Расчет элементов жидкостного охлаждения поршневого двигателя внутреннего сгорания

Мой расчет.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство образования
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
имени академика С. П. КОРОЛЕВА
Кафедра “ТЕПЛОТЕХНИКА И ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ”
по курсу “СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЕВЫХ ДВС”
Расчет элементов жидкостного охлаждения поршневого двигателя внутреннего сгорания
Курсовая работа по теме: “Расчет элементов жидкостного охлаждения поршневого двигателя внутреннего сгорания”.
Пояснительная записка: страниц 25 таблиц 1 источников 3.
Графическая часть: рисунков 5 приложений 2 (1 формат А3).
СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИАТОР ЖИДКОСТНЫЙ НАСОС КРЫЛЬЧАТКА ВЕНТИЛЯТОР ЛОПАСТЬ ТОСОЛ ОСТОВ РАДИАТОРА ЯЧЕЙКА ОСТОВА ЧИСЛО РЕЙНОЛЬДСА КРИТЕРИЙ НЮССЕЛЬТА КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ.
В ходе данной курсовой работы был проведен анализ и расчет системы жидкостного охлаждения: радиатора жидкостного насоса вентилятора; построен теоретически полученный профиль лопатки (приложение 2). Полученные теоретические данные сравнены с экспериментальными сделаны соответствующие выводы. Данные по радиатору жидкостному насосу и вентилятору сведены в заключительные таблицы (приложение 1).
Перечень условных обозначений символов сокращений единиц и терминов4
Цели и задачи курсовой работы6
Исходные данные к расчету элементов системы жидкостного охлаждения6
Определение количества тепла отводимого в систему охлаждения7
1 Расчет основных характеристик радиатора8
2 Определение удельной массы радиатора14
3 Гидравлический расчет радиатора15
Расчет жидкостного насоса17
1 Расчет параметров жидкостного насоса17
2 Определение конструктивных размеров жидкостного насоса19
3 Построение профиля лопатки жидкостного насоса19
4 Мощность потребляемая жидкостным насосом20
Расчет осевого вентилятора20
1 Расчет основных характеристик вентилятора20
2 Определение конструктивных размеров вентилятора21
Список использованных источников22
Приложение №1 и №223
Перечень условных обозначений символов сокращений единиц и терминов
C- теплоёмкость Джкг*К;
F- поверхность охлаждения м2;
Hu- низшая теплота сгорания топлива кДжкг;
n- частота вращения обмин 1с
Q- количество тепла Джс Вт;
T- температура К (С0);
T-температурный перепад;
P- сопротивление воздушного тракта Па;
α- коэффициент теплоотдачи Втм*К;
α - углы между направлениями скоростей потока;
- коэффициент полезного действия;
ОЖ- охлаждающая жидкость;
СО- система охлаждения;
СЖО- система жидкостного охлаждения.
Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода тепла от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимого тепла воспринимается системой охлаждения (СО) меньшая – системой смазки и окружающей средой.
В зависимости от применяемого теплоносителя в автомобильных и тракторных двигателях применяют систему жидкостного или воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего вещества применяют воду и некоторые другие высококипящие жидкости а в системах воздушного охлаждения – воздух.
Каждая из указанных СО имеет преимущества и недостатки. К при имуществам жидкостного охлаждения относится:
А) более эффективный отвод тепла от нагретых деталей двигателя при любой тепловой нагрузке;
Б) быстрый и равномерный прогрев двигателя при пуске;
В) допустимость применения блочных конструкций цилиндров;
Г) меньшая склонность к детонации в бензиновых двигателях;
Д) более стабильное тепловое состояние двигателя при изменении режима его работы;
Е) меньшие затраты мощности на охлаждение и возможность использования тепла отводимого в систему охлаждения и др.
Недостатки системы жидкостного охлаждения:
А) большие затраты на обслуживание и ремонт в эксплуатации;
Б) пониженная надёжность работы двигателя при отрицательных температурах окружающей среды и большая чувствительность к её изменению.
Расчет основных конструктивных элементов СО производится исходя из количества тепла отводимого от двигателя в единицу времени.
Цели и задачи курсовой работы
Выполнение курсовой работы по предмету «Системы охлаждения поршневых двигателей» должно закрепить знания полученные в ходе изучения этой дисциплины применению их при расчетах основных элементов системы охлаждения карбюраторного двигателя или дизеля при заданных исходных данных; проявить умение выбирать оптимальные соотношения параметров данной системы; закрепить навыки использования рекомендуемых соотношений и предельных значений допустимых величин при проектирование таких систем для поршневого двигателя.
По выполненной работе составляется пояснительная записка с необходимыми расчетами графиками рисунками таблицами которая оформляется в соответствии с требованиями стандартов единой системы конструкторской документации к текстовым документам ГОСТ 2.105-95.
В ходе выполнения курсовой работы необходимо провести расчет элементов системы жидкостного охлаждения поршневого двигателя внутреннего сгорания заданного варианта. Это может быть двигатель с внешним смесеобразованием на жидком (ж) или газообразном (г) топливе (карбюраторный) или с внутренним смесеобразованием (дизель).
Предполагается что студент имеет необходимые величины по составу и термодинамическим характеристикам рабочего тела для своего варианта задания.
Расчет системы жидкостного охлаждения сводится к определению основных размеров водяного насоса поверхности радиатора и подбору вентилятора.
Исходные данные к расчету элементов системы жидкостного охлаждения
Исходные данные к расчету дизельного двигателя ВАЗ-341М3:
-число оборотов коленчатого вала двигателя n=4800 обмин;
-эффективная мощность двигателя Ne=40 кВт;
-диаметр цилиндра D=76 мм;
-число цилиндров двигателя
-число оборотов вала водяного насоса nнас=2100 обмин;
-вид охлаждающей жидкости марка: А-40 (тосол).
Общим для всех вариантов расчета являются температура окружающей среды Т=313 К; температура теплоносителя на входе в систему охлаждения Тв=363 К; давление окружающей среды Р=101325 МПа .
Необходимые для расчетов дополнительные для расчетов данные выбираются по таблицам по рекомендациям методических указаний или преподавателя.
Определение количества тепла отводимого в систему охлаждения
На тепло отводимое охлаждающей жидкостью (ОЖ) оказывают влияние многие эксплутационные и конструктивные факторы. С увеличением частоты вращения двигателя и температуры ОЖ а также коэффициента избытка воздуха величина уменьшается а с увеличением размеров охлаждающей поверхности и отношений хода поршня к диаметру цилиндра возрастает.
Величину можно определить по эмпирическим зависимостям.
Теплота передаваемая охлаждающей среде для дизелей:
где – коэффициент пропорциональности;
– показатель степени;
Или по аналогичной формуле:
где - коэффициент пропорциональности;
- диаметр поршня в мм;
- низшая теплотворность дизельного топлива.
Согласно рекомендациям для дальнейших расчетов берем большую величину то есть .
1 Расчет основных характеристик радиатора
Радиатор фактически представляет собой теплообменный аппарат для воздушного охлаждения жидкости поступающей от нагретых деталей двигателя.
Поэтому расчет радиатора как и любого теплообменного аппарата состоит в определении поверхности теплообмена необходимой для передачи тепла от охлаждающей жидкости к воздуху обдувающему эту поверхность. Кроме того всегда проводится гидравлический расчет жидкостного и воздушного трактов оценка компактности и коэффициента полезного действия радиатора.
В системах жидкостного охлаждения автомобильных и тракторных двигателей обычно применяются два типа конструкций теплопередающих поверхностей: трубчато-пластинчатые и трубчато-ленточные.
Рассчитаем основные характеристики для трубчато-пластинчатой конструкции радиатора. Согласно рекомендациям выберем тип трубной решетки: шахматная с плоскоовальными трубками (рис. 1).
Рис. 1. Конструктивный тип решетки (шахматный с плоскоовальными трубками)
Расчет начинается с определения суммарного проходного (живого) сечения трубок одного хода потока жидкости в радиаторе:
где - коэффициент учета гидропотерь в трубках .
Для тосола марки А-40: .
Живое сечение одной плоскоовальной трубки определяется по формуле:
Рис.2. Схема ячейки остова радиатора
Оценим возможное суммарное число трубок в трубной решетке радиатора:
Округлим это значение и примем его равным .
Зададимся числом рядов трубок (не более 6) например .
Тогда число трубок в одном ряду по фронту будет: . С таким числом трубок и по глубине и по фронту уложится целое число элементов.
Средняя температура жидкости в радиаторе выбирается исходя из следующих соображений: при принудительной циркуляции жидкости в системе охлаждения температурный перепад в радиаторах всегда находится в пределах .
Принятый . Оптимальное значение температуры на входе которая характеризует температурный режим системы жидкостного охлаждения принимается в интервале: . Примем . Исходя из принятых значений определим среднюю температуру жидкости в радиаторе:
Эта температура является определяющей.
Определим число Рейнольдса:
где - скорость жидкости для согласно рекомендациям.
Эквивалентный диаметр найдем по формуле:
- площадь сечения трубки (см. рис. 2);
Вычислим критерий Нуссельта для жидкости:
где - эмпирические коэффициенты согласно рекомендации для ().
Вычислим коэффициент теплоотдачи жидкости:
Коэффициент теплоотдачи от решетки к воздуху определяется аналогично.
где - площадь сечения ячейки (см. рис. 3);
Рис. 3. Схема ячейки остова радиатора
Средняя температура охлаждающего воздуха проходящего через радиатор выбирается исходя из следующих соображений:
температурный перепад в радиаторах всегда находится в пределах .
Оптимальное значение температуры на входе принимается:.
Исходя из принятых значений определим среднюю температуру воздуха проходящего через радиатор:
Вычислим критерий Нуссельта для жидкости:
где - эмпирические коэффициенты согласно рекомендации для воздуха.
Вычислим коэффициент теплоотдачи от трубки к воздуху:
Определим коэффициент теплопередачи радиатора по формуле:
где - коэффициент оребрения трубок решетки (5 9)
- площадь внутренней поверхности трубки на длине шага ребер для данного типа решетки равная:
- суммарная поверхность трубки и условного ребра припаянного к ней:
Тогда в пределах нормы (5..9).
Выбираем материал стенок - ЛАТУНЬ Л 62:
Полученное значение сравниваем с экспериментальным значением (Рис. 4) и принимаем наименьшее.
Для соответствующего значения по рис. 4 соответствует для шахматного расположения трубок.
Рис. 4. Коэффициент теплопередачи радиатора и аэродинамическое сопротивление радиаторов в зависимости от массовой скорости воздуха:
шахматное расположение трубок под углом к воздушному потоку
шахматное расположение трубок
рядное расположение трубок
трубчато-ленточные радиаторы.
Определим среднее значение давления воздуха в радиаторе:
Падение напора примем равным:
Значение сопротивления получилось близкое к реальному.
Найдем общую поверхность охлаждения радиатора:
Определим основные конструктивные размеры радиатора приняв в качестве исходного параметра площадь фронта для всех типов остовов. Примем .
Зададимся высотой из условия примем тогда .
Выберем число пластин с шагом : с шагом .
Зная ориентировочно глубину остова число рядов трубок по фронту и число рядов по глубине координаты выполняют расчетную схему пластины по которой вычисляют ее геометрическую площадь для решетки нашего типа:
Вычислим теплопередающую поверхность пластины:
Проверим соотношение: укладывается в интервал .
Значит параметры радиатора определены с погрешностями в пределах нормы.
Оценим коэффициент объемной компактности радиатора по соотношению: .
То есть радиатор получился конструктивно очень выгодным так как займет пространство меньше предполагаемого.
Вычислим и оценим коэффициент полезного действия радиатора (тепловую эффективность):
Радиатор получился компактным и в тоже время эффективным его КПД должен быть в пределах 07 09.
2 Определение удельной массы радиатора
Одной из основных задач конструирования радиаторов является снижение их металлоемкости так как изготавливаются они из дефицитных и дорогостоящих цветных металлов.
Определим физико-механические свойства материалов пластин и трубок (таб. 1):
Таблица №1. Физико-механические свойства охлаждающих трубок и пластин
С учетом этих соотношений масса остова радиатора равна:
Запишем соотношение:
Откуда - коэффициент массовой компактности радиатора.
Отношение - удельная масса радиатора характеризующая массу его теплопередающей поверхности.
Из формулы видно что удельная масса радиатора зависит не только от плотности и толщины используемых материалов но и от коэффициента оребрения.
Очевидно что повышение коэффициента оребрения при уменьшении расстояния между ребрами дает возможность снизить массу теплопередающей поверхности радиатора.
Для трубчато-пластинчатых радиаторов средние значения удельной массы радиатора составляют в нашем случае т.е. в пределах нормы.
3 Гидравлический расчет радиатора
Гидравлический расчет радиатора производится в следующей последовательности. Уточняется величина аэродинамического сопротивления радиатора по эмпирической формуле:
где - средняя плотность воздуха при :
где - газовая постоянная воздуха.
Проверка расчета ведется по формуле:
где - коэффициент гидравлического сопротивления определяемый по формуле: - коэффициент гидравлического потока.
Окончательно принимается среднее значение падения напора воздуха в радиаторе:
Производится также оценка величины гидравлического сопротивления жидкостного тракта с учетом того что гидравлическое сопротивление жидкости в радиаторе складывается из сопротивления входа в приемный коллектор входа в трубки радиатора самих трубок выхода из этих трубок и сопротивления выхода из отводящего коллектора .
Обычно скорость жидкости в подводящей и отводящей трубах радиатора принимают равной .
Перечисленные выше сопротивления определяются следующим образом:
где - коэффициент местных потерь .
где - коэффициент сопротивления потерь в трубках радиатора .
Полное гидравлическое сопротивление радиатора:
Принято считать что гидравлическое сопротивление трубопроводов и рубашек двигателя соизмеримы с гидравлическим сопротивлением радиатора.
На основании статистических данных:
гидравлическое сопротивление трубопроводов;
Тогда общее сопротивление контура охлаждающей жидкости будет равно:
Полученное значение общего сопротивления контура охлаждающей жидкости принимается в качестве исходного при расчете жидкостного насоса.
Расчет жидкостного насоса
1 Расчет параметров жидкостного насоса
Водяной насос служит для обеспечения непрерывной циркуляции ОЖ в СО. В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее применение получили центробежные насосы с односторонним подводом жидкости
Расчетная объемная производительность насоса определяется с учетом утечек жидкости из нагнетательной полости во всасывающую:
где - коэффициент подачи - циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения двигателя.
Для ТОСОЛа марки А-40: .
Тогда расчетная производительность насоса определяется:
Входное отверстие насоса должно обеспечить подвод расчетного кол-ва ОЖ. Это достигается при выполнении условия:
где - скорость ОЖ на входе; - радиус ступицы крыльчатки; - радиус входного отверстия крыльчатки. Примем .
Определим радиус входного отверстия крыльчатки:
Окружная скорость схода ОЖ :
где и - углы между направлениями скоростей - напор создаваемый насосом - гидравлический КПД.
С увеличением растет напор создаваемый насосом поэтому иногда этот угол берут равным (радиальные лопатки). Однако увеличение угла приводит к уменьшению КПД насоса.
Радиус крыльчатки на выходе:
где - частота вращения крыльчатки ; - угловая скорость крыльчатки водяного насоса.
Окружная скорость определяется из равенства:
Угол a1 между скоростями с1 и u1 равен 900 то гол b1 находится из соотношения:
2 Определение конструктивных размеров жидкостного насоса
Ширина лопатки на входе b1 определяется из выражения:
где - число лопаток на крыльчатке - толщина лопатки у входа - толщина лопатки у выхода.
Тогда в пределах нормы .
Ширина лопатки на выходе b2 определяется из выражения:
где - радиальная скорость схода.
3 Построение профиля лопатки жидкостного насоса
Построение профиля лопатки насоса приведено в приложении и заключается в следующем. Из центра О радиусом r2 проводят внешнюю окружность и радиусом r1 – внутреннюю. На внешней окружности в произвольной точке В строят угол b2. От диаметра ОВ из точки О откладывают угол b=b1+b2. Одна из сторон этого угла пересекает внутреннюю окружность в точке К. Через точки В и К проводят линию ВК до вторичного пересечения с внутренней окружностью (точка А). Из точки L которая является серединой отрезка АВ восстанавливают перпендикуляр до пересечения его с линией ВЕ в точке Е.
Из точки Е через точки А и В проводят дугу представляющую собой искомое очертание лопатки. Ниже этой дуги проводят вторую дугу внутренней поверхности лопатки и края скругляют.
4 Мощность потребляемая жидкостным насосом
Мощность потребляемая жидкостным насосом:
где hМ=0.8 - механический КПД водяного насоса .
Мощность потребляемая водяным насосом составляет 1% от номинальной мощности двигателя.
Расчет осевого вентилятора
1 Расчет основных характеристик вентилятора
Вентилятор служит для создания направленного воздушного потока обеспечивающего отвод тепла от радиатора .
Производительность вентилятора:
где - плотность воздуха при средней его температуре - теплоемкость воздуха.
Для подбора вентилятора кроме его производительности надо знать аэродинамическое сопротивление воздушной сети. В рассматриваемой системе оно складывается из сопротивлений вызываемых потерями на трение и местными потерями. Для автомобильных и тракторных двигателей сопротивление воздушного тракта принимается . Примем . По заданной производительности вентилятора и величине находят потребляемую вентилятором мощность и его основные размеры.
Мощность затрачиваемая на привод вентилятора:
где (для клепаных вентиляторов); (для литых вентиляторов) - КПД осевого вентилятора.
2 Определение конструктивных размеров вентилятора
При определении основных конструктивных параметров вентилятора коэффициент обдува КL стремятся получить равным единице т.е. выполняется условие:
где Fом. вент - площадь сметаемая лопастями вентилятора (м2); Fфр. рад - фронтовая площадь решетки радиатора (м2).
Для этого фронтовую площадь решетки радиатора оформляют в виде квадрата.
Диаметр вентилятора:
Частоту вращения вентилятора уточняют исходя из предельного значения окружной скорости u .
Окружная скорость зависит от напора вентилятора и его конструкции:
где - коэффициент зависящий от формы лопастей ( - для плоских лопастей; - для криволинейных).
Примем - для плоских лопастей (см. рис. 5).
Рис. 5. Осевой вентилятор с плоскими лопастями
Частота вращения вентилятора при известной окружной скорости определяется:
Т.к. вентилятор и жидкостной насос имеют разный привод.
Список использованных источников
Расчет элементов жидкостного охлаждения поршневого двигателя внутреннего сгорания: Метод. указ. к курсовой работе. Сост. Толстоногов А.П.. Самар. аэрокосм. ун-т Самара 2002. 36с.
Системы охлаждения поршневых двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие Толстоногов А.П.. Самар. аэрокосм. ун-т Самара 2002. 208с.
Курс лекций по СЖО за осенний(VII) семестр.
Таблица №1 - Результаты расчета радиатора
Габариты остова в направлении:
- движении горячего теплоносителя
- движения холодного теплоносителя
Число рядов трубок по глубине
Наружные размеры сечения трубок
Шаг трубок по фронту
Число трубок по фронту
Общее количество трубок
Материал оребрения пластин
Шаг гофр оребряющих пластин
Количество оребряющих пластин
- оребряющих пластин
Площадь фронта остова
Поверхность теплообмена общая
- остова (расчетная)
Таблица №2 - Результаты расчета жидкостного насоса
Циркуляционный расход
Объемная производительность (расчетная)
Радиус ступицы крыльчатки
Радиус входного отверстия крыльчатки
Радиус выходного отверстия крыльчатки
Углы между векторами скоростей:
Окружная скорость входа жидкости
Окружная скорость схода жидкости
Ширина лопатки на входе
Ширина лопатки на выходе
Число лопаток на крыльчатке
Толщина лопатки на входе
Толщина лопатки на выходе
Механический КПД насоса
Мощность потребляемая насосом
Частота вращения крыльчатки
Таблица №3 - Результаты расчета вентилятора
Производительность вентилятора
Мощность затрачиваемая на привод вентилятора
Частота вращения вентилятора

Мой расчет.cdw