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:

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)()()()

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.