Способ определения теплодинамических показателей блочно-модульной системы охлаждения двигателя тягово-транспортного средства
METHOD FOR DETERMINING THE THERMODYNAMIC CHARACTERISTICS OF A BLOCK-MODULAR ENGINE COOLING SYSTEM OF A TRACTION VEHICLE

Изобретение относится к автотракторной и машиностроительной областям для определения тепло-динамических показателей блочно-модульной системы охлаждения тягово-транспортных средств, определение которой осуществляется на основе информационных компьютерных систем числового управления.
Известен способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств (патент РФ №RU 2 511075 С1, 2012 г.) который заключается в установлении и определении вида и параметров тепловых функций технических устройств, по которым рассчитывают величины тепловых функций во время работы устройства и при их простоях, и введении коррекции в исполнительные органы через компьютерную систему числового управления в моменты достижения рассчитанными величинами установленных допустимых значений. При этом определяют вид, характеристики изменения во времени типовых закономерностей тепловых функций положения, движения и состояния технических устройств, его теплонагруженных частей, узлов и деталей при их нагреве и охлаждении для каждого управляемого функционального параметра при работе технического устройства и при его простоях.
Недостатком данного изобретения является то, что теоретически температурная характеристика тягово-транспортных средств зависит не от конструктивных особенностей двигателя, а от мощности развиваемой двигателем. Следовательно, отводимая теплота двигателя в охлаждающую жидкость может быть подсчитана через мощность двигателя, развиваемую в процессе эксплуатации тягово-транспортного средства.
Известно изобретение ударопрочные полиуретановые и поли(мочевиноуретановые) изделия и способы их производства (патент РФ RU 2414482 С2, 2007 г.) с разработкой полиуретанового материала, изделия из которого, изготовленные путем литья или реакционным литьевым формованием, имеющие хорошие оптические свойства, высокую стойкость к ударным нагрузкам, высокую ударную вязкость, хорошую баллистическую устойчивость, хорошую устойчивость к действию растворителей и хорошую стойкость к атмосферным воздействиям.
Недостатком данного изобретения также является отсутствие характеристики теплоотдачи полиуретанового материала и возможности применения его в блочно-модульной системе охлаждения тягово-транспортных средствах работающих на различных видах топливах.
Недостатками всех упомянутых изобретений является то, что они не учитывают случайных характер параметров, определяющих величину температурно-динамических характеристик, изменение значений температуры окружающей среды, требуют сложной системы измерения и регулирования, реализуют управление только одним функциональным параметром, ограничены техническим и технологическим назначением объекта управления, не могут быть изменены параметры управления и их величины в процессе эксплуатации, не учитывают условий окружающей среды и рабочих параметров системы охлаждения (атмосферного давления и влажности воздуха).
Очевидно, что общими чертами известных технических и технологических устройств являются необходимость определения температурно-динамического состояния функциональных агрегатов и узлов, которое изменяется в процессе их эксплуатации, так как подводимая энергия, не затрачиваемая на процесс функционирования, рассеивается и накапливается в их структуре, приводя к неравномерному изменению начального теплового состояния частей, деталей, механизмов и систем, увеличивая их теплосодержание, и, следовательно, при протекании тепловых процессов обусловливает изменение заданных функциональных параметров положения, движения и состояния технических устройств, их частей, деталей, механизмов и систем.
Наиболее близким по технической сущности является способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств (патент РФ №RU 2 511075 С1, 2012 г.) который в основе направлен на управление тепловыми функциями технических устройств.
Изменение тепло-динамических показателей, которые определяются тремя линейными и тремя угловыми смещениями, обусловлено температурными воздействиями и может быть как абсолютным, так и относительным между функциональными элементами.
Изменение движения, обусловленное температурными воздействиями, характеризуется траекторией (абсолютной или относительной) и характеристиками скорости, ускорения и другими динамическими составляющими.
Изменение состояния определяется температурным режимом и температурными деформациями частей, деталей и элементов, которые обусловлены соотношением количества подводимого и отводимого тепла, а также условиями соединения и их степенями свободы.
Из анализа известных аналогичных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость создания средств для определения температурно-динамического состояния функциональных агрегатов и узлов, которое изменяется в процессе их эксплуатации.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности определения теплоотдачи составных элементов охлаждающей системы тягово-транспортных средств охлаждения, заключающемся в установлении и определении вида и параметров тепловых функций радиаторов, по которым рассчитывают величины тепловых функций во время работы двигателя во всем диапазоне его работы, и введении коэффициентов учитывающих выявление степени реализации потенциальных возможностей и эксплуатационных свойств радиатора через компьютерную систему числового измерения позволяет учесть влияние расходов (т.е. чисел Re) на величины коэффициентов местных сопротивлений в моменты достижения рассчитанными величинами установленных допустимых значений, согласно заявляемому изобретению определяют вид, характеристики изменения во времени типовых закономерностей тепловых функций положения, движения и состояния составных частей блочно-модульной системы охлаждения, его теплонагруженных частей, узлов и деталей при их нагреве и охлаждении для каждого исследуемого функционального узла или агрегата при работе двигателя во всем диапазоне его работы, для определения положений, движений и состояний теплонагруженных частей, узлов и деталей устройств, заданных условиями функционирования и эксплуатации, учитывающих скорость и вид изменения температуры окружающей среды, устанавливают при многократных расчетах статистические характеристики изменения во времени тепловых функций нагрева и охлаждения для каждого управляемого функционального параметра при работе двигателя и при простоях и по полученным тепло-динамическим показателям строят температурно-динамическую характеристику.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена температурно-динамическая характеристика системы охлаждения на примере тягово-транспортного средства МТ3-82 с полимерным радиатором и серийным радиаторами, полученные экспериментальным путем.
а
На фиг. 2 показан график зависимости коэффициента а от изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя:  - дизельный ДВС, 6 - бензиновый ДВС; в - газовый ДВС, г - гибридный ДВС (газовый и дизельный).
атм
атм
На фиг. 3 приведен график зависимости изменения показателей окружающей среды: Р - давления, ρ - плотности, Т - температуры воздуха.
На фиг. 4 приведен график зависимости основных показателей ДВС от температуры воздушного потока.
На фиг. 5 представлен алгоритм расчета блочно-модульной охлаждающей системы автотракторного средства.
На фиг. 6 показана функциональная схема блочно-модульной системы охлаждения, где 1 - радиатор системы смазки, 2 - радиатор системы охлаждения ДВС, охладитель надувочного воздуха, 4 - блок электромагнитных клапанов, 5 - расширительный бачок, 6 - ДВС, 7 - перепускной клапан, 8 - термостат, 9 - масляный насос.
Заявленное изобретение осуществляется следующим образом. Температурный режим блочно-модульной системы охлаждения тягово-транспортного средства в условиях эксплуатации может быть представлен уравнением с учетом системного подхода, который выглядит следующим образом:
дор
a
ν
атм
т
в
где В - дорожные условия (вид покрытия); G - масса автомобиля; P - условия движения тягово-транспортного средства (режимы); В - условия окружающей среды влияющие на работу радиатора, О - влияние на рабочий процесс человеческого фактора или режима автоматического управления (В - водителем или А - автоматически), а также другие факторы влияющие на эксплуатационные параметры; С - степень внешней засоренности радиатора, С - степень внутреннего загрязнения с учетом свойства используемой охлаждающей жидкости в радиаторе и др.
n
х
y
дор
a
ν
атм
т
в
Представленное уравнение содержит параметры характеризирующие конструктивные факторы K; В; K т.е. учитываются воздействия двух основных составляющих: конструктивные особенности радиатора и рабочий процесс радиатора с учетом конструктивных особенностей и условий работы тягово-транспортного средства. Остальные параметры В; G; P; В; О (В; А); С; С, представляют эксплуатационные факторы, где учитываются режим работы и климатические условия тягово-транспортного средства.
В процессе эксплуатации тягово-транспортного средства на установившихся режимах, температура охлаждающей жидкости  в системе стабильна, соответственно температурное поле воздушного потока на входе и выходе радиатора также стабилизируются, так как не учитываются факторы О (В; А).
В представленном уравнении используется коэффициент тепловых свойств радиатора  возникающий в процессе эксплуатации техники и влияющий на изменение теплового процесса теплообменника от нормальных условий как внутренних так и внешних. Коэффициент тепловых свойств радиатора в общем виде может быть представлен в виде произведений коэффициентов отвечающие каждый за возмущающие процессы и зависящие от внешних и внутренних температурно-динамических воздействий окружающей среды.
Определить степень нагрузки тягово-транспортного средства можно при использования уравнения тягового баланса, который будет представлять следующий вид:
При условии движения тягово-транспортного средства на установившемся режиме уравнения тягового баланса будет иметь следующий вид.
Альтернативным вариантом определения степени нагрузки тягово-транспортного средства может быть уравнение мощностного баланса, который характеризует расход мощности силового агрегата тягово-транспортного средства во время его эксплуатации. Общий вид мощностного баланса тягово-транспортного средства в процессе эксплуатации может быть представлен в следующем виде:
Определить степень нагрузки тягово-транспортного средства можно при использования уравнения тягового баланса, который будет представлять следующий вид:
При условии движения тягово-транспортного средства на установившемся режиме уравнения тягового баланса будет иметь следующий вид.
Альтернативным вариантом определения степени нагрузки тягово-транспортного средства может быть уравнение мощностного баланса, который характеризует расход мощности силового агрегата тягово-транспортного средства во время его эксплуатации. Общий вид мощностного баланса тягово-транспортного средства в процессе эксплуатации может быть представлен в следующем виде:
Соответственно количество отведенной теплоты можно представить следующим выражением:
e
а
где N - мощность реализуемая двигателем, кВт;  - коэффициент, полученный опытным путем.
дв
дв
е
1
дв
дв
р
2
a
рн
При рассмотрении термодинамического процесса двигателя на максимальной мощности, единица отведенной теплоты в жидкость системы охлаждения на единицу мощности есть величина постоянная. Следовательно характеристика в виде Q=f(n) будет схожа с кривой функции вида N=f(n). Рассмотрим характеристику теплового баланса двигателя и теплопередачу радиатора при эксплуатации тягово-транспортного средства на полной нагрузке с учетом изменения передач в пределах скорости от  до , можно построить график теплового баланса двигателя и радиатора от скорости Q=Q=f(V), (см. Фиг. 1). На Фиг. 1 представлена температурно-динамическая характеристика тягово-транспортного средства, если нанести на характеристику показатель Q согласно каждой передачи тягово-транспортного средства в процессе его движения, то получим температурный график теплового баланса охлаждающей системы двигателя работающего на полной нагрузке.
н
н
н
a
дв
рн
a max
Нi
I
HII
I
j-1
Полученные температурные поля по каждой передачи позволят определить температурную величину ΔТ на конкретной скорости и соответствующей передачи учитывая при этом нагрузку тягово-транспортного средства в процессе его эксплуатации либо при перевозке груза или агрегатируемый с сельскохозяйственной машиной. Соответственно температурная величина ΔT будет разной на каждой передачи и скорости движения тягово-транспортного средства. Рассматривая комплексно, сумма ΣΔТ будет определятся в соответствующем масштабе относительно скорости заданной V как частная величина, которая находится на кривой Q, в виде ординаты точки, аналогично выбирается точка на соответствующей ординате, но лежащей теперь на кривой Q, с учетом той же передачи. Если рассматривать, к примеру, для скорости движения тягово-транспортного средства на максимальной нагрузке V на соответствующей передачи ΔТ=n⋅q, для первой передачи - ΔТ=n⋅q, для третей передачи - .
Hi
II
где ΔT - начальное температурный напор соответствующего передаточное числа трансмиссии тягово-транспортного средства на соответствующей j-ой передачи (I, II или III); n - передаточное число второй передачи; q - знаменатель геометрической прогрессии.
min
к
Передаточные числа трансмиссии тягово-транспортного средства на всех передачах в коробке передач распределяются по закону геометрического ряда. В этом случае после включения очередной следующей передачи момент двигателя M не выходит за пределы минимального значения, что требуется для сохранения высокой силы тяги тягово-транспортного средства. Это можно показать с помощью лучевого графика, где приводится зависимость номинальных и минимальных моментов двигателя после включения передач и силы тяги на ведущих колесах Р. В точках А, В, D происходит переключение передач соответственно: в точке А - с первой на вторую, в точке В - с второй на третью, в точке D - с третьей на четвертую. Все эти точки располагаются на одной горизонтальной прямой.
I
II
III
ji
a
дв
Представленная характеристика хорошо иллюстрирует соотношение изменения скорости тягово-транспортного средства и значения начального температурного напора, т.е. при скорости тягово-транспортного средства на пониженных передачах соответствуют большие значения напора температур ΔT > ΔT > ΔT. Соответственно необходимо учитывать, что с меньшим значением ΔT то система охлаждения работает двигателя с большей эффективностью. С другой стороны, если трактор движется на частичных нагрузках и с постоянной скоростью V, то количество теплоты исходящая от двигателя  будет меньше значений параметра Q, лежащих на ее кривой определяемых ординатами точек. Реализуемая мощность двигателя на преодоление сопротивление движению тягово-транспортного средства, эквивалентна количеству выделяемой ею теплоты, которая может быть вычислена по формуле.
mp
где  - мощность двигателя работающий на частичных нагрузках; η - КПД трансмиссии.
Hi
дв
В данном случае при движении тягово-транспортного средства на полной нагрузке двигателя будут соответствовать меньшие значения ΔТ, как было указано выше. Каждый температурный напор соответствующий заданной передачи может быть определен следующим образом: , для второй передачи - , для третей передачи - . При движении тягово-транспортного средства на максимальной скорости кривые  и Q пересекаются в точке δ. В данном случае показатели  определяются в виде .
Характеристика тягово-динамического баланса тягово-транспортного средства в виде графического изображения температурно-динамической характеристики работы системы охлаждения двигателя, служит для общего анализа работы и расчетно-экспериментальных режимов автотракторного полимерного радиатора и в целом охлаждающей системы с учетом нагрузок, климатических условий окружающей среды и рабочих параметров системы охлаждения (давления и температуры).
Рассматривая охлаждающую систему как основу теплового баланса двигателя, необходимо учитывать, что количество теплоты утилизируемой системой охлаждения двигателя с учетом различных эксплуатационных факторов согласно уравнению (7), определяется, показатель тягового баланса передвижения тягово-транспортного средства, который может быть представлен виде мощностного баланса. Причем основным показателем выбирается коэффициент а, который, представленные в выражении (9).
e
дв
L
w
w
где N - эффективная мощность двигателя внутреннего сгорания; η - КПД двигателя внутреннего сгорания; T - температура воздушного потока; T - температура жидкостного потока в полимерном радиаторе; G - массовый расход охлаждающей жидкости в полимерном радиаторе; J - теплофизические свойства жидкости в охлаждающей системы и полимерном радиаторе (антифриз, тосол, вода и т.д.).
а
а
Анализ литературных источников показал, что коэффициент а часто используется для работы двигателя на максимальной мощности, при этом диапазон значений данного коэффициента достаточно широк и зависит от конструктивных особенностей двигателя. Известно, что коэффициент =0,8-1,4 - для бензиновых двигателей, =0,45-0,9 - для дизельных двигателей.
дв
дв
На Фиг 3. представлена зависимость с экспериментальными результатами коэффициента а=f(n) для бензинового двигателя - б и для дизеля - а. график хорошо иллюстрирует уменьшение величины коэффициента как для дизельных так и для бензиновых двигателей, при условии n=0,7-0,8 происходит перегиб кривой для всех типов ДВС, причем левая часть для дизельного двигателя имеет среднее значение равное 0,4, для бензиновых - 0,24.
Для определения коэффициента а использовали следующее выражение:
Формулировки (6) и (10) представляют выражение (8), при котором скорость движения тягово-транспортного средства можно выразить через частоту вращения коленчатого вала ДВС при этом будет иметь следующий вид:
Представленное выражение (11) характеризирует работу двигателя при частичных нагрузках, осуществляя при этом передачу теплоты в охлаждающую систему. Совместив два выражения (10) и (7) получим формулу при работе двигателя на номинальной мощности.
0
1
Данная формулировка характеризует повышенное тепловыделение в охлаждающую систему двигателя при работе его на максимальной нагрузке, если рассматривать данный процесс по внешней характеристике. Входящие в выражение (12) коэффициенты b и степенные показатели b, выбираются из литературного источника.
Известно, что температурный напор при начальных условиях может определяться как:
Представленное выражение (13) характеризует изменение теплового баланса двигателя от изменения температуры охлаждающей жидкости в системе. Давление окружающего воздуха, зависит в основном от региона, где эксплуатируется автотракторная техника, а это означает, что можно взять за нулевой уровень, уровень моря (Фиг 3).
Необходимо отметить, что зависимость коэффициента а от температуры охлаждающей жидкости в диапазоне  можно представить в виде следующего выражения:
а
330
где  - показатель коэффициента при температуре  =330 K.
Для определения  воспользуемся следующим выражением:
tu
Искомая величина  это комплексный показатель удельной потенциальной теплоотдачи испытуемого радиатора, отнесенную к единице начальной температуры охлаждающей жидкости на входе соотнесенной водяному эквиваленту теплоносителя иссекаемого в охлаждающей системе двигателя. Для оценки эффективной работы радиаторов необходимо использовать безразмерную величину характеризующий процесс рассеивания теплоты, которым является N так называемое безразмерное число определяющее единицу переноса теплоты.
Известно, что коэффициент теплопередачи (k) исследуемого функционального узла или агрегата зависит от химико-физических свойств теплоносителя выражаемого критериальным уравнением:
w
при условии V ≠ 1 м/с, можно выразить следующим характеристическим уравнением:
Физические свойства окружающего воздуха при изменении влияют на характеристический коэффициент С учитывающий теплоемкость охлаждающей жидкости, при этом необходимо внести поправку:
где обозначение коэффициентов без штрихов, есть значения изменяющихся величин при температуре равной 290К, а коэффициенты со штрихом показывают значительные отклонения температуры окружающего воздуха от значений при нормальных условий представленных на Фиг 4.
Учитывая все изменения формулами (14) и (19) получим выражение определяющий начальный температурный напор при различных значениях поступающего воздуха от внешней окружающей среды:
Для оценки комбинированных систем охлаждения необходимо выбрать сравнительные показатели, такие как температурные напоры на входе в теплообменник, т.е. сравнение температуры охлаждающей жидкости с тепературой воздушного потока.
или
Представленные зависимости оценивают температурно-динамические свойства и критерии работы охлаждающей системы. При условии если перед жидкостным радиатором системы охлаждения ДВС установить масляный радиатор то начальный температурный напор определяется следующим образом.
где  - температура нагретого воздуха в масляном радиаторе.
При этом первоначальное температурное поле установленное между радиаторами систем охлаждения и смазки, а также их рабочими телами (охлаждающей жидкости и масла) имеет следующий вид
где ΔTwp - разница температуры охлаждающей жидкости на входе и выходе радиатора.
Решая правую часть уравнения (24) по  получим уравнение для системы смазки двигателя как охлаждающей системы
HM
Преобразуя уравнения (21) относительно ΔТ, получим выражение первоначального температурного поля между маслом системы смазки и воздушным потоком окружающей среды.
Hw
HMw
Первоначальные температурные поля напора охлаждающей жидкости ΔT, ΔT и температурный перепад в исследуемом полимерном радиаторе будет определяться по следующим формулам:
HW
HMW
HW
HMW
где Q и Q - удельные теплоотдачи радиатора системы охлаждения и радиатора системы смазки двигателя, отнесенные к первоначальному температурному полю напора указанных теплоносителей ΔT и ΔT. Необходимо учитывать то что во всех случаях .
При решении уравнений (26) и (27) получим следующую зависимость в виде:
Следовательно, определим потенциальную теплоотдачу масляного теплообменника системы смазки из следующего выражения:
где ε - КПД радиатора системы смазки.
Данный коэффициент показывает соотношение между фактической теплоотдачей  и максимально возможной теплотой, которая может образоваться при идеальных условиях с учетом гидродинамических сопротивлений и максимальной поверхности теплообмена:
Если применить данное выражение к масляному радиатору, то получим следующее:
Преобразуем уравнение (22) используя уравнение (26), при этом получим температуру в критической точке для масляного радиатора, если использовать комбинированную схему охлаждения двигателя.
В итоге полученный анализ позволяет определить взаимосвязь между первоначальными температурными полями напоров в системе и температурой воздуха окружающей среды в критической точке для радиаторов блочно-модульной системы охлаждения и смазки двигателя.
Для разработки алгоритма расчета основных параметров полимерного радиатора тягово-транспортного средства использовались обобщенные уравнения теплоотдачи, гидродинамического и аэродинамического сопротивления, полученные экспериментально (Фиг 1).
Представим обобщенные уравнения для определения коэффициента теплоотдачи при различных режимах течения, следовательно выражение будет иметь вид:
кр1
а) при условии ламинарного течения охлаждающей жидкости (Re<Re):
где А=2,15
кр1
кр2
б) при условии переходного течения охлаждающей жидкости (Re ≤ Re ≤ Re):
где А=0,0045
кр1
в) при условии турбулентного течения (Re>Re):
где А=0,127
для определения аэродинамического сопротивления в исследуемом полимерном радиаторе представим следующее обобщенное уравнение:
кр1
а) при условии переходного течения охлаждающей жидкости (Re ≤ Re ≤ 6000):
где А=0,0874
б) при условии турбулентного течения:
где А=0,165
э
1
э
э
1
Учитывая следующие геометрические параметры: l/d=13,0-20,8; l/d=1,5-9,2; d=0,0035-0,0051 (м); δ=0,32-0,38; уравнения (33) - (37) действительны и решают поставленные задачи. Представленные в выражениях коэффициенты А и A соответствуют международной системе СИ.
Малая длина каналов и большое количество местных сопротивлений приводит к их взаимному влиянию. Исследования показывают, что это влияние может изменить коэффициенты местных сопротивлений в пределах 10-45%.
Для какого-то i-го участка рассматриваемого контура отдельно взятой пластины полмерного радиатора
где
i
i
S - приведенный коэффициент сопротивления; ω - площадь поперечного сечения канала.
В результате гидравлического расчета должны быть выполнены два условия:
- баланс расходов для каждого из функциональных узлов и агрегатов должен быть равен нулю;
- алгебраическая сумма потерь напора при обходе всех участков каждой пластины должна быть равна нулю.
По первому условию сумма расходов, подходящих к данному узлу, должна быть равна сумме расходов, уходящих от этого узла, т.е.
ν
i
Рассмотрим первую пластину с предварительно намеченным распределением расходов G, известными l, d и коэффициентом ξ. Допустим, что при первой прикидке расходов не удалось достигнуть увязки участка при входе в пластину, т.е. Σh ≠ 0 и допустим, что при этом имеется разность Δh, т.е.
Пусть при этом Δh>0, т.е. перегруженными являются нижняя и верхняя части пластины.
ν
Для получения равенства Σh=0 или Δh=0 необходим некоторый, пока неизвестный поправочный расход, который следует пропустить по линиям вдоль пластин в направлении, обратном знаку невязки. Пусть этот поправочный расход ΔG. Переброска этого расхода должна привести к увязке соединения входа в пластину, т.е.
Преобразуя полученное равенство и отбрасывая величины второго порядка малости, получим
Таким образом, для одной пластины после первой же предварительной прикидки может быть найдена величина дополнительного расхода . Зная ее, определяем новые величины расходов по участкам каждой пластины:
υ1
По новым значениям G' определяются потери напора на всех участках и величина новой разности Δh'. Далее аналогичным порядком производят последовательные приближения решения до тех пор, пока невязка по расходам и потерям напора не станет превышать допустимой величины.
При многокольцевой сети, к которым приводятся блочные системы жидкостного охлаждения быстроходных ДВС, задача сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений. В многопластинчатой сердцевине (в отличие от трупчатых) по всем участкам, являющимся смежными для двух пластин, пойдут два поправочных расхода по одному от каждой пластины радиатора.
Аналогично, как и для одной пластины многопластинчатой сердцевины (в нашем примере расчет по двум пластинам), можно записать систему уравнений:
υ
Полученная система линейных уравнений, число пластин которых равно числу отверстий в сети, позволяет найти искомые поправочные расходы ΔG. Число последних равно числу пластин радиатора. Следовательно, число уравнений всегда равно числу неизвестных.
i
υi
υ
i
v
υ
i
υi
Каждой пластине i соответствует одно уравнение, в которое входят: свободный член, равный величине невязки пластины Δh, и член, содержащий искомый поправочный расход даннй пластины ΔG c коэффициентом 2Σ (SG) где суммирование распространяется на все участки данной пластины и, наконец, поправочные расходы смежных пластин с коэффициентами вида 2 SG, (где S и G - сопротивление и расход, намеченный в первом приближении для каждой из линий, отделяющих данную пластину от смежных с ним пластин). Изложенный метод успешно реализуется с помощью ЭВМ. При этом ЭВМ позволяет учесть влияние расходов (т.е. чисел Re) на величины коэффициентов местных сопротивлений ξ. Поэтому в процессе решения корректируются не только G но и значения приведенных сопротивлений .
i
Заметим, что если бы S=const, то решение рассматриваемой задачи могло бы легко моделироваться на R-сетках.
Изложенные соображения позволяют теперь приступить к расчету потокораспределения блочной охлаждающей системы двигателя.
Рассмотрим принципиальную постановку этой задачи на примере системы охлаждения тягово-транспортного средства МТ3-82. Охлаждающая жидкость по напорному трубопроводу подается в боковые распределительные каналы, из которых попадает в зарубашечное пространство блока цилиндров; затем через отверстия в рубашке охлаждения каждого цилиндра - в полость головки блока, откуда подается к теплорассеивающему узлу (охладителю-радиатору). Для равномерного охлаждения каждого из цилиндров в отдельных случаях устраиваются переточные окна между рубашками охлаждения отдельных цилиндров. Таким образом, задача сводится к расчету сети из 44 пластин. При расчете неизвестными являются линейные расходы всех участков, а также потери напора на участках и в системе в целом.
Отсюда можно представить выражение определяющее максимальную величину энергетического коэффициента.
v0
где K - коэффициент теплопередачи; N - мощность воздушного потока окружающей среды проникающий в пластинчатую сердцевину радиатора.
Мощность воздушного потока воздействующего от окружающей среды определяется следующим образом:
При оптимизации радиатора тягово-транспортного средства МТ3-80 необходимо учитывать стоимость материалов, обладающими хорошими свойствами теплообмена, далее будем выражать через коэффициент стоимости материалов с рабочей поверхностью охлаждения, которую можно подсчитать используя следующее уравнение.
д
фр
где индекс «О» - означает эталонная рабочая поверхность охлаждения, i -относится к сравниваемым показателям; ϕ - коэффициент компактности по объему; ϕ - коэффициент компактности по массе; ϕ - коэффициент компактности по фронтовой части;  - усредненная стоимость используемых материалов взятых за единицу массы (материалы используются для изготовления пластин радиатора). Разработанная методика позволила сформировать алгоритм (Фиг. 5) расчета с использованием ЭВМ. Используя данный алгоритм, были просчитаны более 20 вариантов радиаторов системы охлаждения двигателя изготовленных из алюминиевых сердцевин и в качестве сравнительного анализа просчитали один образец радиатора из полиуретанового материала. Сходимость полученных теоретических и экспериментальных результатов составляет в пределах 1,3…8%.
В качестве алгоритмического расчета с использованием пакета прикладных программ для анализа эффективности работы полимерного радиатора выбираются следующие данные:
n - число секций;
δ - средняя толщина волнообразного ребра;
l - активная глубина радиатора;
t - шаг волнообразного оребрения;
Δt - приращение шага волнообразного оребрения;
Δδ - приращение средней толщины волнообразного ребра;
LxbxΔ - геометрические параметры радиатора (высота, ширина, толщина стенки); и т.д.
Нк - конечное значение высоты волнообразного ребра;
k
t - конечное значение шага волнообразного оребрения;
k
δ - конечное значение средней толщины волнообразного ребра;
n
γ - плотность полиуретанового материала;
L
K
(γV) - показатель степени в формуле аэродинамического сопротивления;
Расчет полимерного радиатора осуществляется следующим образом:
1. Высота ребра пластины определяется следующим образом
где
2. Эквивалентный диаметр вычисляется следующим образом
3. Характеристический показатель степени определяем по следующему выражению
4. Сечение смоченного периметра полимерной сердцевины радиатора со стороны воздушного потока определяется
5. Определение фронтальной площади охлаждающей поверхности
6. Определение коэффициента живого сечения пластины
7. Определение площади поверхности со стороны действия воздушного потока
8. Определение плотности воздушного потока через радиатор
9. Определение площади поверхности охлаждения смачиваемого охлаждающей жидкостью
10. Определение коэффициента волнообразного оребрения
11. Определение характеристического коэффициента теплоемкости
12. Определение массы тракторного радиатора
13. Определение периметра живого сечения полимерного радиатора смачиваемого охлаждающей жидкостью
14. Определение средней скорости истечения охлаждающей жидкости в каналах радиатора
15. Определение коэффициента компактности по объему радиатора
16. Определение коэффициента компактности по массе радиатора
17. Определение средней скорости воздушного потока во фронтальной части радиатора
18. Определение коэффициента теплопередачи при скорости равной Vw=1 м/с
19. Определение коэффициента комплекса радиатора
20. Определение КПД волнообразного ребра полимерной пластины радиатора
21. Определение КПД рабочей поверхности охлаждения полимерной пластины радиатора
22. Определение характеристического коэффициента
23. Определение аэродинамического сопротивления комплекса полимерных пластин радиатора
24. Определения уточненного коэффициента теплопередачи полимерного радиатора
25. Определение расхода воздуха через полиуретановую сердцевину радиатора
26. Определение теплообмена радиатором от пластин в окружающую среду
27. Определение числа Рейнольдса
28. Определение коэффициента компактности по фронтовой части радиатора
29. Определение подводимой мощности в виде воздушного потока через сердцевину радиатора
>
где
30. Энергетический коэффициент полимерного радиатора определяется
31. Мощность подводимая в виде воздушного потока к эталонной поверхности охлаждения радиатора определяется
32. Энергетический коэффициент эталонной (идеализированной) охлаждающей поверхности полимерного радиатора определяется
33. Коэффициент стоимости материалов из полимерных изделий для изготовления радиатора определяется
34. Определение приведенной теплоотдачи полимерного радиатора
Таким образом, решается поставленная задача определения температурно-динамических характеристик автотракторной техники оснащенной блочно-модульной охлаждающей системой на примере трактора МТ3-82 оборудованного полимерным радиатором, при этом возможны комбинированные варианты использования, как жидкостного, так и масляно-жидкостного охлаждения двигателя.
Представленный графический образ температурного поля блочно-модульной системы охлаждения двигателя, позволяет определить и построить общую характеристику температурно-динамического анализа работы охлаждающей системы трактора при работе на различных нагрузочных режимах работы двигателя.
Проведенный анализ влияния на критерии температурно-динамической характеристики температурного поля воздушного потока воздействующего на фронтальную часть полимерного радиатора позволил получить более точную аналитическую зависимость с учетом поправок и влияния различных факторов при определении значений критерии общей температурно-динамической характеристики охлаждающей системы трактора.
Численный расчет с использованием разработанного алгоритма позволит не только определить теплоотдачу штатных радиаторов, но и радиаторов изготовленных из полимерных материалов и с измененными конструктивными элементами, но с учетом определенного количества вводимых коэффициентов и параметров, которые позволят построить общую температурно-динамическую характеристику охлаждающей системы трактора работающего на различных нагрузочных режимах.
По сравнению с прототипом предложенное изобретение дает возможность повысить точность определения теплоотдачи составных элементов охлаждающей системы тягово-транспортных средств.