Constructia si calculul sistemului de racire

Constructia si calculul sistemului de racire

1 Descrierea partilor componente si a principiului de functionare

Prezenta instalatiei de racire este determinata de necesitatea evacuarii fortate a unei parti din caldura degajata prin ardere, pentru a face posibila desfasurarea continua a procesului de lucru si mentinerea unui nivel termic corespunzator functionarii la parametrii optimi ai motorului.

Instalatia de racire trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

- sa asigure un regim constant de temperatura sub valori critice, pentru lichid sau ulei in conditiile atmosferice intalnite in exploatare;

-sa ocupe un spatiu cat mai mic;

-sa fie cat mai usoara;

-sa consume cat mai putina putere;

-sa fie simpla si fiabila.

Instalatia de racire cu lichid prezinta unele avantaje si unele dezavantaje fata de racirea cu aer. Ca avantaje se pot mentiona: racirea mai uniforma a motorului; posibilitatea preincalzirii la pornire; posibilitatea realizarii unui bloc comun pentru cilindrii; zgomot mai redus; puterea consumata de sistem mai mica; realizarea unei puteri litrice mai mari cu 5-10% fata de cele realizate la motoarele racite cu aer; solicitari termice mai reduse.

Sistemul de racire cu aer prezinta alte avantaje: simplitate constructiva, cost mai redus, intretinere mai usoara, uzuri mai mici ale cilindrului ca urmare a incalzirii mai rapide dupa pornire; sensibilitate scazuta la schimbari bruste de temperatura ale mediului inconjurator; lipsa pericolului de corodare a camasilor de cilindru.

Tinand cont de avantajele mult mai importante ale racirii cu lichid se adopta acest tip de sistem si pentru motorul de proiectat.

In instalatia de racire se produc doua fenomene :

-transportul caldurii care se realizeaza de catre lichidul de racire;

-disiparea caldurii care se face de catre aer.

Organele care contribuie la transportul caldurii sunt: pompa de lichid, conductele, camasa de racire a cilindrului si radiatorului; pentru dirijarea caldurii serveste ventilatorul cu anexele sale.

In functie de modul in care se face comunicatia cu atmosfera instalatiile de racire cu lichid se impart in:

-instalatii de racire deschise la care lichidul se afla in legatura cu atmosfera;

-instalatii de racire inchise la care legatura cu atmosfera se face in conditii limita, cand presiunea din instalatie depaseste o anumita valoare (0,40,6 bari) fapt care atrage dupa sine ridicarea temperaturii de fierbere a lichidului de racire, respectiv ridicarea nivelului termic de functionare a motorului si obtinerea unui randament sporit.

Sporul provine de la reducerea cedarii de caldura lichidului de racire si maririi diferentei de temperatura intre lichid si aer, din care cauza radiatorul poate fi mai mic iar ventilatorul va avea un consum redus de putere.

Sistemul de racire are doua circuite: unul mic, in jurul cilindrilor si unul mare, care se formeaza prin deschiderea termostatului in care este cuprins vasul de expansiune si radiatorul (la nevoie si aeroterma..

Figura 1

La disiparea caldurii cedate de lichid in radiator participa ventilatorul.

In schema oricarei instalatii de racire se prevede un termostat care regleaza limita inferioara a temperaturii motorului, inchizand sau deschizand circulatia lichidului de racire prin radiatorul. Cand motorul este rece termostatul inchide circuitul prin radiator, intreaga cantitate de lichid se misca in jurul cilindrilor. Pe masura ce lichidul se incalzeste, se deschide treptat circulatia si prin radiator . In acest fel se mentine temperatura motorului in limite relativ stranse -90°C).

La instalatiile inchise se prevede vasul de expansiune care are rolul de a compensa variatiile de volum ale lichidului in timpul functionarii motorului si de a realiza dozarea intregii instalatii. Vasul de expansiune se monteaza mai sus decat bazinul superior al radiatorului sau conducta de iesire a apei din motor.

Prin vasul de expansiune exista o circulatie continua de lichid, care transporta vaporii de apa si bulele de aer care se deplaseaza din circuitul principal. Din vasul, lichidul revine prin conducta in conducta de aspiratie a pompei de lichid.

Comunicarea cu atmosfera se face prin supapele de suprapresiune (0,40,9 bari) si depresiune (0,040,08 bari) montate in busonul.

2 Calculul radiatorului

Radiatorul este compus dintr-un corp de racire, bazinul inferior si bazinul superior

Corpul de racire este partea principala a radiatorului si este alcatuita dintr-un numar mare de tevi nervurate prin care trece lichidul de racire. Bazinul superior asigura distributia uniforma a apei incalzite intre tevile corpului de racire iar bazinul inferior colecteaza apa rece si o evacueaza spre pompa de lichid.

Radiatorul este caracterizat de urmatorii parametrii tehnici:

-suprafata totala de racire;

-suprafata frontala de racire;

-sectiunea de trecere a lichidului;

-masa radiatorului;

-capacitatea radiatorului;

-numarul total de tuburi;

-numarul total de aripioare.

Apar urmatoarele notatii:

-t_ia, t_ea - temperatura aerului la intrarea, respectiv la iesirea din radiator;

-t_il, t_el - temperatura lichidului la intrarea, respectiv la iesirea din radiator.

Folosind aceste notatii se pot stabili urmatorii parametrii:

- temperatura medie a aerului

t_ma = (t_ia +t_ea)/2 = (40+50)/2 = 45°C (1)

-temperatura medie a lichidului

t_ml = (t_il + t_il)/2 = (100 + 84)/2 = 92°C (2)

in care:

Tabelul 1

Diferenta medie de temperatura intre lichid si aer va fi:

Dt_m = t_ml - t_ma = 92 - 45 = 47°C (3)

Radiatorul trebuie sa preia fluxul de caldura conform legii:

(4)

de unde:

(4')

unde:

k_rad - coeficientul global de schimb de caldura al radiatorului

A_aer - suprafata de schimb de caldura in contact cu aerul.

Coeficientul global de schimb de caldura se determina din relatia:

(5)

in care

c_l =(2533)·10³ kJ/m²hk - coeficientul de convectie pentru lichid

Se adopta c_l =33·10³ kJ/m²hk.

c_aer=(285500) ·10³ kJ/m²hk - coeficientul de convectie pentru aer

Se adopta c_aer=490 ·10³ kJ/m²hK

d = (0,10,25) mm - grosimea tevii

Se adopta d = 0,2mm

l - coeficientul de conductibilitate al tevii

Se adopta l = 1380 kJ/mhK pentru tevi de cupru.

j_ner= A_aer/A_l =710 - coeficientul de nervurare

A_l - suprafata de schimb de caldura in contact cu lichidul

Se adopta j_ner

Fluxul de caldura este dat de :

(6)

cu q_r=24003300 kJ/kWh - criteriul de incarcare specifica.

Se adopta q_r=2400 kJ/kWh

P_e = 107.3 kW puterea efectiva a motorului.

Rezulta deci o suprafata de schimb de caldura in contact cu aerul:

(4")

Debitul de lichid care trebuie sa treaca prin radiator pentru a prelua caldura este:

(7)

in care r_l = 1000 kg/m³ - densitatea lichidului (apa)

c_pl = 4,185 kJ/kgK - caldura specifica la presiune constanta.

Dt_l=t_il - t_el = 100 - 84 =16°C

Admitand pentru viteza de curgere a lichidului prin radiator o valoare in domeniul w₁ = 0,40,8 m/s se poate stabili numarul de tuburi i_t ale radiatorului:

(8)

cu w₁ = 0,6 m/s

A_t = p·d²_t/4 = p 8·10^-3)²/4 = 5,0266·10^-5 m²

d_t = 8 mm - diametrului unui tub

Suprafata de racire in contact cu lichidul este:

A_l=i_t·p_ert·H_rad=39·0,0251·0,35=0,34306 m² (9)

cu p_ert = p d_t=0,0251 m - perimetrul interior al tubului

H_rad = 350 mm = 0,35m - inaltimea radiatorului

Rezulta deci un coeficient de nervurare:

j_ner = A_aer/A_l = 10,57/ 0,34306 =30,8   (10)

Capacitatea sistemului de racire V_l se determina din conditia ca numarul de treceri ale lichidului prin circuit sa fie z_t=1020 de treceri pe minut.

V_l= V_l/z_t = 4,23/15=0,0047m³ = 4,7 l (11)

Un criteriu important de apreciere a perfectiunii constructiei radiatorului este coeficientul de compactitate:

j_com A_aer/(A_f·l_rad)= 10,57/(0,175·0,05)=1208 (12)

cu A_f -aria frontala a radiatorului

A_f=H_rad·L_rad=0.35·0,50=0,175m² (13)

L_rad=0,50 m - latimea radiatorului

l_rad =0,05m - adancimea radiatorului.

3 Calculul pompei de lichid

Pompa de lichid folosita la motoarele de autovehicule este in general o pompa centrifuga, cu un singur rotor, cu dirijare unilaterala a lichidului si cu camera spirala de refulare.

Pompa trebuie sa realizeze o cadere de presiune Dp_p suficienta pentru a invinge rezistentele hidraulice la deplasarea fortata a lichidului.

Presiunea necesara acestor pompe este de 0 1,5 bar. Pentru asigurarea unei circulatii in conditii bune prin canalizatia de lichid este suficienta o presiune de 0,3..0,5 bar insa se cauta obtinerea unei rezerve de 0,81,0 bar fata de presiunea de formare a aburului, pentru ca in anumite puncte ale instalatiei de racire temperatura lichidului este mult mai mare decat temperatura mediului ambiant si bulele de aer care se formeaza n-au timp sa se condenseze la iesirea din camasa de racire a blocului.

In figura alaturata se prezinta schematic o pompa centrifuga.

In care s-au folosit notatiile: 1 carcasa, 2 rotor, 3 palete, 4 racord de aspiratie, 5 racord de refulare.

Figura 2