Помощь студентам в учебе
Исследование тепловых и гидродинамических характеристик теплообменных устройств двигателей внутреннего сгорания
|
ВВЕДЕНИЕ 8
Глава 1 Теплообменные аппараты систем КДВС и энергетических установок 12
1.1 Типы теплообменных аппаратов, применяемых в КДВС и
энергетических установок 12
1.2 Основные параметры ТА 15
1.3 Эмпирические модели определения тепловых и гидравлических
характеристик ТА 18
1.4. Численный анализ 19
Глава 2 Критерии эффективности ТА 23
Глава 3 Опытный стенд для исследования тепловых и гидравлических характеристик элемента ТА 26
3.1 Состав стенда 26
3.2 Определяемые показатели и точность их измерения 31
3.3 Цели и объект исследования 34
3.4 Алгоритм проведения опытного исследования 36
Глава 4 Результаты экспериментальных и численных исследований 37
4.1 Результаты экспериментальных исследований теплообменной секции37
4.2 Результаты расчета ТА типа воздух-жидкость с применением
приложения ANSYS CFX 44
4.2.1 Расчетная модель элемента секции ТА 44
4.2.2 Граничные условия расчетной модели элемента секции ТА 47
4.2.3 Результаты тепло гидравлического расчета 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59
Глава 5 Реализованные проекты с учетом результатов исследований 60
5.1 Блок ТА экскаватора-погрузчика ЕЛАЗ-БЛ 880 и ЕЛАЗ-БЛ 888 60
5.2 ТА гидравлической системы автокрана Клинцы 62
5.3 Перспективный опытный ТА для АВОМ «НИИ Компрессормаш
им.Шнеппа» 63
5.4 Линейка ТА для гидравлических установок НПО «Гидросистемы»
г.Ижевск 66
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 67
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Глава 1 Теплообменные аппараты систем КДВС и энергетических установок 12
1.1 Типы теплообменных аппаратов, применяемых в КДВС и
энергетических установок 12
1.2 Основные параметры ТА 15
1.3 Эмпирические модели определения тепловых и гидравлических
характеристик ТА 18
1.4. Численный анализ 19
Глава 2 Критерии эффективности ТА 23
Глава 3 Опытный стенд для исследования тепловых и гидравлических характеристик элемента ТА 26
3.1 Состав стенда 26
3.2 Определяемые показатели и точность их измерения 31
3.3 Цели и объект исследования 34
3.4 Алгоритм проведения опытного исследования 36
Глава 4 Результаты экспериментальных и численных исследований 37
4.1 Результаты экспериментальных исследований теплообменной секции37
4.2 Результаты расчета ТА типа воздух-жидкость с применением
приложения ANSYS CFX 44
4.2.1 Расчетная модель элемента секции ТА 44
4.2.2 Граничные условия расчетной модели элемента секции ТА 47
4.2.3 Результаты тепло гидравлического расчета 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59
Глава 5 Реализованные проекты с учетом результатов исследований 60
5.1 Блок ТА экскаватора-погрузчика ЕЛАЗ-БЛ 880 и ЕЛАЗ-БЛ 888 60
5.2 ТА гидравлической системы автокрана Клинцы 62
5.3 Перспективный опытный ТА для АВОМ «НИИ Компрессормаш
им.Шнеппа» 63
5.4 Линейка ТА для гидравлических установок НПО «Гидросистемы»
г.Ижевск 66
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 67
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Актуальность работы. Развитие расчетных методов проектирования различных энергетических устройств и их элементов подразумевает повышение точности конечных результатов при одновременном сокращении времени всего процесса проектирования. Последнее относится и к комбинированным двигателям внутреннего сгорания в целом и, в частности, к теплообменным аппаратам применяемых в них.
В отношении ТА с одной стороны накоплен большой экспериментальный материал, с другой все шире применяются методы численного решения задач гидродинамики и теплообмена, реализованные в различных коммерческих пакетах программ. Примером такой реализации служит приложение CFX ANSYS.
На сегодняшнем этапе развития облик КДВС, определяет наличие систем охлаждения: жидкостная система охлаждения, система охлаждения масла, система газотурбинного наддува с предварительным охлаждением наддувочного воздуха в охладителе. В качестве охладителей системы охлаждения двигателя и гидравлических систем транспортного средства применяются ТА типа «жидкость-воздух», в системе газотурбинного наддува охладители наддувочного воздуха типа «воздух-воздух». Поэтому задача повышения точности определения их тепловых и гидравлических характеристик при одновременном сокращении затрат времени на проектирование и доводку является актуальной.
Особенно это важно при создании общей виртуальной модели КДВС и транспортного средства в целом.
Не теряет своей актуальности данная задача и в случае, когда ТА являются «покупными изделиями». Здесь со стороны производителей появляется возможность формирования обоснованных требований (технических условий) к приобретаемой у поставщиков продукции на стадии проектирования новых перспективных образцов.
Также необходимо отметить необходимость повышения тепловой эффективности ТА и рост механических нагрузок на элементы их конструкции.
Цель работы: расчетно-теоретическое исследование тепловых и гидравлических характеристик ТА, применяемых в двигателях внутреннего сгорания и иных энергетических устройствах.
Объект исследований - оребренные плоские теплообменные трубы, полученные методом экструзии и деформирующего резания /14/.
Метод исследования. В работе применены методы экспериментального и расчетно-теоретического исследования.
Достоверность результатов исследования обеспечивается применением известных и апробированных на практике положений теории подобия теплообмена и гидродинамики. Оценка достоверности методов осуществлялась сопоставлением результатов расчетов с опытными данными, полученными на натурных объектах, в частности теплообменных секциях ТА, оребренная поверхность которых образована методом экструзии и деформирующего резания. Достоверность обеспечивалась также применением современных средств измерений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана общая схема экспериментального стенда;
2. Разработана программа и методика исследования гидрогазодинамики и теплообмена опытных секций ТА;
3. Экспериментально установлены и обобщены теплогидравлические и энергетические характеристики опытных секций ТА.
4. Разработана численная 3-D модель и проведено численное моделирование опытной секции ТА и масляного теплообменника типа «воздух-жидкость», верификация которой произведена с учетом результатов эксперимента.
Практическая значимость. Полученные результаты опытных исследований повышают точность результатов численного моделирования и проектирования с одновременным сокращением временных и финансовых затрат.
На основе полученных опытных результатов исследования секций ТА можно
9
проектировать и теплообменные устройства КДВС в силу идентичности процессов, происходящих в них (радиатор системы охлаждения, охладитель масла, ОНВ), а также решать задачи по оптимизации параметров данных устройств.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных тепловых и гидравлических характеристик элемента ТА;
- результаты численного моделирования тепловых и гидравлических характеристик элемента ТА и масляного теплообменника «типа «воздух- жидкость» при выполнении условий рациональной экономичности и достаточной достоверности конечных результатов расчета.
Реализация результатов работы. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых ТА и программы структурнопараметрической оптимизации ТА, как элемента объектно
ориентированного модуля виртуальной модели энергетических установок.
Разработанные подход и метод могут найти применение в учебном процессе кафедры «Автомобили, автомобильные двигатели и дизайн» при чтении курса «Агрегаты воздухоснабжения комбинированных ДВС» по программе подготовки магистров по направлению «Энергетическое машиностроение».
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на:
- Всероссийской научно-практической конференции «X Камские чтения» (2018; Наб.Челны);
- Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (5-7 декабря 2018 г; Тюмень).
Публикации. Материалы работы опубликованы: в сборниках:
- «X Камские чтения»: Всероссийская научно-практическая конференция. (2018; Наб.Челны);
- Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (5-7 декабря 2018 г; Тюмень); и журнале:
Газовая Промышленность №2/780/2019г Ежемесячный научно-технический и производственный журнал (входит в перечень периодических изданий, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук).
В отношении ТА с одной стороны накоплен большой экспериментальный материал, с другой все шире применяются методы численного решения задач гидродинамики и теплообмена, реализованные в различных коммерческих пакетах программ. Примером такой реализации служит приложение CFX ANSYS.
На сегодняшнем этапе развития облик КДВС, определяет наличие систем охлаждения: жидкостная система охлаждения, система охлаждения масла, система газотурбинного наддува с предварительным охлаждением наддувочного воздуха в охладителе. В качестве охладителей системы охлаждения двигателя и гидравлических систем транспортного средства применяются ТА типа «жидкость-воздух», в системе газотурбинного наддува охладители наддувочного воздуха типа «воздух-воздух». Поэтому задача повышения точности определения их тепловых и гидравлических характеристик при одновременном сокращении затрат времени на проектирование и доводку является актуальной.
Особенно это важно при создании общей виртуальной модели КДВС и транспортного средства в целом.
Не теряет своей актуальности данная задача и в случае, когда ТА являются «покупными изделиями». Здесь со стороны производителей появляется возможность формирования обоснованных требований (технических условий) к приобретаемой у поставщиков продукции на стадии проектирования новых перспективных образцов.
Также необходимо отметить необходимость повышения тепловой эффективности ТА и рост механических нагрузок на элементы их конструкции.
Цель работы: расчетно-теоретическое исследование тепловых и гидравлических характеристик ТА, применяемых в двигателях внутреннего сгорания и иных энергетических устройствах.
Объект исследований - оребренные плоские теплообменные трубы, полученные методом экструзии и деформирующего резания /14/.
Метод исследования. В работе применены методы экспериментального и расчетно-теоретического исследования.
Достоверность результатов исследования обеспечивается применением известных и апробированных на практике положений теории подобия теплообмена и гидродинамики. Оценка достоверности методов осуществлялась сопоставлением результатов расчетов с опытными данными, полученными на натурных объектах, в частности теплообменных секциях ТА, оребренная поверхность которых образована методом экструзии и деформирующего резания. Достоверность обеспечивалась также применением современных средств измерений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана общая схема экспериментального стенда;
2. Разработана программа и методика исследования гидрогазодинамики и теплообмена опытных секций ТА;
3. Экспериментально установлены и обобщены теплогидравлические и энергетические характеристики опытных секций ТА.
4. Разработана численная 3-D модель и проведено численное моделирование опытной секции ТА и масляного теплообменника типа «воздух-жидкость», верификация которой произведена с учетом результатов эксперимента.
Практическая значимость. Полученные результаты опытных исследований повышают точность результатов численного моделирования и проектирования с одновременным сокращением временных и финансовых затрат.
На основе полученных опытных результатов исследования секций ТА можно
9
проектировать и теплообменные устройства КДВС в силу идентичности процессов, происходящих в них (радиатор системы охлаждения, охладитель масла, ОНВ), а также решать задачи по оптимизации параметров данных устройств.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных тепловых и гидравлических характеристик элемента ТА;
- результаты численного моделирования тепловых и гидравлических характеристик элемента ТА и масляного теплообменника «типа «воздух- жидкость» при выполнении условий рациональной экономичности и достаточной достоверности конечных результатов расчета.
Реализация результатов работы. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых ТА и программы структурнопараметрической оптимизации ТА, как элемента объектно
ориентированного модуля виртуальной модели энергетических установок.
Разработанные подход и метод могут найти применение в учебном процессе кафедры «Автомобили, автомобильные двигатели и дизайн» при чтении курса «Агрегаты воздухоснабжения комбинированных ДВС» по программе подготовки магистров по направлению «Энергетическое машиностроение».
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на:
- Всероссийской научно-практической конференции «X Камские чтения» (2018; Наб.Челны);
- Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (5-7 декабря 2018 г; Тюмень).
Публикации. Материалы работы опубликованы: в сборниках:
- «X Камские чтения»: Всероссийская научно-практическая конференция. (2018; Наб.Челны);
- Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (5-7 декабря 2018 г; Тюмень); и журнале:
Газовая Промышленность №2/780/2019г Ежемесячный научно-технический и производственный журнал (входит в перечень периодических изданий, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук).
Разработан экспериментальный стенд со средствами измерения, программа и методика проведения исследования гидрогазодинамики и теплообмена опытных секций ТА.
Экспериментально установлены и обобщены теплогидравлические и энергетические характеристики семи различных теплообменных поверхностей опытных секций ТА. В результате анализа экспериментальных данных установлено, что наилучшие показатели имеет образец №5 (Q = 4457Вт; Е = 49,5; шаг ребра - 2,5мм; высота ребра - 8 мм, количество внутренних каналов - 8).
Разработана 3-D модель опытной секции ТА и проведен численный эксперимент с применением приложения ANSYS CFX. Верификация модели произведена с учетом результатов эксперимента.
Результаты работы внедрены при разработке новых и перспективных ТА:
- Блок ТА на экскаватор-погрузчик ELAZ-BL 880 и ELAZ-BL 888 АО «ПО ЕлАЗ» (г.Елабуга);
- Блок охлаждения ТМ-20.000.000 для гидравлической системы автокрана «КЛИНЦЫ» на шасси автомобиля КАМАЗ;
- Перспективный АВОМ АО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» (г. Казань);
- Линейка ТА для гидравлических установок НПО «Гидросистемы» (г.Ижевск).
По теме исследования всего представлено 4 публикации, 3 из которых по результатам экспериментального исследования.
Экспериментально установлены и обобщены теплогидравлические и энергетические характеристики семи различных теплообменных поверхностей опытных секций ТА. В результате анализа экспериментальных данных установлено, что наилучшие показатели имеет образец №5 (Q = 4457Вт; Е = 49,5; шаг ребра - 2,5мм; высота ребра - 8 мм, количество внутренних каналов - 8).
Разработана 3-D модель опытной секции ТА и проведен численный эксперимент с применением приложения ANSYS CFX. Верификация модели произведена с учетом результатов эксперимента.
Результаты работы внедрены при разработке новых и перспективных ТА:
- Блок ТА на экскаватор-погрузчик ELAZ-BL 880 и ELAZ-BL 888 АО «ПО ЕлАЗ» (г.Елабуга);
- Блок охлаждения ТМ-20.000.000 для гидравлической системы автокрана «КЛИНЦЫ» на шасси автомобиля КАМАЗ;
- Перспективный АВОМ АО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» (г. Казань);
- Линейка ТА для гидравлических установок НПО «Гидросистемы» (г.Ижевск).
По теме исследования всего представлено 4 публикации, 3 из которых по результатам экспериментального исследования.