CC BY
138
УДК 629.113
ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НЕПОЛНОМ ОХВАТЕ РАДИАТОРА КОЖУХОМ
Ю.А. Куликов, профессор, д.т.н., А.В. Гончаров, аспирант, Ю.Н. Томачинский, аспирант, А.А. Верховодов, студент,
ВНУ им. В. Даля
Аннотация. Рассматриваются особенности проведения энергетического расчета системы охлаждения двигателя при неполном охвате радиатора кожухом.
Ключевые слова: система охлаждения, радиатор, вентилятор, набегающий поток воздуха, энергетический расчет.
Введение
v2n =(0,14...0,15)-v„.
(1)
При проведении энергетического расчета систем охлаждения автомобилей необходимо учитывать некоторые особенности. К ним относятся: влияние набегающего потока воздуха на работу радиатора, степень охвата радиатора кожухом [1], всевозможные подсосы воздуха через неплотности между кожухом и радиатором и т. д.
Анализ публикаций
Результаты анализа показали, что в случае, когда радиатор не полностью охвачен кожухом, т. е. не вся поверхность радиатора омывается воздухом, просасываемым вентилятором (рис. 1), и радиатор имеет два хода жидкости (как на большинстве легковых автомобилей) тепловой расчет системы охлаждения сводится к решению системы из 9 уравнений с 9 неизвестными [1, 2].
При расчете неохваченной кожухом части радиатора скорость воздуха в ней (у2]] ) принимается
равной 14-15 % от скорости движения автомобиля [3], т. е.
Как показал проведенный анализ публикаций, при проведении энергетического расчета систем охлаждения автомобилей не учитываются такие факторы, как: влияние набегающего потока воздуха на работу вентилятора; влияние вентилятора на работу неохваченной кожухом части радиатора; влияние всевозможных подсосов воздуха и т. д.
Цель и постановка задачи
При проведении исследований были поставлены следующие задачи: исследовать влияние потока воздуха, создаваемого вентилятором, на работу части II радиатора (рис. 1); исследовать влияние набегающего потока воздуха на работу вентилятора; исследовать влияние зазора между кожухом и радиатором на работу неохваченной кожухом части радиатора; уточнить методику энергетического расчета системы охлаждения.
Особенности энергетического расчета системы охлаждения двигателя с учетом результатов исследований
Во время работы вентилятора автомобиля некоторая часть воздуха, создаваемая вентилятором, просасывается и через неохваченную кожухом часть радиатора за счет образующегося разрежения перед радиатором (рис. 2, сечение I-I). При этом поток воздуха в части II радиатора (рис. 1) движется в направлении, противоположном движению воздуха в части I радиатора. Когда же автомобиль начинает движение разрежение во II-ой части радиатора (рис. 1) постепенно «гасится» набегающим потоком воздуха и в определенный момент перед радиатором образуется давление, вследствие чего направление потока воздуха меняется в обратную сторону. Как показали прове-
денные исследования, при достижении автомобилем скорости 40 км/ч, скорость воздуха в неохваченной кожухом части радиатора будет равна нулю. В этом случае процесс теплопередачи во 11ой части радиатора (рис. 1) будет осуществляться за счет естественной конвекции.
Рис. 2. Направление потока воздуха, создаваемого вентилятором: 1 - радиатор; 2 - вентилятор; 3 - кожух
Работа части II радиатора описывается системой уравнений:
<3*2!! — кп -Зц • й^2 ;
¿Оп — V • Л • р1 • Ср1 • йТ, ;
іп Лц г'1сри Г[срл 1ІІ 9
йО „ — V, • Л2 • р2 • Ср2 йТ2
2фп ^2фгг Г 2спи Г 2сп„ 2II
(2)
у2 - средняя скорость воздуха в неохваченной
кожухом части радиатора, м/с; /2 - площадь
2
радиатора, охваченная кожухом, м ; Т2| - средняя температура воздуха в охваченной кожухом части радиатора, К; р2 - средняя плотность воздуха в
охваченной кожухом части радиатора, —г; Ср.
м'
3 ’ ^2ср/
- средняя теплоемкость воздуха в охваченной
Дж
кожухом части радиатора,
кг • К
В связи с тем, что, при проведении энергетического расчета системы охлаждения, температура воздуха на входе в охваченную и неохваченную кожухом части радиатора принимается равной температуре окружающей среды, а температуры воздуха на выходе из данных частей радиатора отличаются между собой незначительно, то можно допустить, что
р2 • Ср2 • йТ2 и р2 • Ср2 • йТ2 .
г 2срИ г 2ср!7 2и г 2ср1 г 2ср1 21
Тогда уравнение (3) примет вид
где - количество теплоты, отводимое неохва-
ченной кожухом частью радиатора, Вт; кп - коэффициент теплопередачи, Вт 2 ; $п - средний
гр • м
температурный напор, К; Е2 - поверхность, омываемая воздухом, м2; Т1 , Т2ц - соответственно
средние температуры воды и воздуха, К; у1п ,
у2фд - соответственно скорость охлаждающей
м
жидкости и воздуха, —; р1рш , р2 п - плотность
воды и воздуха, ; Ср1с ц , Ср2с ц - теплоем-
м ср ср
Дж / /
------;/,,/, - сечение
кг • К 1 фи
кость воды и воздуха,
для прохода теплоносителей, м .
Влияние потока воздуха, создаваемого вентилятором, и набегающего потока воздуха на работу неохваченной кожухом части радиатора можно учесть введением в систему уравнений (2) коэффициента £v. Его можно представить в виде
—
<2 = % ' Л2фі 'Р2срІ ' Ср2ср! ' ^^2,
йОІ V,. • Л2 • р2 • Ср2 • сТ2
х-'1 2фІІ и 2фІІ Г2срН 2срІІ 2П
(3)
где 21 - количество теплоты, отводимое охваченной кожухом частью радиатора, Вт;
v2 • Л
2фІ J 2ф
v2 • Л
2фП ^2фІ
(4)
С учетом (4) система уравнений (2) примет следующий вид:
О — кп Аі •;
йОп — V, • Л -р, • Ср, • йТ, ;
^ІІ 1ІІ J1II срц срії 1ІІ ’
йО-п — є„ • v2 • Л2 • р2 • Ср2 йТ2 .
11 v 2фг 2фг ’2сптт срп 2II
(5)
Теоретически определить коэффициент, учитывающий влияние потока воздуха, создаваемого вентилятором, и набегающего потока воздуха на работу неохваченной кожухом части радиатора практически невозможно, поэтому он определяется экспериментальным путем.
В связи с этим на стенде «Аэродинамическая камера» были проведены экспериментальные исследования блока «радиатор-вентилятор» с целью определения средних скоростей воздуха как в охваченной кожухом части радиатора, так и в неохваченной. Средние скорости воздуха в каждой части радиатора можно определить только путем определения полей скоростей.
Предварительные исследования показали, что коэффициент е„ зависит не только от скорости движения автомобиля, а также от величины зазора между кожухом и радиатором.
Экспериментальные исследования блока «радиатор-вентилятор» проводились на четырех режимах, соответствующих скорости движения автомобиля vавт = 0; 40; 80 и 120 км/ч. На каждом режиме путем зондирования замерялось поле скоростей как в охваченной кожухом части радиатора, так и в неохваченной. При этом зазор между кожухом и частью II радиатора (рис. 2) принимался равным Ь = 0; 10 и 20 мм. Испытания проводились с радиатором автомобиля ВАЗ-2106, который имеет размер „х” равный 110 мм (рис. 1).
В результате проведенных экспериментальных исследований были получены распределения полей скоростей в обеих частях радиатора (рис. 1), что позволило определить влияние скорости движения автомобиля и величины зазора между кожухом и радиатором на работу неохваченной кожухом части радиатора (рис. 3). Исследования проводились с включенным вентилятором на номинальном режиме.
Рис. 3. Зависимость коэффициента, учитывающего влияние потока воздуха, создаваемого вентилятором, и набегающего потока воздуха на работу неохваченной кожухом части радиатора от скорости движения автомобиля для разных значений зазора между кожухом и радиатором
Как видно из рис. 3 при небольших скоростях движения автомобиля (до 50 км/ч) величина зазора незначительно влияет на работу части II радиатора (рис. 1). При скорости свыше 50 км/ч влияние зазора на коэффициент е„ увеличивается. Поэтому с помощью метода математического планирования было получено комплексное уравнение в виде многочлена, где е„ определялся в зависимости от двух факторов: скорости движения автомобиля и величины зазора между радиатором и кожухом:
е = - 0,173 + 0,00775 ■ V - 0,006 ■ Ь -" “ (6) -0,0000375 ■ V2 + 0,0003 ■ Ь2 -0,000025 ■ уа ■ Ь.
Уравнение (6) справедливо при уа = 0...120 км/ч и Ь = 0...20 мм.
Полученный коэффициент позволяет уточнить математическую модель теплового расчета системы охлаждения автомобиля и в результате определить расход воздуха, который должен обеспечить вентилятор через радиатор для отвода заданного количества теплоты в атмосферу и перейти к аэродинамическому расчету.
Конечной целью аэродинамического расчета системы охлаждения является выбор типа вентилятора, угла установки его лопастей, а также определение затрат мощности на его привод. Выражение для получения расхода воздуха имеет следующий вид:
^= Кн п.+ Ув, (7)
где Унп - расход воздуха, который обеспечивает набегающий поток при движении автомобиля, м3/с; Vв - расход воздуха, который обеспечивает вентилятор, м3/с.
Однако проведенные исследования показали, что простым сложением расход воздуха через радиатор не определяется. Это объясняется тем, что с увеличением скорости движения автомобиля, набегающий поток уменьшает производительность вентилятора, т. е. расход воздуха, который обеспечивает вентилятор, не постоянен, а зависит от скорости движения автомобиля
Vв = / (V*).
В результате экспериментальных исследований было получено уравнение, позволяющее описать работу вентилятора в зависимости от набегающего потока воздуха (рис. 4)
V = -10-7 V +3 -10-5 V -0,0033 ■V, +0,1673. (8)
в а а ' а ' к '
У а, КМ/Ч
Рис. 4. Зависимость расхода воздуха, обеспечиваемого вентилятором, от скорости движения автомобиля
На рис. 4 и 5 показаны зависимости расхода воздуха, обеспечиваемого вентилятором, и общего расхода воздуха от скорости движения автомобиля, полученные в результате эксперимента и простого сложения (рис. 5), когда считается, что частота вращения лопастей вентилятора, которую
обеспечивает электродвигатель, и его производительность остается неизменной при разных скоростях движения автомобиля. Из рис. 4 и 5 видно, что набегающий поток значительно ухудшает производительность вентилятора, а суммарный расход воздуха, определяемый простым сложением на самом деле оказывается значительно завышенным.
уа, км/ч
Рис. 5. Зависимость общего расхода воздуха от скорости движения автомобиля
Выводы
Уравнения (6) и (8), полученные в результате проведенных исследований, позволяют дополнить математическую модель энергетического расчета системы охлаждения и при этом проводить более точные расчеты. Это позволит получить наиболее правильные значения расхода воздуха, который должен обеспечить вентилятор, и затрат мощности на его привод. Проведенный расчет на примере автомобиля «Таврия» с ис-
пользованием уравнений (6) и (8) показал, что необходимый расход воздуха, который должен обеспечить вентилятор через радиатор для отвода заданного количества теплоты, уменьшается на 5-7 %, а затраты мощности на привод вентилятора - на 8-10 %.
Литература
1. Абдель-Баги Валид, Куликов Ю. А., Лахно В. А.
Математическая модель охлаждающего устройства транспортного средства при неполном обдуве поверхности теплообмена вентилятором / Вестник Восточноукраинского государственного университета. - Луганск: Изд-во ВУГУ. - 1997. - № 4(8). - С. 190-194.
2. Куликов Ю.А., Гончаров А.В., Томачинский
Ю.Н., Зубачик С.Л. Повышение эффективности работы системы охлаждения автомобиля «Таврия» / Вестник Восточноукраинского национального университета им. В. Даля. -Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля. - 2004. -№ 7(77). - С. 143-150.
3. Куликов Ю.А., Абдель-Баги Валид. О повыше-
нии эффективности работы системы охлаждения автомобилей ЗАЗ-110550 в условиях Иордании / Приднепровский научный вестник. Серия «Технические науки». - 1998. -№ 83(150). -С. 1-8.
Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 16 января 2007 г.
