Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство образования

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С. П. КОРОЛЕВА

Кафедра “ТЕПЛОТЕХНИКА И ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ”

Курсовая работа

по курсу “СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЕВЫХ ДВС”

Расчет элементов жидкостного охлаждения поршневого двигателя внутреннего сгорания

Вариант № 3

Выполнил: студент гр. № 2403

Гарифуллин И. И.

Проверил: Толстоногов А. П.

Дата защиты:

Оценка:

Самара 2007

Реферат

Курсовая работа по теме: “Расчет элементов жидкостного охлаждения поршневого двигателя внутреннего сгорания”.

Пояснительная записка: страниц 25, таблиц 1, источников 3.

Графическая часть: рисунков 5, приложений 2 (1 формат А3).

СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ, РАДИАТОР, ЖИДКОСТНЫЙ НАСОС, КРЫЛЬЧАТКА, ВЕНТИЛЯТОР, ЛОПАСТЬ, ТОСОЛ, ОСТОВ РАДИАТОРА, ЯЧЕЙКА ОСТОВА, ЧИСЛО РЕЙНОЛЬДСА, КРИТЕРИЙ НЮССЕЛЬТА, КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ.

В ходе данной курсовой работы был проведен анализ и расчет системы жидкостного охлаждения: радиатора, жидкостного насоса, вентилятора; построен теоретически полученный профиль лопатки (приложение 2). Полученные теоретические данные сравнены с экспериментальными, сделаны соответствующие выводы. Данные по радиатору, жидкостному насосу и вентилятору сведены в заключительные таблицы (приложение 1).

Содержание

Перечень условных обозначений, символов, сокращений единиц и терминов 3

Введение 4

Цели и задачи курсовой работы 5

Постановка задачи 6

Исходные данные к расчету элементов системы жидкостного охлаждения 6

1. Определение количества тепла, отводимого в систему охлаждения 6

2. Расчет радиатора 7

2.1 Расчет основных характеристик радиатора 7

2.2 Определение удельной массы радиатора 14

2.3 Гидравлический расчет радиатора 15

3. Расчет жидкостного насоса 17

3.1 Расчет параметров жидкостного насоса 17

3.2 Определение конструктивных размеров жидкостного насоса 19

3.3 Построение профиля лопатки жидкостного насоса 19

3.4 Мощность, потребляемая жидкостным насосом 20

4. Расчет осевого вентилятора 20

4.1 Расчет основных характеристик вентилятора 20

4.2 Определение конструктивных размеров вентилятора 21

Список использованных источников 22

Приложение №1 и №2 22

Перечень условных обозначений, символов, сокращений единиц и терминов

b- ширина, м;

C- теплоёмкость, Дж/кг*К;

D- диаметр, мм;

F- поверхность охлаждения, м²;

H_u- низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

i- число цилиндров;

N- мощность, Вт;

n- частота вращения, об/мин , 1/с

P- давление, Па;

Q- количество тепла, Дж/с , Вт;

r- радиус, м;

S- ход поршня, м;

T- температура, К (С⁰);

∆T-температурный перепад;

∆P- сопротивление воздушного тракта, Па;

α- коэффициент теплоотдачи, Вт/м*К;

α , β- углы между направлениями скоростей потока;

η- коэффициент полезного действия;

ρ- плотность, кг/м³;

u- скорость, м/с.

Индексы:

-бн- без наддува;

-возд- воздух;

-вых- выхода;

-вх- входа;

-вен- вентилятор;

-гол- головка;

-ж- жидкость;

-л- лопасть;

-р- расчетное;

-рад- радиатор;

-сн- с наддувом;

-ср- средняя;

-тр- тракт;

-цил- цилиндр;

-фр- фронтальная;

-г- горячий;

ОЖ- охлаждающая жидкость;

СО- система охлаждения;

СЖО- система жидкостного охлаждения.

Введение

Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода тепла от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимого тепла воспринимается системой охлаждения (СО), меньшая – системой смазки и окружающей средой.

В зависимости от применяемого теплоносителя в автомобильных и тракторных двигателях применяют систему жидкостного или воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего вещества применяют воду и некоторые другие высококипящие жидкости, а в системах воздушного охлаждения – воздух.

Каждая из указанных СО имеет преимущества и недостатки. К при имуществам жидкостного охлаждения относится:

А) более эффективный отвод тепла от нагретых деталей двигателя при любой тепловой нагрузке;

Б) быстрый и равномерный прогрев двигателя при пуске;

В) допустимость применения блочных конструкций цилиндров;

Г) меньшая склонность к детонации в бензиновых двигателях;

Д) более стабильное тепловое состояние двигателя при изменении режима его работы;

Е) меньшие затраты мощности на охлаждение и возможность использования тепла, отводимого в систему охлаждения и др.

Недостатки системы жидкостного охлаждения:

А) большие затраты на обслуживание и ремонт в эксплуатации;

Б) пониженная надёжность работы двигателя при отрицательных температурах окружающей среды и большая чувствительность к её изменению.

Расчет основных конструктивных элементов СО производится исходя из количества тепла, отводимого от двигателя в единицу времени.

Цели и задачи курсовой работы

Выполнение курсовой работы по предмету «Системы охлаждения поршневых двигателей» должно закрепить знания, полученные в ходе изучения этой дисциплины, применению их при расчетах основных элементов системы охлаждения карбюраторного двигателя или дизеля при заданных исходных данных; проявить умение выбирать оптимальные соотношения параметров данной системы; закрепить навыки использования рекомендуемых соотношений и предельных значений допустимых величин при проектирование таких систем для поршневого двигателя.

По выполненной работе составляется пояснительная записка с необходимыми расчетами, графиками, рисунками, таблицами, которая оформляется в соответствии с требованиями стандартов единой системы конструкторской документации к текстовым документам ГОСТ 2.105-95.

Постановка задачи

В ходе выполнения курсовой работы необходимо провести расчет элементов системы жидкостного охлаждения поршневого двигателя внутреннего сгорания заданного варианта. Это может быть двигатель с внешним смесеобразованием на жидком (ж) или газообразном (г) топливе (карбюраторный), или с внутренним смесеобразованием (дизель).

Предполагается, что студент имеет необходимые величины по составу и термодинамическим характеристикам рабочего тела для своего варианта задания.

Расчет системы жидкостного охлаждения сводится к определению основных размеров водяного насоса, поверхности радиатора и подбору вентилятора.

Исходные данные к расчету элементов системы жидкостного охлаждения

Исходные данные к расчету дизельного двигателя ВАЗ-341М3:

• число оборотов коленчатого вала двигателя, n=4800 об/мин;

• эффективная мощность двигателя, N_e=40 кВт;

• диаметр цилиндра, D=76 мм;

• число цилиндров двигателя , i=4;

• число оборотов вала водяного насоса, n_нас=2100 об/мин;

• вид охлаждающей жидкости марка: А-40 (тосол).

Общим для всех вариантов расчета являются температура окружающей среды, Т=313 К; температура теплоносителя на входе в систему охлаждения, Т_в=363 К; давление окружающей среды, Р=101325 МПа .

Необходимые для расчетов дополнительные для расчетов данные выбираются по таблицам, по рекомендациям методических указаний или преподавателя.

1. Определение количества тепла, отводимого в систему охлаждения

На тепло, отводимое охлаждающей жидкостью (ОЖ), оказывают влияние многие эксплутационные и конструктивные факторы. С увеличением частоты вращения двигателя и температуры ОЖ, а также коэффициента избытка воздуха величина ­­уменьшается, а с увеличением размеров охлаждающей поверхности и отношений хода поршня к диаметру цилиндра возрастает.

Величину можно определить по эмпирическим зависимостям.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, для дизелей: ,

где – коэффициент пропорциональности;

– показатель степени;

.

Примем , , .

Тогда .

Или по аналогичной формуле:

,

где - коэффициент пропорциональности;

- диаметр поршня в мм;

при ;

- низшая теплотворность дизельного топлива.

Тогда

Согласно рекомендациям, для дальнейших расчетов берем большую величину, то есть .

2. Расчет радиатора

2.1 Расчет основных характеристик радиатора

Радиатор фактически представляет собой теплообменный аппарат для воздушного охлаждения жидкости, поступающей от нагретых деталей двигателя.

Поэтому расчет радиатора, как и любого теплообменного аппарата, состоит в определении поверхности теплообмена, необходимой для передачи тепла от охлаждающей жидкости к воздуху, обдувающему эту поверхность. Кроме того, всегда проводится гидравлический расчет жидкостного и воздушного трактов, оценка компактности и коэффициента полезного действия радиатора.

В системах жидкостного охлаждения автомобильных и тракторных двигателей обычно применяются два типа конструкций теплопередающих поверхностей: трубчато-пластинчатые и трубчато-ленточные.

Рассчитаем основные характеристики для трубчато-пластинчатой конструкции радиатора. Согласно рекомендациям, выберем тип трубной решетки: шахматная с плоскоовальными трубками (рис. 1).

Рис. 1. Конструктивный тип решетки (шахматный с плоскоовальными трубками)

Расчет начинается с определения суммарного проходного (живого) сечения трубок одного хода потока жидкости в радиаторе: ,

где , - коэффициент учета гидропотерь в трубках, .

Примем , , тогда .

Для тосола марки А-40: , .

Тогда .

Живое сечение одной плоскоовальной трубки определяется по формуле:

,

где , , (рис.2).

Отсюда:

Рис.2. Схема ячейки остова радиатора

Оценим возможное суммарное число трубок в трубной решетке радиатора:

.

Округлим это значение и примем его равным .

Зададимся числом рядов трубок (не более 6), например, .

Тогда число трубок в одном ряду по фронту будет: . С таким числом трубок и по глубине и по фронту уложится целое число элементов.

Средняя температура жидкости в радиаторе выбирается исходя из следующих соображений: при принудительной циркуляции жидкости в системе охлаждения температурный перепад в радиаторах всегда находится в пределах .

Принятый . Оптимальное значение температуры на входе, которая характеризует температурный режим системы жидкостного охлаждения, принимается в интервале: . Примем . Исходя из принятых значений, определим среднюю температуру жидкости в радиаторе:

.

Эта температура является определяющей.

Определим число Рейнольдса:

, где - скорость жидкости, для , согласно рекомендациям.

Эквивалентный диаметр найдем по формуле: ,

где

- площадь сечения трубки (см. рис. 2);

.

Тогда .

Число Рейнольдса: .

Вычислим критерий Нуссельта для жидкости: ,

где - эмпирические коэффициенты, согласно рекомендации для ( ).

Тогда .

Вычислим коэффициент теплоотдачи жидкости:

.

Коэффициент теплоотдачи от решетки к воздуху определяется аналогично.

Эквивалентный диаметр найдем по формуле: ,

где - площадь сечения ячейки (см. рис. 3);

Рис. 3. Схема ячейки остова радиатора

Тогда .

Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор выбирается исходя из следующих соображений:

температурный перепад в радиаторах всегда находится в пределах .

Принятый .

Оптимальное значение температуры на входе, принимается: .

Исходя из принятых значений, определим среднюю температуру воздуха, проходящего через радиатор:

.

Эта температура является определяющей.

Число Рейнольдса:

,

где . Примем .

Тогда .

Вычислим критерий Нуссельта для жидкости:

,

где - эмпирические коэффициенты, согласно рекомендации для воздуха.

Тогда .

Вычислим коэффициент теплоотдачи от трубки к воздуху:

.

Определим коэффициент теплопередачи радиатора по формуле:

,

где - коэффициент оребрения трубок решетки (5…9),

- площадь внутренней поверхности трубки на длине шага ребер , для данного типа решетки равная:

.

- суммарная поверхность трубки и условного ребра, припаянного к ней:

,

где .

Площадь ребра:

.

Тогда , в пределах нормы (5..9).

Выбираем материал стенок - ЛАТУНЬ Л 62:

;

Отсюда

.

Полученное значение сравниваем с экспериментальным значением (Рис. 4) и принимаем наименьшее.

Для соответствующего значения по рис. 4 соответствует , для шахматного расположения трубок.

Принимаем .

Рис. 4. Коэффициент теплопередачи радиатора и аэродинамическое сопротивление радиаторов в зависимости от массовой скорости воздуха:

1. шахматное расположение трубок под углом к воздушному потоку,

2. шахматное расположение трубок,

3. рядное расположение трубок,

4. трубчато-ленточные радиаторы.

Определим среднее значение давления воздуха в радиаторе:

.

Падение напора примем равным:

;

;

;

Отсюда ;

Значение сопротивления получилось близкое к реальному.

Найдем общую поверхность охлаждения радиатора:

Определим основные конструктивные размеры радиатора, приняв в качестве исходного параметра площадь фронта для всех типов остовов. Примем .

Зададимся высотой из условия , примем , тогда , .

Выберем число пластин с шагом : с шагом .

Зная ориентировочно глубину остова , число рядов трубок по фронту и число рядов по глубине , координаты , , , , выполняют расчетную схему пластины, по которой вычисляют ее геометрическую площадь, для решетки нашего типа:

,

где .

Тогда .

Вычислим теплопередающую поверхность пластины:

.

Проверим соотношение: , укладывается в интервал .

Значит, параметры радиатора определены с погрешностями в пределах нормы.

Оценим коэффициент объемной компактности радиатора по соотношению: .

То есть радиатор получился конструктивно очень выгодным, так как займет пространство меньше предполагаемого.

Вычислим и оценим коэффициент полезного действия радиатора (тепловую эффективность):

.

Радиатор получился компактным, и в тоже время эффективным, его КПД должен быть в пределах 0,7…0,9.