;
^ - теоретична площа поверхнi теплообм>
ну.
Рiвняння (2) у такiй формi можна викорис-товувати за умови вщсутносп фазових пере-творень теплоношя.
У якостi перепаду температур А, (температурного напору) у рiвняннi (1) необхiдно вико-ристовувати середньоштегральну рiзницю температур теплоносив по довжиш теплообмшни-ка. II значення залежить, за iнших рiвних умов, вщ схеми руху теплоносiя в теплообмшнику. Для випадку прямотечи (гарячий i холодний теплоноси рухаються паралельно в одному на-прямку) i протитечи (гарячий i холодний теплоноси рухаються паралельно назустрiч один одному) юнують аналiтичнi вирази, що прибли-зно визначають величину А, [3]: - прямотечiя:
А! =
- протитечiя:
А! =
(V- V) - О,
1п
'1 '2 <1 <2
(^1'- О - (У" V)
1п
<1 <2
(3)
У теплообмшниках з перехресною й бшьш складною схемами руху теплоносив, рiвняння для визначення величини А! досить громiздкi. Тому 1х представляють у виглядi графiкiв. Для ряду схем таю графши наведенi, наприклад, в [4]. З 1хньою допомогою розрахунок середньо-
го температурного напору А! здшснюеться в такий спосiб. Спочатку за формулою (3) обчис-люеться значення А!, як для чисто протитечш-но1 схеми руху теплоношя, потiм знаходять до-помiжнi величини Р та Я :
Р =
2 '2 .
'1 '2
Я =
'1 '1 ! 2 - ! 2
(4)
За цими даними з вщповщного графiка визначають величину поправки еА, = /(Р, Я), гостя чого середнiй температурний натр А! знаходять за формулою:
А^а,-^-^. (5)
1П-1 ,2
(1 '2
Для обчислення невiдомих температур теплоносив на виходi з теплообмшника, як необ-хiднi для розрахунку величини А,, використо-вують наступне сшввщношення:
,1'- ,1'' = Ж ! 2 — ! 2 Ж1
де Ж1, Ж2 - водяний е^валент для гарячого i холодного теплоносив вiдповiдно. У загально-му випадку: Ж = G ■ ср, де G - масова витрата
теплоношя.
Представленi вище рiвняння дозволяють оцiнити значення основних параметрiв системи охолодження, побудовано1 на основi рекуперативного теплообмiнника. Необхщно вщзначи-ти, що погрiшнiсть при використанш наведених вище розрахункових залежностей може досяга-ти 10...25 %, що пояснюеться 1хньою придатш-стю для випадку щеальних умов: чистих теплоносив, строго однакових умов обтшання повер-хонь теплообмiну, вщсутносп теплових втрат i т.д. Точна оцшка можлива тiльки при експе-риментальному дослiдженнi. Однак для одер-жання попереднього результату дана методика цшком годиться, що пiдтверджуеться досвщом II використання при проектуваннi теплообмш-них апаратiв [5].
ВИХ1ДН1 ДАН1 ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОЗРАХУНК1В
Найпоширенiшим теплоношем, що застосо-вуеться в температурному штерват 0...95 °С (273...368 °К) i за нормального атмосферного тиску (~100 кПа), е вода. II використання мае ряд позитивних i негативних сторiн, розгляд яких е окремою темою та виходить за рамки
дано! роботи. Однак, за сукупнiстю теплофiзи-чних властивостей i мiркувань економiчного та екологiчного характеру, вода в зазначеному робочому дiапазонi температур i тискiв е опти-мальним теплоно^ем.
Також, для порiвняння, як теплоносш роз-глянемо одну з розповсюджених сучасних охо-лодних рiдин - водяний розчин пропшенглико-лю (СзН6(ОИ)2, варiант антифризу, також вщо-мий, як харчова добавка Е1520), об'емна частка пропшенгликолю в розчинi 47 %. Це вщповщае нижнiй температурi експлуатацп теплоносiя -30 °С (243 °К).
Для охолодження гарячого теплоноая бу-демо використовувати атмосферне повггря.
У якостi робочих температур були обраш наступнi значення: Хх' = 90 °С (363 °К) - температура гарячого теплоноая (води або прот-ленгликолю) на входi в теплообмiнник; ^'' = = 40 °С (313 °К) - температура гарячого тепло-носiя на виходi з теплообмшника; /2' = 25 °С
(298 °К) - температура холодного теплоно^я (повiтря) на входi в теплообмшник.
В якостi робочого тиску для теплоноспв бу-ло використано значення: 1,014-105 Па (760 мм рт. ст., абсолютне значення).
У тепловому розрахунку враховувався вплив температури на властивостi теплоноспв (питомо! маси та iзобарноi теплоемностi).
Один з основних параметрiв, що визначають кiлькiсть теплово! енергп, передано! гарячим теплоноаем холодному - !хня витрата. Вико-ристовуванi в розрахунках значення витрат теплоноспв обранi таким чином, щоб забезпечити вiдвiд теплово! енергп в дiапазонi до 100 кВт, це становить приблизно 50 % теплово! енергп, що генеруеться гальмовим диском при гальму-ванш з початковою швидкiстю 120 км/год [1, 6].
Величина коефщента теплопередачi к, що входить у формулу (1), змшювалася в дiапазонi 10...40 Вт/(м2-К), що згiдно даним [2, 5] вщповщае середньому дiапазону значень даного ко-ефiцiента при теплообмж мiж зазначеними рiдинами та повггрям.
Для попереднього урахування нещеальност умов роботи реального теплообмiнника отри-манi значення площ теплообмiну були збшьше-нi на 20 % (згщно рекомендацiй [4, 5]).
У якост схем руху теплоноспв використа-лися два основних варiанти: прямотечiя i про-титечiя. Для перехресного струму i бiльш скла-дних схем обумовлеш параметри теплового розрахунку будуть мати промiжнi значення мiж
такими, що отриманi у випадках прямотечп i протитечп.
Результати розрахунмв з визначення площi поверхнi теплообмшу залежно вiд кiлькостi вщведено! теплово! енергп, при постшних зна-ченнях коефщенту теплопередачi к, показан на рис. 1. .2
800 600 400 200 0
1111 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 к = 10 Вт/(м2К) л
к = 20 -
к = 40 ^
0 20 40 60 80 О, кВт
(а)
Г м'
400
300
200
100
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1
к = 10 Вт/(м2К) 1 , 1 |\ /
\ к = 20 "Д Л/
: к = 40-0(Г
1 \ \ 1 ¿г \ \ 1 ^Г \ |\ 1 |\ ^ I 1 ^Г 1 I1 1 1 1 1 1
20
40 60
(б)
80 О, кВт
Рис. 1. Площа поверхш теплообм1ну залежно ввд кшькосп теплово! енергп, що выводиться, за р1зних значень коефщента теплопередач1 для прямотечп (а) 1 протитечп (б)
Вигляд залежностей, показаних на рис. 1, е практично щентичним для обох гарячих теплоноспв (рiзниця не перевищуе 3 % при максима-льних витратах теплоноспв). Це пояснюеться тим, що хоча iзобарна теплоемнiсть води вище тако! у пропiленгликолю, останнiй мае бшьшу за тих самих умов питому масу.
Використовуваш значення витрат теплоноспв змшювалися в межах: 2-10-5...5-10-4 м3/с (0,02...0,53 кг/с), для гарячого теплоно^я i 1,39...6,11 м3/с (1,65...6,58 кг/с) для холодного теплоно^я.
Для вiдводу 100 кВт теплово! енергп необ-хiднi максимальнi iз зазначених вище значень
витрат теплоносив. Сшввщношення масових витрат гарячого i холодного теплоносив, иеоб-хщне для вщводу задано! кшькосп теилово! еиергй, показане на рис. 2.
(а)
(б)
Рис. 2. Залежшсть теплово! енергй, що вiдводиться, вiд масових витрат холодного (G1) i
гарячого (G2 ) теплоносив: а) вода; б) пропшенгликоль
Видно, що за шших р1вних умов вода дозво-ляе вщводити бшьшу кшьюсть теплово! еиергй пор1вняно з ирошлеигликолем (приблизно на 10 %). Даш графки також дозволяють визиачи-ти мтмальие сшввщиошеиия масових витрат теплоносив, необхщних для передач! задано! кшькосл теплово! еиергй.
Для иерехресио! схеми руху теилоиосйв по-иравочиий коефщеит вА,, обумовлений значениям величин (4), близький до одинищ для задаиих вихщних даиих. Отже, середиш темие-ратурний иашр А,, що обчислюють за р1внян-иям (5), для перехресно! схеми руху теплоносив
та 1нш1 параметр1 теплового розрахуику вщпо-вщають таким для розгляиутого випадку про-титечй.
Розрахуикове значения температури холодного теплонос1я на виход1 з теилообмiииика ,2' за розглянутих умов перебувало у межах 26...40 °С (299...313 °К).
ВИСНОВКИ
Результати оцшних теилових розрахуикiв дозволяють зробити висновок про те, що вико-ристовуючи у якост теилоиосйв воду або бли-зьку до не! за теплофiзичними властивостями рщину з максимальною температурою 90 °С (363 °К), охолоджуваиу атмосфериим иовггрям при иочатковiй його температурi 25 °С (298 °К), для розстоваиия 100 кВт теплово! енергй иеобхщиа илоща иоверхиi теилообмiиу у випадку ирямоточио! схеми 190...960 м2 (кое-фiцiеит теилоиередачi змiиюеться в межах 10...40 Вт/(м2К), витрата рiдиии 240"5...540~4 м/с, витрата иовiтря 6,11 м/с). Для вииадку протитечй та перехресно! схем руху теилоиось !'в 100...420 м2 за тих самих умов. Прямоточиа схема, у цьому вииадку, ие вииравдовуе свого використаиия.
Необхщно враховувати, що значения коефь щен™ теилоиередачi, використовуваиi вище, даш для умов рiвиостi илощ иоверхоиь теило-обмiиу, що омиваються гарячим i холодиим теилоиосiями (иаириклад, гарячий теилоиосш рухаеться в тоикостiииих трубах, яки зовш омивае холодиий теплоносш) i стацiоиариому режимi роботи. Таким чииом, оцшеш иайбшь-шi можливi значения илощ, иеобхiдиих для вщ-воду теилово! еиергй, що геиеруеться гальмо-вим диском локомотива та накладкою (за умови вiдсутиостi забрудиеиь иоверхоиь теплообмшу та рiдии). Для иоверхоиь теплообмшу бшьш складиих форм (иаириклад з розвииеиим ореб-реииям) коефiцiеит теплопередачi може бути бiльше вказаиих вище зиачеиь, вщповщно, у тому ж вщиошеиш змеишиться илоща иоверхиi теплообмшу, необхщна для вщводу га! ж кшь-костi теилово! еиергй. Щ иоверхиi теилообмiиу можуть бути досить комиактиими для розмь щеиия иа локомотив^ а частка теила, що выводиться, iстотиа. Наириклад, вщвщ 50 кВт (це стаиовить, ириблизио, 25 % вщ загальио! кшь-костi теилово! еиергй, що геиеруеться гальмо-вим диском ири гальмуваиш з иочатковою швидкiстю 120 км/год), за оиисаиих вище умов, може бути забезиечеиий рщииио-иовггряиим теплообмшником iз иастуииими габаритами:
0.340 х 0,875 х 0,925 м (площа поверхш 82 м2, коефщент теплопередачi 38 Вт/(м2К), маса порожнього 90 кг) при використанш вентилятора з продуктившстю 4750 м3/год (за даними фiрми Hans Guntner, Нiмеччина) i витратою га-рячого теплоношя (води) 1,02 м3/год. Можливi й бiльш компактнi рiшення.
У результат^ можна констатувати, що вщвщ теплово! енергп, яка генеруеться при гальму-ваннi дисковим гальмом локомотива, цшком можливий (з теплотехнiчних позицш) за раху-нок системи активного рщинно-пов^ряно-го охолодження. Прогнозований позитивний ефект виправдовуе роботи в цьому напрямку.
Б1БЛЮГРАФ1ЧШЙ СПИСОК
1. Бшобородова, I. М. Оцшка здатносп гальм1вно-го диска локомотива розсшвати тепло [Текст] / I. М. Ылобородова // Ысник Схвдноукр. нац. ун-
ту. iM. В. Даля. - 2008. - № 8 (126), Ч. II. -С. 190-197.
2. Промышленная теплоэнергетика и теплотехшка [Текст] : справочник / под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991.
3. Теплотехника [Текст] / В. Н. Луканин и др.; под ред. В. Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 2000. - 671 с.
4. Михеев, М. А. Основы теплопередачи [Текст] / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.
5. Виноградов, С. Н. Выбор и расчет теплообменников [Текст] / С. Н. Виноградов, К. В. Таран-цев, О. С. Виноградов. - Пенза: Пензенский гос. ун-т, 2001. - 100 с.
6. Potential and limits of opportunities of the block brake [Текст] / H.-R. Ehlers et al. // Glasers An-nalen. - 2002. - # 6/7. - S. 290-300.
Надшшла до редколегп 18.03.2009.
Прийнята до друку 09.04.2009.
