Расчет жидкостной системы охлаждения предполагает определение расхода теплоносителей, поверхности охлаждения радиатора, выбор типа радиатора и его конструктивных параметров. Система охлаждения состоит из жидкостного и воздушного контуров, радиатора и вентилятора. Расчет жидкостной системы охлаждения проводится с целью определить:
- ? количество теплоты, отводимой охлаждающей жидкостью в единицу времени, для данного двигателя;
- ? расход охлаждающей жидкости, обеспечивающей отвод от цилиндров и других деталей двигателя заданного количества теплоты в единицу времени;
- ? расход потока воздуха, обеспечивающего отвод и рассеивание в окружающей среде того же количества теплоты и в то же время;
- ? охлаждающую поверхность радиатора, обеспечивающую передачу теплоты от жидкости к потоку воздуха в совокупности с полученными расходами теплоносителей и заданными температурными параметрами жидкости, а также тип радиатора, его конструктивные параметры;
- ? тепловую характеристику радиатора, гидравлические характеристики жидкостного тракта и аэродинамическую характеристику воздушного тракта;
- ? способность системы охлаждения обеспечивать заданный температурный режим двигателя при переменных нагрузках и при предельных температурах окружающей среды.
Блок-схема алгоритма расчета жидкостной системы охлаждения приведена на рис. 4.1.
При расчете системы охлаждения предполагается, что ее температурный режим является установившимся и процесс тепло-
Рис. 4.1. Блок-схема алгоритма расчета радиатора обмена соответствует стационарному режиму теплопроводности. Это означает, что количество теплоты, отводимое от нагретых деталей двигателя в охлаждающую жидкость в единицу времени, равно количеству теплоты, передаваемому жидкостью поверхности охлаждения радиатора, а также количеству теплоты, поступающему потоку воздуха и рассеиваемому им в окружающую среду за то же время. Это условие запишем в виде
Таким образом, исходным параметром для расчета системы охлаждения является количество теплоты, поступающее в охлаждающую жидкость, Qj/. Эта теплота, как отмечалось ранее, может быть определена посредством экспериментальных исследований при определении теплового баланса двигателя, расчетным методом на основании обобщенных переменных по базовой точке или по эмпирическим формулам.
Количество теплоты, поступающей в охлаждающую жидкость, определяется постоянными и переменными факторами. К постоянным факторам относятся конструктивные параметры двигателя (параметры цилиндра и поршня, степень сжатия, способ всасывания, угол опережения впрыска топлива или подачи искры у карбюраторных двигателей, способ охлаждения смазочного масла), к переменным - средняя температура циклов в двигателе, температура окружающей среды, скоростной и нагрузочный режимы работы двигателя и т.д.
Расчет системы охлаждения проводится с учетом двух режимов работы двигателя - режима номинальной мощности N e ном и режима максимального крутящего момента М кртах. Допустимая температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения при работе двигателя в указанных режимах приведена в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Допустимая температура охлаждающей жидкости, °С
Наиболее достоверное значение теплоты, поступающей в охлаждающую жидкость, может быть получено в ходе экспериментальных исследований при снятии теплового баланса двигателя, по и это значение параметра имеет погрешность 3...5 %. Расчет по приведенным эмпирическим формулам, как показал анализ, может значительно исказить расчетное количество теплоты как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Ошибка в расчетах может составить ±12...25 %, и если при этом расчетное значение теплоты будет уменьшено, то проектируемая система охлаждения не обеспечит требуемый отвод теплоты от двигателя и заданный температурный режим, что приведет к перегреву. Если же расчетное значение количества теплоты завысить, рабочая температура будет ниже требуемой, а это грозит переохлаждением двигателя. Метод расчета количества теплоты, поступающей в охлаждающую жидкость, па основе обобщенных переменных по базовой точке дает вероятностное значение параметра исходя из статистических данных ряда двигателей. Этот метод также не позволяет получить достоверное значение параметра для конкретного двигателя. Преимущество его состоит в том, что, принимая расчетное количество теплоты по верхнему пределу доверительного интервала (см. рис. 3.14), этот параметр уже содержит запас тепловой эффективности, значение которого принимается в функции от номинальной мощности двигателя.
Запас тепловой эффективности - это способность системы охлаждения отводить количество теплоты больше расчетного в пределах, обеспечивающих заданный температурный режим двигателя в переменных условиях эксплуатации. В случае принятия расчетного количества теплоты менее действительного увеличение запаса тепловой эффективности компенсирует имеющуюся разность и система охлаждения обеспечит заданный температурный режим двигателя. С другой стороны, если система охлаждения будет способна отводить количество теплоты более требуемого, это позволит удержать температурный режим двигателя в заданных пределах при воздействии вероятностных возмущающих факторов. Следовательно, дополнительные затраты па материалы для радиаторов, увеличение затрат мощности на привод водяного насоса и вентилятора, увеличение трудоемкости изготовления радиаторов при проектировании системы охлаждения позволят обеспечить надежность и безотказность как двигателя, так и тракторного агрегата при воздействии возмущающих факторов па систему охлаждения. Таким образом, расчетное количество теплоты является целевой функцией оптимизации параметров системы охлаждения, которая не должна сводиться к минимуму, а должна быть направлена па определение оптимальной величины запаса тепловой эффективности системы охлаждения. Нижним пределом этого параметра является количество теплоты, поступающее в охлаждающую жидкость при сгорании топлива в цилиндрах двигателя.
Рассмотрим последовательность расчета.
1. Расчетное количество теплоты, поступающее в охлаждающую жидкость, при проектировании системы охлаждения определяется по формуле
где ?,q - коэффициент запаса тепловой эффективности, принимается равным 0,05...0,15.
2. Температурный режим системы охлаждения будет поддерживаться в требуемых пределах при достаточной циркуляции жидкости через радиатор. Средняя температура охлаждающей жидкости тем выше, чем меньше перепад температур на ее входе и выходе при постоянном значении температуры на выходе из двигателя. Расход охлаждающей жидкости, циркулирующей в жидкостном контуре,
где Сру - теплоемкость охлаждающей жидкости (кДжДкг К)): для воды - 4,178, для низкозамерзающей жидкости - 2,093; -
плотность охлаждающей жидкости (кг/м 3): для воды при температуре 90...95 °С - 961,085, для низкозамерзающей жидкости -
Перепад температуры охлаждающей жидкости Му
= tyi
-
ty
задастся при расчете, для систем охлаждения двигателей он находится в пределах Л?у расч = 5...8 °С. Поскольку
средняя температура жидкости будет меньше при увеличении перепада температуры. Увеличение перепада температуры на выходе из двигателя и входе в него не способствует обеспечению эффективной работы двигателя. Из уравнения (4.1) следует, что перепад температуры уменьшается при увеличении расхода охлаждающей жидкости. Для форсированных тракторных двигателей значение перепада температуры принимается равным Д^расч = 5 °С.
Производительность принимаемого насоса G BH принимается из условия G BH > Су расч. Условием достаточной производительности водяного насоса с учетом гидравлических сопротивлений жидкостного тракта является
где С,у - коэффициент гидравлических потерь, С,у = (0,10...0,15); Лв.н - коэффициент подачи насоса, учитывающий потери жидкости в насосе, Лв.н = (0,8...0,9).
Удельная производительность водяного насоса
Этот показатель имеет разное значение для тракторов и автомобилей, для тракторов он составляет 0,08...0,13 м 3 /(кВт ч).
Производительность водяного насоса по среднестатистическим данным удельной производительности
Емкость (объем) системы охлаждения определяется количеством жидкости, заполняющей внутренние полости рубашки охлаждения, радиатора, шланги и патрубки. Общая емкость системы охлаждения зависит от принятых скоростей движения жидкости в контуре, конструкции двигателя, применяемости двигателя на тракторе или автомобиле, условий эксплуатации. Принятое количество воды в системе охлаждения должно обеспечить работу двигателя в особо тяжелом режиме кратковременно, причем жидкость не должна закипеть. Общая емкость системы охлаждения рассчи294
тывается по удельному статистическому значению объема. Среднестатистическое значение удельного объема системы охлаждения
где V co - емкость (объем) системы охлаждения, м 3 . Среднестатистическое значение этого показателя
систем охлаждения составляет:
- ? для тракторов - (0,17...0,25) 1(Г 3 м 3 /кВт;
- ? грузовых автомобилей - (0,08...0,24) 1(Г 3 м 3 /кВт;
- ? легковых автомобилей - (0,13...0,32) 1(Г 3 м 3 /кВт;
- ? тяжелых гусеничных машин - (0,816...2,04) 1(Г 3 м 3 /кВт. Емкость системы охлаждения
Кратность циркуляции жидкости в жидкостном контуре рассчитывается по формуле
и принимается в пределах нс менее 4... 12.
3. Расход воздуха через воздушный тракт и радиатор должен обеспечить отвод расчетного количества теплоты от радиатора и рассеять его в окружающей среде. Трактор и автомобиль являются движущимися машинами, и набегающий поток воздуха также проходит через радиатор, увеличивая его общий массовый расход через воздушный тракт. Скорость встречного потока воздуха при движении автомобиля со скоростью 15 км/ч составляет 4,5...5,5 м/с. При существующих скоростях движения автомобиля встречный поток воздуха оказывает существенное влияние на отвод теплоты от радиатора. При проектировании систем охлаждения тракторов и автомобилей встречный поток воздуха не учитывается, так как скорости движения трактора в рабочих режимах при выполнении ряда сельскохозяйственных работ не превышают 15 км/ч, а автомобили должны работать и с малыми скоростями, и с большими нагрузками, при движении под гору, в условиях, когда встречный поток воздуха не оказывает влияния па работу системы охлаждения.
В системе охлаждения отвод теплоты от одного из теплоносителей требует строго определенного расхода другого теплоносителя. При разных видах теплоносителей это обусловливается их разной теплоемкостью, а при одном виде теплоносителя - разной начальной температурой. Для обеспечения заданного температурного режима системы охлаждения необходимо, чтобы Q v = Q w . Расход воздушного теплоносителя определяется способностью воспринять заданное количество теплоты. Разная температура воздуха на входе в радиатор требует разнос количество воздуха. При снижении температуры воздуха на входе в радиатор понадобится меньше воздуха для обеспечения заданной температуры системы охлаждения, что является следствием зависимости теплоемкости воздуха от температуры.
Расход воздуха через радиатор
Циркуляция воздуха через радиатор является весьма сложным процессом, зависящим от многих факторов. Конструкции радиатора, воздушного тракта создают значительное сопротивление прохождению воздуха. Установка в воздушном тракте узлов и агрегатов вызывает нагрев воздуха при прохождении через другие тепло- обменные аппараты (радиаторы - масляный, кондиционера, трансмиссии и охлаждения наддувочного воздуха), нарушает равномерность распределения потока воздуха перед фронтом радиатора вследствие установки жалюзи, шторки, воздухоочистителя, аккумуляторных батарей и других узлов. Отсутствие разделения между воздушным трактом и моторным отсеком вызывает перетекание горячего воздуха от дизеля в зону перед радиатором.
При расчете расхода воздуха систем охлаждения машин, у которых перед фронтом радиатора другие тсплоотдающие узлы отсутствуют, минимальная температура воздуха на входе в радиатор t m должна быть не менее 35 °С, что соответствует наибольшей тем-
пературе окружающего воздуха для нормального климата? окр, т.е. t m = t OKp . При существующих компоновках воздушного тракта сельскохозяйственных тракторов, когда перед радиатором охлаждения жидкости устанавливается масляный радиатор двигателя, радиатор охладителя наддувочного воздуха, кондиционера, тепловыделяющие узлы гидроусилителя рулевого управления, гидростатического отбора мощности, температура воздуха, поступающего непосредственно к радиатору охлаждения жидкости, на At Wi = 5...6° выше. Тогда начальная температура воздуха перед фронтом радиатора будет равна t m = (? окр + At Wi). Увеличение температуры воздуха перед фронтом радиатора уменьшает количество теплоты, уносимое воздушным потоком в единицу времени, и снижает эффективность радиатора по отводу теплоты от охлаждающей жидкости. При расчете системы охлаждения тропического исполнения начальная температура воздуха? окр принимается равной 45 °С.
Температура воздуха t m на выходе из радиатора охлаждения жидкости составляет:
- ? у тракторов 63,0...68,5 °С, температурный перепад по воздуху равен 26...30 °С;
- ? автомобилей 55...65 °С, температурный перепад по воздуху равен 20...30 °С.
Тогда перепад температур будет равным At w = t m ~ twu расчетное значение температурного перепада для тракторов принимается А^расч = 26...30 °С; для автомобилей - А% раС ч = 20...30 °С.
Количество воздуха, поступающего к радиатору, уменьшается вследствие снижения его скорости при прохождении через лобовую сетку маски капота, продвижения через иные теплообменные аппараты, обдува других узлов, установленных перед радиатором охлаждения жидкости. Начальная скорость воздуха, замеренная перед лобовой сеткой капота, и конечная скорость - перед фронтом радиатора зависят от имеющихся сопротивлений при его циркуляции. Расход воздуха через радиатор пропорционально зависит от его скорости. Общий суммарный коэффициент снижения расхода воздуха при расчетах C, w = 0,05...0,15. При отсутствии других узлов перед фронтом радиатора коэффициент снижения расхода воздуха принимается наименьшим для учета сопротивлений воздуху при прохождении через лобовую сетку капота.
Расчетное количество воздуха
где C, w - коэффициент снижения расхода воздуха при установке перед радиатором других, не относящихся к системе охлаждения узлов.
4. По результатам проведенных расчетов расхода теплоносителей определяется значение градиентов их температур. Градиент температуры охлаждающей жидкости
и воздуха
При расчете задается температура охлаждающей жидкости на выходе из радиатора в пределах tyi = 95...98 °С, а также температура воздуха на входе в радиатор, она равна температуре окружающей среды t w 1 = 35 °С для условий нормального климата и t m = 45 °С для условий тропического климата. Средние значения температур теплоносителей на выходе из радиатора:
Охлаждающей жидкости:
Воздуха:
5. Расчет радиатора заключается в определении поверхности охлаждения, необходимой для рассеивания потоком воздуха заданного количества теплоты при заданных условиях. Поверхность охлаждения радиатора вычисляется по известной формуле Ньютона - Фурье:
где kj - коэффициент теплопередачи поверхности охлаждения радиатора потоку воздуха.
Коэффициент k T зависит от типа охлаждающей жидкости, материала и конструктивных параметров трубок и пластин или лент, потока теплоносителей и т.д. Значение коэффициента теплопередачи зависит от физических параметров теплоносителей и теплотехнических и геометрических параметров теплопередающих элементов радиатора. Классическая формула для определения коэффициента теплопередачи радиатора без учета слоя накипи па внутренних стенках трубок имеет вид
где CLy - коэффициент теплоотдачи от охлаждающей жидкости к стенке трубок, а у = 2500...5000 Вт/(м 2 К); - коэффициент
теплоотдачи от стенки трубок воздуху, a w = 100 Вт/(м 2 К); 5 СТ - толщина стенки трубки, м; А, ст - коэффициент теплопроводности, для медных трубок А, ст = 330 Вт/(м 2 К); F w , F v - соответственно поверхностиохлаждения по воздуху и по охлаждающей жидкости.
Отношение
называется коэффициентом оребрения |/, для трубчато-пластинчатых радиаторов
Коэффициент теплоотдачи от жидкости к стейке трубок труб- чато-пластипчатых и ребристых радиаторов можно также подсчитать по известной формуле Крауссольда:
где Ху - коэффициент теплопроводности жидкости; d V3KB - эквивалентный диаметр трубки по внутренней стороне; Re у - число Рейнольдса для потока жидкости в трубках радиатора; Рг^ - число Прандля для потока жидкости в трубках радиатора.
Рис. 4.2.
В конструкциях радиаторов охлаждения жидкости двигателей тракторов и автомобилей ряд элементов радиатора (трубки, параметры пластин и лент, кроме габаритных, пробки) являются унифицированными и применяются при создании новых радиаторов. При расчете радиаторов геометрические параметры трубок (рис. 4.2) задаются по известным применяющимся аналогам.
По геометрическим параметрам трубки эквивалентный диаметр определяется по формуле
где 5 хр - площадь трубки в поперечном сечении по внутренней стороне; Р хр - периметр поверхности трубки по внутренней стороне.
После подстановки в формулу (4.5) геометрических параметров стандартной плоскоовальной трубки получим следующее выражение:
Число Рейнольдса для потока охлаждающей жидкости в трубках подсчитывается по известной формуле
где Wy - скорость жидкости в трубках; Vy - кинематический коэффициент вязкости жидкости.
В радиаторах с плоскоовальпыми трубками скорость жидкости при ее температуре 89...95 °С составляет 0,18...0,3 м/с.
Критерий Прандля для условий теплообмена в радиаторе определяется по формуле
Коэффициент теплоотдачи от охлаждающих пластин и стенок трубок потоку воздуха трубчато-пластинчатых радиаторов можно подсчитать по формуле Н.Б. Марьямова , при выводе которой было принято допущение, что коэффициенты теплоотдачи от пластин воздуху и от трубок воздуху одинаковы:
где d wэкв - эквивалентный диаметр ячейки, образуемой трубками и охлаждающими пластинами (рис. 4.3).
Этот диаметр рассчитывается по формуле
где Sw - площадь ячейки по внутренней стороне; P w - периметр поверхности ячейки по внутренней стороне.
Рис. 4.3.
Площадь ячейки и периметр поверхности определяются исходя из геометрических параметров трубок, пластин и заданного шага пластин в сердцевине радиатора (рис. 4.3), которые в расчете радиатора принимаются по аналогии с существующими конструкциями или задаются иными.
При подстановке принятых геометрических параметров сердцевины радиатора в формулу (4.5) получим
где 5 ПЛ - шаг охлаждающих пластин; 8 ПЛ - толщина пластины; Sr - шаг трубок в сердцевине по фронту; D Tp - наружный диаметр (толщина) трубки.
Число Рейнольдса для потока воздуха в ячейках сердцевины радиатора
где Wyj - скорость протекания воздуха через решетку радиатора; Vw~ кинематический коэффициент вязкости воздуха.
Определив коэффициенты теплоотдачи от жидкости стенке трубки и от стенки трубки воздуху, запишем коэффициент теплопередачи от жидкости воздуху через стенку трубки. С учетом принятых конструктивных параметров радиатора при подстановке в формулу (4.4) он будет иметь вид
При существующих скоростях течения жидкости в трубчатопластинчатых радиаторах коэффициент теплоотдачи от жидкости стенке трубки осу « 2,32 кВтДм 2 К). Подставив значение осу в формулу (4.7), получим выражение коэффициента теплопередачи трубчато-пластинчатого радиатора в функции от коэффициента теплоотдачи от стенки трубки воздуху:
Поверхность охлаждения радиатора F OXJl определяется по формуле (4.3) при подстановке полученного значения k T по одной из приведенных формул и перепада средних температур теплоносителей At v _ w = (t v -t w). Для определения перепада температур теплоносителей радиатора предлагается формула, которая учитывает параметры конструкции радиатора:
где A t v _ w - разность средней температуры охлаждающей жидкости и потока воздуха на входе в радиатор; / с - глубина сердцевины радиатора; Ре^ - критерий Пекле, равный для воздуха через критерий Рейнольдса 0,71 Re^.
Приняв значение коэффициента оребрения для тракторных радиаторов равным |/ = 3...4, коэффициента теплопроводности воздуха X w = 2,71 10 2 Вт/(м К) и введя критерий Рейнольдса в формулу (4.9), после преобразований получим
Рассмотренный метод расчета системы охлаждения следует считать классическим, он используется в научных работах многими исследователями, разработчиками систем охлаждения тракторов и автомобилей.
Другой метод расчета поверхности охлаждения радиатора разработан В.Е. Тарасенко . Преимущество метода заключается в возможности проведения расчетов по определению требуемой поверхности охлаждения с различными типами сердцевины, не прибегая к использованию параметров радиаторов-аналогов.
Для определения количества теплоты, передаваемой поверхностью охлаждения радиатора потоку воздуха, использован такой параметр, как пористость трубного пучка сердцевины р. Для радиаторов коридорного типа (рис. 4.4) при относительном продольном шаге трубок, равном отношению шага к наружному диаметру
трубки b > 1, пористость трубного пучка предлагается рассчитывать по формуле
где b - относительный продольный шаг трубок, b = S^/D.
Учитывая, что D = 2R, при подстановке этого выражения в формулу (4.10) получим
При шахматном расположении трубок в сердцевине (см. рис. 1.63), когда относительный поперечный шаг с
где с - относительный поперечный шаг трубок по глубине сердцевины.
Рис. 4.4.
Поскольку с = S}
