Теоретичний розрахунок величини повітряного потоку і споживаної потужності вентиляторів - основні
Про проблеми роботи систем охолодження наш журнал уже писав у статті «Антифриз». Ми продовжуємо цю тему і розглянемо проблеми розрахунку величини повітряного потоку і споживаної потужності вентиляторів систем охолодження.
трохи теорії
Всі вентилятори систем охолодження мобільних машин відносяться до класу «осьових», або «пропелерних», т. Е. Вентиляторів, що нагнітають потік у напрямку осі обертання лопатей. Цим вони відрізняються від «відцентрових», які змінюють напрямок потоку на 90 ° і направляють його перпендикулярно осі обертання лопатей.
Теплообмін в радіаторах систем охолодження
В основі розрахунків систем охолодження лежить формула теплопередачі
де ΔQ - кількість тепла, що передається тілу;
m - маса тіла;
ΔT - різниця температур;
C - питома теплоємність.
З наведеної формули можна зробити важливі висновки. Якщо ΔQ і С - величини постійні, то чим більше ΔT. тим менше m. І ще: кількість тепла ΔQ. яке може бути передано від одного тіла іншому, прямо пропорційно різниці температур цих двох тіл ΔT. Щодо теплообміну в радіаторі системи охолодження це означає: чим більша різниця температур охолоджувальної рідини і навколишнього повітря ΔT (Tж -Tв). тим менший потік повітря F. кг / с, потрібно для охолодження. Ця залежність представлена на рис. 1. З графіка видно: коли температура навколишнього повітря наближається до температури охолоджуючої рідини, т. Е. ΔT зменшується майже до нуля, необхідний потік повітря стрімко збільшується.
Цей та наведені нижче графіки побудовані на основі реальних випробувань.
Енергія, необхідна для створення повітряного потоку заданої величини
Тепер розглянемо залежність енергоспоживання приводу вентилятора від величини повітряного потоку і його швидкості.
Як відомо з класичної механіки, кількість енергії, необхідної для приведення тіла в рух, пропорційно швидкості тіла в квадраті:
Стосовно до системи охолодження з цього рівняння випливає: щоб збільшити потік повітря, що проходить через радіатор, необхідно збільшити швидкість потоку, якщо ефективна площа радіатора залишається незмінною.
Відношення величини повітряного потоку і енергії, необхідної для створення цього потоку, виражається «законом вентилятора»:
де Е1 - енергія, що витрачається для створення існуючого повітряного потоку;
Е2 - енергія, необхідна для створення майбутнього повітряного потоку;
F1 - величина існуючого повітряного потоку;
F2 - величина необхідного повітряного потоку.
З цього рівняння можна зробити важливий висновок: енергія, необхідна для збільшення повітряного потоку, пропорційна відношенню нової і старої величин потоку в третього ступеня. Тобто, щоб збільшити потік повітря через радіатор в 2 рази, треба збільшити кількість енергії в 8 разів (навіть без урахування зростання аеродинамічного опору радіатора).
На рис. 2 зображена відносна залежність між потужністю, споживаної вентилятором, і величиною повітряного потоку.
Принципи розробки систем охолодження
Проектування системи охолодження зазвичай починають з вибору максимальної робочої температури, т. Е. Максимальної температури навколишнього повітря, при якій система охолодження здатна підтримувати температуру охолоджуючої рідини двигуна на заданому рівні.
Після вибору максимальної робочої температури можна визначити розрахунковий перепад температур ΔT в системі і величину необхідного повітряного потоку. Що вищу максимальна робоча температура, тим більше величина необхідного повітряного потоку.
Простіше кажучи, якщо ми розраховуємо систему охолодження для роботи в середній смузі, взявши за максимум температуру навколишнього повітря +35 ° С, нам буде потрібно менш потужний вентилятор, ніж у випадку, коли система охолодження буде розрахована на роботу при +50 ° С.
Для створення оптимальної за характеристиками системи охолодження слід враховувати фактори, перераховані далі.
Як правильно вибрати максимальну робочу температуру
Якщо вибрати дуже низьку максимальну робочу температуру, машина буде перегріватися при високих температурах навколишнього повітря, але якщо вибрати надмірно високу, заклавши в конструкцію системи охолодження занадто великий запас продуктивності, система буде споживати дуже велику потужність, а це призведе до перевитрати палива і погіршення економічності машини . Тому дуже важливо вибрати оптимальне значення максимальної робочої температури.
На рис. 3 представлена залежність величини повітряного потоку від температури навколишнього повітря для теплообмінника типу «повітря-повітря». У випробуваної системі охолодження використовувався вентилятор Ø 864 мм, максимальна робоча температура дорівнювала 43 ° С.
На рис. 4 представлена залежність потужності, споживаної вентилятором, від температури навколишнього повітря: потужність швидко падає з пониженням температури. Якщо температура навколишнього повітря опускається всього на 17 ° С нижче максимальної робочої температури системи охолодження, споживана потужність зменшується більш ніж на 50%.
Звести до мінімуму навантаження на систему охолодження
Слід виявити і виключити всі паразитні навантаження на двигун, які збільшують його тепловіддачу і навантаження на систему охолодження. Такі паразитні навантаження зазвичай з'являються через нераціональних конструкторських рішень.
Наприклад, гидромуфта приводу вентилятора зазвичай має к.к.д. 75-85%. Це означає, що 15-25% підводиться до неї потужності перетворюється в тепло, від якого нагрівається гідравлічне масло. Це тепло має бути відведено через систему охолодження самим вентилятором. Гідропривід вентилятора на максимально напруженому режимі роботи зазвичай створює 5-7% загальної теплової енергії, яка відводиться системою охолодження. За рахунок цього на максимальному режимі роботи потужність, необхідна для приводу вентилятора, збільшується на 16-22%, щоб додатково відвести тепло, створене самим приводом, плюс втрати 15-25% за рахунок не 100% -ного к.к.д. В результаті «набігає» зайвої споживаної потужності на привід вентилятора до 31-47% на максимальному режимі.
Порівняємо: ремінний привід вентилятора зазвичай має к.к.д. 93-98% і не збільшує навантаження на систему охолодження.
Вибір діаметра вентилятора
Збільшуючи діаметр крильчатки вентилятора, можна збільшити площу перетину повітряного потоку, за рахунок чого можна зменшити його швидкість. Оскільки площа кола змінюється пропорційно величині діаметра в квадраті, швидкість повітряного потоку змінюється пропорційно квадрату діаметра вентилятора.
Як встановлено раніше, споживана вентилятором потужність змінюється пропорційно квадрату швидкості повітряного потоку. Таким чином, потужність, споживана вентилятором, змінюється обернено пропорційно до зміни діаметра в четвертого ступеня:
де Е1 - потужність, споживана існуючим вентилятором;
Е2 - потужність, споживана новим вентилятором;
Ø1 - діаметр існуючого вентилятора;
Ø2 - діаметр нового вентилятора.
З рівняння видно, що при збільшенні діаметра вентилятора на 10% (і відповідно площі радіатора) споживана вентилятором потужність знижується на 32% при збереженні колишньої величини повітряного потоку. Тому вигідно використовувати радіатор і вентилятор найбільшого розміру, які можна розмістити в підкапотному просторі машини.
Системи з регульованою величиною повітряного потоку
Оптимальне вирішення. Системи охолодження з регульованою величиною повітряного потоку дозволяють забезпечувати високу максимальну робочу температуру без надмірних паразитних витрат потужності. Два найпоширеніші способи регулювання величини повітряного потоку - зміна частоти обертання або кута повороту лопатей вентилятора. Слід зауважити, що зменшення частоти обертання вентилятора вигідно не тільки з точки зору економії потужності, але і для зниження шуму роботи.
Вентилятори охолодження з повертаються лопатями (змінним кроком) дозволяють регулювати повітряний потік. Використання таких вентиляторів дає можливість розробникам систем охолодження забезпечити вимоги при екстремально високих температурах навколишнього повітря і в той же час звести до мінімуму споживання потужності на привід.
На рис. 5 представлена залежність величини повітряного потоку, що проходить через радіатор, від статичного тиску: при збільшенні статичного тиску повітряний потік зменшується. Чим більше повітря буде проходити через радіатор, тим більший тиск потрібно створити. На графіку видно, як змінюється величина повітряного потоку при зміні кута повороту лопатей (криві зсуваються на графіку).
Випробування показали, що навіть при відносно теплій погоді (+27 ° С) використання вентилятора з повертаються лопатями дозволило знизити споживану потужність до 50%.