Курсовая работа (т): Расчет основных параметров систем обеспечения тепловоза

Охлаждающее устройство отводит тепло от деталей дизеля, соприкасающихся с горячими газами, и от масла в системе смазки двигателя и механизмов тепловоза для сохранения смазочной способности масла и механической прочности деталей, подверженных такому нагреву. На тепловозе TЭ3 применены воздушно-радиаторные холодильники, представляющие собой установки, состоящие из радиаторных секций и вентилятора. Установка радиаторных секций и направление воздушных потоков через секции и лопасти колеса осевого вентилятора осуществляется в шахте холодильника, расположенной в задней части каждой секции тепловоза. Внутри трубок радиатора протекают нагретые в двигателе вода и масло. Внешняя сторона трубок омывается охлаждаемым воздухом. Водяные и масляные секции холодильника размещены в оттенках кузова и соединены с нижним и верхним коллекторами.

Холодильники тепловоза состоят из 36 масляных и 24 водяных секций. Секции расположены в два ряда вдоль правой и левой сторон холодильной камеры кузова. Вода подводится к верхним коллекторам обеих сторон шахты тепловоза и отводится от нижних коллекторов. Воздух засасывается вентилятором через боковые жалюзи, обтекает секции холодильника и выбрасывается вверх через диффузор.

Секции холодильника расположены наклонно, образуя Л-образный тоннель для прохода членов локомотивной бригады из одной секции в другую. На наклонных боковых стенках тоннеля имеется по три люка с каждой стороны для доступа к секциям и подпятнику вентиляторного колеса. В середине тоннеля на настиле пола установлены редуктор и фрикционная муфта привода вентилятора.

Для подогрева топлива в зимних условиях на тепловозе имеется водотопливный подогреватель, через трубки которого проходит горячая вода, поступающая из дизеля. Вода подогревает топливо, циркулирующее между трубками и сливающееся в топливный бак. В баке в непосредственной близости от места слива подогретого топлива производится всасывание его топливоподкачивающим насосом для подачи в топливный коллектор насоса высокого давления. Подогреватель топлива установлен с левой стороны между санузлом и баком противопожарной установки.

Трубопроводы с гибкими шлангами от противопожарной установки размещены в передней части тепловоза около левой двери входа в кузов и в задней части на передней перегородке холодильной камеры.

В передней части кузова тепловоза расположена кабина машиниста отделенная от машинного помещения стенкой, в которой с правой и левой сторон (по ходу тепловоза) установлены две входные двери. В средней части стенки кабины между входными дверями имеется дверь в аппаратную (высоковольтную) камеру. В кабине машиниста с правой стороны установлен пульт управления тепловоза, оборудованный приборами управления и контроля за работой отдельных агрегатов).

У пульта, перед сиденьем машиниста, на полу находятся педаль песочницы и калорифер обогрева ног. Сбоку от сиденья расположены две рукоятки клапанов звукового сигнала (соответствующие дублирующие рукоятки установлены на пульте помощника машиниста): тифона и свистка. Справа сзади сиденья находятся аппараты автостопа. Слева от контроллера машиниста установлен ручной тормоз со штурвалом. Справа от двери аппаратной камеры сзади сиденья машиниста находится откидное сиденье, справа установлена панель с выключателями освещения. Перед панелью в нише с крышкой размещены предохранители. Кабина освещается потолочным светильником.

Слева в машинном отделении находится ручка выключения и включения аккумуляторной батареи. Над дверью аппаратной камеры в нише с крышкой размещены три рубильника для включения и отключения тяговых электродвигателей.

В левой части кабины машиниста расположено сиденье помощника машиниста, установлен калорифер водяного отопления кабины. Со стороны помощника машиниста (впереди бокового окна) на стенке кабины установлен дифференциальный манометр, показывающий давление (разрежение) в картере дизеля. На пульте помощника машиниста имеется кнопка для аварийной остановки дизеля. Песочницы размещены в передней и задней частях кузова.

Для заполнения их песком на торцовых стенках кузова имеются заправочные люки. В машинном помещении кузова тепловоза имеется освещение потолочными и боковыми плафонами, а также вентиляция кузова через люки электровентиляторами (главным образом удаление из кузова прорывающихся выпускных газов и горячего воздуха).

3. Расчет охлаждающего устройства тепловоза

.1 Разработка расчетной схемы охлаждения

Расчетная схема охлаждающего устройства тепловоза приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Табл. 2.

В таблице 2 приведены основные технические характеристики современных тепловозных ДВС.

Как известно, количество воды, нужное для охлаждения, зависит от температурного перепада (разность температуры входящей и выходящей из двигателя). Большой температурный перепад, связанный с подачей малого количества воды, а следовательно, малой скорости ее движения, приводит к значительной неравномерности температуры в рубашке втулки цилиндра (вода холодная у входа и горячая у выхода). Поэтому желательно иметь такую систему охлаждения, в которой всегда обеспечивался бы необходимый расход воды (иметь почти постоянную скорость воды) и сокращалась бы разница температуры между выходом и входом (практически разница в 5-7 °С, а уровень температуры 75-85 °С независимо от нагрузки).

Применение водяных насосов с большой подачей обеспечивает почти постоянную скорость воды на всех режимах. Кроме того, температура охлаждения воды в холодильнике тепловоза регулируется изменением частоты вращения вала вентилятора охлаждающего воздуха (следовательно, количество воздуха), что достигается применением многоступенчатых редукторов. Именно такая система охлаждения используется на дизеле 2Д 100 тепловоза ТЭЗ- циркуляционная, принудительная, открытого типа с расширительным баком, исключающим образование воздушных или паровых мешков в трубопроводах.

Рис. 2.

На рисунке 2 приведена расчетная схема системы охлаждения тепловоза 2ТЭ 3.

3.2 Расчет оптимальной поверхности охлаждения

тепловоз электротяговый редуктор охлаждающий

Для решения поставленной задачи, необходимо определить количество тепла, отводимого от воды ДВС, Q_B, масла Q_М и наддувочного воздуха Q_HB, по общему уравнению, кДЖ/с,

Q_B = (a_B b_e N_e Q_H^B) 3600, (1) _M = (a_M b_e N_e Q_H^B) 3600, (2)

где Q_{i -} количество тепла отводимое с охлаждающей жидкостью, кДж/с; a_i - доля тепла сгоревшего в ДВС топлива, отводимая в ОУ данным теплоносителем; b_e - удельный расход топлива ДВС, кг/ кВт ч; N_e - эффективная мощность ДВС, кВт; Q_Н^Р - низшая теплота сгорания дизельного топлива, 42500 кДж/ кг.

Q_B = (0,157 * 0,231 * 1400 *42500)/3600 = 600 кДж/с

Q_M = (0,098 * 0,231 * 1400 * 42500)/3600 = 374 кДж/с

После определения количества тепла от теплоносителей необходимо задаться их температурами, согласно нижеприведенным рекомендациям.

Температура наружного воздуха: t₁ = + 40 ⁰С.

Температура воздуха после охлаждения водяных радиаторов ДВС при водяной системе открытого типа

t₂^В = t₁ + (25 - 35) ⁰C; (3)

t₂^В = 40 + 30 = 70 ⁰C

Температура воздуха после охлаждения масляных радиаторов

t₂^М = t₁ + (15 - 18) ⁰C. (4)

t₂^М = 40 + 18 = 58 ⁰C

Температура воды на выходе из ДВС при водяной системе открытого типа: t₁^B = 85 …90 ⁰C, принимаем равным 90⁰C;

Температура масла на выходе из ДВС при водяной системе открытого типа: t₁^M = 80…85 ⁰C, принимаем равным 85⁰C;

Температура воды ДВС после охлаждения в радиаторах ОУ

t₂^B = t₁^B - (8 - 10) ⁰C. (5)

t₂^B = 90 - 10 = 80 ⁰C

Температура масла после охлаждения в радиаторах ОУ

t₂^M = t₁^M - (10 - 15) ⁰C. (6)

t₂^M = 85 - 15 = 70 ⁰C

После выбора температур производится расчет оптимальной поверхности охлаждения, расхода жидкости и воздуха путем решения трех уравнений:

уравнения теплопередачи в ОУ, кДж/с,

Q = K FDt, (7)

уравнения теплового баланса при отдаче тепла от жидкости к стенке, кДж/с,

Q = c_Ж G_Ж (t₁ - t₂); (8)

уравнение теплового баланса при передачи тепла от стенки к воздуху, кДж/с,

Q = c_ВЗ G_ВЗ (t₁ - t₂), (9)

где К - коэффициент теплопередачи от жидкости к воздуху, кВт/(м ²К); F - расчетная поверхность охлаждения, м ²; Dt - средний температурный напор, т.е. средняя разность температур охлаждаемой жидкости и нагреваемого воздуха, ⁰С,

Dt = [(t₁ + t₂)/2] - [(t₁ + t₂)/2], (10)

где t₁ и t₂ - температура жидкости перед ОУ и за ними, ⁰С; с_Ж и с_В - удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости и воздуха. Для воды с_В = 4,19 кДж/(кг К), для воздуха с_ВЗ = 1 кДж/(кг К); G_Ж, G_В - весовой расход жидкости и воздуха, кг/ час.

Для решения поставленной задачи необходимо определить коэффициент теплопередачи радиаторов. Коэффициент теплопередачи для водяных радиаторов К_В определяется из графической зависимости, построенной на основании аналитических расчетов, исходя из значений массовой скорости воздуха U_В и скорости воды в трубках радиаторов - V_B (рис. 3).

Массовая скорость воздуха в водяных радиаторах принимается в пределах 8-10 кг/(м ²с). Массовая скорость в масляных радиаторах зависит от их расположения относительно водяных.

На рисунке 3 приведена зависимость коэффициента теплопередачи водяных радиаторов от U_В и V_В для тепловоза 2ТЭ 3

Рис.3.

При двухрядном (последовательном) расположении масляных и водяных радиаторов (тепловоз 2ТЭ 3) массовая скорость воздуха в масляных радиаторах U_М определяется из условия, что количество воздуха, проходящего через масляные и водяные радиаторы, одинаково:

U_M W_M = U_B W_B, (11)

где W_М и W_В - площадь живого сечения для прохода воздуха соответственно в масляном и водяном радиаторах, м ².

Откуда

U_M = U_B (W_B / W_M). (12)

Коэффициент теплопередачи К_М для масляных радиаторов определяется из рис. 4 по U_M и принятой V_M .Линейные скорости движения жидкостей в радиаторах принимаются в пределах:

V_В = 0,9-1,2 м/с, V_М = 0,12-0,36 м/с.

На рисунке 4 приведена зависимость коэффициента теплопередачи масляных радиаторов от U_М и V_М для тепловоза 2ТЭ 3.

Рис. 4.

Подставляя найденные значения U_i и V_i в графические зависимости, изображенные на рис. 2 и 3, определяют значения коэффициента теплопередачи для водяных К_В и, при необходимости, для масляных радиаторов К_М.

Принимаем U_в = 9 кг/м² * с, V_в = 1 м/с, К_в = 0,045 кВт/м² * К (в соответствии с рисунком 3).

U_M = 9 * (0,148/0,1165) = 11,43 кг/м² * с.

Следовательно, соответственно рисунку, принимаем К_м = 0,025 кВт/м²*К, V_м = 0,25м/с.

После определения коэффициентов теплопередачи производят расчет поверхности охлаждения F, м

F_i = Q/ (К_i Dt). (13)

В соответствии с формулой (10):

Dt_в = (90 + 80)/2 - (40 + 70)/2 = 30 ⁰С

Dt_м = (85 + 70)/2 - (40 + 58)/2 = 28,5 ⁰С

Следовательно:

F_в = 600/(0,045 * 30) = 444,4 м ²

F_м = 374/(0,025 * 28,5) = 525 м ²

В связи с тем, что трубки радиаторов в процессе эксплуатации загрязняются, рассчитанную поверхность охлаждения увеличивают на 10 - 15 %,м,

F_Дi = (1.1 - 1.15) F_i. (14)

F_Дв = 444,4 * 1,15 = 511 м ²

F_Дм = 525 * 1,15 = 604 м ²

Далее определяют количество радиаторов в ОУ:

Z = F_Дi / D F, (15)

где DF - поверхность охлаждения, омываемая воздухом, одного радиатора, м².

Z_в = 511/29 = 18 рад.

Z_м = 604/20,97 = 29 рад.

После расчета числа радиаторов определяют расход жидкости и воздуха, кг/с,

G_{Ж i} = Q_i/ [c_Ж (t₁ - t₂)], (16)

G_{Ж в} = 600/(4,19 * (90-80)) = 14,3 кг/с

G_{Ж м} = 374/(1,67 * (85-70)) = 14,9 кг/с

G_{В i} = Q_i/ [c_В (t₁ - t₂)]. (17)

G_{В в} = 600/(1 * (70-40)) = 20 кг/с

G_{В м} = 374/(1 * (58-40)) = 21 кг/с

Правильность выполненного расчета проверяют путем определения количества воздуха, которое может пройти через найденное число радиаторов, кг/с. Для ОУ, состоящих из одних серийных радиаторов:

G_В ¹ = Z U_i W. (18)

G_Вв ¹ = 18 * 9 * 0,148 = 24 кг/с

G_В ¹ = 29 * 11,43 * 0,1165 = 38,6 кг/с

Разница между значениями G_B и G_B¹ не должна превышать 2-3 %, в противном случае необходимо произвести перерасчет количества радиаторов. Как мы видим разница между G_B и G_B¹ существенно больше установленных значений. Это обусловлено неполнотой начальных данных для расчёта, что вызвало необходимость привлекать данные с прототипов более поздних версий.

.3 Расчет параметров вентилятора

Расчет вентилятора производят с целью определения диаметра колеса, максимальной частоты вращения и затрат мощности на его привод, при которых обеспечивается необходимая производительность и напор. Производительность и напор вентиляторного колеса полностью зависят от геометрических размеров и конструкции шахты ОУ. Так напор Н, создаваемый вентилятором, должен быть достаточным для преодоления аэродинамического сопротивления воздушного тракта, а производительность вентилятора Q должна быть равна расходу воздуха через радиаторы ОУ. Исходя из вышесказанного, приводятся формулы для определения указанных величин:

H = h_Ж + h_Р + h_Ш + h_D, (33)

где H - напор, создаваемый вентилятором, Н/ м²; h_Р - сопротивление жалюзи ОУ, Н/м² ; h_С - сопротивление радиаторов, Н/ м² ;h - сопротивление шахты ОУ, Н/ м²; h - динамические потери за вентилятором, Н/ м².

Напор, создаваемый вентилятором при двухрядном расположении радиаторов, определяется как

Н = 0,1 h_P + h_P + 0,4 h_P + 0,45h_P = 1,95 h_P. (34)

h_B = 4,6 U_В ^1,83 (35)

h_B = 4,6 * 9^1,83 = 256 Н/м²

h_M = 4,8 U_M^1,75 (36)

h_M = 4,8 * 11,43^1,75 = 341Н/м ²

Следовательно:

Н_в = 1,95 * 256 = 499,2 Н/м ²

Н_м = 1,95 * 341 = 665 Н/м ²

Таким образом принимаем H = 665 Н/м ², так как в системе один главный вентилятор, следовательно все расчёты будут производиться по данным рассчитанным для масляных радиаторов.

Далее рассчитывается производительность вентилятора, которая равна расходу воздуха, проходящего через радиаторы, м³ / с,

Q_B = G_BЗ/ g_B, (37)

где G_B - расход воздуха, кг/ с, определенный по формуле (27); g_ВЗ - удельная масса воздуха перед вентилятором, кг/ м³,

g_ВЗ = 10⁵ / [R_B (t₂ + 273)], (38)