1.2.1. Радиатор

Конструкция радиаторов. Радиатор предназначен для передачи тепла от охлаждающей жидкости в окружающий воздух. В свою очередь охлаждающая жидкость получила тепло от нагретых деталей кривошип- СибАДИно-шатунного механизма (КШМ). Таким образом, радиатор является

теплообменным аппаратом.

Необход мо уч тывать все факторы теплопередачи от : а) отработавш х газов (рабочего тела) к деталям КШМ; б) деталей КШМ к охлаждающей жидкости; в) охлаждающей ж дкости окружающему воздуху. хема теплопередачи следующая :

1.Основная масса отра отавших газов передаёт тепло через газовую плёнку около стенок камеры сгорания в масляную плёнку, слой нагара деталям КШМ.

2.От деталей КШМ тепло переходит через коррозионный слой, слой накипи, слой неподв жной плёнки охлаждающей жидкости циркулирующему потоку охлаждающей жидкости.

3.Циркулирующий поток охлаждающей жидкости отдаёт тепло через неподвижную плёнку охлаждающей жидкости, слою накипи, коррозионному слою, тру кам радиатора, а от трубок и пластин радиатора через слой лакокрасочного покрытия окружающему воздуху.

Всё это замедляет процесс теплопередачи, поэтому при проектировании и эксплуатации ДВС предпринимаются мероприятия, минимизирующие влияние вышеперечисленных факторов : литая поверхность деталей КШМ со стороны рубашки охлаждающей жидкости должна быть чистой, материал деталей КШМ устойчивым к коррозии, охлаждающая жидкость не должна содержать примеси, склонные к отложению, лакокрасочное покрытие элементов радиаторадолжно быть мин мальной толщины.

На рис. 1.11, 1.12 представлены конструктивные схемы решёток радиатора.

Конструкция радиатора выбирается из условия малой лобовой поверхности (см. рис. 1.10) и высокой охлаждающей эффективности.

Габаритные размеры радиатора зависят от условий компоновки на автомобиле, количества рассеиваемой теплоты, конструктивных параметров решётки и др.

19

20

СибАДИв е а жг б дз

Рис. 1.12. Охлаждающие решётки радиатора [4]

Высота радиатора связана с высотой ВС и формой передней части капота автомобиля. уменьшением высоты радиатора сокращается площадь, обдуваемая лопастями вентилятора, и диаметр вентилятора. Как правило, площадь радиатора, обдуваемая вентилятором, составляет 75…80% от фронтальной площади.

Оценка конструкции радиатора осуществляется по следующим показателям:

1)данные по сердцевине:

−фронтальная поверхность

21

где H – высота; B – ширина; −l – глубина;

−Fохл – общая площадь поверхности охлаждения;

Сигде Fохл – поверхностьбАохлаждения, омываемаяДИохлаждающим воздухом; Fжид – поверхность охлаждения, омываемая охлаждающей жидкостью.

2) геометрические размеры элементов поверхности охлаждения:

•размеры форма жидкостных каналов;

•расположен е ж дкостных каналов;

•шаг ж дкостных каналов по фронту и глубине радиатора;

•форма шаг пластин оребрения;

•толщ на стенок жидкостных каналов и др.

3) оценочные параметры, характеризующие качество или компо-

новочную особенность:

 коэфф ц ент о ъёмной компактности

Наибольшее распространение получили трубчато-пластинчатые и трубчато-ленточные конструкции радиаторов.

В трубчато-пластинчатых радиаторах трубки располагают по отношению к потоку охлаждающей жидкости:

в ряд (см. рис. 1.8, а); в шахматном порядке (см. рис. 1.8, );

в шахматном порядке под углом (см. рис. 1.8, в).

Наибольшее распространение получили плоские пластины или плоские пластины с просечками (см. рис. 1.8, г), образующие узкие и короткие воздушные каналы, расположенные под углом к потоку охлаждающей жидкости для увеличения турбулизации воздушного потока.

22

Частота расположения трубок определяется шагом по фронту tф и по глубине tгл (см. рис. 1.8, а). Шаг трубок имеет следующие размеры : tф = 10…15 мм, tгл = 16…25 мм. Ширина трубок в = 13…20 мм, толщина –

с = 2…4 мм (см. рис. 1. 8, а, б), толщина стенок – δтр = 0,13…0,20 мм.

СибАДИЧастота расположения пластин по высоте радиатора определяется ша-

гом tпл ≈ 2,5…4,5 мм. Толщина пластин достигает 0,08…0,12 мм.

Пласт ны, расположенные по периметру трубки, выполняются с

отбортовкой не пр па ваются к трубкам. Уменьшение шага трубок и

пластин пр вод т к возрастанию аэродинамического сопротивления ре-

шётки рад атора увел чивает мощность на привод вентилятора. У ре-

шёток рад атора с тру ками, расположенными под углом к воздушному потоку (см. р с. 1.8, в), аэродинамическое сопротивление на 20…40% выше, чем у решёток с параллельными трубками (см. рис. 1.8, а, б).

В зав с мости от конструкции сердцевины коэффициент ореб-

рения у эт х рад аторов ξор = 2,5…5,4, а коэффициент компактности

ϕ = 440…850 м2/м3.

Трубки трубчато-ленточных радиаторов практически не отличаются от трубок трубчато-пластинчатых, но располагают их только в ряд. Для увеличения турбулизации воздушного потока ленты изготавливают либо с фигурной выштамповкой, ли о с отогнутой просечкой. Толщина ленты изменяется в пределах не выше 0,08…0,10 мм с шагом 4…5 мм.

У этих радиаторов более высокие коэффициенты : ξор = 5,0…11,5,

ϕ = 1100…1400 м2/м3.

Уменьшение шага трубок, пластин и лент как по фронту, так и в глубину, а также увеличение глубины решётки радиатора l (см. рис. 1.9) увеличивает теплорассеивающую поверхность. Однако эти изменения не дают значительного эффекта. Например, с увеличением глубины l на 50% теплорассеивающая способность решётки возрастает на 15%, а с

увеличением глубины на 100% − всего на 20%.

Средняя скорость воздушного потока перед радиатором изменяется в пределах Wв = 6…18 м/с при движении автомобиля увеличивается на 3…5 м/с, подогрев воздуха при прохождении через радиатор достигает

20…30 °С, сопротивление решётки проходу воздуха ∆pр = 200…300 Н/м2, площадь фронтальных поверхностей охлаждающих решёток для всех радиаторов Fфр =0,2…0,6 м2, охлаждающая поверхностьFохл =0,2…0,4 м2/кВт

23

для грузовых автомобилей, Fохл = 0,14…0,20 м2/кВт для легковых автомобилей, глубина автомобильных радиаторов l = 60…130 мм, трактор-

ных – l = 80…135 мм.

Расчёт радиатора [1, 2, 4, 9]. Для определения количества тепла,

духа, m = 0,8.

Точную оценку аэродинамического сопротивления воздушного тракта можно получить только экспериментально из-за сложности опре-

24

деления сопротивлений отдельных элементов и невозможности учёта их взаимного влияния.

Поэтому расчётным путём аэродинамическое сопротивление радиатора определяется ориентировочно:

где ∆pр = p1 – p2 – разность статических давлений до радиатора и после него; ξр – коэфф циент аэродинамического сопротивления радиатора;

Wв γв – соответственно скорость воздуха перед фронтом радиатора удельный вес воздуха;

ρ – массовая доля воздуха;

g – ускорен е сво одного падения.

Паден е давлен я в холодном радиаторе на 3…8% по сравнению с горячим не уч тывают з-за его незначительного размера.

Коэфф ц ент аэродинамического сопротивления радиатора рас-

где Wв – скорость воздуха в щелях радиатора при средней температуре воздуха в радиаторе tв;

νв – коэффициент кинематической вязкости воздуха при tв; δ – расстояние между пластинами.

25

Для обработки экспериментальных данных по аэродинамическому сопротивлению используют безразмерную величину критерий Эйлера

Eu = f(Re):

СибВ табл. 1.3 представленыАзначения коэффициентовДИаэродинамического сопротивления радиаторов при различных весовых скоростях воздуха.

где βокр.в – коэфф ц ент живого сечения радиатора, равный отношению

площади проходного сечения для воздуха к поверхности фронта радиатора.

Кр тер й Эйлера для тру чато-пластинчатых радиаторов с глад-

кими пласт нами определяется по следующим формулам:

при Ref = 500…2 000

с шахматным расположением трубок

Из табл. 1.3 видно, что наклон трубок увеличивает аэродинамическое сопротивление от 15% до 40%.

26

Таблица 1.3

Значение коэффициента аэродинамического сопротивления трубчато-пластинчатых радиаторов ξр [4]

Аэрод нам ческое сопротивление радиаторов с учётом воздуха, подаваемого только вент лятором, составляет 98,07…686,5 Па.

Аэрод нам ческое сопротивление всей воздушной сети определяется из выражен я:

∆pс = ∆pр + ∆pт;

где ∆pс и ξс, ∆pр и ξр, ∆pт и ξт – аэродинамические потери и коэффициенты аэродинамического сопротивления соответственно всей воздушной системы, радиатора воздушного тракта.

Как правило, для большинства воздушных трактов ДВС отноше-

ние ξр = 0,45...0,5. В связи с этим принимают ∆pс ≈ 2 ·∆pр.

ξс

Величину ∆pс можно определить:

•по статистическим данным ∆pр = 200…500 Па;

•по графическим зависимостям ( рис. 1.13) [9].

Как у любого теплообменного аппарата у радиатора одной из основных характеристик является коэффициент теплопередачи K. Этот коэффициент зависит не только от конструкции охлаждающей решётки, но и от скоростей теплоносителей в жидкостном и воздушном трактах:

27

Рис. 1.13. Решётки радиаторов [4]

28

Расчёт радиатора проводят для режима номинальной мощности из условия отвода максимального количества теплоты. Составляют уравнение теплопередачи:

Однако для определения коэффициента K из выражения (1.13) необходимо знать значения коэффициентов теплоотдачи воздушной αв и жидкостной αж сторон радиатора. Из экспериментов и расчётов извест-

но, что значение коэффициента K приблизительно равно величине αв. Поэтому авторы источника [10] предлагают для инженерных расчётов определят K на основании уравнения:

Величины C, m и q характеризуют теплотехнические свойства поверхности охлаждения.

29

Из-за трудности аналитического определения коэффициента теплопередачи K для учебных целей его можно принять равным

учётом вышесказанного произведём расчёт радиатора. Теплоту, передаваемую охлаждающей жидкостью окружающему

qв = 0,24…0,32 для двигателей с принудительным воспламенен ем, qв = 0,16…0,25 для двигателей с самовоспламенением;

- по эмпирическим зависимостям:  для бензиновых двигателей

m – показатель степени для четырёхтактных двигателей,m = 0,5…0,7. Для карбюраторных двигателей: m = 0,65; для двигателей с впрыском бензина : m = 0,64 при n = 4 000 об/мин; m = 0,66 при n = 7 000

об/мин; m = 0,65 при n = 8 000 об/мин.

 для дизелей (без наддува m = 0,67; с наддувом m = 0,68)

30

Далее определяют циркуляционный расход охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор:

где ϕ’ – коэфф ц ент запаса, учитывающий ухудшение теплообмена от загрязнен я решётки радиатора, ϕ’ = 1,1.

Определяют среднеинтегральное значение температурного напора на поверхности радиатора ∆t , среднюю температуру охлаждающей

31

где pпар.кл – давление срабатывания парового клапана крышки расширительного бачка.

Фронтальная поверхность радиатора вычисляется по формуле

где ϕ – коэффициент компактности по формуле (1.2); Vохл – геометрический объём радиатора.

Для дальнейших расчётов выбирают конструкцию охлаждающей решётки радиатора (см. рис. 1.8, 1.9) в зависимости от конструкции охлаждающей решётки задают размеры охлаждающего элемента (рис. 1 .14), для определения коэффициентакомпактности (1.2).

Трубчато-пластинчатые радиаторы ( рис. 1.14, а):

Fохл' =[2 (b + c) h − 2 (b + c) δпл + 2 (tфр tгл −b c)];

(1.27)

Vохл' = tфр tгл h ,

32

где tфр – размер охлаждающей пластины по фронту радиатора. Размер выбирается таким образом, чтобы число пластин iтфр в размере B (см. рис. 1.10) должно быть конечным;

tгл – размер пластины по глубине радиатора; СибАДИh – высота элемента. Размер выбирается из условия размещения ко-

нечного числа элементов iэн на размере H (см. рис. 1.10) на одной трубке рад атора;

b – размер охлаждающей трубки по глубине радиатора; c – размер охлаждающей трубки по фронту радиатора; δпл– толщ на охлаждающей пластины.

а б

Рис. 1.14. Охлаждающие элементы решётки радиаторов[9]: а – трубчато-пластинчатые; б – трубчато-ленточные

Кроме того, выбирают толщину стенки охлаждающей трубкиδтр. Трубчато-ленточные радиаторы (рис. 1.14, ):

Fохл' = 4 lл tгл + 2 (b +c) tл;

(1.28)

Vохл' = tфр tгл tл ,

где tл – шаг гофра ленты. Размер выбирается из условия размещения конечного числа элементов на размере H (см. рис. 1.10) на одной трубке радиатора;

lл – длина развёртки половины гофра охлаждающей ленты.

33