Тепловые машины жд - Охлаждение двигателя

При сжигании топлива в камере сгорания двигателя около 25% выделяющегося тепла переходит в крышку и стенки цилиндра, в днище поршня. Во избежание нагрева до температур, разрушающих смазку и угрожающих нормальной эксплуатации двигателя, нагреваемые детали охлаждают. Детали, подвергающиеся трению, также требуется охлаждать (подшипники, шейки вала), чтобы предупредить их перегрев и разрушение.
Для охлаждения цилиндров и цилиндровых крышек двигателя используется воздух или вода, трущиеся детали охлаждают только маслом.
Температура охлаждающей воды и масла существенно влияет на экономичность двигателя и износ его деталей. Экспериментально установлено, что наибольшая экономичность и меньший износ соответствуют температуре воды, уходящей из двигателя, равной 70—80° С. При более низких температурах ухудшается индикаторный процесс, уменьшается механический к. п. д.; на поверхности цилиндров с внутренней стороны конденсируются агрессивные к металлам кислоты, вызывающие коррозию цилиндров и других деталей.
Для достижения указанной оптимальной температуры используют пресную прокипяченную воду, циркулирующую в замкнутом контуре. Такую систему охлаждения имеют транспортные двигатели.
На электростанциях с небольшой мощностью установленных двигателей и располагающих мягкой водой применяют проточное охлаждение. Чтобы получить постоянный напор охлаждающей воды, поступающей к двигателям, в помещении электростанции устанавливают расходный бак на высоте 4—5 м над полом. Вода из постоянного источника подается насосом в расходный бак, из которого направляется к двигателям и после их охлаждения сливается в канализацию.
Во избежание высоких температурных напряжений в охлаждаемых деталях и отложения накипи на их поверхности перепад температур входящей и выходящей воды принимается не больше 20°, при температуре уходящей воды не ниже 45—50° С.
Более рациональной является водяная двухконтурная замкнутая система, позволяющая использовать жесткую воду и повысить температурный уровень охлаждения двигателей.
Первый контур заполняется предварительно умягченной водой, предназначенной для охлаждения двигателей. Горячая вода сливается в резервуар, из которого прокачивается через охлаждаемый теплообменник, представляющий собой водо-водяной холодильник, в расходный бак и далее к двигателям.
Второй контур содержит жесткую воду, употребляемую только для охлаждения в теплообменнике горячей воды, идущей от двигателей. Вода второго контура, прошедшая через теплообменник и нагревшаяся, подается для охлаждения циркуляционным насосом в градирню; после этого вновь прокачивается через теплообменник.

Рис. 8-45. Схема замкнутой циркуляционной системы охлаждения двигателя
При двухконтурной системе температурный перепад воды на входе в двигатель и выходе равен 9 — 12° С при температуре уходящей воды 75—85° С.
В замкнутой циркуляционной системе охлаждения двигателей автотракторного типа с автоматическим регулированием температуры воды, поступающей в двигатель (рис. 8-45), вода, нагревшаяся в двигателе 2, направляется в радиатор 4, являющийся водо-воздушным холодильником, трубки которого интенсивно омываются воздухом с помощью вентилятора 5. Внутри трубок вода охлаждается и поступает в центробежный насос 1 и далее в двигатель. В трубу, соединяющую крышку цилиндрового блока с радиатором, вмонтирован термостат 3 сильфонного типа, разделяющий поток горячей воды на две части. Одна часть направляется в радиатор и охлаждается; вторая без охлаждения сливается по трубе 6 вниз, смешивается с охлажденной водой и возвращается в двигатель.
В зависимости от мощности, развиваемой двигателем, изменяется количество теплоты, переходящей в систему охлаждения, и термостат соответственно изменяет долю воды, охлаждаемой в радиаторе. Поэтому на всех режимах поддерживается наивыгоднейшая температура.
При пуске холодного двигателя вода в радиатор не поступает, возвращаясь к насосу по трубе 6, но с прогревом двигателя начинается движение воды через радиатор и ее охлаждение.
Температура охлаждающей воды, повышенная до 120—125° С, улучшает экономичность двигателя и уменьшает теплообменную поверхность холодильника. Однако такая температура может быть использована лишь в том случае, если охлаждающая система является закрытой и все ее элементы обладают термической и механической стойкостью, так как давление внутри контура должно быть увеличено во избежание закипания воды. Такая система охлаждения является перспективной и уже применяется на некоторых стационарных и транспортных двигателях.
Количество жидкости т кг/ч, требующееся для охлаждения двигателя,

где Q — удельное количество теплоты, приходящееся на 1 кВт-ч и подлежащее передаче в систему охлаждения, кДж/(кВт-ч);
Ne — эффективная мощность двигателя, кВт;
t2 и t2 — температура входящей и уходящей воды из двигателя, С;
с — теплоемкость жидкости, для воды с = 4,18 кДж/ (кг- град.), для масла с = 1,67 — 2,1 кДж/(кг · град.).
Количество охлаждающей жидкости уменьшается с увеличением температурного перепада. Однако при этом появляются неблагоприятные условия для эксплуатации двигателя вследствие значительных термических напряжений в охлаждаемых деталях и повышения вязкости смазочного масла. В результате увеличиваются работа трения и износ. Поэтому температурный перепад принимается минимальным. Необходимая интенсивность теплоотбора достигается увеличением кратности циркуляции, т. е. повышением скорости движения жидкости в контуре, что обеспечивается работой циркуляционного насоса.
Удельное количество теплоты, кДж/(кВт · ч), передаваемое системе охлаждения, в среднем равно:
Карбюраторные автотракторные двигатели 3400—4500
Быстроходные дизели 1150—1700
Тихоходные дизели 2250—3400
Расход воды, кг/кВт-ч, примерно равен: проточное охлаждение ... 35—40
циркуляционное с водо-водяным холодильником . .                                   70—135
циркуляционное с водо-воздушным холодильником
(радиатор) . 100—245
Масло как охлаждающая жидкость обладает меньшей способностью теплоотвода по сравнению с водой. Теплопроводность масла примерно в 3 раза меньше, чем у воды. Поэтому для поддержания необходимого режима охлаждения требуется значительное увеличение скорости циркуляции масла. Вследствие этого масло применяют только для охлаждения поршней двигателей, имеющих высокую цилиндровую мощность. Охлаждение поршней водой нецелесообразно, так как возможно попадание воды в картер через неплотности трубопровода и примешивание ее к смазочному маслу.
Воздушное охлаждение получило широкое распространение для мотоциклетных, частично для автомобильных двигателей и для передвижных установок мощностью 3,5—23 кВт (электростанции, насосы и др.). Мотоциклетные двигатели охлаждаются встречным потоком воздуха, автомобильные снабжаются вентилятором с приводом от коленчатого вала.

Рис. 8-46. Схема воздушного охлаждения двигателей

Рис. 8 47. Внешний вид восьмицилиндрового дизеля с воздушным охлаждением

У одноцилиндровых двигателей передвижных установок иногда маховик и вентилятор объединяют (рис. 8-46, а). При увеличении мощности двигателя и числа его цилиндров используется вентилятор, обеспечивающий необходимый напор охлаждающего воздуха (рис. 8-46, б).
Для равномерного охлаждения цилиндров устанавливают дефлекторы, направляющие поток воздуха от вентилятора к наиболее нагретым участкам.
Достоинством воздушного охлаждения является простота устройства, меньшая масса по сравнению с водяным, исключается возможность повреждения двигателя от замерзания воды. Главное преимущество воздушного охлаждения заключается в меньшей его тепловой инерции благодаря меньшей массе системы охлаждения по сравнению с водяной. Вследствие этого при переменных режимах работы двигателя быстрее достигается соответствие между интенсивностью его охлаждения и тепловыделением в цилиндре двигателя.
Кроме того, при пуске двигатель быстрее прогревается. Поэтому уменьшается период образования агрессивных кислот на внутренних стенках цилиндров и срок их службы увеличивается. Температура стенки цилиндра в °C после пуска двигателя через интервалы в 1 мин при температуре окружающей среды 20° С следующая:

У некоторых двигателей в систему охлаждения включен термостат, воздействующий на дроссельную заслонку. При изменении температуры воздуха, охлаждающего двигатель, термостат вращением заслонки устанавливает сечение канала, при котором количество холодного воздуха и интенсивность охлаждения соответствуют данному режиму работы двигателя.
В настоящее время расширяется применение воздушного охлаждения для транспортных двигателей мощностью до 370 — 400 кВт. В табл. 8-1 приведены данные о некоторых двигателях с воздушным охлаждением, выпускаемых отечественными заводами.
На рис. 8-47 показан внешний вид восьмицилиндрового двигателя фирмы Паксман. Диаметр цилиндра 152,4 мм, ход поршня 167,64 мм, среднее эффективное давление 5,25 · 105 Н/м², мощность 225 кВт при 2100 об/мин, удельная масса 7 кг/кВт. При наддуве среднее эффективное давление 7,1 · 105 Н/м², мощность 300 кВт, удельная масса 5,4 кг/кВт.
Цилиндры и крышки двигателей с воздушным охлаждением изготавливают из специального чугуна или алюминиевого сплава и с внешней стороны снабжают ребрами высотой не более 50 мм. Количество теплоты, отбираемое системой охлаждения, зависит от конструкции двигателя и ряда других факторов и составляет для дизелей 2000 — 3700 кДж/(кВт), для карбюраторных двигателей 3100 — 4800 кДж/(кВт). Для отвода такого количества теплоты требуется поверхность охлаждения в пределах: карбюраторные двигатели—800— 880 см²/кВт, дизели — 680—750 см²/кВт. Количество охлаждающего воздуха в зависимости от диаметра цилиндров двигателя требуется в пределах от 65 до 80 м³/кВт.

Таблица 8-1

* X—однорядный; V—двухрядный.
** При оптимальной нагрузке.

Величина энергии, затрачиваемой на охлаждение, у карбюраторных двигателей, имеющих небольшую степень сжатия, составляет от 3 до 15%, у дизелей — от 3 до 8% эффективной мощности, развиваемой двигателем.
Существенным недостатком воздушного охлаждения является высокий уровень шума.