Гидравлический и тепловой расчет системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания

КУРСОВАЯ РАБОТА

Гидравлический и тепловой расчет системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания

Курсовая работа состоит из двух частей. Первая — гидравлический расчет системы охлаждения ДВС, вторая — тепловой расчет.

Целью курсовой работы является ознакомление со схемой системы, набором необходимых для расчета исходных данных и методикой выполнения гидравлических и тепловых расчетов применительно к системе охлаждения ДВС, в которой радиатор выполнен в виде системы n гидравлически параллельно — соединенных между собой трубок.

1. Гидравлический расчет системы охлаждения ДВС

Исходные данные для гидравлического расчета системы охлаждения ДВС:

Требуется рассчитать гидравлический диаметр трубок, из которых состоит радиатор системы охлаждения ДВС, при условии, что охлаждающая жидкость циркулирует по большому кругу охлаждения и необходимо отводить от двигателя тепловой поток мощностью при заданном перепаде температур охлаждающей жидкости на входе и выходе в ДВС.

Заданными также являются величины мощности на валу насоса системы охлаждения и его полный КПД .

Принципиальная схема системы охлаждения изображена на рис 1.1. При гидравлическом расчете местные потери учесть только в термостате. Нагрев охлаждающей жидкости происходит в рубашке блока V — образного двигателя, гидравлический тракт которого может быть представлен как система из двух параллельно соединенных трубопроводов

Порядок выполнения расчета:

На гидравлической схеме системы охлаждения ДВС нанесены расчетные сечения на выходе из насоса и на входе в него. Запишем для этих сечений уравнение Бернулли в развернутой форме:

(1.1)

Ввиду малого отличия величин и допустим, что они равны:. Учитывая также, что из уравнения расходов для замкнутой гидравлической системы имеем:

тогда (1.2)

Физический смысл слагаемых величин следующий:

— напор насоса;

— суммарные потери на трение в системе, состоящей из блока, радиатора, соединяющих трубок. Они определяются по формуле:

где (1.3)

— потери на трение в блоке

— потери на трение в радиаторе

— потери на трение в соединяющих трубках Расчетные формулы для определения коэффициентов, и имеют вид:

— Потери в термостате

(1.4)

Величину объемного расхода найдем из уравнения теплового баланса:

(1.5)

Мощность потока охлаждающей жидкости определяется из уравнения (1.2):

(1.6)

Если подставить соотношение (1.3) и (1.4) с учетом (1.5) и (1.6) в уравнение (1.2), то в это уравнение будут входить неизвестные величины и, которые необходимо определить.

Чтобы эти величины появились в уравнении (1.2) в явном виде необходимо вместо подставить:, тогда после подстановки уравнение Бернулли примет вид:

(1.7)

Вычислите площадь сечения трубопровода блока:

Вычисляем площадь сечения соединяющих трубок:

Вычисляем число Ренольца:

Коэффициент гидравлического трения для блока:

Коэффициент гидравлического трения для соединяющих трубок:

(1.8)

Размерные коэффициенты вычислим, используя уравнение (1.7)

;

;

Уравнение (1.7) является уравнением пятой степени относительно неизвестной величины. Из уравнения (1.8) выразим :

Выполним расчет гидравлических диаметров трубок, из которых состоит радиатор системы охлаждения ДВС в зависимости от количества трубок (10,50,100,200,400). Начальное значение диаметра примем равным .

Для n=10

;

Остальные результаты занесем в таблицу:

По окончанию расчета строим два графика:

График 1. Зависимость площади живого сечения эквивалентного трубопровода блока от их количества График 2. Зависимость гидравлического диаметра трубочек от их количества

2/ Тепловой расчет радиатора ДВС

Исходные данные для расчета:

Теплофизические параметры воды при

Материал ;

Теплофизические параметры воздуха при

Порядок проведения теплового расчета радиатора (для)

Построим поперечное сечение радиатора для определения поперечного и продольного шага, и коэффициента живого сечения:

Основными расчетными уравнениями является уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Определим массовый расход воздуха:

Определим температуру воздуха на выходе из радиатора:

;

Передача теплоты в радиаторе от воды к воздуху состоит из следующих трех процессов: теплоотдачи от горячего теплоносителя (воды) к внутренним стенкам трубок, теплопроводности через стенки трубок и теплоотдачи от наружных стенок трубок к холодному теплоносителю (воздуху). Эффективность этих трех процессов оценивается величиной коэффициента теплопередачи.

Уравнение теплопередачи имеет вид:

;

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

В зависимости от режима течений воды внутри трубок радиатора при вычислении коэффициента теплоотдачи используется то или иное критериальное уравнение.

Для случая турбулентного течения теплоносителя внутри труб критериальное уравнение имеет вид:

Средняя температура воды:

Критерий Прандтля:

;

;

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубок:

Теплообмен от трубок радиатора к воздуху осуществляется воздушным потоком, который обтекает трубки радиатора поперек. Для случая поперечного обтекания пучка труб критерии подобия связаны следующим соотношением:

Критерий Ренольдса для воздушного потока:

Скорость воздуха перед фронтом радиатора определяется заданными объемным расходом воздуха и фронтовой площадью радиатора:

;

Коэффициент живого сечения оценивает загромождение фронта радиатора трубками и определяет как отношение площади живого сечения по воздуху к фронтовой поверхности радиатора:

где

Коэффициент теплопередачи от оребрённой поверхности трубок к воздуху:

Среднелогарифмический напор:

;

Мощность теплового потока, отведённая от двигателя:

Для шахматного расположения пучка труб:

;;;

По результатам теплового расчета радиатора строим зависимости коэффициента теплопередачи (рис. 2) и мощности теплового потока (рис. 1) от гидравлического диаметра трубок

Рис. 1 Зависимость мощности теплового потока от гидравлического диаметра трубок радиатора

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопередачи от гидравлического диаметра трубок радиатора

Вывод

По результатам теплового расчета мы определили гидравлический диаметр трубок и их количество, при котором обеспечивается отвод теплового потока мощностью от двигателя.

1. Мстислав Владимирович Добровольский «Двигатели» Издательство «Машиностроение», Москва, 2008, 396 стр.

2. Балабух Л. И., Алфутов Н. А., Усюкин В. И. Строительная механика: Учебник для машиностроительных спец. вузов. — М.: Высш. шк. 2010 — 391 с., ил.

3. Конструкция и проектирование двигателей / Г. Г. Гахун., В. И. Баулин, В. А. Володин и др.; Под общ. ред. Г. Г. Гахуна. — М.: Машиностроение, 2009 — 424 с.: ил.

4. Александр Васильевич Квасников «Теория двигателей», 2012.