Цель 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 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 сжо

Исходные данные к расчету двигателя – ВАЗ-2101:

• число оборотов коленчатого вала двигателя , n=5600 об/мин;

• эффективная мощность цилиндра , N_e=47,1 кВт;

• диаметр цилиндра , D=76 мм;

• число цилиндров двигателя , i=4 ;

• число оборотов вала водяного насоса, n_нас=2400 об/мин ;

• вид охлаждающей жидкости марка: Антифриз 40

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 величена ­­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: .

Где – коэффициент пропорциональности; – показатель степени; . Примем , , .

Тогда .

Или по аналогичной формуле: , где - коэффициент пропорциональности, - диаметр поршня в мм. при .

- низшая теплотворность 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 антифриза 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 .

Задавшись материалом (примем латунь Л96) трубки, определим его теплопроводность: .

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 .

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

.

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

, здесь .

Площадь ребра:

Тогда .

Отсюда

.

Определим среднее значение давления воздуха в радиаторе: . Падение напора примем равным: .

Тогда

.

Отсюда .

Сравним полученные значения коэффициента теплопередачи радиатора К и падения давления радиатора с экспериментальными данными (Рис. 4).

Рис. 4 – Коэффициент теплопередачи радиатора К 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.

Значение сопротивления получилось близкое к реальному, а значение коэффициента теплопередачи – сильно заниженным.

Найдем общую поверхность охлаждения радиатора:

(м²).

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 I:

,

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, но в тоже время малоэффективным (), его КПД должен быть в пределах 0,7…0,9.