Гидравлический и тепловой расчет системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания
КУРСОВАЯ
РАБОТА
Гидравлический и тепловой
расчет системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания
Введение
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:
|
|
|
|
|
|
93909,70,045810,7540,0745
|
|
|
|
|
|
2120,7030,083972,77170,044
|
|
|
|
|
|
10660,350,08391,38580,033
|
|
|
|
|
|
5330,1760,08430,6930,025
|
|
|
|
|
|
2665,0880,08510,34640,0192
|
|
|
|
|
|
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:
;;;
(мм)()()()
(Вт)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,39
|
93909,7
|
1397,7
|
221,35
|
31,53
|
43486,46
|
227,47
|
1538,5
|
6460,59
|
2
|
21320,703
|
876,15
|
68,8
|
21,06
|
22244,4
|
247,93
|
1598,74
|
20140,62
|
1,52
|
10660,35
|
703,55
|
38,37
|
18,64
|
16812,12
|
280,68
|
1755,95
|
34083,25
|
1,15
|
5330,176
|
567,48
|
22,06
|
16,39
|
12775,6
|
314,45
|
1892,17
|
56755,4
|
0,87
|
2665,088
|
462,05
|
12,66
|
14,49
|
9591,4
|
350,74
|
1923,1
|
89146,6
|
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.
Литература
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.
. 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.
. Александр
Васильевич Квасников «Теория двигателей», 2012.