Чиллер для испытательного стенда двигателей: расчёт по мощности

Чиллер для испытательного стенда двигателей снимает мощность, которую двигатель отдаёт тормозу-динамометру, и тепло его собственной системы охлаждения: на полной нагрузке в воду стенда уходит почти вдвое больше, чем двигатель выдаёт на валу. Калькулятор посчитает холодопроизводительность по максимальной мощности двигателя, средней нагрузке программы испытаний и тому, что подключено к воде стенда, и покажет расход воды.

Откуда берётся тепло

• Тормоз-динамометр. Гидравлический или вихретоковый тормоз превращает в тепло всю мощность двигателя на валу: 300 кВт на валу — 300 кВт в воду тормоза. Электрический тормоз-генератор отдаёт энергию в сеть, и его нагрузка на воду — только потери, 5–10 %.
• Рубашка двигателя. Двигатель внутреннего сгорания сбрасывает в охлаждающую жидкость ориентировочно 0,7–0,8 кВт на каждый киловатт мощности на валу; на стенде вместо радиатора стоит теплообменник на воде чиллера.
• Интеркулер и масло. Охладитель наддувочного воздуха и маслоохладитель добавляют ещё около 0,15 кВт на киловатт мощности. Выхлоп в расчёт не входит — он уходит в вытяжку.
• Средняя нагрузка. Программа испытаний редко держит полную мощность весь цикл: ресурсные испытания идут на 50–70 %, приёмо-сдаточные — короткими выходами на максимум, которые закрывает бак.

Формула

Q_ст = P × a × b

Q = Q_ст × (1 + k)

G = Q / (1,163 × 10)

• Q_ст — тепло, уходящее в воду стенда, кВт;
• P — максимальная мощность двигателя, кВт;
• a — средняя доля нагрузки в программе испытаний: 0,5, 0,7 или 1,0;
• b — тепло в воду на 1 кВт мощности на валу: 1,0 — только тормоз; 1,75 — тормоз и рубашка двигателя; 1,9 — тормоз, рубашка и интеркулер с маслоохладителем;
• k — запас, в долях; G — расход воды, м³/ч; 10 — нагрев воды на стенде, °C (тормоза допускают 10–15 °C, поэтому расход вдвое меньше обычного).

Воду на стенд подают 25–30 °C: тормозу и рубашке двигателя холоднее не нужно, а чиллер с такой уставкой — исполнение с водой до +30 °C, которое подбирают индивидуально, как для масла в задаче о чиллере для гидростанции. Большую часть года такой контур работает на фрикулинге — экономию считают в расчёте экономии от фрикулинга.

Пример расчёта

Стенд для дизелей до 300 кВт, типовые программы со средней нагрузкой 70 %, к воде подключены тормоз и рубашка двигателя, вода 25 °C, запас 15 %.

1. Тепло стенда: 300 × 0,7 × 1,75 = 367,5 кВт.
2. Холодопроизводительность с запасом: 367,5 × 1,15 = 422,625 кВт, округлённо 422,6 кВт.
3. Расход воды при нагреве на 10 °C: 422,625 / (1,163 × 10) = 36,3 м³/ч.

Короткие выходы на полную мощность — 525 кВт против 367,5 — закрывает бак: 15 минут такого режима требуют около 3,4 м³ воды при допустимом нагреве на 10 °C, объём считают в расчёте объёма бака-аккумулятора. Несколько боксов с разными двигателями складывают в проекте охлаждения.

Типовые ошибки

• Считают по мощности на валу. Для ДВС в воду уходит ещё 75 % этой мощности из рубашки; чиллер «на 300 кВт» для двигателя 300 кВт мал почти вдвое.
• Вода 7 °C на тормоз. Чиллер с такой уставкой тратит на 40 % больше электроэнергии, а в вихретоковом тормозе на холодных стенках выпадает конденсат. Температуру задают по паспорту тормоза, обычно 25–35 °C на входе.
• Перепад 5 °C «как у всех». Тормоз допускает нагрев воды на 10–15 °C; при 5 °C расход и диаметры труб вдвое больше нужного — диаметр проверяют в расчёте диаметра трубопровода.
• Открытый бак тормоза без теплообменника. Вода гидротормоза с продуктами коррозии и воздухом не должна попадать в испаритель; контуры развязывают промежуточным теплообменником.