Publication text
(PDF):
Read
Download
Введение В связи с повышением степени форсирования судовых и транспортных поршневых двигателей внутреннего сгорания по среднему эффективному давлению значительно возрастают тепловые потоки на теплонагруженные детали камеры сгорания, что приводит к их высоким температурам. Известно, что перспективные высокооборотные форсированные судовые дизели могут иметь значения среднего эффективного давления pe = 3,5-4 МПа [1]. При таких значениях pe температуры головки, поршня и гильзы цилиндра двигателя могут достигать предельных значений [2]. Для обеспечения работоспособности и повышения надёжности таких двигателей приобретает важное значение повышение интенсивности конвективного теплообмена в их системах охлаждения (СО) и снижение высоких температур деталей цилиндропоршневой группы. Одним из перспективных способов влияния на теплоотдачу в СО является совершенствование физических свойств теплоносителей, представляющих собой в основном водные растворы этиленгликоля (ВЭГ) и специально подготовленную воду. Улучшение физических свойств охлаждающей жидкости (ОЖ) за счёт применения в её составе поверхностно-активных веществ приводит к интенсификации теплоотдачи в СО [3]. А развитие нанотехнологий в последнее время позволило значительно увеличить коэффициент теплопроводности λ ВЭГ (0,54 Вт/м·К) за счёт его модификации высокотеплопроводными твёрдыми наночастицами мультиграфена (МГ). Так, диспергирование частиц МГ в ВЭГ до концентрации φm = 0,75 % привело к повышению на 60 % коэффициента λ охлаждающей наножидкости (0,85 Вт/м·К), что положительно повлияло на теплоотдачу на границе «горячая стенка - жидкость» [4]. В результате исследования конвективного теплообмена при охлаждении таким теплоносителем нагретой стенки испытательной секции с горизонтальной цилиндрической трубой в условиях стационарного теплообмена было установлено, что коэффициент теплоотдачи увеличился на 30 % по сравнению с ВЭГ при одинаковых режимных условиях испытания, характерных работе СО двигателя (температура и скорость циркуляции ОЖ). Проведённая серия экспериментальных исследований особенностей теплообмена с двухфазными суспензиями «жидкость - твёрдые частицы» позволила получить критериальное уравнение, которое может быть основой для расчёта теплообмена в СО судовых дизелей при применении таких теплоносителей с увеличенным коэффициентом теплопроводности: (1) Интенсивность теплоотдачи при циркуляции наножидкости в полостях охлаждения двигателя, которые характеризуются сложными формами, может отличаться по сравнению с теплоотдачей в условиях цилиндрической трубы. Поэтому уравнение (1) необходимо уточнить при соблюдении не только режимных характеристик, но и конструктивных параметров СО, таких как схема омывания нагретой стенки, геометрические особенности полости охлаждения. Методы и материалы исследования Для решения поставленной задачи была создана экспериментальная установка, моделирующая течение теплоносителя в кольцевом канале СО гильзы цилиндра и условия, определяющие теплоотдачу в её полости охлаждения. Для обеспечения возможности переноса результатов эксперимента, полученных на модели, на реальный двигатель внутреннего сгорания при создании этой установки были соблюдены следующие условия подобия: геометрия проточной части, схема и условия подвода/отвода ОЖ, температурный режим охлаждения, поля скоростей потока жидкости, величины удельных тепловых потоков. Таким образом, была разработана установка (рис. 1), испытательная секция которой представляет собой натурную гильзу цилиндра двигателя 4ЧН10,5/12,8, соответствующего экологическим нормам Евро 5 и имеющего уровень среднего эффективного давления pe = 2,3 МПа. Рис. 1. Схема экспериментальной установки с гильзой цилиндра: 1 - гильза; 2 - электронагреватель; 3 - крышка; 4 - теплоизоляция; 5, 6 - ртутные термометры; 7 - электронный регистратор; 8 - теплообменный аппарат; 9 - циркуляционный насос с электродвигателем; 10 - амперметр; 11 - реостат; 12 - вольтметр; 13 - расходомер; 14 - клапан со сливным краном; 15 - расширительный бак; 16 - манометр; 17 - дифференциальный манометр Рабочая внутренняя поверхность гильзы цилиндра 1 нагревалась электронагревательным элементом 2, установленным в верхней зоне гильзы цилиндра, где теплоотдача в полость охлаждения осуществляется на режиме вынужденной конвекции, а тепловые потоки максимальны. Нагреватель обеспечивает требуемую форму теплового потока (рис. 2), принятую согласно источнику [5]. Рис. 2. Схема испытательной секции с гильзой цилиндра двигателя 4ЧН10,5/12,8 На номинальном режиме работы двигателя 4ЧН10,5/12,8 (Ne =140 кВт) на единицу площади нагреваемой поверхности одной гильзы (рис. 2) приходится средний удельный тепловой поток 238 кВт/м2, что подразумевает мощность нагревательного элемента, равную 1,5 кВт. Для контроля температур внутренней и наружной стенки гильзы на одном уровне установлены 4 хромель-копелевые термопары с нормирующим преобразователем, обеспечивающим точность до 0,1 °С. Электрическую мощность нагревателя контролировали по показаниям амперметра и вольтметра, встроенных в лабораторный трансформатор, что позволило обеспечить подвод требуемого теплового потока через стенку гильзы к ОЖ. Контроль количества теплоты, поступившей к теплоносителю, осуществлялся с использованием двух ртутных термометров с точностью 0,1 °С, установленных на входе потока ОЖ в полость охлаждения втулки и выходе из неё. Расход ОЖ в контуре гильзы, соответствующий номинальному режиму работы двигателя (0,48 кг/с), задавался посредством циркуляционного насоса центробежного типа и контролировался расходомером, имеющим предел допускаемой относительной погрешности ±1 %. Рассеивание поступившей в ОЖ теплоты осуществлялось на выходе из секции за счёт теплообменного аппарата типа «жидкость - жидкость». Для повышения точности результатов эксперимента были тщательно теплоизолированы как испытательная секция с гильзой цилиндра, так и трубопроводы контура СО. Методика проведения эксперимента заключалась в следующем: в соответствии с номинальным режимом работы двигателя устанавливались расход теплоносителя, его температура на входе (90 °С) и давление, а также тепловая нагрузка. После наступления установившегося стационарного режима теплообмена, который контролировался постоянством температур стенки и жидкости в течение не менее 30 мин, снимались показании приборов и определялся средний по поверхности теплообмена коэффициент теплоотдачи по уравнению [6] где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); Gm - массовый расход ОЖ, кг/с; Cp - удельная массовая теплоёмкость теплоносителя, Дж/(кг·К); - температуры ОЖ на входе в испытательную секцию и выходе из неё соответственно, °С; - средние температуры поверхности теплообмена (стенки) и жидкости соответственно, °С; F - площадь теплоотдающей поверхности, м2. Для того чтобы оценить увеличение коэффициента теплоотдачи на границе «стенка - ОЖ» при использовании двухфазного теплоносителя («жидкость - твёрдые наночастицы МГ») и, соответственно, снижение температуры стенки гильзы по сравнению с базовой жидкостью, проводилась серия экспериментов при одинаковых условиях испытаний. Все измерения температур при работе каждого теплоносителя повторялись не менее 7 раз, полученные значения коэффициента α усреднялись по поверхности стенки гильзы, а опытные точки имели разброс, не превышающий ±5 %. Результаты и обсуждение При обработке экспериментальных данных было установлено, что коэффициент теплоотдачи от горячей стенки гильзы к наножидкости увеличился на 40 % по сравнению с результатами для ВЭГ. Такое увеличение интенсивности теплоотдачи оказалось более значительным по сравнению с результатом, полученным при течении наножидкости в испытательной секции с горизонтальной трубой. Это может быть связано с уменьшением термического сопротивления пограничного слоя за счёт повышения его коэффициента теплопроводности [7-9]. Частые столкновения твёрдых высокотеплопроводных наночастиц МГ с нагретыми стенками кольцевой полости охлаждения гильзы возмущают пограничный слой, что может способствовать ускоренному переносу тепловой энергии в ядро потока [10, 11]. В соответствии с возросшим коэффициентом теплоотдачи при использовании в качестве теплоносителя СО наножидкости с увеличенным коэффициентом теплопроводности снизилась и средняя температура стенки гильзы: со стороны ОЖ (tw2 ср) - на 8 °С, со стороны нагревателя (tw1 ср) - на 7 °С (табл.). Результаты обработки экспериментальных данных Тип ОЖ Средняя температура ОЖ, °С Коэффициент теплопроводности ОЖ λ, Вт/м·К Коэффициент теплоотдачи αср, Вт/м·К Средняя температура tw1 ср, °С Средняя температура tw2 ср, °С ВЭГ 90 0,54 8 450 145,7 118,2 ВЭГ + 0,75 МГ 90 0,87 11 856 138,6 110,1 Увеличение интенсивности теплоотдачи в ОЖ позволяет повысить надёжность работы двигателя за счёт снижения температуры стенки гильзы на номинальном режиме работы, что имеет важное значение для перспективных и форсированных дизелей, для которых характерны близкие к критическим температуры гильзы, поршня и головки [2]. Необходимо отметить, что вместе с тем должны снизиться и температуры головки блока цилиндров при её охлаждении теплоносителем с увеличенным коэффициентом теплопроводности. Увеличение удельной мощности двигателя за счёт повышения среднего эффективного давления pe лимитируется и ростом температур теплонапряженных деталей. В экспериментальной работе [12] сообщается, что при форсировании дизеля 8ЧН13/14 на 10 % рост температуры гильзы в зоне остановки первого компрессионного кольца составил 4 %. В нашем случае повышение интенсивности теплоотдачи в СО привело к снижению средней температуры стенки гильзы на 7 %, что, по-видимому, позволит увеличить среднее эффективное давление на 10-15 % при циркуляции в контуре охлаждения наножидкости. В судовых дизелях актуальна задача повышения тепловой эффективности охладителей масла, наддувочного воздуха и ОЖ контура СО двигателя. При использовании в качестве теплоносителя СО двигателей охлаждающей наножидкости последняя будет протекать не только в полостях охлаждения, но и в указанных теплообменных аппаратах, интенсивность теплообмена в которых со стороны ОЖ должна увеличиться на 30-40 % за счёт повышенного коэффициента теплопроводности теплоносителя. Это приведёт при прочих равных условиях к некоторому увеличению среднего коэффициента теплопередачи что способно обеспечить повышение коэффициента тепловой эффективности [13]: где Wmin - минимальный тепловой эквивалент; ∆Tmax - максимальный температурный напор; - средний температурный напор. Заключение Повышение на 40 % интенсивности теплоотдачи от горячей стенки гильзы цилиндра двигателя за счёт применения теплоносителя «жидкость - твёрдые наночастицы МГ» с увеличенным коэффициентом теплопроводности привело к снижению средних температур гильзы на 7-8 °С. Это позволяет, с одной стороны, повысить надёжность работы перспективных и форсированных дизелей, а с другой - увеличить степень их форсирования по среднему эффективному давлению с сохранением допустимого температурного уровня деталей цилиндропоршневой группы. Интенсификация теплоотдачи на границе «стенка - жидкость» способствует повышению тепловой эффективности различных теплообменных аппаратов в составе двигателя внутреннего сгорания, связанных с основным контуром системы охлаждения.
