Система воздушного охлаждения

Воздушная система охлаждения имеет следующие преимущества: простота конструкции и обслуживания, меньший вес двигателя, пониженные требования к температурным колебаниям окружающей среды. Недостатками двигателей с воздушным охлаждением являются большая потеря мощности на приводе охлаждающего вентилятора, шумная работа, чрезмерная тепловая нагрузка на отдельные узлы, отсутствие конструктивной возможности организации цилиндров по блочному принципу, сложности с последующим использованием отводимого тепла, в частности – для обогрева салона. В современных двигателях автомобилей система воздушного охлаждения встречается довольно редко, и основное распространение получила система жидкостного охлаждения закрытого типа.

Систему воздушного охлаждения применяют на автотракторных двигателях небольшой мощности. При воздушном охлаждении отвод теплоты от нагревающихся деталей (головка, цилиндр) осуществляется обдувкой их струей воздуха. Интенсивность воздушного охлаждения зависит от скорости, плотности и температуры охлаждающего воздуха и размеров поверхности отдачи теплоты. Чтобы повысить интенсивность отдачи теплоты окружающему воздуху, наружные поверхности цилиндров и головок изготовляют со специальными ребрами. Обдув оребренных поверхностей цилиндров и головок осуществляется с помощью специальных вентиляторов.

В двигателях с воздушной системой охлаждения применяют центробежные и осевые вентиляторы.

Расчет теплообменных аппаратов

В автотранспорте в основном используются поверхностные теплообменные аппараты рекуперативного типа. В них теплообмен между теплоносителями происходит через разделительные стенки, и в каждой точке стенки тепловой поток сохраняет постоянное направление.

Схемы движения теплоносителей

По схеме движения теплоносителей следует различать аппараты:

1. прямого тока (рисунок а);

2. противоточные (рисунок б);

3. перекрестного тока (рисунок в);

4. со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока)(рисунок г).

Если в теплообменном аппарате первичный (горячий) и вторичный (холодный) теплоносители протекают параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком. Если теплоносители протекают параллельно, но в противоположных направлениях, то такая схема называется противотоком. Если жидкости протекают во взаимно перпендикулярных направлениях, то схема движения называется поперечным током. Помимо таких простых схем движения, на практике осуществляются и более сложные: одновременно прямоток и противоток, многократно перекрестный ток и др.

Общим уравнением при расчете теплообменника любого типа является уравнение теплового баланса – уравнение сохранения энергии. Если пренебречь потерями в окружающую среду и тепловыми эффектами в самом теплообменнике, то уравнение баланса примет вид:

Q ₁= Q ₂= Q,

где Q — количество теплоты, передаваемое через поверхность теплообмена;

Q ₁- количество теплоты, подведенной горячим теплоносителем;

Q ₂—количество теплоты, отведенной холодным теплоносителем.

Если теплоносители не меняют своего фазового состояния, то уравнение баланса можно представить следующим образом:

,

где t’_{ж 1}и t”_{ж 1}– температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменника;

t’_{ж 2}и t”_{ж 2}– температуры холодного теплоносителя на входе и выходе из теплообменника;

G ₁и G ₂– массовые расходы теплоносителей;

с_{р 1}и с_{р 2} – изобарные массовые теплоемкости теплоносителей.

Тонкие стенки трубок теплообменных аппаратов практически всегда принимают плоскими, поэтому уравнение теплопередачи записывается так:

,

где F – поверхность для передачи теплового потока;

К – средний коэффициент теплопередачи;

- среднеинтегральная по длине теплообменника разность температур теплоносителей.

При небольших изменениях температур теплоносителей, при отношении максимального и минимального перепадов температур (D t _б)/ (D t _м) < 2 можно пользоваться среднеарифметическим значением разности температур теплоносителей:

При значительных перепадах температур для прямоточных и противоточных теплообменников

. (*)

При перекрестном токе теплоносителей средняя разность температур меньше, чем при противотоке, но меньше, чем при прямотоке. В этом случае расчет производится как для противотока, согласно (*), а затем вычисляют вспомогательные параметры

и .

По значениям этих параметров из соответствующего графика (рисунок) находят поправочный коэффициент ε _{Δ t} для величины и средний температурный напор при перекрестном токе:

а - однократно перекрестный ток (перемешивается только один из теплоносителей); б - двукратно перекрестный ток (перемешивается только один из теплоносителей); в - двукратно перекрестный ток (один теплоноситель перемешивается непрерывно, другой - только между ходами); г - трехкратно перекрестный ток (один теплоноситель перемешивается непрерывно, другой - только между ходами). При числе ходов более трех ε _{Δ t} принимается равным единице.

Таким образом, выбрав геометрию поверхностей теплообмена и принципиальную схему теплообменного аппарата в целом, после соответствующих расчетов К и можно определить площадь теплопередающей поверхности, необходимой для обеспечения заданной теплопроизводительности аппарата

.

При поверочном расчете известна конструкция теплообменника и начальные параметры теплоносителей. Необходимо рассчитать конечные параметры, т.е. оценить пригодность теплообменника для заданных условий.

Одним из методов является метод последовательных приближений. Для этого задаются температурой одного из теплоносителей, по уравнению теплового баланса рассчитывают температуру второго теплоносителя и выполняют конструктивный расчет. Если полученное значение поверхности теплообмена F имеющегося теплообменника, задаются другим значением температуры теплоносителя на выходе и расчет повторяют вновь.

Обычно такие расчеты выполняются на компьютере.