Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода теплоты от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимой теплоты воспринимается системой охлаждения, меньшая -- системой смазки и непосредственно окружающей средой.
В зависимости от рода используемого теплоносителя в транспортных двигателях применяют систему жидкостного и воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего вещества используют воду и некоторые другие высококипящие жидкости, а в системе воздушного охлаждения -- воздух. Наибольшее применение в ДВС находит жидкостная система охлаждения.
При расчёте системы жидкостного охлаждения находят количество жидкости, циркулирующее в системе в единицу времени, теплопередающую поверхность жидкостного радиатора, ряд конструктивных и эксплуатационных параметров жидкостного насоса и вентилятора.
Циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения двигателя:
здесь Q охл - количество теплоты, отводимое в охлаждающую среду (см. тепловой баланс двигателя).
ДТ ж - разность температур жидкости на входе и выходе из радиатора, ДТ ж =8-14 К.
с ж и с ж - теплоемкость и плотность охлаждающей жидкости. Для низкозамерзающих жидкостей можно принять с ж = 4000 Дж/(кг·К), с ж? 1070 кг/м 3 .
Расчетная производительность насоса определяется с учетом утечек жидкости из нагнетательной полости во всасывающую:
где з = 0.8 -- 0.9 -- коэффициент подачи.
Мощность, потребляемая жидкостным насосом:
кВт
з м =0.7 -- 0.9 -- механический КПД жидкостного насоса,
с ж - напор, создаваемый жидкостным насосом, с ж =0.10-0.15 МПа.
Жидкостный радиатор
Радиатор представляет собой теплообменный аппарат для воздушного охлаждения жидкости, поступающей от нагретых деталей двигателя. Расчет радиатора состоит в определении поверхности охлаждения, необходимой для передачи теплоты от жидкости к окружающему воздуху, массового расхода жидкости через радиатор и количества обдувочного воздуха.
Поверхность охлаждения радиатора:
где К -- коэффициент теплопередачи радиатора, К=100ч160 Вт/(м 2 · К);
T ср. ж -- средняя температура жидкости в радиаторе, T ср. ж. =358ч365 К;
Т ср.в -- средняя температура воздуха, проходящего через радиатор, Т ср.в =323ч328 К.
Массовый расход жидкости через радиатор:
с ж - средняя теплоемкость жидкости (см. выше)
G ж - температурный перепад жидкости (см. выше).
Количество воздуха проходящего через радиатор, определяется из условия Q охл =Q в, т.е. вся отводимая от двигателя теплота передаётся охлаждающему воздуху.
Температурный перепад ДТ в воздуха в решетке радиатора составляет 20--30 К. Средняя теплоемкость воздуха с в =1000 Дж/(кг·К).
Вентилятор
Вентилятор служит для создания направленного воздушного потока, обеспечивающего отвод теплоты от радиатора.
Производительность вентилятора определяется исходя из количества воздуха, проходящего через радиатор:
с в - плотность воздуха
где р о =0,1 МПа - давление окружающей среды;
R в =287 Дж/(кг·К) - универсальная газовая постоянная для воздуха;
Т ср.в. - средняя температура воздуха в радиаторе (см. выше).
Мощность привода вентилятора:
здесь ДР тр - аэродинамическое сопротивление конструкции радиатора, ДР тр =0.6ч1.0 кПа.
з в - кпд вентилятора. Для клёпанной конструкции з в =0.32ч0.40 (бензиновый двигатель), для литой конструкции з в =0.55ч0.65 (дизель).
Диаметр вентилятора:
где фронтовая поверхность радиатора:
Скорость воздуха перед радиатором следует принять щ в =15-25 м/с.
Окружная скорость вентилятора зависит от создаваемого им напора и конструктивных особенностей:
М/с
где коэффициент цл для плоской формы лопастей принимается цл =2.8ч3.5.
Частота вращения вентилятора при известной окружной скорости
= ([Температура в горячей точке, грЦ ] - [Температура в холодной точке, грЦ ]) / [Рассеиваемая мощность, Вт ]
Это означает, что если от горячей точки к холодной поступает тепловая мощность X Вт, а тепловое сопротивление составляет Y грЦ / Вт, то разница температур составить X * Y грЦ.
Формула для расчета охлаждения силового элемента
Для случая расчета теплоотвода электронного силового элемента то же самое можно сформулировать так:
[Температура кристалла силового элемента, грЦ ] = [Температура окружающей среду, грЦ ] + [Рассеиваемая мощность, Вт ] *
где [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт ] = + [Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором, грЦ / Вт ] + (для случая с радиатором),
или [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт ] = [Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, грЦ / Вт ] + [Тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой, грЦ / Вт ] (для случая без радиатора).
В результате расчета мы должны получить такую температуру кристалла, чтобы она была меньше максимально допустимой, указанной в справочнике.
Где взять данные для расчета?
Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом для силовых элементов обычно приводится в справочнике. И обозначается так:
Пусть Вас не смущает, что в справочнике написаны единицы измерения K/W или К/Вт. Это означает, что данная величина приведена в Кельвинах на Ватт, в грЦ на Вт она будет точно такой же, то есть X К/Вт = X грЦ/Вт.
Обычно в справочниках приведено максимально возможное значение этой величины с учетом технологического разброса. Она нам и нужно, так как мы должны проводить расчет для худшего случая. Для примера максимально возможное тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силового полевого транзистора SPW11N80C3 равно 0.8 грЦ/Вт,
Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором зависит от типа корпуса. Типичные максимальные значения приведены в таблице:
| TO-3 | 1.56 |
| TO-3P | 1.00 |
| TO-218 | 1.00 |
| TO-218FP | 3.20 |
| TO-220 | 4.10 |
| TO-225 | 10.00 |
| TO-247 | 1.00 |
| DPACK | 8.33 |
Изоляционная прокладка. По нашему опыту правильно выбранная и установленная изолирующая прокладка увеличивает тепловое сопротивление в два раза.
Тепловое сопротивление между корпусом / радиатором и окружающей средой . Это тепловое сопротивление с точностью, приемлемой для большинства устройств, рассчитать довольно просто.
[Тепловое сопротивление, грЦ / Вт ] = [120, (грЦ * кв. см) / Вт ] / [Площадь радиатора или металлической части корпуса элемента, кв. см ].
Такой расчет подходит для условий, когда элементы и радиаторы установлены без создания специальных условий для естественного (конвекционного) или искусственного обдува. Сам коэффициент выбран из нашего практического опыта.
Спецификация большинства радиаторов содержит тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Так что в расчете надо пользоваться именно этой величиной. Рассчитывать эту величину следует только в случае, если табличных данных по радиатору найти не удается. Мы часто для сборки отладочных образцов используем б/у радиаторы, так что эта формула нам очень помогает.
Для случая, когда отвод тепла осуществляется через контакты печатной платы, площадь контакта также можно использовать в расчете.
Для случая, когда отвод тепла через выводы электронного элемента (типично диодов и стабилитронов относительно малой мощности), площадь выводов вычисляется, исходя из диаметра и длины вывода.
[Площадь выводов, кв. см. ] = Пи * ([Длина правого вывода, см. ] * [Диаметр правого вывода, см. ] + [Длина левого вывода, см. ] * [Диаметр левого вывода, см. ])
Пример расчета отвода тепла от стабилитрона без радиатора
Пусть стабилитрон имеет два вывода диаметром 1 мм и длиной 1 см. Пусть он рассеивает 0.5 Вт. Тогда:
Площадь выводов составит около 0.6 кв. см.
Тепловое сопротивление между корпусом (выводами) и окружающей средой составит 120 / 0.6 = 200.
Тепловым сопротивлением между кристаллом и корпусом (выводами) в данном случае можно пренебречь, так как оно много меньше 200.
Примем, что максимальная температура, при которой будет эксплуатироваться устройство, составит 40 грЦ. Тогда температура кристалла = 40 + 200 * 0.5 = 140 грЦ, что допустимо для большинства стабилитронов.
Онлайн расчет теплоотвода - радиатора
Обратите внимание, что у пластинчатых радиаторов нужно считать площадь обеих сторон пластины. Для дорожек печатной платы, используемых для отвода тепла, нужно брать только одну сторону, так как другая не контактирует с окружающей средой. Для игольчатых радиаторов необходимо приблизительно оценить площадь одной иголки и умножить эту площадь на количество иголок.
Онлайн расчет отвода тепла без радиатора
Несколько элементов на одном радиаторе.
Если на одном теплоотводе установлено несколько элементов, то расчет выглядит так. Сначала рассчитываем температуру радиатора по формуле:
[Температура радиатора, грЦ ] = [Температура окружающей среды, грЦ ] + [Тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой, грЦ / Вт ] * [Суммарная мощность, Вт ]
[Температура кристалла, грЦ ] = [Температура радиатора, грЦ ] + ([Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом элемента, грЦ / Вт ] + [Тепловое сопротивление между корпусом элемента и радиатором, грЦ / Вт ]) * [Мощность, рассеиваемая элементом, Вт ]
За последние 15...20 лет в результате многочисленных экспериментальных исследований с применением рассмотренных выше схем испытаний получены обширные данные о поведении грунтов при сложном напряженном состоянии. Поскольку в настоящее время в…
Упругопластическое деформирование среды и поверхности нагружения
Деформации упругопластических материалов, в том числе и грунтов, состоят из упругих (обратимых) и остаточных (пластических). Для составления наиболее общих представлений о поведении грунтов при произвольном нагружении необходимо изучить отдельно закономерности…
Описание схем и результатов испытаний грунтов с использованием инвариантов напряженного и деформированного состояний
При исследовании грунтов, как и конструкционных материалов, в теории пластичности принято различать нагружение и разгрузку. Нагружением называют процесс, при котором происходит нарастание пластических (остаточных) деформаций, а процесс, сопровождающийся изменением (уменьшением)…
Инварианты напряженного и деформированного состояний грунтовой среды
Применение инвариантов напряженного и деформированного состояний в механике грунтов началось с появления и развития исследований грунтов в приборах, позволяющих осуществлять двух- и трехосное деформирование образцов в условиях сложного напряженного состояния…
О коэффициентах устойчивости и сопоставление с результатами опытов
Так как во всех рассмотренных в этой главе задачах грунт считается находящимся в предельном напряженном состоянии, то все результаты расчетов соответствуют случаю, когда коэффициент запаса устойчивости к3 = 1. Для…
Давление грунта на сооружения
Особенно эффективны методы теории предельного равновесия в задачах определения давления грунта на сооружения, в частности подпорные стенки. При этом обычно принимается заданной нагрузка на поверхности грунта, например, нормальное давление р(х), и…
Решений плоской и тем более пространственных задач консолидации в виде простейших зависимостей, таблиц или графиков очень ограниченное число. Имеются решения для случая приложения к поверхности двухфазного грунта сосредоточенной силы (В…
На фото схема системы охлаждения двигателя Nissan Almera G15
Система охлаждения двигателей стандартного типа охлаждает его нагреваемые детали. В системах современных автомобилей она выполняет и другие функции:
- охлаждает масло системы смазки;
- охлаждает воздух, циркулирующий в системе турбонаддува;
- охлаждает отработавшие газы в системе их рециркуляции;
- охлаждает рабочую жидкость автоматической коробки передач;
- нагревает воздух, циркулирующий в системах вентиляции, отопления и кондиционирования.
Чаще других в автомобилях используется жидкостная система охлаждения. Она равномерно и достаточно эффективно охлаждает детали двигателя и работает с меньшим шумом, чем воздушная. Основываясь на популярности жидкостной системы, именно на её примере и будет рассмотрен принцип действия систем охлаждения двигателя автомобиля в целом.
Схема системы охлаждения двигателя
На фотографии схема системы охлаждения двигателя автомобиля ВАЗ 2110 с карбюратором и ВАЗ 2111 с инжектором (оборудование для впрыска топлива).
Для бензинового и дизельного двигателей применяются схожие конструкции систем охлаждения. Их стандартный набор элементов следующий:
- обычный, масляный радиатор и радиатор охлаждающей жидкости;
- вентилятор радиатора;
- центробежный насос;
- термостат;
- теплообменник отопителя;
- расширительный бачок;
- рубашка охлаждения двигателя;
- система управления.
Рассмотрим каждый из этих элементов по отдельности:
1. Радиаторы.
- В обычном радиаторе нагретая жидкость охлаждается встречным потоком воздуха. Чтобы повысить его эффективность, в конструкции используется специальное устройство трубчатого вида.
- Масляный радиатор предназначен для уменьшения температуры масла системы смазки.
- Для охлаждения отработавших газов системы их рециркуляции задействуют третий вид радиаторов. Он позволяет охлаждать топливно-воздушную смесь при её сгорании, благодаря чему меньше образовывается оксидов азота. Дополнительный радиатор снабжен отдельным насосом, который также включен в систему охлаждения.
- гидравлический;
- механический (соединен на постоянной основе с коленчатым валом мотора автомобиля);
- электрический (работает от тока аккумулятора).
3. Центробежный насос. При помощи насоса в системе охлаждения обеспечивается циркуляция её жидкости. Центробежный насос может быть оснащен различным типом привода, например, ременным или же шестеренным. У двигателей с турбонаддувом помимо основного может быть использован дополнительный центробежный насос для более эффективного охлаждения турбокомпрессора и наддувочного воздуха. Для управления работой насосов используется блок управления двигателем.
4. Термостат. При помощи термостата осуществляется регулировка количества жидкости, попадающей в радиатор. Устанавливается термостат в патрубке, ведущем к радиатору от рубашки охлаждения мотора. Благодаря термостату можно управлять температурным режимом системы охлаждения.
В автомобилях с мощным двигателем может быть использован несколько иного вида - с электрическим подогревом. Он способен обеспечить регулирование температурного режима жидкости системы в двухступенчатом диапазоне при трех рабочих положениях.
В открытом состоянии такой термостат находится во время максимальной работы двигателя. При этом температура охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, понижается до 90 °С, благодаря чему снижается вероятность детонации двигателя. В остальных двух рабочих положениях термостата (открытое и полуоткрытое) температура жидкости будет поддерживаться на отметке 105 °С.
5. Теплообменник отопителя. Поступающий в теплообменник воздух нагревается для последующего его использования в отопительной системе автомобиля. Для повышения эффективности работы теплообменника его размещают непосредственно на выходе охлаждающей жидкости, прошедшей через двигатель и имеющей высокую температуру.
6. Расширительный бачок. Вследствие изменения температуры охлаждающей жидкости меняется и её объем. Чтобы компенсировать его, в систему охлаждения встраивается расширительный бачок, поддерживающий объем жидкости в системе на одном уровне.
7. Рубашка охлаждения двигателя. В конструкции такая рубашка представляет собой каналы для жидкости, проходящие через головку блока двигателя и блок цилиндров.
8. Система управления. В качестве элементов управления системы охлаждения двигателя в ней могут быть представлены следующие устройства:
- Температурный датчик циркулирующей жидкости. Датчик температуры преобразует величину температуры в соответствующую величину электрического сигнала, который подается на блок управления. В тех случаях, когда система охлаждения используется для охлаждения отработавших газов или в других задачах, в ней может быть установлен ещё один температурный датчик, устанавливаемый на выходе радиатора.
- Блок управления на электронной основе. Получая от датчика температуры электрические сигналы, блок управления автоматически реагирует и выполняет соответствующие воздействия на другие исполнительные элементы системы. Обычно, блок управления имеет программное обеспечение, выполняющее всю функции по автоматизации процесса обработки сигналов и настройки работы системы охлаждения.
- Также, в системе управления могут быть задействованы следующие устройства и элементы: реле охлаждения мотора после его остановки, реле вспомогательного насоса, термостатный нагреватель, управляющий блок радиаторного вентилятора.
Принцип работы системы охлаждения двигателя в действии
Налаженная работа охлаждения обусловлена наличием системы управления. В автомобилях с современными двигателями её действия основаны на математической модели, в которой учтены различные показатели параметров системы:
- температура смазочного масла;
- температура жидкости, используемой для охлаждения двигателя;
- температура наружной среды;
- другие важные показатели, влияющие на работу системы.
С помощью центробежного насоса осуществляется принудительная циркуляция охлаждающей жидкости в системе. Проходя через рубашку охлаждения жидкость нагревается, а попав в радиатор - остывает. Нагревая жидкость, сами детали двигателя остывают. В рубашке охлаждения жидкость может циркулировать как в продольном (по линии цилиндров), так и в поперечном направлении (от одного коллектора к другому).
От температуры охлаждающей жидкости зависит круг ее циркуляции. Во время запуска двигателя он сам и охлаждающая жидкость холодные, и чтобы ускорить его нагрев жидкость направляется на малый круг циркуляции, минуя радиатор. В дальнейшем, при нагревании двигателя, термостат нагревается и меняет свое рабочее положение на полуоткрытое. Вследствие этого охлаждающая жидкость начинает течь через радиатор.
Если встречного потока воздуха радиатора недостаточно для понижения температуры жидкости до требуемого значения, включается вентилятор, образующий дополнительный поток воздуха. Охлажденная жидкость вновь попадает в рубашку охлаждения и цикл повторяется.
Если в автомобиле используется турбонаддув, то он может быть оснащен двухконтурной системой охлаждения. Первый её контур охлаждает сам двигатель, а второй - наддувочный поток воздуха.
Смотрите познавательное видео про принцип работы системы охлаждения двигателя:
Давно уже канули в Лету те времена, когда компьютеру не требовались специализированные системы охлаждения.
По мере роста тактовых частот центрального и графического процессоров последние сначала стали обрастать пассивными радиаторами, а впоследствии потребовали установки вентиляторов.
Сегодня уже ни один ПК не обходится без специальных кулеров для охлаждения процессора, видеокарты и северного моста чипсета.
Нередко специализированные кулеры устанавливаются и на жесткие диски, а в самом корпусе для принудительной конвекции помещаются дополнительные вентиляторы.
Делать нечего - с законами физики не поспоришь, и рост тактовых частот и производительности ПК неизбежно сопровождается повышением энергопотребления и, как следствие, выделением тепла.
Это, в свою очередь, заставляет производителей создавать новые, более эффективные системы охлаждения.
К примеру, не так давно стали появляться системы охлаждения на основе тепловых трубок, которые сегодня широко используются для создания систем охлаждения ноутбуков.
Наряду с традиционными системами охлаждения на основе радиаторов с вентиляторами, все большее распространение получают жидкостные системы охлаждения, которые используются в качестве альтернативы воздушных систем.
Однако здесь необходимо сделать одно важное замечание: несмотря на все заверения производителей о необходимости использования жидкостных систем охлаждения для обеспечения нормального температурного режима, в действительности это условие вовсе не является обязательным при штатном режиме работы ПК.
Собственно, все современные процессоры рассчитаны именно на воздушное охлаждение, причем для этого вполне достаточно штатного кулера, поставляемого в боксовом варианте процессора.
Видеокарты вообще продаются вместе со штатной воздушной системой охлаждения, что исключает необходимость использования альтернативных средств охлаждения.
Более того, возьму на себя смелость утверждать, что современные воздушные системы охлаждения обладают определенным запасом и что поэтому многие производители даже снижают без ущерба производительности скорость вращения вентиляторов, создавая таким образом малошумящие комплекты для охлаждения процессоров и видеокарт.
Вспомним хотя бы наборы для создания бесшумных ПК компании ZALMAN - в этих устройствах используются вентиляторы с низкими оборотами, которых, тем не менее, вполне достаточно.
О том, что традиционные воздушные системы охлаждения вполне справляются с возложенной на них задачей, свидетельствует хотя бы тот факт, что ни один отечественный производитель ПК не устанавливает жидкостных систем охлаждения в свои серийные модели.
Во-первых, это дорого, а во-вторых, в этом нет особой необходимости.
А страшные рассказы о том, что по мере повышения температуры процессора падает его производительность, что обусловлено технологией Throttle, - это, по-большому счету, выдумки.
Зачем же тогда вообще нужны альтернативные жидкостные системы охлаждения?
Дело в том, что до сих пор речь шла о штатном режиме работы ПК.
Если же посмотреть на проблему охлаждения с позиции разгона, то выясняется, что штатные системы охлаждения могут и не справиться со своими задачами.
Вот тут-то на выручку и приходят более эффективные жидкостные системы охлаждения.
Другое применение жидкостных систем охлаждения - это организация теплоотвода в ограниченном пространстве корпуса.
Таким образом, подобные системы находят применение в том случае, когда корпус недостаточно велик, чтобы организовать в нем эффективное воздушное охлаждение.
При охлаждении системы жидкостью подобная жидкость циркулирует по гибким трубкам малого диаметра.
В отличие от воздушных магистралей, трубкам для жидкости можно задать практически любые конфигурации и направления.
Занимаемый ими объем гораздо меньше, чем воздушные каналы, при такой же или гораздо большей эффективности.
Примерами таких компактных корпусов, где традиционное воздушное охлаждение может оказаться неэффективным, могут служить различные варианты barebone-систем или ноутбуков.
Устройство систем жидкостного охлаждения
Рассмотрим, что представляют собой жидкостные системы охлаждения.
Принципиальная разница между воздушным и жидкостным охлаждением заключается в том, что в последнем случае для переноса тепла вместо воздуха используется жидкость, обладающая большей, по сравнению с воздухом, теплоемкостью.
Для этого вместо воздуха через радиатор прокачивается жидкость - вода или другие подходящие для охлаждения жидкости.
Циркулирующая жидкость обеспечивает гораздо лучший теплоотвод, чем поток воздуха.
Второе различие заключается в том, что жидкостные системы охлаждения гораздо компактнее традиционных воздушных кулеров.
Именно поэтому первыми стали применять жидкостное охлаждение на серийных устройствах производители ноутбуков.
В плане конструкции системы принудительной циркуляции жидкости по замкнутому контуру системы жидкостного охлаждения можно разделить на два типа: внутренние и внешние.
При этом отметим, что никакого принципиального различия между внутренними и внешними системами не существует.
Разница заключается лишь в том, какие функциональные блоки находятся внутри корпуса, а какие - снаружи.
Принцип действия жидкостных систем охлаждения достаточно прост и напоминает систему охлаждения в автомобильных двигателях.
Холодная жидкость (как правило, дистиллированная вода) прокачивается через радиаторы охлаждаемых устройств, в которых она нагревается (отводит тепло).
После этого нагретая жидкость поступает в теплообменник, в котором обменивается теплом с окружающим пространством и охлаждается.
Для эффективного теплообмена с окружающим пространством в теплообменниках, как правило, используются вентиляторы.
Все компоненты конструкции соединяются между собой гибкими силиконовыми шлангами диаметром 5-10 мм.
Для того чтобы заставить жидкость циркулировать по замкнутому корпусу, используется специальный насос - помпа.
Структурная схема такой системы показана на рис. 1.
Рис. 1. Общая схема жидкостного охлаждения с помпой
Посредством систем жидкостного охлаждения тепло отводится от центральных процессоров и графических процессоров видеокарт.
При этом жидкостные радиаторы для графических и центральных процессоров имеют некоторые различия.
Для графических процессоров они меньше по размеру, однако принципиально ничем особенным друг от друга не отличаются.
Эффективность жидкостного радиатора определяется площадью контакта его поверхности с жидкостью, поэтому для увеличения площади контакта внутри жидкостного радиатора устанавливают ребра или столбчатые иголки.
Во внешних жидкостных системах охлаждения внутри корпуса компьютера размещается только жидкостный радиатор, а резервуар с охлаждающей жидкостью, помпа и теплообменник, помещенные в единый блок, выносятся за пределы корпуса ПК.
Драйвер AMD Radeon Software Adrenalin Edition 19.9.2 Optional
Новая версия драйвера AMD Radeon Software Adrenalin Edition 19.9.2 Optional повышает производительность в игре «Borderlands 3» и добавляет поддержку технологии коррекции изображения Radeon Image Sharpening.
