Обоснование оценочных показателей и критериев технического уровня систем воздушного охлаждения

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ____________________________________2008, том 51, №10_________________________________

ТЕХНИКА

УДК 621.3:621.945.001.1.24

А.А.Саибов

ОБОСНОВАНИЕ ОЦЕНОЧНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И КРИТЕРИЕВ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ СИСТЕМ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Несмотря на успехи, достигнутые в двигателестроении, до настоящего времени ученые и конструкторы не пришли к единому мнению относительно перспектив применения двигателей с воздушным охлаждением ввиду отсутствия единых требований, критичных оценочных показателей и объективных критериев.

Сторонники двигателей с воздушным охлаждением (ДВО) [1-4] в число их достоинств относят:

- высокий уровень унификации как внутри семейств, так и между ними;

- высокие показатели ремонтопригодности;

- низкую удельную массу;

- экономию меди, олова, свинца;

- высокий термический коэффициент полезного действия (КПД) цикла;

- минимальную долю коррозионного и отсутствие кавитационного износов деталей, соприкасающихся с теплоносителем;

- снижение интенсивности износа деталей в пусковой период;

- отсутствие потребности в дорогостоящих антифризах и опасности размораживания блоков и головок цилиндров в холодное время;

- технологичность серийного производства и ремонта эксплуатирующихся двигателей.

Другие утверждают [5], что ДВО средней и большой мощности имеют худшие массовые и габаритные показатели по сравнению с двигателями жидкостного охлаждения (ДЖО). Однако при этом они недостаточно корректно сопоставляют удельные массы этих двигателей (масса и габариты водяного радиатора в учет не принимаются). Указывается также, что “...высокую степень форсирования (ре> 1.6 МПа) можно обеспечить только при жидкостном охлаждении”. Заметим, что тракторных дизелей с жидкостным охлаждением с таким ре также нет, а у дизелей Г8Ь413 уже достигнут уровень ре = 1.2 МПа.

Они считают, что низкая теплоемкость воздуха является главной причиной неравномерности температурного поля по периметру окружности цилиндра и по его высоте, хотя, согласно работе [2], неравномерность температурных полей по периметру окружности цилиндра у дизелей Д-50 достигает 47°С, что намного больше, чем у всех известных дизелей с

воздушным охлаждением. Однако это не означает, что проблемы не существует и ею не следует заниматься.

Отмечается [5], что “...уровень шума, создаваемого ДВО более высок и в этом случае необходимы более качественные масла и топлива”. Однако авторы не упоминают, что высокий уровень шума в ДВО обусловлен работой осевого вентилятора и никак не связан с расходом масла. Для дизелей 4Ч10.5/12.0 повышение угара масла наблюдается за пределами наработки 2500.. .3000 мото-ч.

Отмеченные выше недостатки ДВО, по-видимому, следует отнести к некоторому пристрастному отношению к ним.

Различие позиций сторон в оценке двигателей с воздушным охлаждением (ДВО), на наш взгляд, обусловлено отсутствием показателей, могущих стать объективными критериями оптимальности системы. Рассмотрим наиболее часто используемые показатели и попытаемся оценить их объективность и чувствительность.

К вентиляторам, независимо от их конструктивного исполнения, предъявляются требования по производительности, напорным характеристикам и затратам мощности на их привод. В ДВО расход воздуха должен быть в пределах 425...600 м /ч в расчете на одну цилиндровую секцию, при этом, в силу высокого аэродинамического сопротивления тракта, требуется обеспечивать напор 100...200 Па и достаточную экономичность - затраты мощности на привод вентилятора не должны превышать (0.03...0.07)^е.

Если выразить размах варьирования расхода воздуха соотношением

= ^о---^2—400 %

е 0ГР

где и - верхняя и нижняя границы показателя и, сделав расчеты, получим величину

29.1%. Очевидно, что верхний предел должен соответствовать двигателям с более высоким уровнем форсирования, но указаний на этот счет в литературе не имеется. Следовательно, корректность данной оценки можно ставить под сомнение.

Аналогичным образом подсчитаем напор и затраты мощности на привод вентилятора. Они составят соответственно 50 и 57.1%. Здесь вообще затруднительно вести какие-либо рассуждения о корректности назначаемых пределов изменения показателей. Только затраты мощности на привод вентилятора, по-видимому, назначаются по критерию подобия ДВО с ДЖО.

Несколько корректнее выглядит оценка системы охлаждения по удельному расходу воздуха. Так, для ДВО с неразделенными камерами сгорания рекомендуется иметь удельный расход воздуха 60...70 м /кВт-ч, с тем, чтобы подогрев теплоносителя не превышал 60°С. Однако у некоторых дизелей (Татра-603, ЕЬ 514) допускается подогрев воздуха до 60...85°С,

а у дизелей 4Ч10.5/12.0 удельный расход воздуха практически в два раза превышает рекомендуемый (рис. 2), из чего следует вывод о недостаточной их обоснованности, завышении или методической неточности оценки производительности вентилятора.

В теории тепловых процессов широко используются удельные показатели технического уровня двигателей, дающие объективную оценку независимо от способа организации рабочего процесса, конструктивных особенностей или каких-то других различий. Для систем охлаждения дизелей 4Ч10.5/12.0 применимы удельные показатели, приведенные в таблице. Однако, как показывает практика, ни один из этих показателей не может претендовать на использование в качестве критерия оптимальности системы охлаждения.

Удельная производительность вентилятора, согласно требованиям, должна находиться в пределах 60...70 м /кВт-ч. Из таблицы следует, что дв в 1.8-2.4 раза превышает норму, хотя некоторое снижение его по мере увеличения уровня форсирования и имеет место. Площадь теплоотводящей поверхности, отнесенная к единице эффективной мощности, которая для дизелей должна быть 0.049-0.087 м /кВт, укладывается в норму только у дизелей с ре =

0.541 МПа. Это свидетельствует о том, что при проектировании базовой модели не предусматривалось повышение среднего эффективного давления, в связи с чем попытки увеличения площади теплоотдающей поверхности за счет уменьшения “живого сечения” не смогли в полной мере удовлетворить требования.

Таблица

Удельные показатели системы охлаждения дизелей 4Ч10.5/12.0

Ре, МПа * 3 м3/кВт-ч Дж/ц Ея, кВт-ч/ м3 Площадь поверхности охлаждения

цилиндра, 2 м головки, 2 м общая, 2 м удельная, м2/кВт

0.541 7.35 146.2 1715 3.84-10'4 0.26 0.146 1.624 0.054

0.593 11.74 133.3 1830 4.08-10"4 0.26 0.160 1.680 0.045

0.635 13.01 117.9 1900 4.52-10"4 0.28 0.180 1.840 0.042

0.669 14.18 110.7 2390 4.91-10"4 0.3 0.180 2.040 0.040

Примечание: ре - среднее эффективное давление; qв - удельная производительность вентилятора; Яц -теплота, выделившаяся в процессе сгорания топлива; Ея - удельная тепловая нагрузка, приходящаяся на вентилятор.

Аналогичной информативностью (рис. 1) обладает показатель удельной тепловой нагрузки, приходящейся на вентилятор, представляющий отношение

г ни°т Ее~’

где Ии - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг, От - часовой расход топлива, кг/ч.

Использование производительности вентилятора как единичного показателя, применимого только для характеристики системы ДВО, можно признать допустимым, но с предварительно оговоренными условиями, к числу которых следует отнести площадь проходного “живого” сечения тракта или его эквивалентный диаметр, а также коэффициент сопротивления или сумму местных коэффициентов сопротивления.

Величина статического напора в направляющем аппарате или под кожухом вентилятора может оказаться показательной или критичной лишь применительно к одной модели двигателя или модификации, но не может являться критериальной оценкой систем ДВО, так как не обладает свойством общности.

Яа,

м3

кВт-ч

140

130

120

110

Е0,Щ \м Г і — ю

0,40 \ О \ ^ п сі 3613+0,0 '77 Qu+ 0,01 II & & 0,998;

о/ \ О 7^ =164,63-IS \315 Qif+1,4 § II ,996;

с ✓ 4г-65,25 -13,25%* 175 Ql r= 0,995 <S

?ОХ!

м2

Вт

55

50

45

1800 1900 2000 2100 2200 2300 (?ц,Дж

Рис. 1. Тенденции изменения оценочных показателей системы охлаждения ДВО 4Ч10.5/12.0 в зависимости от количества теплоты, подведенной за цикл.

Установленное ограничение затрат мощности на привод вентилятора в определенной степени тенденциозен, так как единственным основанием для его использования является соизмеримость с дизелями жидкостного охлаждения, а преимущества, выражаемые в снижении себестоимости и габаритно-массовых показателей ДВО, а также в уменьшени эксплуатационных затрат, игнорируются.

Нами предлагается следующая система оценок, которая, на наш взгляд, может удовлетворить все заинтересованные стороны ввиду объективной независимости от оцениваемых способа и конструктивных особенностей двигателя.

Известно, что количество теплоты, переносимой в единицу времени через единицу поверхности постоянной (стационарной) температуры в направлении нормали к ней, называемое удельным тепловым потоком, определяется зависимостью

т -т

с, с

ч =

16 1’

----1---1--

ос1 Л сс2

где Тл и Тс2 - среднее значение температуры рабочего тела в камере сжатия и охлаждающего воздуха соответственно, °С, ах и а2 - коэффициенты теплоотдачи от рабочего тела к стенкам камеры сжатия и от стенок в охлаждающую среду, Вт/ м2 • К , Ь - толщина стенки, м, А, - коэффициент теплопроводности, Вт/ м • К .

Коэффициент теплоотдачи от стенок в охлаждающую среду вычисляется по одной из распространенных эмпирических формул, например предложенной Стэнтоном

--- Г) -!->

а2 =470 1 + 0.0075ДГ • V рБ0 ’ ,

будем называть экспериментальным, если входящие в нее величины зарегистрированы при испытаниях. Если же они ставятся в формулу по умозрительному желанию исследователя, то

ее назовем расчетной. Здесь АТ - среднее значение градиента температур поверхности цилиндра и теплоносителя (воздуха), °С; V - среднее значение скорости охлаждающего воздуха, м/с; р - плотность воздуха, кг/м , И0 - наружный диаметр цилиндра, мм.

Введем дополнительно понятие потенциального коэффициента теплоотдачи, который выразим уравнением

ТС1~ТС2 Ец ТСх -ТС2

где Q0 - объемный расход воздуха (м3/ч) через охлаждающий тракт цилиндра, с - теплоемкость охлаждающего воздуха, Вт/(м-К), р - плотность воздуха, кг/м .

7Ъ

Тогда степень приближения СХ-2 к 0,2 можно принять в качестве одного из критериев оптимизации системы охлаждения, то есть

<3)

Этот показатель является максимизирующей линейной функцией в оптимизационной процедуре. Возможности применения уравнения (2) не ограничиваются заданием указанных переменных; приведя его к виду

срС, 2 Ар с£

Г -т V р т-т

-42Р^ >

можно производить оценку гидравлического сопротивления тракта Ç и напорных характеристик Ар вентилятора.

7Ъ

Для проверки выдвинутых положений произведем расчет 0,2 по уравнению (2) для следующих исходных данных: р = 1.2456 кг/м ; с = 1.01 Вт/(м-К); v = 30...50 м/с; Тс1 - Тс2 =

250...350 К. Результаты приведены линиями 5...9 на рис. 2. Для получения значений ОС2 по уравнению (4) использовались расчетные и экспериментальные данные, взятые из [1].

Анализ показывает, что rja (3) используется всего на « 30% и возбуждение потока, хотя и является эффективным мероприятием, но оно не в полной мере решает задачу обеспечения технического уровня системы охлаждения дизеля 4Ч10.5/12.0.

В качестве минимизирующей функции рекомендуется достаточно хорошо отработанный показатель - уровень эксплуатационных затрат, или стоимость 1 кВт вырабатываемой двигателем энергии.

ОЬ?,

Вт

Л-7- К 800

700

600

500

400

ЗОО

200

25 30 35 40 45 50 ив , м/с

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи цилиндра дизеля 4Ч10.5/12.0 от скорости потока охлаждающего воздуха при различных вариантах исполнения оребрения:

1 и 2 - для серийного варианта, эксперимент и расчет по (1) соответственно; 3 и 4 - эксперимент для варианта с резонаторами, а также с резонаторами и надрезами ребер; 5, 6, 7, 8 и 9 - потенциальный коэффициент теплоотдачи, вычисленный по (2) для градиента температур внутренней и внешней поверхности 350, 325, 300, 275 и 250 К соответственно.

Таджикский аграрн ый университет Поступило 20.08.2008 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ваисов Н.М. Исследование интенсификации теплообмена в системе воздушного охлаждения дизеля с турбонаддувом путем создания колебаний в потоке охлаждающего воздуха. Авторефер. диссерт. ... канд. техн. наук. - Челябинск, 1977, 20 с.

2. Гуревич А.М., Болотов А.К. - Тракторы и сельхозмашины, 1968, №7, с. 9-12.

3. Поспелов Д.Р. Двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением. - М.: Машиностроение, 1971, 566 с.

4. Эфрос В.В., Ерохин Н.Г., Кульчицкий Р.И. и др. Дизели с воздушным охлаждением Владимирского тракторного завода. - М.: Машиностроение, 1976, 277 с.

5. Орлин А.С., Алексеев В.П., Вырубов Д.И. Двигатели внутреннего сгорания. т. 4. Системы двигателей. - М.: Машиностроение, 1973, 480 с.

А.А.Саибов

АСОСНОККУНИИ НИШОНДИХАНДАХОИ БАХОДИХЙ ВА МЕЪЁРХОИ САТХИ ТЕХНИКИИ СИСТЕМАМИ ХУНУККУНАНДАИ ХАВОЙ

Макола ба масъалах,ои бах,одих,ии муносиби бузургих,ои системаи хунуккунии хдвоии мух,аррикх,ои дизелй бахшида шудааст. Олимон ба норасогих,ои асосии мух,аррикх,ои дизелии бо х,аво хунукшаванда андозах,ои калони онх,о, сатх,и баланди овоз, гармигунчоиши пасти х,авои хунуккунанда ва самаранокии пасти системаи хунук-куниро пеш меоранд. Дар асоси тах,лили фикру андешах,ои гуногун муаллиф сабаби х,амаи ин норасогих,оро дар вучуд надоштани нишондих,андах,ое, ки метавонанд меъёрх,ои х,ак;ик;ию муносиби системах,ои хунуккунандаи х,авой бошанд, мебинад.

Нишондих,андах,ои мунтазам истифодашавандаро тах,лил намуда, муаллиф системаи бах,одих,иеро пешних,од менамояд, ки бо новобастагии худ аз усули бах,одих,й ва хусусиятх,ои конструктивии мух,аррикх,о аз системах,ои пешина фарк менамояд.

A.A.Saibov

JUSTIFICATION OF THE EVALUATION INDICATORS AND THE CRITERIA OF THE TECHNICAL SYSTEMS OF AIR COOLING

This article is dedicated to the issues of optimal evaluation of the air cooling systems of diesel motors. The scholars are proposing the major lack nesses of the diesel motors that are cooling with the air of their big sizes, the high level of the noise, their low thermal heat capacity of the cooling air and low effectiveness of cooling system.

On the basis of the various analysis and discussions the author is looking at the reasons of these lack nesses in not having the indicators that could be the actual and optimal systems of the cooling air criteria.

Having analyzed the current indicators the author is suggesting a system of evaluation that despite the evaluation method itself and constructive peculiarities of the motors is different from the previous system.