радиатор системы охлаждения силовой установки

Формула изобретения

1. Радиатор системы охлаждения силовой установки, содержащий горизонтальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода одного или нескольких охлаждаемых теплоносителей, вдоль продольной оси которого последовательно по потоку охлаждающего воздуха установлены один или более блоков теплообменных элементов с образованием периферийного кольцеобразного и центрального цилиндрического распределительных коллекторов, причем каждый блок сформирован из горизонтально установленных теплообменных элементов, теплообменные элементы каждого блока прилегают друг к другу, сварены между собой горизонтальными швами и благодаря наличию дистанционирующих выступов, выполняющих одновременно функции интенсификаторов теплообмена, образуют наружные горизонтальные щелевые каналы для перемещения в аксиальном направлении прокачиваемого вентилятором охлаждающего воздуха, а каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда, сваренные между собой по двум сторонам кольцеобразными швами и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для охлаждаемого теплоносителя, причем внутренние полости спиралевидных теплообменных элементов всех блоков сообщаются с периферийным кольцеобразным и центральным цилиндрическим распределительными коллекторами.

2. Радиатор по п.1, в котором патрубок подвода охлаждаемого теплоносителя соединен с периферийным кольцеобразным распределительным коллектором, а патрубок отвода охлажденного теплоносителя - с центральным цилиндрическим распределительным коллектором.

3. Радиатор по п.1, в котором периферийный кольцеобразный распределительный коллектор разделен двумя диаметрально расположенными перегородками на две полости, одна из которых соединена с патрубком подвода охлаждаемого теплоносителя, а вторая полость - с патрубком отвода охлажденного теплоносителя.

4. Радиатор по п.1, в котором в периферийном кольцеобразном и центральном цилиндрическом распределительных коллекторах установлены перегородки, разделяющие радиатор на две секции, первая из которых снабжена патрубками подвода и отвода одного из охлаждаемых теплоносителей, а вторая - патрубками подвода и отвода другого охлаждаемого теплоносителя.

5. Радиатор по п.1, содержащий два или более блоков теплообменных элементов, причем в периферийном кольцеобразном и центральном цилиндрическом распределительных коллекторах между смежными блоками установлены вертикальные перегородки, разделяющие радиатор на отдельные изолированные полости, количество которых равно количеству установленных блоков, а каждая полость снабжена патрубками подвода и отвода охлаждаемого в этой полости теплоносителя.

6. Радиатор по п.1 или 5, в котором каждый блок сформирован из теплообменных элементов, имеющих оптимальные для охлаждаемого в нем теплоносителя геометрические характеристики.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, конкретно касается систем охлаждения силовых установок и предназначено, в первую очередь, для использования в составе различных транспортных средств, а также может быть применено для стационарных теплоэнергетических установок.

Для отвода теплоты от силовых установок (двигателей внутреннего и внешнего сгорания и т.п.), как правило, используются системы с охлаждающими устройствами, основной частью которых являются радиаторы, в которых теплота от охлаждаемой рабочей среды отводится воздухом, прокачиваемым через радиатор установленным за ним вентилятором.

Применяемые радиаторы различаются по назначению (для охлаждения воды или антифриза, масла, наддувочного воздуха), по геометрической форме (квадратные, прямоугольные, кольцеобразные), по типу теплообменных (теплорассеивающих) поверхностей, по количеству контуров охлаждения. Чаще всего применяются трубчато-пластинчатые поверхности (для тракторов, комбайнов, тягачей и тяжелых грузовых машин), трубчато-ленточные поверхности (для легковых автомобилей, легких и средних грузовиков) и т.п. При этом фронтальная площадь радиатора имеет форму квадрата или прямоугольника. В отдельных случаях применяются пластинчатые (в том числе пластинчато-ленточные) поверхности охлаждения.

В некоторых силовых установках используют комбинированные (многоконтурные) системы охлаждения, в которых, помимо отвода теплоты от двигателя с помощью циркулирующей жидкости (антифриза или воды), охлаждают также другие рабочие среды - масло двигателя, масло агрегатов и узлов трансмиссии, масло систем управления, наддувочный воздух. В этом случае устанавливают несколько радиаторов либо выполняют радиатор с несколькими секциями (отдельно для каждой охлаждаемой рабочей среды).

Наиболее распространены жидкостные системы охлаждения двигателей, работающие при давлении в контуре, равном атмосферному или незначительно превышающем его. При этом температура жидкости на выходе из двигателя поддерживается на уровне 90-95°С. Однако перспективным является применение полностью герметизированных систем с давлением до 0,2МПа и температурой жидкости до 120°С. В этом случае существенно возрастает температурный перепад между жидкостью и воздухом и, соответственно, увеличивается удельный теплосъем с теплорассеивающей поверхности, благодаря чему габаритные размеры и масса радиатора могут быть значительно уменьшены.

Известны радиаторы квадратной и прямоугольной формы с трубчато-пластинчатой и трубчато-ленточной теплорассеивающей поверхностью (Бурков В.В., Индейкин А.И. Автотракторные радиаторы. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1978, с.9, 36).

Недостатки радиаторов этого типа заключаются в следующем:

- при такой форме радиатора создаются неблагоприятные условия обдува теплорассеивающей поверхности, так как ометаемая вентилятором площадь не превышает 75-80% его фронтальной площади (Автомобильные двигатели, под ред. Ховаха М.С. - М.: Машиностроение, 1977, с.538);

- конструкция теплорассеивающей поверхности недостаточно надежна из-за большого объема сварных (паяных) соединений тонкостенных элементов;

- такая теплорассеивающая поверхность имеет недостаточную статическую и динамическую прочность, что препятствует широкому внедрению эффективных герметизированных систем охлаждения, работающих при повышенных давлениях;

- направляющий кожух вентилятора должен выполняться с переходом от круглой формы (на стороне вентилятора) к квадратной или прямоугольной (в месте его присоединения к радиатору).

Известен также радиатор системы охлаждения силовой установки транспортного средства, сердцевина (теплорассеивающая поверхность) которого образована рядом ячеек прямоугольной формы с горизонтальными теплообменными трубками. Входы и выходы каждой группы ячеек соединены между собой вертикальными патрубками, причем на входе в каждую ячейку установлен двухпозиционный кран, а на выходе - обратный клапан для отключения ячейки при выходе ее из строя (RU 2266827 С2, В60К 11/02). Данной конструкции свойственны все недостатки, характерные для радиаторов квадратной и прямоугольной формы. Кроме того, такой радиатор сложен и недостаточно надежен из-за большого количества разъемных соединений, кранов и клапанов, что повышает вероятность протечек охлаждаемой жидкости через эти соединения.

Известен также трехконтурный блок радиаторов, состоящий из трех радиаторов прямоугольной формы, предназначенных для охлаждения соответственно масла гидроусилителя руля, масла двигателя и воды, установленных последовательно по потоку охлаждающего воздуха (там же, с.8). Недостатки такой конструкции:

- затрудненность доступа к составным частям блока при его обслуживании;

- сложность обеспечения воздушной плотности в соединениях радиаторов между собой, и, как следствие, возможность подсосов воздуха через эти соединения;

- увеличенная глубина блока по продольной оси из-за необходимых зазоров между блоками;

- все недостатки радиаторов, связанные с их прямоугольной формой.

Известен также трехконтурный блок радиаторов, состоящий из трех радиаторов, предназначенных для охлаждения соответственно наддувочного воздуха, масла и воды и установленных один за другим последовательно по потоку охлаждающего воздуха, причем для обеспечения доступа к каждому из радиаторов с целью проведения обслуживания и ремонта масляный и воздушный радиаторы установлены на шарнирах с возможностью поворота в разных плоскостях относительно водяного радиатора (SU 1509295 с пр. от 18.01.1988, В60К 11/04). Недостатками такой конструкции являются:

- сложность обеспечения воздушной плотности в соединениях радиаторов между собой, и, как следствие, возможность подсосов воздуха через эти соединения (что приводит к перегрузке вентилятора и, как следствие, к увеличению мощности, затрачиваемой на его привод);

- увеличенная глубина блока по продольной оси из-за необходимых зазоров между блоками;

- сложность и увеличенная масса блока радиаторов из-за необходимости оснащения его шарнирными соединениями, опорными тягами, кронштейнами, фиксаторами, разъемными воздуховодами и другими элементами, необходимыми для обеспечения возможности поворота воздушного и масляного радиаторов при обслуживании устройства;

- все недостатки радиаторов, связанные с их прямоугольной формой.

Наиболее близким к изобретению является выбранный в качестве прототипа кольцеобразный комбинированный двухконтурный радиатор фирмы «Аутокюлер-Гессельшафт» (ФРГ) с трубчато-ленточной теплорассеивающей поверхностью, образованной согнутыми в виде полуколец трубками, закрепленными в коллекторах подвода и отвода жидкости (Бурков В.Н., Индейкин А.И. Автотракторные радиаторы. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение. 1978, с.10). Недостаток такого радиатора - низкая ремонтопригодность и сложность технологии изготовления, связанные с большим количеством паяных швов и тем, что каждая трубка имеет свой радиус гиба. Кроме того, в процессе работы имеет место неравномерность распределения жидкости по трубкам из-за разной длины трубок и, соответственно, различного их гидравлического сопротивления.

Задачей настоящего изобретения является повышение тепловой эффективности, эксплуатационной надежности и компактности радиатора при обеспечении возможности охлаждения одной, двух и более несмешивающихся рабочих сред.

Поставленная задача решается путем создания конструкции радиатора с радиально-спиральной теплорассеивающей поверхностью.

В радиаторе, содержащем горизонтальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода охлаждаемых теплоносителей, вдоль продольной оси которого, последовательно по потоку охлаждающего воздуха, установлены один или более блоков теплообменных элементов с образованием периферийного кольцеобразного и центрального цилиндрического распределительных коллекторов;

каждый блок сформирован из горизонтально установленных теплообменных элементов, причем теплообменные элементы каждого блока прилегают друг к другу, сварены между собой горизонтальными швами и благодаря наличию дистанционирующих выступов, выполняющих одновременно функции интенсификаторов теплообмена, образуют наружные горизонтальные щелевые каналы для перемещения в аксиальном направлении прокачиваемого вентилятором охлаждающего воздуха;

каждый теплообменный элемент выполнен полым и представляет собой две стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда, сваренные между собой по двум сторонам кольцеобразными швами и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для охлаждаемого теплоносителя, причем внутренние полости спиралевидных теплообменных элементов всех блоков сообщаются с периферийным и центральным распределительными коллекторами;

блок может быть выполнен одноходовым (по всем спирально-радиальным каналам теплоноситель перемещается в одном направлении: из периферийного распределительного коллектора в центральный распределительный коллектор с последующим отводом из него теплоносителя в систему охлаждения) или двухходовым, в котором с помощью перегородок, установленных в периферийном распределительном коллекторе, весь теплоноситель направляется через часть радиально-спиральных каналов, ограниченных этими перегородками, в центральный распределительный коллектор, откуда через остальные радиально-спиральные каналы возвращается в периферийный распределительный коллектор и выводится из аппарата;

с помощью дополнительных перегородок, установленных в периферийном и центральном распределительных коллекторах, радиатор может быть разделен на отдельные секторы для охлаждения различных теплоносителей (например, охлаждающей жидкости и масла), причем каждый сектор снабжен патрубками подвода и отвода охлаждаемого в этой секции теплоносителя;

при установке в радиаторе двух или более блоков (двух- или многорядное исполнение) между смежными блоками в периферийном и центральном распределительных коллекторах установлены вертикальные перегородки, которые разделяют радиатор на отдельные изолированные полости, количество которых равно количеству установленных блоков, причем каждая полость снабжена патрубками подвода и отвода охлаждаемого в этой полости теплоносителя.

Кроме того, при двух- или многорядном исполнении радиатора каждый блок может быть сформирован из теплообменных элементов с оптимальными для данного вида теплоносителя геометрическими характеристиками (ширина каналов, тип и размеры дистанционирующих выступов).

Предлагаемое изобретение ниже поясняется конкретными примерами его использования и прилагаемыми чертежами:

на фиг.1 представлен общий вид однорядного одноходового радиатора;

на фиг.2 - общий вид однорядного двухходового радиатора;

на фиг.3 - общий вид комбинированного однорядного двухходового радиатора (для охлаждения двух теплоносителей);

на фиг.4 - общий вид комбинированного двухрядного радиатора (для охлаждения двух теплоносителей).

Однорядный одноходовой радиатор (фиг.1) содержит горизонтальный цилиндрический корпус 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3 охлаждаемого теплоносителя, вдоль продольной оси которого установлен блок 4 теплообменных элементов с образованием кольцеобразного периферийного распределительного коллектора 5 и цилиндрического центрального распределительного коллектора 6. Каждый блок сформирован из горизонтально установленных теплообменных элементов 7, причем теплообменные элементы прилегают друг к другу, сварены между собой горизонтальными швами и образуют благодаря наличию дистанционирующих выступов наружные горизонтальные щелевые каналы для перемещения в аксиальном направлении охлаждающего воздуха. Каждый теплообменный элемент 7 выполнен полым и представляет собой две стенки с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали Архимеда, сваренные между собой по двум сторонам кольцеобразными швами и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для протока охлаждаемого теплоносителя, причем внутренние полости спиралевидных теплообменных элементов всех блоков сообщаются с периферийным 5 и центральным 6 распределительными коллекторами.

Однорядный двухходовой радиатор (фиг.2) отличается от показанного выше однорядного одноходового радиатора тем, что периферийный распределительный коллектор разделен двумя перегородками 8 и 9 на две полости 10 и 11, причем полость 10 с частью теплообменных элементов 12 снабжена патрубком 13 подвода теплоносителя, а полость 11 сообщается с другой частью теплообменных элементов 14 и снабжена патрубком 15 отвода теплоносителя.

Комбинированный однорядный двухходовой радиатор для охлаждения двух несмешивающихся теплоносителей (фиг.3) снабжен перегородками 17 и 18 в периферийном распределительном коллекторе и перегородкой 19 в центральном распределительном коллекторе, разделяющими радиатор на два изолированных сектора - по одному для каждого теплоносителя, а также перегородками 20 и 21, разделяющими каждый сектор на два хода по теплоносителю, причем каждый сектор снабжен своими патрубками подвода 22 и 23,а также патрубками отвода 23 и 25 соответствующего теплоносителя.

Комбинированный двухрядный радиатор для охлаждения двух теплоносителей (фиг.4), например наддувочного воздуха и охлаждающей жидкости, содержит два блока 26 и 27, установленных вдоль оси корпуса 28 последовательно по потоку охлаждающего воздуха. В периферийном коллекторе 29 установлена вертикальная кольцеобразная перегородка 31, а в центральном коллекторе 30 - вертикальная перегородка 32, которые разделяют каждый из коллекторов на две изолированные полости, по одной для каждого блока и, соответственно, для каждого теплоносителя, причем каждая полость периферийного коллектора снабжена патрубками подвода 33 и 34 и отвода 35 и 36 соответствующих теплоносителей.

Предлагаемый радиатор работает следующим образом.

При однорядном одноходовом исполнении (фиг.1) подлежащий охлаждению теплоноситель через патрубок 2 поступает в периферийный коллектор 5, прокачивается по внутренним радиально-спиральным каналам теплообменных элементов 7 в центральный коллектор 6, отдавая при этом теплоту воздуху, который прокачивается вентилятором через наружные горизонтальные щелевые каналы между теплообменными элементами 7, и затем через патрубок 3 выводится из аппарата в систему.

При однорядном двухходовом исполнении радиатора (фиг.2) подлежащий охлаждению теплоноситель через патрубок 13 поступает в полость 10 периферийного коллектора, отделенную перегородками 8 и 9, прокачивается через радиально-спиральные каналы теплообменных элементов 12, поступает в центральный коллектор 16, откуда через радиально-спиральные каналы теплообменных элементов 14 поступает в полость 11 периферийного канала и затем через патрубок 15 выводится в систему.

Если радиатор предназначен для охлаждения двух несмешивающихся теплоносителей (фиг.3), то каждый сектор радиатора благодаря наличию перегородок 17, 18 и 19 работает автономно со своей системой охлаждения.

В комбинированном двухрядном радиаторе, предназначенном для охлаждения двух теплоносителей (фиг.4), охлаждающий воздух прокачивается вентилятором по наружным горизонтальным щелевым каналам последовательно через блоки 26 и 27, один из теплоносителей циркулирует через внутренние радиально-спиральные каналы теплообменных элементов блока 26, а второй теплоноситель - через внутренние радиально-спиральные каналы теплообменных элементов блока 27.

Данное изобретение обладает следующими преимуществами.

1. Благодаря цилиндрической форме радиатора ометаемость фронтальной площади теплорассеивающей поверхности равна или близка к 100%, благодаря чему обеспечивается высокая тепловая эффективность охлаждения.

2. Высокая прочность конструкции, характерная для радиально-спиральных теплообменных поверхностей, позволяет использовать такие радиаторы в полностью герметизированных системах охлаждения с повышенными давлением и температурой, а следовательно, с высоким температурным напором, благодаря чему снижается необходимая площадь теплообменной поверхности, габариты и масса аппарата.

3. Возможно выполнение комбинированного радиатора, в котором осуществляется охлаждение нескольких несмешивающихся рабочих сред: антифриза, масел, наддувочного воздуха.

4. Упрощается конструкция направляющего кожуха вентилятора и обеспечивается плотность его соединения с корпусом радиатора, благодаря чему исключаются присосы воздуха в местах разъема, а следовательно, снижается расход энергии на привод вентилятора.

5. В одном аппарате возможно охлаждение как жидких теплоносителей, так и наддувочного воздуха.

6. При двух- и многорядном исполнении такого радиатора каждый блок может быть сформирован из теплообменных элементов с оптимальными для данного вида теплоносителя геометрическими характеристиками (ширина каналов, тип и размеры дистанционирующих выступов).