INVESTIGATION OF THE VAPOUR COOLING

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No. 4 2007
INVESTIGATION OF THE VAPOUR COOLING SYSTEM
ON THE TEST STAND
Jerzy Walentynowicz
Military University of Technology
Faculty of Mechanical Engineering
Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland
tel./fax: +48 22 6839565
e-mail: [email protected]
Abstract
The results of preliminary investigations of vapour cooling system for combustion piston engine made on the test
stand were presented in this paper. The test stand was designed and made especially for applied research new
different concept of cooling systems for combustion engines.
Checking the correctness of the operation of the cooling system was the main aim of this investigations, so as
could be obtained constant temperature level of liquid cooling during heating interior of the engine corps (the block of
cylinders and head). The cooling system consisted of the separator of water steam, radiator fulfilling tasks of the
vapour condenser and water pump pushed water and vapour to the engine corps. The set of thermocouple was placed
in the system for measure the temperature in many points of the cooling system, two flow meters to the measurement of
the water flow and condenser and manometer to the measurement of the pressure in the system.
Large difficulties with keeping stable and durable level of the temperature which prevents excessive the increase
pressure were affirmed during investigations. One of the main cause this problem is non-uniform temperature inside
cooling system causes steam corks inside the system. This problem should is recognised and solved during future
investigations.
Keywords: combustion engines, vapour cooling system, test stand, applied research
BADANIA WYPARKOWEGO UKàADU CHàODZENIA
NA STANOWISKU MODELOWYM
Streszczenie
W publikacji przedstawiono wyniki badaĔ wstĊpnych wyparkowego ukáadu cháodzenia do táokowego silnika
spalinowego, przeprowadzone na modelowym stanowisku badawczym. Stanowisko to zbudowano specjalnie do badaĔ
stosowanych róĪnych koncepcji ukáadów cháodzenia silników spalinowych.
Celem tych badaĔ byáo sprawdzenie poprawnoĞci dziaáania ukáadu tak aby zapewniaáa on utrzymanie temperatury
cieczy cháodzącej na staáym poziomie w trakcie ogrzewania wnĊtrza korpusu silnika (blok cylindrów i gáowica). Ukáad
cháodzenia skáadaá siĊ z separatora pary wodnej, cháodnicy peániącej zadania skraplacza pary wodnej oraz pompy
wodnej przetáaczającej wodĊ oraz skropliny pary wodnej do korpusu silnika. W ukáadzie umieszczono zestaw
termoelementów do oceny temperatury w wielu punktach ukáadu cháodzenia, dwa przepáywomierze do pomiaru
przepáywu wody i skroplin oraz manometr do pomiaru ciĞnienia w ukáadzie.
Podczas badaĔ stwierdzono duĪe trudnoĞci z utrzymaniem odpowiednio trwaáego poziomu temperatury cieczy
zapobiegającego nadmiernemu wzrostowi ciĞnienia. Jedną z przyczyn moĪe byü nierównomierna temperatura
wewnątrz ukáadu i powstające korki parowe. Problem ten powinien byü rozpoznany i rozwiązany podczas dalszych
badaĔ.
Sáowa kluczowe: spalinowe silnik, wyparkowy ukáad cháodzenia, stanowisko modelowe, badania
J. Walentynowicz
1. Wprowadzenie
Ukáad cháodzenia wspóáczesnego táokowego silnika spalinowego powinien zapewniü
utrzymanie równomiernego rozkáadu odpowiednio wysokiej temperatury silnika, lecz nie
zmniejszającej wytrzymaáoĞci materiaáów konstrukcyjnych. JednoczeĞnie powinien byü czĊĞcią
caáego systemu energetycznego pojazdu, wáącznie z ukáadem ogrzewania wnĊtrza, zapewniających
oszczĊdne gospodarowanie wydzielana energią cieplną.
Poszukując nowych metod zwiĊkszenia ekonomicznoĞci pracy silnika zaczyna siĊ zwracaü
coraz wiĊkszą uwagĊ na straty ciepáa, w tym takĪe przez ukáad cháodzenia. Wymaga to
opracowania nowych koncepcji ukáadów cháodzenia, jednak ograniczeniem w tym zakresie jest
stosowanie wody w tych ukáadach. Ma ona stosunkowo niską temperaturĊ wrzenia w porównaniu,
co w klasycznych ukáadach cháodzenia wymaga ograniczenia temperatury cieczy do 80...85oC.
Biorąc pod uwagĊ wytrzymaáoĞü termiczną materiaáów konstrukcyjnych stosowanych przy
budowie silników, temperatura cieczy cháodzącej moĪe duĪo wyĪsza.
DąĪenie do podwyĪszenia temperatury cieczy cháodzącej spowodowaáo opracowanie otwartego,
wyparkowego systemu cháodzącego, w którym ciecz byáa doprowadzana do temperatury wrzenia, a do
cháodnicy (skraplacza) kierowana byáa tylko odseparowana para wodna. Poáączenie páaszcza wodnego
z atmosferą, zapobiegające wzrostowi ciĞnienia wymagaáo zastosowania tzw. „sita molekularnego”
zapobiegającego ubytkom wody z ukáadu. W efekcie zastosowania tego ukáadu uzyskano zmniejszenie
zuĪycia paliwa o 5,3% i wĊglowodorów o 10% w teĞcie FTP-75 [2].
Przedstawiony ukáad jest ukáadem otwartym, co wymaga stosowania sita molekularnego
zapobiegającego wydostawaniu siĊ wody do atmosfery oraz ogranicza temperaturĊ cieczy wewnątrz
ukáadu ze wzglĊdu na ciĞnienie atmosferyczne. Dlatego celem prowadzonych badaĔ byáo zbadanie
moĪliwoĞci zwiĊkszenia temperatury cieczy cháodzącej przez zastosowanie zamkniĊtego,
wyparkowego ukáadu cháodzenia z ograniczonym nadciĞnieniem. Pierwszym etapem prowadzonych
prac byáy badania zamkniĊtego wyparkowego ukáadu cháodzenia na specjalnym stanowisku
badawczym przeprowadzone w celu sprawdzenia stabilnej pracy ukáadu cháodzenia [3].
2. Stanowisko z prototypem wyparkowego ukáadu cháodzenia
Wyparkowy ukáad cháodzenia do badaĔ zostaá wykonany zgodnie ze schematem
przedstawionym na rysunku 1. Widok ukáadu pokazano na rysunku 2.
3
5
T36
7
4
2
6
T37
12
T39
T35
T34
T38
10
1
9
8
11
Rys.1. Schemat wyparkowego ukáadu cháodzenia: 1 – wáącznik wentylatora, 2 – zbiornik wyrównawczy,
3 – cháodnica, 4 – separator pary wodnej, 5 – manometr, 6 – kadáub silnika, 7 –falownik, 8 – zestaw wáączników,
9 – pompa wodna, 10 – przekáadnia pasowa, 11 – silnik elektryczny, 12 – przepáywomierze
Fig. 1. Scheme of vapour cooling system: 1 – fan switch-key, 2 – fan, 2 – compensation tank, 3 – cooler, 4 – separator,
5 – manometer, 6 – engine frame, 7 – inverter, 8 - switch-key set, 9 - water pump, 10 – transmission, 11 – motor,
12 – flow meters
502
Investigation of the Vapour Cooling System on the Test Stand
Rozwiązania ukáadów stanowiska opisano dokáadniej w publikacji [3]. Podczas badaĔ
wyparkowego ukáadu cháodzenia cieczą cháodzącą byáa woda.
Rys. 2. Widok stanowiska z wyparkowym ukáadem cháodzenia
Fig. 2. Front view of test stand with vapour cooling system
W ukáadzie cháodzenia nie byáo termostatu.
Pompa wodna przetáaczaáa wodĊ przez szklany
separator pary wodnej (4).Zostaá o wykonany ze
szkáa co pozwoliáo na obserwacjĊ procesów
separacji pary wodnej. Po osiągniĊciu odpowiednio
wysokiej temperatury w górnej czĊĞci separatora
zaczynaáa pojawiaü siĊ para wodna co widoczne
byáo jako zmĊtnienie cieczy wypeániającej górną
objĊtoĞü separatora (3). Wypeániaáa ona górną
i Ğrodkową przestrzeĔ separatora, a nastĊpnie byáa
kierowana do skraplacza.
W ukáadzie cháodzenia umieszczono dwa
przepáywomierze do wody gorącej. Pierwszy
przepáywomierz znajdowaá siĊ bezpoĞrednio za
separatorem, natomiast drugi przepáywomierz
umieszczono w kanale za cháodnicą. Suma wskazaĔ
przepáywomierzy pokazywaáa natĊĪenie przepáywu
Fig. 3. Separator z pĊcherzykami pary wodnej
wody
przez
korpus
silnika,
natomiast
w górnej objĊtoĞci
przepáywomierz
znajdujący
siĊ
za
cháodnicą
Fig.3. Separator with steam bubble in top volume
pokazywaá ile wody odparowaáo, a nastĊpnie ulegáo
skropleniu w cháodnicy.
Po wáączeniu grzaáek stanowiska, wáączano jednoczeĞnie pompĊ wodną silnika. Ciecz ciągle
krąĪyáa w ukáadzie, a po odpowiednim wzroĞcie temperatury wody w górnej czĊĞci separatora
zbieraáa siĊ para wodna (rys. 3).
Podczas caáego okresu pracy stanowiska mierzono temperaturĊ w wielu punktach ukáadu
cháodzenia. CelowoĞü tych pomiarów wynikaáa z wczeĞniejszych badaĔ i stwierdzonej duĪej
niejednorodnoĞci temperatury Ğcianek silnika. Ğwiadczące o bardzo zróĪnicowanym rozkáadzie
temperatury wewnątrz páaszcza wodnego. Okazaáo siĊ Īe obszary zwiĊkszonej temperatury mogą
wystĊpowaü w najmniej spodziewanych miejscach [1].
Za pomocą manometru kontrolowano ciĞnienie wewnątrz ukáadu cháodzenia. Zawór parowo
powietrzny zbiorniczka wyrównawczego cieczy cháodzącej byá jednoczeĞnie zaworem
503
J. Walentynowicz
bezpieczeĔstwa, co jednak nie zabezpieczaáo przez rozrywaniem poáączeĔ ukáadu przy duĪym
i szybkim wzroĞcie ciĞnienia podczas próby (zbliĪanie siĊ takiej sytuacji poprzedzane byáo
wypáywem cieczy ze zbiorniczka).
3. Badania prototypu wyparkowego ukáadu cháodzenia
Celem badaĔ byáo okreĞlenie moĪliwoĞci sterowania pracą stanowiska poprzez zmianĊ
prĊdkoĞci obrotowej pompy wodnej i wáączanie wentylatorów w celu utrzymania stabilnego
i dáugotrwaáego poziomu temperatury cieczy cháodzącej podczas.
Podczas przeprowadzonych prób stwierdzono, Īe trudno byáo uzyskaü w miarĊ stabilne
warunki cieplne w ukáadzie i w miarĊ stabilną temperaturĊ cieczy cháodzącej. Prawie kaĪda próba
koĔczyáa siĊ niekontrolowanym wzrostem ciĞnienia, rozszczelnieniem ukáadu oraz gwaátownym
wyrzuceniem cieczy cháodzącej i pary z ukáadu.
Na rysunku 4 przedstawiono zmiany temperatury podczas takiego rozgrzewania ukáadu
zmierzone w nastĊpujących miejscach:
x
odpáywie (T34) i dopáywie (T35) cieczy do kadáuba,
x
dopáywie (T36) i odpáywie (T37) cieczy z cháodnicy.
Na przebiegach tych jest widoczny ciągáy wzrost temperatury cieczy wypáywającej z kadáuba
silnika, która przepáywając przez zewnĊtrzne kanaáy ukáadu jest ocháadzana o kilka, do kilkunastu
stopni Celsjusza, co widoczne jest jako róĪnica temperatury T34 i T35. Od dziesiątej minuty
grzania, gdy Ğrednia temperatura cieczy wypáywającej z kadáuba osiąga ok. 90oC, zaczynają
pojawiaü siĊ pĊcherzyki pary powodujące wzrost temperatury przed cháodnicą. (T36). Nie ma to
istotnego wpáywu na temperaturĊ za cháodnicą (T37).
120
T34
T35
T37
T36
100
T [oC]
80
Ukáad wyparkowy
60
40
20
0
0
4
8
t [min]
12
16
Rys. 4. Wariant 1. Zmiany temperatury cieczy cháodzącej: odpáywającej z kadáuba (T35), dopáywającej do kadáuba
(T34), przed cháodnicą (T36) oraz za cháodnicą (T37)
Fig. 4. Version 1. Changes of temperature of cooling liquid: – flowing out from engine frame (T35), flowing in to
engine frame (T34), before cooler (T36), after cooler (T37)
Podczas dalszego grzania, do 15 minuty cyklu roĞnie temperatura pary wodnej przed
cháodnicą, natomiast nie obserwuje siĊ zmian temperatury za cháodnicą. Jest to wynikiem maáego
strumienia scháodzonej wody wypeániającej tylko czeĞü kanaáu z termoelementem.
Szybki wzrost ciĞnienia w ukáadzie cháodzenia w piĊtnastej minucie próby spowodowaá
wyrzucenie wody z ukáadu cháodzenia takĪe przez przewód w kierunku cháodnicy co widoczne jest
jako gwaátowny wzrost temperatury T37 na rys. 4. NastĊpnie nastąpiáo rozszczelnienie ukáadu na
poáączeniach elastycznych przewodów z separatorem.
504
Investigation of the Vapour Cooling System on the Test Stand
Przepáywając przez przewody i separator temperatura wody ulega znacznemu zmniejszeniu,
nawet o kilkanaĞcie stopni Celsjusza (rys. 5). Niewielkie zmniejszenie temperatury o kilka stopni
stwierdzono takĪe po przepáyniĊciu wody przez przepáywomierz pokazujący natĊĪenie przepáywu
wody przez separator.
120
Ukáad wyparkowy
T38
T39
T35
100
T [oC]
80
60
40
20
0
0
4
8
12
16
t [min]
Rys. 5. Zmiany temperatury cieczy cháodzącej: odpáywającej z kadáuba (T35), za separatorem (T39) przed pompą
wodną (T38)
Fig. 5. Changes of temperature of cooling liquid: – flowing out from engine frame (T35), after separator (T39),
before water pump (T38)
Podczas badaĔ stwierdzono takĪe znaczne zróĪnicowanie temperatury wewnątrz korpusu
silnika. Na rysunku 6 przedstawiono wszystkie przebiegi temperatury zmierzone w róĪnych
miejscach korpusu silnika umieszczonego na stanowisku badawczym. Widoczne są na nim trzy
grupy przebiegów znacznie róĪniących siĊ wartoĞciami temperatury.
T1
180
T2
T3
T4
160
T5
T6
T7
140
T8
T9
T10
120
T11
T12
T13
100
T [ oC]
T14
T15
T16
T17
80
T18
T19
T20
60
T21
T22
T23
40
T24
T25
T26
20
T27
T28
T29
0
T30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
T31
T32
t [min]
T33
T34
Rys. 6. Przebiegi temperatury we wszystkich punktach pomiarowych ukáadu cháodzenia
Fig. 6. Changes of temperature in all measures points at cooling system
NajwyĪszą temperaturĊ stwierdzono w punktach T23, T24, T27 i T28, a wiĊc w kadáubie
i gáowicy z lewej strony silnika wokóá trzeciego cylindra. Temperatura w tych punktach wzrastaáa
najszybciej i osiągnĊáa ona wartoĞci powyĪej 150oC. W miejscu tym w pierwszej kolejnoĞci
505
J. Walentynowicz
tworzyáa siĊ para wodna, która zwiĊkszaáa ciĞnienie w ukáadzie. Jednak juĪ 60mm niĪej
temperatura byáa znacznie niĪsza i osiągaáa co najwyĪej 85oC (przebieg T33 na rysunku 6).
160
Ukáad wyparkowy
140
T24
T28
T33
120
T [oC]
100
80
60
40
20
0
0
4
8
t [min]
12
16
Rys. 7. Zmiany temperatury z lewej strony trzeciego cylindra: w gáowicy (T24), poniĪej na poziomie 1 (T28)
oraz na poziomie 2 (T33)
Fig. 7. Changes of temperature on left side of engine frame: in the head (T24), below on the level 1 (T28)
and on the level 2 (T33)
NajniĪsza byáa temperatura w ukáadzie cháodzenia na zewnątrz silnika (punkty T34 T35, T37
i T38), a takĪe w bloku cylindrów z jego prawej strony na najniĪszym trzecim poziomie miĊdzy 1
i 2 cylindrem (punkt T20) oraz 3 i 4 cylindrem (T19), a takĪe z lewej strony na poziomie 1 za 4
cylindrem (T29) i na poziomie 2 miĊdzy 1 i 2 cylindrem (T30). W pozostaáych miejscach kadáuba
i gáowicy silnika, mierzona temperatura cieczy cháodzącej nie róĪniáa siĊ istotnie.
4. Wnioski
1. Zastosowanie wyparkowego, zamkniĊtego ukáadu cháodzenia powoduje trudny do opanowania
wzrost ciĞnienia w zamkniĊtej objĊtoĞci. Jest to rezultatem zwiĊkszonej objĊtoĞci wáaĞciwej
pary wodnej w stosunku do wody. Efekt ten jest tym trudniejszy do opanowania ze wzglĊdu na
mogące wystĊpowaü nierównomierne cháodzenie silnika i powstające korki parowe
w niektórych objĊtoĞciach páaszcza wodnego silnika.
2. Zastosowanie ukáadu otwartego, mającego poáączenie z atmosferą spowoduje koniecznoĞü
odpowiednio duĪego zbiornika wyrównawczego, w którym nastĊpowaáoby mieszanie pary
wodnej z powietrzem i ewentualne jego usuniĊcie powietrza przy zbyt duĪym wzroĞcie
ciĞnienia. Jednak spowoduje to wzrost gabarytów ukáadu cháodzenia.
PracĊ zrealizowano w ramach projektów badawczych nr N502 046 32/3627, nr 8T12D01621
finansowanych przez Komitet BadaĔ Naukowych.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
Karczewski M., Walentynowicz J., Badania rozkáadu temperatury w silniku AD3.152UR,
Biuletyn WAT nr 6, str. 5-19, 1998.
Muller, P., Muller, P., Heck, E., Seese, W., Verdampfungskulung eine Alternative zur
Konvektionskulung, MTZ 56 12, str. 714-721, 1995.
Walentynowicz J. Stanowisko modelowe do badania ukáadów cháodzenia silników, Journal
of KONES, Vol. 16 No 3. 2007.
WiĞniewski, S., ObciąĪenia cieplne silników táokowych, WKià, Warszawa 1972.
506