Что такое большой и малый круг системы охлаждения двигателя?
Система охлаждения практически всех двигателей автомобилей ВАЗ имеет большой и малый круг.
На примере системы охлаждения карбюраторного двигателя 21083 (1,5 л) автомобилей ВАЗ 21083, 21093, 21099 попробуем разобраться что в них входит, для чего они нужны и как работают. Эта информация будет полезна при самостоятельной диагностике таких ее неисправностей как: двигатель не прогревается, двигатель перегревается, двигатель слишком долго прогревается, не включается вентилятор радиатора и, наоборот, не выключается вентилятор радиатора. И ряда других, связанных с работой системы охлаждения (не греет печка, печка гонит только горячий воздух и пр.).
Работа малого круга системы охлаждения двигателя.
На холодном, только что запущенном двигателе, когда охлаждающая жидкость (ОЖ) холодная и ее температура ниже 87º, перепускной клапан термостата открыт, а основной закрыт и охлаждающая жидкость циркулирует строго по малому кругу системы охлаждения.
Малый круг включает в себя следующие элементы: блок цилиндров, головка блока, радиатор отопителя (печки) салона, блок подогрева карбюратора, корпус (верхняя часть) термостата. Что способствует их интенсивному прогреву и быстрому выводу двигателя на рабочую температуру. А так же быстрый нагрев позволяет печке практически сразу задуть теплым воздухом и сэкономить немного топлива.
Включение в работу большого круга системы охлаждения.
По мере прогрева двигателя автомобиля, при температуре около 87º основной клапан термостата начинает открываться так как термоэлемент внутри клапана расширяется, а перепускной зарываться. Охлаждающая жидкость начинает поступать в нижнюю часть термостата и далее в радиатор . Это вступает в работу большой круг системы охлаждения. В нем к перечисленным элементам малого круга добавляется нижняя часть термостата и радиатор с патрубками. Некоторое время ОЖ циркулирует как по малому так и по большому кругам.
Совместная работа малого и большого круга системы охлаждения.
При температуре 102º перепускной клапан термостата полностью закрыт, а основной полностью открыт (ход клапана 8 мм). Охлаждающая жидкость циркулирует по всем элементам системы охлаждения включая радиатор, который необходим для интенсивного охлаждения ОЖ при движении автомобиля. Расширяющаяся ОЖ выбрасывается в расширительный бачок, ее уровень приближается и иногда даже переваливает за метку MAX.
Таким образом мы выяснили, что малый и большой круг системы охлаждения двигателя это всего лишь урезанный и полный набор ее элементов по которым движется охлаждающая жидкость. И такое разделение на два круга необходимо, для максимально быстрого прогрева двигателя и поддержания оптимального температурного режима когда он прогрет.
Примечания и дополнения
— Как самостоятельно проверить правильность работы системы охлаждения на малом и большом кругах?
При прогреве двигателя циркуляция идет по малому кругу. Прогревается: блок цилиндров, головка блока, блок подогрева карбюратора, печка, верхняя часть термостата.
Рукой проверяем нагрев термостата: его верхняя часть должна быть теплой, а спустя несколько минут становиться горячей. Нижняя часть термостата остается холодной. Помимо этого нижний шланг к радиатору будет также холодный, а верхний немного нагрет.
Спустя некоторое время нижняя часть термостата и нижний шланг радиатора резко становятся горячими – это открывается основной клапан термостата. Циркуляция пошла через радиатор (большой круг).
Если все так, термостат исправен. А если он постоянно теплый (и низ и верх) или постоянно горячая верхняя часть, а нижняя ни как не теплеет, то все — термостат вышел из строя.
Еще статьи по системе охлаждения двигателя 21083 автомобилей ВАЗ 21083, 21093, 21099
— Признаки неисправности термостата системы охлаждения двигателя
— Признаки (симптомы) неисправности пробки расширительного бачка
— Ржавый антифриз (тосол) в расширительном бачке, почему?
— Постоянно работает вентилятор радиатора на карбюраторной ВАЗ 21093
— Как удалить воздушную пробку из системы охлаждения двигателя на автомобилях ВАЗ 2108, 2109, 21099
— Сколько литров система охлаждения двигателей автомобилей ВАЗ
Подписывайтесь на нас!
Лекция «Система охлаждения» | Учебно-методический материал:
Лекция «Система охлаждения»
Система охлаждения предназначена для поддержания нормального теплового режима двигателя.
При работе двигателя температура в его цилиндрах поднимается выше 2000 градусов, а средняя составляет 800 – 900градусов. Если не отводить тепло от «тела» двигателя, то через несколько десятков секунд после запуска, он станет холодным, а безнадежно горячим. Следующий раз вы сможете запустить свой холодный двигатель только после его капитального ремонта.
Система охлаждения нужна для отвода тепла от механизмов и деталей двигателя, но это только половина ее предназначения, правда — большая половина. Для обеспечения нормального рабочего процесса также важно — ускорять прогрев холодного двигателя. И это вторая часть работы системы охлаждения.
Как правило, применяется жидкостная система охлаждения, закрытого типа, с принудительной циркуляцией жидкости и расширительным бачком.
Схема системы охлаждения двигателя
а) малый круг циркуляции
а) большой круг циркуляции
1 — радиатор; 2 — патрубок для циркуляции охлаждающей жидкости; 3 — расширительный бачок; 4 — термостат; 5 — водяной насос; 6 — рубашка охлаждения блока цилиндров; 7 — рубашка охлаждения головки блока; 8 — радиатор отопителя с электровентилятором; 9 — кран радиатора отопителя; 10 — пробка для слива охлаждающей жидкости из блока; 11 — пробка для слива охлаждающей жидкости из радиатора; 12 — вентилятор
Система охлаждения состоит из:
рубашки охлаждения блока и головки блока цилиндров,
центробежного насоса,
термостата,
радиатора с расширительным бачком,
вентилятора,
соединительных патрубков и шлангов.
На рисунке без труда можно различить два круга циркуляции охлаждающей жидкости. Малый круг циркуляции (стрелки красного цвета) служит для скорейшего прогрева холодного двигателя. А когда к красным стрелкам присоединяются синие, то, уже нагревшаяся жидкость, начинает циркулировать и по большому кругу, охлаждаясь в радиаторе. Руководит этим процессом автоматическое устройство — термостат.
Для контроля за работой системы, на щитке приборов имеется указатель температуры охлаждающей жидкости. Нормальная температура охлаждающей жидкости при работе двигателя должна быть в пределах 80О- 90О.
Рубашка охлаждения двигателя состоит из множества каналов в блоке и головке блока цилиндров, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.
Насос центробежного типа заставляет жидкость перемещаться по рубашке охлаждения двигателя и всей системе. Насос приводится в действие ременной передачей от шкива коленчатого вала двигателя. Натяжение ремня регулируется отклонением корпуса генератора или натяжным роликом привода распределительного вала двигателя.
Термостат предназначен для поддержания постоянного оптимального теплового режима двигателя. При пуске холодного двигателя термостат закрыт, и вся жидкость циркулирует только по малому кругу для скорейшего ее прогрева. Когда температура в системе охлаждения поднимается выше 80 — 85О, термостат автоматически открывается и часть жидкости поступает в радиатор для охлаждения. При больших температурах термостат открывается полностью и уже вся горячая жидкость направляется по большому кругу для ее активного охлаждения.
Радиатор служит для охлаждения проходящей через него жидкости за счет потока воздуха, который создается при движении автомобиля или с помощью вентилятора. В радиаторе имеется множество трубок и `перепонок`, которые образуют большую площадь поверхности охлаждения.
Ну а бытовой пример автомобильного радиатора — знают все. У каждого в доме есть радиаторы (батареи) центрального или местного отопления. Они тоже имеют специальную конфигурацию, и чем больше суммарная площадь сложной поверхности радиатора, тем теплее у вас в доме.
А в это время, вода в системе отопления — активно охлаждается, то есть отдает тепло.
Расширительный бачок необходим для компенсации изменения объема и давления охлаждающей жидкости при ее нагреве и охлаждении.
Вентилятор предназначен для принудительного увеличения потока воздуха проходящего через радиатор движущегося автомобиля, а также для создания потока воздуха в случае, когда автомобиль стоит без движения с работающим двигателем.
Применяются два типа вентиляторов: постоянно включенный, с ременным приводом от шкива коленчатого вала и электровентилятор, который включается автоматически, когда температура охлаждающей жидкости достигает приблизительно 100 градусов.
Патрубки и шланги служат для соединения рубашки охлаждения двигателя с термостатом, насосом, радиатором и расширительным бачком.
В систему охлаждения двигателя включен также и отопитель салона. Горячая охлаждающая жидкость проходит через радиатор отопителя и нагревает воздух, подающийся в салон автомобиля.
Температура воздуха в салоне регулируется специальным краном, которым водитель прибавляет или уменьшает поток жидкости, проходящий через радиатор отопителя.
Основные неисправности системы охлаждения.
Подтекание охлаждающей жидкости может появиться из-за повреждений радиатора, шлангов, уплотнительных прокладок и сальников.
Для устранения неисправности необходимо подтянуть хомуты крепления шлангов и трубок, а поврежденные детали заменить на новые. В случае повреждения трубок радиатора, можно попробовать `залатать` дырки и трещины, но, как правило, все заканчивается заменой радиатора.
Перегрев двигателя может происходить по причине недостаточного уровня охлаждающей жидкости, слабого натяжения ремня вентилятора, засорения трубок радиатора, а также при неисправности термостата.
Для устранения неисправности следует восстановить уровень жидкости в системе охлаждения, отрегулировать натяжение ремня вентилятора, промыть радиатор, заменить термостат.
Нередко перегрев двигателя случается и при исправных элементах системы охлаждения, когда машина движется с малой скоростью и большими нагрузками на двигатель.
Это происходит при движении в тяжелых дорожных условиях, таких как проселочные дороги и всем надоевшие городские `пробки`. В этих случаях стоит подумать о двигателе своего автомобиля, да и о себе тоже, устраивая периодические, хотя бы кратковременные `передышки`.
Помните о том, что даже одноразовый перегрев двигателя нарушает структуру металла, при этом значительно уменьшается продолжительность жизни `сердца` автомобиля.
Эксплуатация системы охлаждения.
При эксплуатации автомобиля следует периодически заглядывать под капот. Даже если вы филолог по образованию и не забили в этой жизни ни одного гвоздя, все равно кое-что вы сможете увидеть и своевременно предпринять меры для продления жизни своего автомобиля.
Если уровень охлаждающей жидкости в расширительном бачке понизился или жидкость вообще отсутствует, то для начала необходимо долить ее, а затем и разобраться (самостоятельно или с помощью специалиста) с тем, куда она делась.
В процессе работы двигателя жидкость нагревается до температуры близкой к точке кипения, а это означает, что вода, входящая в ее состав будет понемногу испаряться.
Если за полгода ежедневной эксплуатации автомобиля уровень в бачке немного понизился, то это нормально. Но если вчера был полный бачок, а сегодня в нем только на донышке, то тогда надо искать место утечки охлаждающей жидкости.
Подтекание жидкости из системы, можно легко определить по темным пятнам на асфальте или снегу после более-менее продолжительной стоянки. Открыв капот, вы без затруднений сможете найти место утечки, сопоставляя мокрые следы на асфальте с расположением элементов системы охлаждения под капотом.
Необходимо контролировать уровень жидкости в бачке хотя бы раз в неделю и если есть утечки, то надо доливать, находить и устранять причину снижения уровня. Иными словами, надо приводить в порядок систему охлаждения своего двигателя. А иначе он может серьезно `заболеть` и потребовать `госпитализации`.
Практически во всех отечественных автомобилях в качестве охлаждающей жидкости используется специальная низкозамерзающая жидкость с названием TOCОЛ А-40. Цифра (минус 40о показывает температуру, при которой жидкость начинает замерзать (кристаллизоваться).
В условиях крайнего севера применяется ТОСОЛ А-65, и соответственно замерзать он начнет при температуре минус 65о.
ТОСОЛ А-40 представляет собой смесь воды с этиленгликолем и присадками. Такой раствор сочетает в себе массу достоинств. Кроме того, что он начинает замерзать лишь после того, как уже замерзнет сам водитель (шутка), ТОСОЛ обладает еще антикоррозионными, антивспенивающими свойствами и практически не дает отложений в виде обыкновенной накипи, так как в его состав входит чистая дистиллированная вода. Поэтому и доливать в систему охлаждения можно только дистиллированную воду.
При эксплуатации автомобиля необходимо контролировать не только натяжение, но и состояние ремня привода водяного насоса, так как его обрыв в дороге всегда неприятен. Рекомендуется иметь в возимом с собой комплекте запасной ремень. Если не вы сами, то кто-нибудь из `джентльменов` на дороге поможет вам его поменять.
Охлаждающая жидкость может закипеть и привести к поломке двигателя в том случае, если вышел из строя датчик электропривода вентилятора.
Так как электровентилятор не получил команды на включение, жидкость продолжает нагреваться, приближаясь к точке кипения, не имея остужающей помощи. А ведь у водителя перед глазами есть прибор со стрелкой и красным сектором! Мало того, практически всегда при включении вентилятора ощущается некоторая вибрация и небольшой дополнительный шум. Было бы желание контролировать, а способы всегда найдутся.
Если в пути (а чаще в `пробке`) вы заметили, что температура охлаждающей жидкости приближается к критической, а вентилятор работает, то и в этом случае есть выход из положения. Надо включить в работу системы охлаждения дополнительный радиатор — радиатор отопителя салона. Полностью открывайте кран отопителя, на все обороты включайте вентилятор отопителя, опускайте стекла дверей и `потейте` до дома или до ближайшего автосервиса. Но продолжайте внимательно следить за стрелкой указателя температуры двигателя. Если она зайдет в красную зону, немедленно останавливайтесь, открывайте капот и `остывайте`.
Со временем может доставить неприятность термостат, если он перестанет пускать жидкость по большому кругу циркуляции. Определить работает ли термостат нетрудно. Радиатор не должен нагреваться (определяется рукой) до тех пор, пока стрелка указателя температуры охлаждающей жидкости не дошла до среднего положения (термостат закрыт). Позже, горячая жидкость начнет поступать в радиатор, быстро его нагревая, что говорит о своевременном открытии клапана термостата. А вот если радиатор продолжает оставаться холодным, то тогда есть два пути. Постучать по корпусу термостата, может быть, он все-таки откроется или сразу, морально и материально, готовиться к его замене.
Немедленно `сдавайтесь` механику, если на масляном щупе вы увидите капельки жидкости, попавшей из системы охлаждения в систему смазки. Это означает, что повреждена прокладка головки блока цилиндров и охлаждающая жидкость попадает в масляный поддон картера двигателя. Если продолжить эксплуатацию двигателя с маслом, наполовину состоящим из ТОСОЛА, то износ деталей двигателя приобретает катастрофическую скорость.
А это, в свою очередь, уже связано с весьма дорогим ремонтом.
Подшипник водяного насоса не ломается `вдруг`. Сначала появится специфический свистящий звук из-под капота, и если водитель `думает о будущем`, то своевременно заменит подшипник. А иначе, его все равно придется менять, но уже по факту опоздания в аэропорт или на деловую встречу, из-за `внезапно` сломавшейся машины.
Каждый из водителей должен знать и помнить о том, что на горячем двигателе система охлаждения находится в состоянии повышенного давления! Если двигатель вашего автомобиля перегрелся и `закипел`, то, конечно же, надо остановиться и открыть капот машины, но не советую открывать пробку радиатора. Для ускорения процесса охлаждения двигателя это практически ничего не даст, а вот получить сильнейшие ожоги можно.
Все знают, чем оборачивается для нарядно одетых гостей, неумело открытая бутылка с `Шампанским`. В автомобиле все намного серьезнее. Если быстро и бездумно открыть пробку горячего радиатора, то оттуда вылетит фонтан, но уже не вина, а кипящего ТОСОЛА! При этом могут пострадать не только водитель, но и оказавшиеся рядом пешеходы.
Поэтому, если вам когда-нибудь придется открывать пробку радиатора или расширительного бачка, то предварительно стоит предпринять меры предосторожности и делать это не спеша.
Характеристическая длина и окружность охлаждения
Введение
Одной из самых непонятных вещей в охлаждении для начинающего инженера-механика является тот факт, что при одних и тех же геометриях и размерах тепловые решения просто не работают одинаково. Прошлые результаты не гарантируют производительность в будущем, и удвоение площади поверхности испытанной и испытанной конструкции для удвоения охлаждающей способности в соответствии с законом охлаждения Ньютона не сработает каким-либо предсказуемым образом.
Почему термальный мир такой непредсказуемый? Успех тепловой конструкции зависит не только от механических размеров или свойств материала. Тепло и температура невидимы, а поскольку 75% коры головного мозга человека посвящено обработке визуальной информации, то, как работают тепловые конструкции, интуитивно неясно на уровне кишечника.
Эта статья представляет собой попытку сделать распространение тепла, один из наиболее важных механизмов охлаждения электроники, более наглядным и, следовательно, более интуитивным, с помощью круга охлаждения.
Важность распространения тепла
Рассмотрим потери тепла при конвективном охлаждении, которые пропорциональны произведению коэффициента теплопередачи h, площади A и разности температур между площадью поверхности и постоянной температурой окружающей среды, T. Теперь представьте себе поверхность с неоднородной температурой и график распределения этой температуры по отношению к окружающей среде. Сегмент площади поверхности dA при температуре T имеет конвективные потери тепла h(T- T окружающей среды )dA, а общие конвективные теплопотери – это сумма всех отрезков или интеграл dA. Другими словами, если мы построим график разности температур между температурой поверхности и температурой окружающей среды, потеря тепла в раз будет равна объему под температурой поверхности, умноженному на h.
Это означает, что теплота ведет себя как объем воды: Объем воды в высоком стакане имеет высокий уровень воды. Тот же объем воды в широком стакане имеет низкий уровень воды. Аналогичным образом, если заданное количество тепла имеет крутой температурный профиль, соответствующий малому распространению тепла, максимальная температура будет высокой. Одно и то же количество тепла с более плоским температурным профилем, соответствующим большему распространению тепла, приводит к более низкой максимальной температуре, поскольку объем под крутой и плоской температурными поверхностями одинаков.
Рисунок 1: При той же мощности больше результатов распределения тепла при более низких температурах источника.
При охлаждении электроники ключевым моментом является обеспечение определенного рассеивания тепла при сохранении температуры источника тепла ниже определенной. В терминах аналогии с водой это означает, что задано количество воды и задан уровень воды.
Работа инженера-теплотехника сводится к обеспечению достаточной площади и достаточного распределения тепла. Область видна, и цель этой статьи состоит в том, чтобы визуализировать распространение тепла.
Замечание о тонкости
Эта статья посвящена распространению тепла в тонкой пластине, что означает, что геометрия настолько тонкая, что между обеими сторонами пластины нет существенной разницы температур. Из этого следует, что не имеет значения, находится ли источник сверху платы, встроен в плату или снизу платы или радиатора. Кроме того, не имеет значения, осуществляется ли охлаждение сверху пластины, снизу пластины или и там, и там. В очень тонкой геометрии имеет значение только общий комбинированный коэффициент теплопередачи. Пластина тонкая, если t<10% k/h или, другими словами, если число Био Bi<0,1 [1]. Если это не так, обратитесь к ссылкам [5,6] для получения дополнительной информации по этой теме.
Прямоугольное тонкое ребро, характеристическая длина
Рассмотрим распространение тепла вдоль плоского прямоугольного тонкого ребра шириной w, толщиной t и коэффициентом теплопроводности k.
Одна кромка ребра нагревается, при этом T(x=0)= T 0 . Ребро проводит тепло по своей длине и отдает тепло в окружающую среду за счет конвекции при коэффициенте теплопередачи h. Температура по шкале оребрения с заданной конечной температурой и температурой окружающей среды [1-3]
Координата по шкале плавника со шкалой длины, L c . Этот масштаб длины следует непосредственно из определяющего дифференциального уравнения [3], но он также возникает как длина, для которой тепловые сопротивления для проводимости и конвекции равны [1]: длина L c является характеристической длиной
Для бесконечно длинных прямоугольных ребер [1]
Другими словами: температура убывает экспоненциально со скоростью 1 от θ=1 при η=0 до θ=0. При экспоненциальном затухании влияние заданной конечной температуры продолжается бесконечно, но на практике это влияние быстро уменьшается: при η=1, θ=0,37; при η=2 θ=0,14 и при η=3 θ=0,05.
На расстоянии 3L c обнаруживается менее 5% введенной температуры. Кроме того, поскольку площадь под экспоненциальной кривой конечна и равна 1, общие потери тепла в окружающую среду также конечны и определяются как
На этом изображении бесконечно длинное прямоугольное ребро с T 0 , расположенное на конце x=0, теряет тепло в окружающую среду , как если бы длина L c нагревалась до T 0 , а остальная часть ребра остается холодной. Поскольку температура однородна по ширине w ребра, это тепло представляет собой объем блока длины L c , ширины w и высоты T 0., равный потере линейной температуры сбросьте из T o в окружающую среду с расстояния 2 л c . Отсюда следует, что линейное падение температуры на расстоянии 2L c является хорошим приближением для экспоненциального затухания .
Экспоненциальное снижение температуры от нагретой кромки объясняет, почему увеличение площади поверхности охлаждающего ребра не всегда улучшает тепловые характеристики.
Если плавник намного короче, чем L c , удвоение длины, например, с 0,1 L c на 0,2 л c действительно примерно удвоит охлаждающую способность, поскольку дополнительная длина будет нагреваться. Если ребро имеет длину около 1 л c или более, увеличение длины ребра не поможет, так как ребро уже испытывает значительный перепад температуры от основания к его кончику, и поэтому добавленный материал останется ненагретым. В этом случае использование более толстого ребра или материала с лучшей проводимостью поможет нагреть существующую площадь поверхности и, таким образом, улучшить охлаждение.
Охлаждающий круг для больших источников
Распространение тепла от края относительно большого круглого источника наружу напоминает распространение тепла от прямоугольного ребра, рассмотренного выше. Таким образом, теория прямоугольных тонких ребер распространяется на большие круглые источники на бесконечно большой тонкой пластине.
Если предположить, что источник изотермический, то и источник, и край будут иметь температуру T 0 . Вместо прямоугольного ребра длиной L c будет L c широкое кольцо, отходящее от края источника. Общие тепловые потери — это потери самого источника плюс дополнительные потери от нагретого кольца вокруг него. Другими словами, круглый источник охлаждается так, как если бы он имел радиус (r i + L c ) при температуре T 0 . Определим круг радиусом R i +L c как круг охлаждения .
Опять же, круг охлаждения объясняет, почему увеличение радиатора иногда работает, а иногда нет. Для плоской пластины, которая находится внутри охлаждающего круга, увеличение размера будет соответствовать увеличению тепловых характеристик, поскольку нагревается дополнительная площадь поверхности. Напротив, увеличение размера пластины, которая уже намного больше, чем охлаждающий круг, не будет работать, как и в случае с прямоугольным ребром.
На ИК-снимках видно, что на некотором расстоянии зона нагрева вокруг квадратного источника тепла имеет круглую форму. Следовательно, приближение круглого источника применимо к широкому диапазону некруглых форм источника.
Охлаждающий круг для небольших источников
Рис. 2. Круговая геометрия
Когда источники становятся относительно маленькими, температура падает более чем экспоненциально: с точки зрения аналогии с водой, она растекается все тоньше и тоньше.
Рассмотрим геометрию на рисунке 2: круговой источник тепла с радиусом r i на тонкой пластине толщиной t, теплопроводностью k, охлаждаемой с коэффициентом теплопередачи h.
Предполагая, что тепло распространяется радиально на расстоянии L от края источника, тепловые сопротивления:
Приравнивание сопротивления и определения
, после некоторых повторных. аранжировка, до
Опять же, характерная длина L C появляется, но она сопровождается коррекционной функцией F, в зависимости от относительного размера источника η I
Функция коррекции включает эффект размера источника.
Для η >0,5 коэффициент составляет около 1, что согласуется с результатом для крупных источников.
Рис. 3: Поправочный коэффициент
Температурное решение для распространения тепла на пластине хорошо известно как решение для кольцевого тонкого ребра с заданной температурой T 0 на внутренней кромке. Это решение выражается в функциях Бесселя. Читателю, интересующемуся математическими основами, рекомендуется обратиться к ссылкам [2-4], в этой статье представлены только окончательные результаты.
Для большого круглого источника на бесконечно тонкой пластине охлаждение происходит так, как если бы к радиусу источника добавилась характерная длина:
Это означает, что новую шкалу длины можно использовать таким же образом.
Расчет в электронной таблице подтверждает, что это действительно хорошее приближение в большом диапазоне η i .
Рисунок 5 показывает, что потери тепла в «охлаждающем круге» приближаются к аналитическому решению с использованием функций Бесселя с точностью до 6%.
Круглый источник на бесконечной пластине охлаждается охлаждающим кругом радиусом
Как далеко уходит тепло?
Итак, мы пришли к выводу, что круговой источник тепла на бесконечной пластине охлаждается так, как если бы он имел площадь охлаждающего круга. Но когда тарелка бесконечна?
Рис. 4. Температурные поверхности
В случае прямоугольного ребра было показано, что прямая линия на расстоянии 2L c заменяет кривую экспоненциального падения температуры. Расширение в круговую область указывает на замену криволинейного конуса из решения Бесселя на прямой конус с перепадом температуры более 2L c , как показано на рисунке 4. Для небольших источников линейный спад будет более крутым по причинам, обсуждавшимся ранее.
В пределе исчезающе малых источников линейное падение распространяется на √3L с L=L c
На рис. 5 показаны L/L c и % разность между потерями тепла по решению Бесселя и кругом охлаждения для конечных пластин с кромками вокруг источника от 1 л до 10 л. Разность определяется как (значение CC (круг охлаждения) – значение Бесселя)/значение Бесселя * 100%
Значение круга охлаждения всегда предполагает наличие бесконечной пластины, поэтому оно зависит только от радиуса источника. Значение Бесселя включает в себя как размер источника, так и размер пластины. Для достаточно больших пластин сравнение иллюстрирует справедливость подхода охлаждающего круга. Для экспоненциального падения температуры было видно, что любое расстояние выше 3L можно считать «бесконечным». Кривые для +5L и +10L совпадают, подтверждая, что это «бесконечные» значения. Это сравнение показывает, что для бесконечных пластин использование охлаждающего круга дает точность в пределах 6%.
Рисунок 5: L/Lc и CC в зависимости от потерь тепла Бесселя
Для меньших конечных пластин сравнение между значением Бесселя и значением охлаждающего круга является показателем того, сколько тепла реализуется на меньшей конечной поверхности. Кривые для r вых = r в + √3 л и r вых = r в + 2 л показывают, что 75–85 % общих теплопотерь приходится на источник и √3 л. L cq 2 L широкое кольцо вокруг него, которое хорошо выравнивает линейный перепад температуры за 2L c для крупных источников и √3L для исчезающе малых источников.
Кривая обода = L — это кривая, где конечная пластина представляет собой точный размер охлаждающего круга. Эта кривая показывает, что в случае больших источников, r i ≥ L c , 70% или более всего теплообмена происходит внутри самого контура охлаждения. Для малых источников это не так: для источников с r 
Потери тепла, «как будто охлаждающий круг имеет одинаковую температуру», являются результатом равномерного температурного плато в самом источнике, добавленного к потерям тепла из-за перепада температуры, распространяющегося на расстояние от √3L до 2L вокруг источника. При малой площади источника дополнительные потери тепла фактически преобладают над потерями тепла от самого источника.
Рисунок 6: Размер пластины и кружок охлаждения
Если тарелка больше √3L до 2L вокруг источника. а охлаждение источника идет по контуру охлаждения.
Если пластина значительно меньше, охлаждение источника определяется площадью пластины:
Случай линеаризованного прямоугольного ребра можно использовать для создания несколько лучшего приближения к повышению температуры источника.
В прямоугольном случае средняя температура пластины соответствует положению на полпути между источником и краем пластины, и известно, что температура падает до температуры окружающей среды на расстоянии 2L. Это фиксирует наклон и позволяет рассчитать температуру источника как
Для лучшего приближения читателю предлагается обратиться к [4].
Пример применения
Например, хорошо проводящий источник тепла 3x3x2 мм на вертикальной пластине 100x100x1 мм, охлаждаемый h=10 Вт/м 2 K с обеих сторон пластины будет вычислено. В одном случае пластина изготовлена из керамики, k=1 Вт/мК, а в другом случае пластина изготовлена из алюминиевого сплава, k=160 Вт/мК.
т | к | ч | л с | Би | |
| чемодан | мм | Вт/мК | Вт/м 2 К | мм | – |
| алюминий | 1 | 160 | 20 | 89 | 0,000125 |
| керамика | 1 | 1 | 20 | 7. |
1Таблица 1: расчет L c и Bi
В таблице 1 показаны расчетные значения L c и Bi . Результаты показывают, что для обоих случаев Bi < 0,1, поэтому пластина тонкая и применим охлаждающий круг .
кейс | р и | р из | р из -р я | л с | η i =R i /L c | ф(η и ) | л |
мм | мм | мм | мм | мм | |||
алюминий | 1,7 | 56 | 55 | 89 | 0,019 | 2. | 62,2 |
керамика | 1,7 | 56 | 55 | 7 | 0,239 | 1,2 | 6,4 |
1Таблица 2: поправочный коэффициент L и расстояние между источником и краем пластины
a. Керамическая пластина
Обод вокруг компонента (55 мм) намного больше, чем 2L (2 x 6,4 мм). Следовательно, пластина бесконечна, у нас есть горячая точка. Деталь на керамической пластине охлаждается по охлаждающему кругу радиусом r i + L=1,7 + 6,4 = 8,1 мм, площадь 206 мм 2
Алюминиевая пластина
Ширина обода вокруг компонента меньше L, поэтому пластина находится внутри круга охлаждения.
Компонент на алюминиевой пластине охлаждается площадью пластины: A=0,01 м 2 .
При рассеиваемой мощности 1 Вт и температуре окружающей среды 35 °C средняя температура пластины составит 40 °C.
Источник будет 40 – 41,5 C.
c. Сравнение с численными результатами
Рис. 7: численные результаты
Температурные поля из численного моделирования подтверждают, что для керамической пластины круг охлаждения полностью находится на пластине, а кромка находится при температуре окружающей среды. Также подтверждено, что для алюминиевой пластины нагревается вся пластина. Температуры источника и Rth хорошо совпадают с результатами круга охлаждения, как показано в таблице 3 9.0005
Температура источника (°C) | Р й (К/Вт) | |||
круг охлаждения | числовой | круг охлаждения | числовой | |
керамика | 278 | 276 | 242 | 241 |
алюминий | 40 – 41,5 | 44 | 5 – 6,5 | 8,6 |
Таблица 3: сравнение с численными результатами.
Венди Люйтен (Wendy Luiten) — старший специалист по тепловым технологиям в Philips Research в Эйндховене. У нее более 25 лет опыта работы в области термических и механических систем и более 15 лет опыта работы в области охлаждения продуктов бытовой электроники. Она также читает лекции на курсах Electronics Cooling и более 15 раз читала лекции в Азии, США и Европе. Она является автором многочисленных статей и имеет 4 патента.
Она получила награду за лучшую статью на Semi-Therm 2002 и является членом программного комитета Semi-Therm и Therminic. Венди Луитен получила степень магистра в области машиностроения (течение тепла и жидкости) в Техническом университете Твенте, Нидерланды.
Критическая технология охлаждения двигателя — журнал Circle Track
| Практическое руководство — двигатель и трансмиссия
Понимание и решение проблем с охлаждением
Технический редактор Джон Гибсон рассказал мне историю о том, как он недавно был на трассе в Джорджии, наблюдая за гонками Street Stock. Во время выступления он заметил, что при каждом предупреждении подъезжало несколько автомобилей и обливали радиатор водой, чтобы охладить двигатель. Затем они возвращались на гусеницу, но не могли вернуть свое положение гусеницы. Он сказал, что подумал про себя: если бы у этих парней был правильный радиатор и вентилятор, им не пришлось бы терять драгоценное время и позиции, просто пытаясь охладить свои двигатели.
В разговоре с одним из этих уличных стокеров, которые любят шланги, после гонки, он сказал, что его доводы в пользу дешевого радиатора были именно такими. . . экономия на издержках. У гонщика сложилось впечатление, что он не может позволить себе «навороченный» радиатор для своего бомбардировщика. Он не осознавал того факта, что треснутая головка из-за проблемы с перегревом будет стоить намного дороже, чем даже самый хороший двухконтурный радиатор.
Опыт Джона подсказал нам, что пришло время пересмотреть некоторые важные технологии охлаждения.
Итак, без лишних слов, приступим.
Теплопередача Теплопередача, также известная как теплообмен, является самой сутью функции радиатора (каламбур). Очевидно, что радиаторы предназначены для защиты вашего двигателя от перегрева, передавая эту тепловую энергию от жидкости, которая циркулирует в двигателе, через водяную рубашку — серию проходов, отлитых в блоке.
Когда жидкость проходит через горячий двигатель, она поглощает тепло, тем самым охлаждая двигатель. Как только жидкость выходит из двигателя, она проходит через радиатор, который представляет собой не что иное, как теплообменник, который передает тепло от жидкости воздуху, проходящему через радиатор.
Теплопередача является ключом к функционированию радиатора, но это может произойти только тогда, когда жидкость находится в непосредственном контакте с алюминием радиатора. Производители достигают максимальной теплопередачи с помощью нескольких методов проектирования, одним из основных из которых является увеличение площади поверхности трубки, по которой жидкость проходит через радиатор. Обычно эти трубки очень широкие спереди назад и тонкие сверху вниз. Десятки этих тонких трубок можно укладывать друг на друга, оставляя между ними небольшие воздушные зазоры.
Чаще всего эти тонкостенные трубы монтируются параллельно. Трубки разделены алюминиевыми ребрами в форме буквы «Z», которые помогают отводить тепло от трубок.
Ребра отводят тепло от трубок и передают его воздуху, проходящему через радиатор.
В некоторых радиаторах в трубки вставлены ребра, называемые турбулизаторами, которые увеличивают турбулентность жидкости, протекающей по трубкам. Если бы жидкость текла по трубкам очень плавно, непосредственно охлаждалась бы только та жидкость, которая действительно соприкасается с трубками. Количество тепла, передаваемого трубкам от протекающей по ним жидкости, зависит от разницы температур между трубкой и соприкасающейся с ней жидкостью. Таким образом, жидкость, которая находится в непосредственном контакте с трубкой, остывает быстрее, чем жидкость, не контактирующая с трубкой, и передается меньше тепла. Создавая турбулентность внутри трубы, вся жидкость может соприкасаться со стенкой трубы и терять тепло, тем самым снижая температуру всей жидкости.
Эффективность Каждая часть радиатора разработана с единственной целью рассеивания тепла, собранного водой, протекающей через двигатель.
Насколько эффективно радиатор выполняет эту задачу, зависит от двух конкретных типов «потока»: воды и воздуха.
Поток воды — Вода, или жидкость, как мы ее называем, стекает в коллектор или большую открытую полость на одной стороне радиатора, где она затем проходит через алюминиевые трубки, прежде чем собирается в коллектор на другой стороне. . На этот поток воды через ваш радиатор можно повлиять несколькими способами, в том числе с помощью ограничителей, размера водяного насоса и соответствующей системы шкивов, а также вышеупомянутого включения турбулизатора.
. Одним из самых больших факторов, влияющих на эффективность работы вашего радиатора, является размер шкива водяного насоса. Если шкив слишком большой, он не будет проталкивать достаточно воды через водяную рубашку и радиатор для эффективного охлаждения двигателя. И наоборот, если ваш шкив слишком мал, вода будет проталкиваться через систему так быстро, что у нее не будет достаточно времени, чтобы собрать тепло от двигателя или рассеять это накопленное тепло.
Эта проблема усугубляется системой шкивов. Водяные насосы во многих двигателях с кольцевой гусеницей приводятся в движение коленчатым валом через систему шкивов. Если система шкивов не вращает насос достаточно быстро, вы не сможете прокачать достаточное количество воды через двигатель/радиатор.
Показательный пример: друг журнала, владелец Dirt Late Model, недавно отремонтировал свой двигатель. Во время перестройки его производитель двигателей предложил экзотическую систему шкивов в стиле Кубка NASCAR. Строитель сказал, что конструкция системы с клиновым ремнем меньшего размера позволит высвободить лошадиные силы. Теперь имейте в виду, что этот двигатель мощностью 550 л.с. никогда не имел проблем с перегревом и постоянно работал в диапазоне 180-190 градусов. Кроме того, недавно был установлен новый радиатор. С первой гонки с новой системой шкивов двигатель всегда работал выше 220 и зависал на датчике температуры, когда наш друг-гонщик выключал его.
Вот в чем проблема. Шкивы меньшего размера не подходили для водяного насоса и, в конечном итоге, для двигателя. Они не были рассчитаны на двигатель мощностью 550 л.с. со скоростью вращения 5500 об/мин и штатным насосом, и насос вращал слишком быстро, слишком быстро проталкивая воду через систему охлаждения.
Ограничители — Помимо водяных насосов и шкивов, ограничители обычно используются для регулирования потока воды через радиатор. Это именно то, что следует из их названия, и они выглядят как небольшая воронка, спроектированная для сокращения или ограничения потока воды. Обычно монтируются в нижний патрубок радиатора на выходной горловине радиатора, ограничители бывают разного диаметра. Выбор запуска ограничителя зависит от его соответствия вашей системе.
Bridges сообщает, что при переходе с двухпроходного радиатора на однопроходной нужно начать без ограничений, а затем постепенно добавлять ограничения в зависимости от размера ограничителя, пока не добьетесь нужной температуры.
«Мы всегда рекомендуем использовать водяной насос в соотношении 1:1». Соотношение 1:1 означает, что диаметр шкива коленчатого вала такой же, как у шкива водяного насоса.
Воздушный поток — Как и поток воды, существует ряд факторов, влияющих на воздушный поток через радиатор, таких как количество ребер, количество проходов, конструкция сердечника и наличие кожуха.
Сердечники — Радиаторы Racing выпускаются в нескольких различных конфигурациях, включая одно-, двух-, трех- и четырехжильные/проходные системы. Это означает, что как только жидкость попадет в радиатор через впускное отверстие, она сделает столько же проходов через радиатор, прежде чем выйдет обратно в двигатель через выпускное отверстие. Наиболее популярными конфигурациями с короткой дорожкой являются одно- и двухходовые излучатели.
В однопроходном радиаторе жидкость проходит через радиатор один раз. Двухходовой радиатор имеет два отдельных набора трубок, иногда разделенных перегородкой, а иногда один набор уложен за другим набором.
Радиаторы с этой второй установкой известны как двухъядерные установки. В любом случае жидкость проходит через один набор трубок, а затем возвращается через другой набор, по сути, дважды проходя через радиатор, то есть дважды проходя. Очевидно, что в трехпроходной системе есть три отдельных набора (или стержней) трубок, соединенных вместе, в то время как четыре имеют . . . как вы уже догадались, четыре ядра.
Недостатком многоярусных радиаторов является то, что, когда вы укладываете сердечники один за другим, воздуху становится все труднее и труднее проходить через радиатор. Для больших трасс и более высоких скоростей подходят трех- и четырехходовые системы, но они просто не будут подавать достаточно воздуха для эффективного охлаждения вашего двигателя за 20 кругов по ровной трассе длиной 1/3 мили.
Ребра — Плотность расположения ребер в вашем радиаторе называется количеством ребер и измеряется в ребрах на дюйм. Большее количество ребер означает, что алюминий имеет большую площадь поверхности для излучения тепла, которое он поглощает из воды/жидкости, в воздух.
Однако, если количество ребер слишком велико для вашего применения, они могут создать барьер для воздуха, пытающегося пройти через радиатор. При этом воздух скапливается перед радиатором или движется вокруг него и не достигает трубок охлаждения второго ряда.
Как правило, быстрый гоночный автомобиль может использовать большее количество плавников, в то время как более медленные автомобили должны использовать меньшее количество плавников. Если вы участвуете в гонках на трассах длиной от 3/10 до 1/2 мили, вам следует искать 14-18 плавников на дюйм.
Кожухи — Независимо от типа автомобиля, на котором вы гоняете, у вас должен быть кожух на радиаторе. Они просты в изготовлении и максимизируют поток воздуха. Кожухи перед радиатором направляют входящий воздух под высоким давлением прямо на ребра/сердцевину. Кожухи между радиатором и механическими вентиляторами помогают увеличить поток воздуха через радиатор. Герметизация кожуха клейкой лентой важна для предотвращения утечки воздуха.
Воздействие температуры воздуха . Это не является чем-то необычным, и на самом деле, вероятно, более распространенным, чем кто-либо из нас думает, когда система охлаждения, которая работала как чемпион ранней весной, испускает дух в середине июля. И вот почему: Радиатор работает одинаково независимо от температуры окружающей среды.
«Хорошее эмпирическое правило заключается в том, что на каждые 10 градусов повышения температуры наружного воздуха жидкость в двигателе будет на 10 градусов теплее», — говорит Ричард Бейли, владелец Innovative Cooling Equipment (ICE) из Конкорда, Северная Каролина 9.0005
При повышении температуры наружного воздуха с 80 до 105 градусов температура жидкости в двигателе повысится на 25 градусов. Сделайте еще один шаг вперед, скажем, ваш двигатель обычно работает при температуре 220 градусов. Добавьте к этому 25 градусов, и вы получите 245 и рискуете перегреться.
Это подводит нас к выбору радиатора.
Ваш выбор радиатора должен основываться на самых высоких температурах, которые вы увидите в течение гоночного сезона. Однако вы должны помнить, что радиатор — это лишь часть вашей общей системы охлаждения. Эта система должна быть спроектирована и установлена не только с учетом высоких внешних температур, но и с учетом количества кругов, которые вы проедете, размера вашей трассы и мощности вашего двигателя.
При поиске нового радиатора очень важно выбрать правильное количество проходов. Многие гонщики объясняют перегрев или проблемы с перегревом в летние месяцы повышением температуры окружающей среды в июне, июле и августе. Часто проблема связана с плохо обслуживаемой системой охлаждения, неподходящим радиатором для вашего приложения или системой, которая слишком быстро или слишком медленно пропускает жидкость через радиатор.
Так что же определяет правильное количество проходов? Что и где вы гоняете, вероятно, самый важный фактор.
В качестве примера рассмотрим машину Джона. Джон использует четырехъядерную систему от ICE, что может показаться излишеством, но в гонках USAR Pro Cup это почти необходимость. В обычный уик-энд Джон делает 300-400 кругов по трассам длиной 5/8 мили и больше. Двухпроходная система была бы неадекватной для этой среды. Но четырехступенчатая система ICE поддерживает температуру воды на приемлемом уровне, даже когда он наматывает ленту на нос, что используют гонщики на асфальте, чтобы добавить аэродинамическую прижимную силу своим машинам.
Типичным гонщикам на шорт-треке не нужна четырехпроходная система. Они обнаружат, что одно- и двухпроходные системы подходят для большинства ситуаций. Но какой выбрать? У обоих есть преимущества.
Преимущество однопроходной системы в том, что она примерно на 30 долларов дешевле двухпроходной.
Недостатком однопроходного режима является то, что он менее ограничен, чем двухпроходный.
И это уменьшенное ограничение означает, что жидкость будет проходить через всю систему охлаждения с большей скоростью.
Практически нет снижения веса между однопроходной и двухпроходной системой, потому что двухпроходный радиатор — это, по сути, однопроходный радиатор со вставленной в него перегородкой, которая направляет поток воды через радиатор во второй раз. Они одинакового размера и практически одинакового веса. Но в чем блестит двухходовой двигатель, так это в его способности охлаждать двигатель.
«Двухходовой радиатор повысит эффективность охлаждения на 5-10 процентов в зависимости от области применения», — говорит Бриджес.
А как насчет дополнительного ограничения двойного прохода? «Сегодняшние большие водяные насосы, которые пропускают гораздо больше воды, в основном компенсируют дополнительное ограничение, которое вы обнаружите при использовании двойного прохода», — говорит Бриджес.
Есть еще одно преимущество.
Скажем, из соображений производительности вы хотите, чтобы ваш двигатель работал немного меньше. Каждый раз, когда вы наклоняете двигатель, он будет работать теплее; переход на двухпроходную систему обеспечивает необходимую дополнительную эффективность охлаждения при увеличении стоимости всего на 30 долларов. Наконец, двойной проход переместит впускной и выпускной шланги к одной стороне радиатора, что сделает моторный отсек чище.
Решение о том, какой тип радиатора и связанной с ним системы охлаждения нужен вашему гоночному автомобилю, должно основываться на вашей серии, размере двигателя и самых высоких температурах, которые вы увидите в летние месяцы.
Подведение итогов
Тип воды, которую вы заливаете в радиатор, также важен. В легковом автомобиле мы используем антифриз, активным ингредиентом которого является этиленгликоль, неприятная штука. При добавлении в воду температура замерзания антифриза падает значительно ниже обычных 32 градусов по Фаренгейту.
Очевидно, что гоночным автомобилям антифриз не нужен, если только вы не участвуете в ледовых гонках на Аляске, но можете ли вы добиться большего успеха, чем обычная водопроводная вода? ?
Проблема с водопроводной водой, помимо сильно различающегося уровня качества, заключается в том, что она часто содержит минералы, фториды и другие твердые частицы, которые могут вызвать коррозию алюминия в вашем радиаторе. И Джон, и Бобби Кларк, водитель нашей команды Project Dirt Late Model Team, используют дистиллированную воду в своих радиаторах, потому что она чистая, не содержит нежелательных химикатов и обеспечит оптимальную работу вашей системы охлаждения. Обе команды также используют в этой дистиллированной воде добавку, не содержащую гликоля. Такие продукты, как Cool Down, Water Wetter или 40 Below от VP, снижают рабочую температуру системы охлаждения.
Техническое обслуживание Одна из самых разумных вещей, которую вы можете сделать после каждой гонки, это вытащить радиатор из машины и осмотреть его, даже если вы не попали в аварию.
Проверьте все линии, шланги и ребра. Если какие-либо ребра согнуты или закрыты, воздух не будет проходить через них. Возьмите пару острогубцев и осторожно выпрямите их. Шланги, которые треснули или могут треснуть, должны быть немедленно заменены. Также обратите особое внимание на сварные швы на наличие мелких трещин или потенциальных разрывов. Не забудьте залезть под машину и заглянуть в цех. Вы просто можете найти небольшую лужу воды, которая приведет вас к большей проблеме.
Выбор системы охлаждения, подходящей для вашего применения, а затем внимательное наблюдение за ней в течение всего сезона позволит вам избежать проблем, которые не дадут вам попасть на переулок Победы.
Защита радиатора Защита радиатора — это хороший способ добавить дополнительный уровень защиты вашей системе охлаждения. Эти протекторы устанавливаются перед радиатором и поглощают удары от мусора, камней и грязи вместо алюминиевых ребер охлаждения.