4. Тепловий розрахунок радіатора системи охолодження автомобіля

Завдання. Визначити площу поверхні нагріву рекуперативного поверхневого газоповітряного теплообмінника при прямо- і протиточній схемах руху теплоносіїв, якщо об’ємна витрата повітря, що нагрівається при нормальних умовах , початкові і кінцеві температури продуктів згоряння і повітря відповідно взяти з табл. 3. Для розрахунків початкові дані:

– атмосферний тиск;

Вт/(м·К) – коефіцієнт теплопровідності рідини;

– відстань між пластинами;

Вт/(м·К) – коефіцієнт теплопровідності повітря;

;

кг/м³ – густина повітря;

– температура рідина на вході;

– відстань між ребрами;

– відстань між трубками;

– рядна відстань між центрами трубок.

Таблиця 3

Вихідні дані до завдання

Остання цифра шифру	, м3/с	0С	Перед-остання цифра шифру	Значення температури, 0С
0	0,065	75	0	510	300	60	360
1	0,075	77	1	530	310	40	350
2	0,083	79	2	550	320	30	260
3	0,111	81	3	570	330	20	310
4	0,139	83	4	590	400	10	300
5	0,167	84	5	610	410	0	350
6	0,194	85	6	630	420	10	290
7	0,22	86	7	650	430	15	275
8	0,250	87	8	670	440	20	240
9	0,278	88	9	690	470	25	290

Таблиця 4

Вихідні дані до завдання

Остання цифра шифру	кг/м3	Дж/(кг*К)			м	Па	, 0С	, м/с	Па	, Па	м/с
0	3312	980	0.8	0,022	0,00014	590	20	6	600	100256	0,56
1						595		8
2	3368	1022	0.86	0.024	0.00015	600	22	10	650	100488	0,58
3						605		12
4	3470	1078	0.92	0,026	0,00016	610	26	14	750	100725	0,6
5						615		16
6	3521	1096	0.95	0,028	0,00017	620	28	18	850	100968	0,62
7						625		20
8	3667	1134	1	0,030	0,00018	630	30	22	1000	101289	0,64
9						635		24

4.1. Радіатор фактично є теплообмінним апаратом для повітряного охолодження рідини, що поступає від нагрітих деталей двигуна.

Тому розрахунок радіатора, як і будь-якого теплообмінного апарату, полягає у визначенні поверхні теплообміну, необхідної для передачі тепла від охолоджувальної рідини до повітря, що обдуває цю поверхню. Крім того, завжди проводиться гідравлічний розрахунок рідинного і повітряного трактів, оцінка компактності і коефіцієнта корисної дії радіатора.

У системах рідинного охолодження автомобільних і тракторних двигунів зазвичай застосовуються два типи конструкцій теплопередаючих поверхонь: трубчасто-пластинчаті і трубчасто-стрічкові. В основі теплового розрахунку теплообмінника є принцип теплових балансів, який полягає у наступному: кількість теплоти, яку віддали продукти згоряння у теплообміннику рівна кількості теплоти, яку сприйняло повітря, що підігрівається і рівна кількості теплоти, яка теплопередачею передалась від продуктів згорання повітрю через теплопередаючу поверхню (стінку внутрішньої труби).

де кількість теплоти, яку віддали продукти згоряння, Вт;

кількість теплоти, яку сприяло повітря, що підігрівається, Вт;

кількість теплоти, яка теплопередачею передалась від продуктів згоряння до повітря, що підігрівається теплопередачею через стінку внутрішньої труби, Вт.

4. 2. Підраховуємо кількість теплоти, яку сприйняло підігріватиме повітря у теплообміннику із рівняння:

де середня питома ізобарна теплоємність повітря для температури повітря , з таблиць фізичних властивостей повітря (додаток 3), Дж/(кг·К);

густина повітря для з таблиць фізичних властивостей повітря (додаток 3), кг/м³.

об’ємна витрата повітря, табл. 3, м³/с;

відповідно температура повітря після теплообмінника і на вході в нього, табл 3, ⁰С.

4.3.  Радіатор фактично є теплообмінним апаратом для повітряного охолодження рідини, що поступає від нагрітих деталей двигуна.

Тому розрахунок радіатора, як і будь-якого теплообмінного апарату, полягає у визначенні поверхні теплообміну, необхідної для передачі тепла від охолоджувальної рідини до повітря, що обдуває цю поверхню. Крім того, завжди проводиться гідравлічний розрахунок рідинного і повітряного трактів, оцінка компактності і коефіцієнта корисної дії радіатора.

У системах рідинного охолодження автомобільних і тракторних двигунів зазвичай застосовуються два типи конструкцій теплопередаючих поверхонь: трубчасто-пластинчаті і трубчасто-стрічкові.

Розрахуємо основні характеристики для трубчасто-пластинчатої конструкції радіатора. Згідно з рекомендаціями, виберемо тип трубних грат : шахова з плоскоовальними трубками (рис 3).

Рис. 3. Конструктивний тип грат (шаховий з плоскоовальними трубками)

4.4. Розрахунок розпочинається з визначення сумарного прохідного (живого) перерізу трубок одного ходу потоку рідини в радіаторі:

,

де – питома ізобарна теплоємність рідини, табл. 4;

– густина рідини, табл. 4, кг/м³;

, – коефіцієнт обліку гідровтрат в трубках;

– температурний напір у радіаторі, приймаємо ;.

Живий переріз однієї плоскоовальної трубки визначається за формулою:

,

де – висота трубки радіатора, табл. 4;

– ширина трубки радіатора, (рис.4).

– товщина трубки радіатора, табл. 4.

Рис.4. Схема осередку остову радіатора

Оцінимо можливе сумарне число трубок в трубних гратах радіатора :

.

Приймаємо для , для , для .

Тоді число трубок в одному ряду по фронту буде: . З таким числом трубок і по глибині і по фронту укладеться ціле число елементів.

4.5 Середня температура рідини в радіаторі вибирається, виходячи з таких міркувань: при примусовій циркуляції рідини в системі охолодження температура на вході в радіатор розраховується:

,

де – температура на виході з радіатора, табл. 3, ⁰С.

Оптимальне значення температури на вході, яка характеризує температурний режим системи рідинного охолодження. Виходячи з набутих значень, визначимо середню температуру рідини в радіаторі:

.

4.6. Визначимо число Рейнольдса :

,

де – швидкість рідини, табл. 4, ;

згідно з рекомендаціями[2].

Еквівалентний діаметр знайдемо за формулою:

,

де – площа перерізу трубки (див. мал. 4) ;

.

4.7. Вичислимо критерій Нуссельта для рідини:

,

де – емпіричні коефіцієнти, згідно рекомендації [2] для ( ).

4.8. Вичислимо коефіцієнт тепловіддачі рідини :

,

Де Вт/(м·К) – коефіцієнт теплопровідності рідини.

4.9 Коефіцієнт тепловіддачі від грат до повітря визначається аналогічно.

Еквівалентний діаметр знайдемо за формулою:

,

де – площа перерізу середини (див. рис. 5);

– відстань між пластинами, згідно умови завдання;

– згідно умови завдання;

Рис. 5. Схема комірки остову радіатора

4.10. Середня температура охолоджувального повітря, що проходить через радіатор вибирається, виходячи з таких міркувань. Температурний перепад в радіаторах вибираємо з табл. 4. Оптимальне значення температури на вході, приймається: .

Виходячи з набутих значень, визначимо середню температуру повітря, що проходить через радіатор :

.

4.11. Число Рейнольдса :

,

де швидкість руху повітря, (табл. 4 );

приймаємо згідно з рекомендаціями [2].

4.12. Вичислимо критерій Нуссельта для повітря:

,

де – емпіричні коефіцієнти, згідно рекомендації для повітря.

4.13 Вичислимо коефіцієнт тепловіддачі від трубки до повітря:

,

де – коефіцієнт теплопровідності повітря, згідно умови задачі, Вт/(м·К);

4.14. Визначимо коефіцієнт теплопередачі радіатора за формулою:

,

де – згідно умови задачі;

– коефіцієнт теплопровідності стінки трубки, вибираємо для матеріалу стінок - ЛАТУНЬ Л 62;

– коефіцієнт обребрення трубок грат,

– площа внутрішньої поверхні трубки на довжині кроку ребер (умова задачі), для цього типу грат рівна:

.

– сумарна поверхня трубки і умовного ребра, припаяного до неї:

,

де .

Площа ребра:

.

Коефіцієнт обребрення трубок грат повинен знаходитись у межах норми.

Отримане значення порівнюємо з експериментальним значенням і приймаємо найменше.

Для відповідного значення по рис. 6 відповідає , для шахового розташування трубок.

4.15. Визначимо середнє значення тиску повітря в радіаторі:

,

Де – тиск на вході у радіатор, ;

– тиск на виході з радіатора, ;

– падіння тиску у радіаторі, табл. 4,Па.

Рис. 6. Коефіцієнт теплопередачі радіатора і аеродинамічний опір радіаторів залежно від масової швидкості повітря:

1 – шахове розташування трубок під кутом до повітряного потоку; 2 – шахове розташування трубок; 3 –; 3 - рядне розташування трубок; 4 – ; 4 - трубчато-стрічкові радіатори.

Знайдемо загальну поверхню охолодження радіатора :

Вичислимо і оцінимо коефіцієнт корисної дії радіатора (теплову ефективність) :

.

Радіатор вийшов компактним, і час ефективним, його ККД має бути в межах 0,7…0,9.