General analytical study of the prospects for using heat exchanging equipment with intensified heat exchange in the cooling systems of pile diesel hammers of tube type hammers
УДК 532.517.4 : 536.24
26.02.2018
360
Выходные сведения:
Лобанов И.Е. Общее аналитическое исследование перспектив использования теплообменного оборудования с интенсифицированным теплообменом в системах охлаждения свайных дизель-молотов молотов трубчатого типа // СтройМного, 2018. №1 (10). URL: http://stroymnogo.com/science/tech/obshchee-analiticheskoe-issledovani/
Авторы:
Лобанов Игорь Евгеньевич
д.т.н., ведущий научный сотрудник ПНИЛ—204, ФГБОУ Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Российская Федерация (125993 Россия, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4), e-mail: lloobbaannooff@live.ru
Authors:
Lobanov Igor Evgenevich
Dr.Sci.Tech., leading research assistant PNIL–204, FGBOU the Moscow aviation institute (national research university), Moscow, the Russian Federation (125993 Russia, Moscow, Volokolamsk highway, 4), e-mail: lloobbaannooff@live.ru
Ключевые слова:
теплообмен; аналитический; исследование; перспективный; интенсификация; труба; дизель-молот; турбулизация; теплоноситель; теплообменный аппарат; строительство; трубчатого типа; свайный; система охлаждения; жидкостное; водяное
Keyword:
heat exchange; analytical; study; perspective; intensification; trumpet; diesel hammer; turbulization; coolant; heat exchanger; building; tubular type; pile; cooling system; liquid; watery
Аннотация:
B данной статье был проведён анализ необходимости применения системы охлаждения в свайных дизель-молотах трубчатого типа. Трубчатые дизель-молоты могут работать в различных климатических и эксплуатационных условиях, но система охлаждения осуществляется только за счёт радиационного теплообмена с наружной поверхностью цилиндра молота, который существенно снижается при ужесточении режима эксплуатации и повышении температуры окружающей среды, а также при инсоляции. Применение внутренней рубашки охлаждения также может не дать нужного эффекта. Все вышеуказанные факторы приводят к появлению неустойчивых режимов работы дизель-молота, обусловленных недостаточной тепловой мощностью системы охлаждения дизель-молота. Решение вышеизложенных задач должно проводиться в параллели с обеспечением оптимального теплового режима работы дизель-молота с применением теплообменников с интенсифицированным теплообменом. В статье было показано, что поддержание в заданном диапазоне температурного режима свайных дизель-молотов на основе систем охлаждения в значительной степени определяет их стабильную работу, эксплуатационную надёжность и эффективность и указаны пути развития этих систем. Использование системы охлаждения в трубчатом дизель-молоте позволяет расширить диапазон его применения до +50ºС при применении как гладкотрубных трубок, так и трубок с турбулизаторами. Использование охлаждающих трубок с турбулизаторами может позволить снизить необходимое количество трубок практически в 2,5 раза по сравнению с гладкими трубками, однако их применение повышает стоимость дизель-молота. В статье показано, что снижение массогабаритных показателей системы охлаждения дизель-молота путем применения труб с турбулизаторами следует проводить с учетом повышенной их стоимости по сравнению с гладкими трубками, которая однако невелика, поскольку достижима посредством применения недорогой технологии.
Annotation:
In this article, an analysis was made of the need to use a cooling system in pile diesel hammers of tubular type. Tubular diesel hammers can work in different climatic and operating conditions, but the cooling system is carried out only due to radiative heat exchange with the outer surface of the hammer cylinder, which is significantly reduced with tougher operation and increased ambient temperature, as well as insolation. The use of an internal cooling jacket may also not give the desired effect. All of the above factors lead to the emergence of unsustainable diesel-hammer operation modes due to the insufficient thermal capacity of the diesel hammer cooling system. The solution of the above tasks should be carried out in parallel with ensuring the optimal thermal operation of the diesel hammer using heat exchangers with intensified heat exchange. In the article it was shown that the maintenance in a given temperature range of pile diesel hammers based on cooling systems largely determines their stable operation, operational reliability and efficiency and indicates the ways of development of these systems. The use of a cooling system in a tubular diesel hammer allows the range of its application to be extended to +50°C when using both smooth tubes and tubes with turbulators. The use of cooling tubes with turbulators can allow to reduce the required number of tubes by almost 2.5 times in comparison with smooth tubes, but their use increases the cost of a diesel hammer. The article shows that the reduction of the mass-dimensions of the diesel-hammer cooling system by using pipes with turbulators should be carried out taking into account their increased cost in comparison with smooth tubes, which is however small, since it is achievable by using inexpensive technology.
Введение
Трубчатые дизель-молоты могут работать в различных климатических и эксплуатационных условиях, но система охлаждения осуществляется только за счёт радиационного теплообмена с наружной поверхностью цилиндра молота, который существенно снижается при ужесточении режима эксплуатации и повышении температуры окружающей среды, а также при инсоляции. Применение внутренней рубашки охлаждения также может не дать нужного эффекта. Все вышеуказанные факторы приводят к появлению неустойчивых режимов работы дизель-молота, обусловленных недостаточной тепловой мощностью системы охлаждения дизель-молота.
Следовательно, для повышения долговечности и надёжность данного вида техники и в целях дальнейшего её совершенствования необходимо применение системы охлаждения дизель-молота.
Решение задачи по обеспечению оптимального температурного режима системы охлаждения лучше всего осуществлять за счёт применения рекуперативного трубчатого теплообменного аппарата с интенсифицированным теплообменом. В статье основное внимание будет уделяется необходимости разработки теоретических методов исследования интенсификации теплообмена при турбулентном течении в каналах, учитывающих особенности физических процессов, протекающих в каналах теплообменных аппаратах системы охлаждения свайных дизель-молотов трубчатого типа, в частности, в их пограничных слоях.
Данное исследование является продолжением работ [21—23].
Материалы и методы. Анализ работ в области систем охлаждения свайных дизель-молотов
Поддержание в заданном диапазоне температурного режима свайных дизель-молотов в значительной степени определяет их стабильную работу, эксплуатационную надежность и эффективность [1—12].
Преобразование тепла, выделившегося при сгорании топлива, в механическую работу, всегда сопровождается потерей тепла, которое переходит в нагрев цилиндра, поршня, шабота и т. п.
Для двигателя, работающего по адиабатическому циклу (не имеющего теплообмена со стенками), температура стенок должна быть равной средней температуре продуктов сгорания за цикл (800¸1000)°С [1—12].
Смазочные масла уже при температуре свыше (200¸250)°С теряют свои смазочные свойства и сгорают, в результате чего поршневые кольца пригорают и закоксовываются. Наряду с этим, при существенном повышении температуры ухудшаются механические свойства материалов, из которых изготовлены ударные детали дизель-молотов.
Из-за нагрева воздуха, поступающего в рабочий цилиндр, существенно снижается наполнение цилиндра и в связи с этим уменьшается высота, подъема ударной части.
Рабочий цилиндр штангового дизель-молота при интенсивной работе разогревается до (150¸200)°С, при этом высота подскока ударной части не превышает (1000¸1200) мм. Рабочий цилиндр штангового дизель-молота размещен в ударной части, через которую проходят направляющие штанги; ударная часть быстро разогревается.
Очевидно, что повышение температуры до определенного уровня приведет к распору штанг расширившейся ударной частью и к повышенным механическим потерям.
При заводских стендовых испытаниях трубчатого дизель-молота с воздушным охлаждением с ударной частью массой 2500 кг были проведены замеры, позволяющие определить изменение температуры поверхности рабочего цилиндра, ребер охлаждения, шабота и поршня при различных режимах работы дизель-молота [1—12].
Интерес, проявленный к определению теплового режима дизель-молота С-949 объясняется тем, что по сравнению с серийным трубчатым дизель-молотом С-858 объем рабочего цилиндра дизель-молота С-949 был увеличен в 4,3 раза, а наружная поверхность без рёбер охлаждения—всего лишь в 2,3 раза. Таким образом, термическая напряжённость тяжелого дизель-молота существенно повысилась.
Замеры велись в двух режимах работы дизель-молота; при непрерывной работе в течение 46 минут и последующей остановке; при периодической работе с циклом 10 минут работы и последующим охлаждении в течение 10 минут. Замеры производились при температуре воздуха (+23÷+27)°С в солнечный безветренный день.
Установлено [1—12], что температура рабочего цилиндра достигает наибольшей величины 245°С в зоне камеры сгорания. В первые 10 минут работы температура в зоне камеры сгорания возрастает более интенсивно, чем при последующей работе.
Непрерывная работа продолжительностью более (20÷30) минут приводит к интенсивному разогреву основных деталей дизель-молота и снижению высоты подъема ударной части с (2,8÷3) м до (2÷2,2) м вследствие уменьшения коэффициента наполнения за счет разогрева воздуха в рабочем цилиндре.
Температура на ребрах охлаждения плавно возрастает в течение (30÷35) минут, после чего остается примерно постоянной (наибольшая величина +70°C). При охлаждении в течение 20 минут температура плавно снижается на 20°С и затем длительное время остается практически постоянной.
Полученные результаты позволяют сделать следующий вывод: если температура ребер значительно ниже температуры поверхности цилиндра, то отношение поверхности ребер к площади их контакта с поверхностью цилиндра достаточно высоко, следовательно поверхность ребер может быть уменьшена за счет уменьшения высоты ребра при сохранении площади контакта ребра с поверхностью цилиндра. При этом температура ребер несколько возрастает, но теплоотдача остается примерно на том же уровне за счет увеличения разности температуры ребер и окружающего воздуха; к. п. д. ребра увеличится.
Были произведены замеры для выявления влияния степени сжатия на нагрев основных деталей дизель-молота [1—12].
С помощью термопар была проведена запись температур стенок рабочего цилиндра и ребер охлаждения трубчатого дизель-молота С-949 при непрерывной работе в течение 68 минут. Температура окружающего воздуха не превышала (+25÷+27)ºС, ветер слабый. Кривая с индексом а (рис.3, а) показывает изменение температуры стенки цилиндра на уровне камеры сгорания; кривые 1, 3 и 5 показывают изменение температуры в сечениях, расположенных на 150, 300 и 450мм выше середины камеры сгорания; кривые 2 и 4 показывают изменение температуры в сечениях, расположенных на 150 и 300 мм ниже середины камеры сгорания.
Из графика видно, что температура рабочего цилиндра достигает наибольшей величины в зоне камеры сгорания. В течение первых 10 минут работы температура в зоне камеры сгорания (сечения 0 и 1) возрастает более интенсивно, чем при последующем работе. Это объясняется тем, что в начале работы вследствие малого перепада температур между стенкой цилиндра и воздухом интенсивность теплоотдачи невелика, и выделяемое при сгорании тепло в основном затрачивается на нагрев деталей молота. При дальнейшей работе молота доля тепла, передаваемого окружающему воздуху, увеличивается, поэтому рост температуры замедляется. Рост температуры в сечениях 3 и 5 происходит более равномерно в течение всего периода работы. Максимальная температура в зоне камеры сгорания составила 305°С, причем за 68 минут работы молота установившийся режим в зоне камеры сгорания (сечения 0, 1 и 2) не был достигнут.