Меню раздела

Основные параметры системы охлаждения


Исходной величиной для расчета элементов системы охлаждения является количество теплоты, которое необходимо отвести от двигателя в охлаждающую среду. На основании данных испытаний двигателей жидкостного охлаждения различных типов удельное количество теплоты дохл [в кДж (кВт-ч)] имеет следующие значения.
Двигатели с принудительным зажиганием . . 2840-5700 Дизели:
быстроходные .................... 2270-3700
тихоходные ...................... 1890-3130
Меньшие значения относятся к более быстроходным двигателям с большими мощностями и с меньшей интенсивностью охлаждения, а также к двигателям с наддувом; большие-к двухтактным двигателям небольшой мощности. Эти величины от общего количества теплоты, введенной в двигатель с топливом, составляют соответственно 18-35, 13,2-19,2 и 10-18,2%. При воздушном охлаждении их значения уменьшаются на 15-18%.
Где ах и а-средние за время теплообмена коэффициенты теплоотдачи соответственно от газов нагреваемой стенке и от стенки охлаждающему телу; Гг и ^оХл-средние площади соответственно нагреваемой и охлаждаемой поверхностей; Тг и ^Гохл-средние температуры соответственно газов и охлаждающего тела; X и 5-соответственно средний коэффициент теплопроводности и толщина стенки.
Из уравнения видно, что количество передаваемой через стенку теплоты зависит от рабочего процесса двигателя (влияние ах и Тг), размеров цилиндров двигателей (влияние Рт, ^охл, 8), материала стенок и интенсивности охлаждения (влияние X, Т0хл и а)* Если материалы деталей камеры сгорания, цилиндропоршневой группы и масла могут выдерживать высокие температуры, то необходимо для повышения топливной экономичности двигателей снижать теплоотвод в охлаждающую среду повышением температуры охлаждающего тела и уменьшением площади, воспринимающей теплоту, охлаждаемых поверхностей и коэффициента теплоотдачи. Это достигается выбором охлаждающего тела, величин и направления скоростей его относительно охлаждаемых поверхностей. Наоборот, при выборе менее жаро- и теплостойких материалов или форсировании рабочих процессов необходимо увеличивать теплоотвод, воздействуя на перечисленные выше параметры в обратном направлении.
Удельное количество теплоты, отводимой в охлаждающую среду, зависит от размеров цилиндров и отношения 5/1), влияющих на относительные площади воспринимающих теплоту и охлаждаемых поверхностей (/Охл = ^охл/Ун) (рис. 242), степени наддува, определяющей количество выделяющейся теплоты, приходящейся на единицу площади, воспринимающей теплоту (рис. 243). С увеличением частоты вращения дохл уменьшается вследствие сокращения времени нагревания стенок газами (если при этом не увеличивается период догорания и не возрастает средняя температура газов). При использовании высокотемпературного охлаждения снижается на 20-25% суммарный отвод теплоты (рис. 244) в охлаждающую среду и масло (хотя при этом, как правило, увеличивается отвод теплоты в масло) и до 50%-в охлаждающую среду, что очень важно для уменьшения размеров агрегатов систем охлаждения и охладителей.
Экономичность дизелей при этом повышается до 15% и вследствие некоторого улучшения рабочего процесса и увеличения т\м.
Эффективность теплоотвода в охлаждающую среду от стенок тем больше, чем меньше вязкость среды и чем выше ее плотность, теплопроводность и теплоемкость. Поэтому температура деталей двигателей при охлаждении этиленгликолевыми жидкостями на 10-50°С выше, чем при водяном охлаждении.
При воздушном охлаждении интенсивность отвода теплоты от стенок снижается еще больше. Так, при неподвижных относительно стенок воды и воздуха и при одинаковых АТ коэффициенты теплоотдачи различаются в 30 раз, при движении со скоростью 1-3 м/с воды и 50 м/с воздуха они отличаются в 13-15 раз. При кипении воды интенсивность теплоотдачи превышает интенсивность теплоотдачи в воздух примерно в 40 раз. Поэтому для обеспечения допустимых температур деталей двигателей воздушного охлаждения отношение площадей поверхностей, воспринимающих теплоту от газов и отдающих ее охлаждающему воздуху, увеличивают до 14 раз путем оребрения наружных поверхностей.
Если масло охлаждается рабочим телом системы охлаждения, то величину д0хл необходимо увеличить на 1-4,5%, а при охлаждении маслом поршней-на 5-12,0%. При охлаждении наддувочного воздуха ^0хл возрастает на 2-7,5%; при охлаждении корпусов турбокомпрессоров-на 2-5%.
Общее количество теплоты (в кДж/ч), отводимое в охлаждающую жидкость, можно определить из уравнения или по формуле.
Если данных о значениях од и а, входящих в выражение (167), или значениях д0хл нет» т° для проектируемых четырехтактных двигателей жидкостного охлаждения можно использовать уравнение, где с = 0,414-0,47; г-число цилиндров; О -диаметр цилиндров, см; т = 0,64-0,7; п и а-соответственно частота вращения коленчатого вала и суммарный коэффициент избытка воздуха на режиме номинальной мощности.
При воздушном охлаждении значение 0, можно оценить по уравнению
е = 3 ,6ВдеНи
в котором коэффициент В для бензиновых двигателей и дизелей выбирают в пределах 0,28-0,33 и 0,25-0,3. С учетом теплоты, отводимой от масляного охладителя и картера, значение 2 увеличивается на 4-10%.
Для конструирования систем охлаждения важное значение имеет величина подогрева А Г охлаждающей среды. При малых значениях А Г детали охлаждаются более равномерно, что важно для обеспечения малых градиентов температур в деталях. Однако при малых подогревах для обеспечения необходимого теплоотвода увеличивается расход охлаждающего тела, вследствие чего возрастают затраты мощности на привод насосов, вентиляторов, а также масса и размеры охладителей.
Вода может иметь температуру в пределах — 2 4— 30°С; температура ее подогрева в двигателях во избежание выпадения растворенных солей на охлаждаемых поверхностях не должна превышать 40-50°С. Для обеспечения постоянной величины АТ к поступающей в двигатель воде добавляют выходящую из двигателя нагретую воду в количествах, обеспечивающих температуру на входе в двигатель в пределах 20-27°С, а АТ в пределах 15-40°С В циркуляционных закрытых системах форсированных и быстроходных двигателей величину АТ выбирают в пределах 5-10°С.
При более высокой температуре жидкости на выходе из двигателя не только снижается расход топлива, но и уменьшается коррозионный износ цилиндров, поэтому в циркуляционных системах ее повышают до 75-95°С.
При масляном охлаждении поршней, наличии специально подобранных зазоров между поршнем и цилиндром, использовании теплозащитных покрытий и масел с присадками температуру жидкости можно повысить до 100°С и более.
В случае применения воды при высокотемпературном охлаждении систему охлаждения делают замкнутой и давление в ней повышают до 0,12-0,35 МПа. Ориентировочно зависимость температуры кипения воды от давления определяется формулой.
Температура окружающего воздуха может быть в пределах — 73-4- 57°С. Работу двигателей воздушного охлаждения в столь широком диапазоне температур обеспечить трудно, поэтому в расчетах температуру воздуха на входе в вентиляторы выбирают в пределах 40-55°С, а подогрев АТ в пределах 20-80°С.
Для обеспечения работоспособности головок цилиндров, свечей, форсунок, а также масла интенсивность воздушного охлаждения должна обеспечить следующие температуры (в °С):
головки цилиндров:
из легких сплавов........................ 150-200
из чугунов..............................  160-427
цилиндра .................................... 130-180
Ориентировочно коэффициент теплоотдачи [в кВт/(м2-К)] от ребер цилиндров можно оценить по эмпирическому уравнению (опыты Стантона)
а = 470 (1 + 0,0075Тср) (гсррД0 )0’73,
где Гср-средняя арифметическая температур наружной стенки цилиндра и воздушного потока; 1?ср-средняя скорость воздушного потока, м/с; р-плотность воздуха в потоке, кг/м3; /)0-наружный диаметр цилиндра, мм.
Значения а лежат в пределах 0,175-0,233 кВт/(м2*К).
Поверхности охлаждения и циркуляция охлаждающего тела в двигателях с жидкостным охлаждением охлаждающее тело циркулирует в рубашке, минимальная толщина слоя жидкости в которой определяется технологическими соображениями и составляет для быстроходных I двигателей не менее 3-5 мм. С помощью распределительных каналов, направляющих козырьков и отверстий, а также путем изменения площади сечений проходов для воды движение жидкости организуют так, чтобы в первую очередь охлаждались наиболее нагретые поверхности, осуществлялось равномерное охлаждение без застойных зон и движение жидкости снизу вверх для удаления паров жидкости и воздуха. Однако, как правило, жидкость вводят в рубашку цилиндров, а затем направляют в рубашку головки блока. Средние скорости течения жидкости в зарубашечных пространствах составляют 0,3-1,5 м/с.
В быстроходных двигателях охлаждающую жидкость в рубашку вводят около камер сгорания с тем, чтобы менее нагреваемая часть цилиндров охлаждалась вследствие конвекции-это позволяет уменьшить потери на трение поршней. Для регулирования охлаждения двигателей в зависимости от нагрузки и температуры окружающего воздуха предусматривают несколько кругов циркуляции охлаждающей жидкости: при уменьшении нагрузки прекращается циркуляция жидкости в рубашке цилиндров, а затем и через охладитель.
Элементы системы соединяют между собой стальными трубами и уплотняют резиновыми и паронитовыми прокладками. Для устранения нарушений плотности и поломок в результате механических и тепловых деформаций и вибрации в соединения вводят один или несколько упругих элементов из дюритовых труб.
Ниже приведены удельные значения количества воды, прокачиваемой через различные системы охлаждения [в кгДкВт/ч].
Проточные................ .............. 34-41
Циркуляционные с охладителями:
водо-водяными  ...................... 68-140
водовоздушными.................  105-245
Удельные количества других жидкостей, прокачиваемых через систему охлаждения, меняются обратно пропорционально их теплоемкостям. Сечения трубопроводов выбирают по расчетным скоростям в линиях (1-3 м/с во впускных и 2-6 м/с во вспомогательных).
Удельная вместимость систем охлаждения составляет 0,16-2,1 л/кВт и более.
Удельные массы и габаритные размеры двигателей воздушного охлаждения будут тем меньше, чем большей будет теплоотдача с единицы массы ребер. Теоретически наиболее целесообразно использовать ребра с вогнутыми параболическими поверхностями и с толщиной у концов, равной нулю. Из соображений обеспечения необходимой прочности ребер и технологичности от этой формы отступают и изготовляют ребра, форма которых показана в табл. 4. Наибольшее распространение получили ребра трапециевидной, треугольной с углом 3-5° и прямоугольной формы с симметричными закруглениями концов и оснований.
Ребра цилиндров отливают из чугуна (вместе с цилиндром), алюминиевых сплавов (в виде рубашки, напрессовываемой на стальной или чугунный цилиндр, а в двигателях с малыми Е> - вместе с цилиндром, зеркало которого хромируют), протачивают на стальных и редко-чугунных цилиндрах, завальцовывают из стальных, латунных или дюралевых лент в предварительно проточенные на поверхности стальных цилиндров круговые или винтовые канавки, напрессовывают круговые штампованные из стальной, дюралевой или латунной ленты на стальные и чугунные цилиндры, напаивают на стальные цилиндры (отдельные ребра или ребра из спиральной ленты).
На головках цилиндров ребра имеют форму, усложненную впускными и выпускными каналами, приливами для расположения клапанов, свечей зажигания, форсунок. Их изготовляют вместе с головкой, отливая из чугунов или штампуя из легких сплавов и сталей. При высокой степени форсирования двигателей ребра фрезеруют в стальных головках.
Размеры ребер приведены в табл. 5 (обозначения см. на рис. 245). Расстояние между цилиндрами Ь определяют по уравнению Ь — й0 4- 2Н + Ар, Ар- расстояние между концами ребер, Ар не превышает обычно 2-3 мм.
Для увеличения равномерности и интенсивности охлаждения вокруг цилиндров и головок устанавливают специальные щитки-дефлекторы, направляющие воздух в пространство между ребрами. Дефлектирование позволяет резко сократить расход воздуха на охлаждение и, следовательно, улучшить топливную экономичность двигателей.
Для увеличения коэффициента теплоотдачи ребра наклоняют к воздушному п /току под углом до 30°.
Площадь поверхности охлаждения цилиндров и головок составляет 390-780 см2 на 1 кВт, при этом на долю головок двигателей с принудительным зажиганием должно приходиться не менее 60-75% общей площади ребер; в дизелях площадь ребер головок равна 40-67%.
Скорость воздуха в межреберных пространствах выбирают в пределах 10-30 м/с; в форсированных двигателях она может достигать 60 м/с.
Удельный расход воздуха на охлаждение двигателя колеблется в пределах 54-175 кг/(кВт-ч) в зависимости от конструкции оребрения, дефлекторов, допустимой температуры стенок цилиндров и головок и параметров рабочего процесса (большие значения относятся к двигателям с меньшими размерами цилиндров.