Chương 8 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống làm mát

163 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! -
Chương 8 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống làm mát

164
Chương 8
TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT
I. YÊU CẦU TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÀM MÁT
I.1. Nhiệt độ nước làm mát
Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi tiết máy tiếp xúc với
khí cháy (piston, xécmăng, xupáp nắp xylanh, thành xylanh) chiếm khoảng 25

35% nhiệt lượng do
nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra. Vì vậy các chi tiết đó thường bò đốt nóng mãng liệt: nhiệt độ
đỉnh piston có thể lên tới 600
0
C, còn nhiệt độ nấm xupap có thể lên tới 900
0

o
C.
I.2. Lưu lượng nước làm mát
Trong hệ thống làm mát bằng nước, bơm nước có nhiệm vụ cung cấp nước cho hệ thống với
lưu lượng và áp suất nhất đònh để đảm bảo được hiệu quả làm mát tốt nhất cho động cơ làm việc ở
mọi chế độ.
6
5

70

75

80

85

Tiêu hao nhiên liệu

(g/ml.h)
T
o
C

1
6
5

170


0,02

0,04

0,06

0,08

1

Hình
8
.1.
Đồ thò quan hệ suất tiêu hao nhiên liệu, độ mòn xylanh với
nhiệt độ làm việc của động cơ.
75% tải

50% tải

Động cơ hai kỳ

Động cơ bốn kỳChế độ tối ưu

Chương 8 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống làm mát

165
Trong quá trình tính toán xác đònh lưu lượng nước trong hệ thống làm mát phải lưu ý: lưu lượng

I.4. Xác đònh công suất và kích thước của bơm
Lưu lượng nước tuần hoàn trong hệ thống làm mát phụ thuộc vào nhiệt lượng do nước làm mát
mang đi và chênh lệch nhiệt độ của nước trong động cơ, xác đònh theo công thức:
 
,
ttc
Q
GG
nvnrn
m1
nm1

 (kg/s) (8-1)
Trong đó: Q
1m
– nhiệt lượng truyền cho nước làm mát (J/s).
c
n
– tỷ nhiệt của nước (J/kg.độ).
t
nr
, t
nv
– nhiệt độ của nước ra và nhiệt độ của nước vào động cơ.
Sau khi xác đònh lượng nước làm mát tiêu hao G
n
, ta có thể xác đònh lượng kích thước cơ bản
của bơm nước.
Lưu lượng của bơm nước xác đònh theo công thức:


bơm. Đối với loại bơm ly tâm các phần tử chất lỏng đồng thời tham gia hai chuyển động.
-

Chuyển động theo: nước quay cùng cánh bơm với vận tốc
u
(tại điểm vào A vận tốc là
1
u
;
tại điểm ra B vận tốc là
2
u
).
-

Chuyển động tương đối theo hướng tiếp tuyến với cánh quạt có vận tốc

(tại A vận tốc
tương đối là
1

, tại B vận tốc tương đối là
2

).
Như vậy phân tử nước sẽ chuyển động với vận tốc tuyệt đối là:
 uc

(tại A có vận tốc tuyệt đối
1

– bán kính ở bánh công tác (m).
c
1
– vận tốc tuyệt đối của nước khi đi vào cánh, (bằng 2

5 m/s).

n
– mật độ nước (kg/m
3
).
Từ phương trình (8-3) ta rút ra:
2
0
n1
b
1
r

r

c
2


2

u
2


1

w
1


2


1
+

2

K


Chương 8 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống làm mát

167
Trò số bán kính ngoài r
2
của bánh công tác được xác đònh từ vận tốc vòng u
2
ở điểm B.

b
22
gH
gcottg1v


, (m/s) (8-5)
vậy
b
2
b
2
2
n
u30u
r





12
0
)
21
, 
– góc giữa các phương của vận tốc tương đối

với phương của
u
theo
hướng ngược lại (ở A có
1

, ở B có
2

);
(thường
0
2
1512 
, khi tăng
2

thì cột nước do bơm tạo nên sẽ tăng)
g – gia tốc trọng trường g = 9,18 m/s
2
.
H – cột áp của bơm (m).


nằm trong khoảng 40

55
0
cũng có thể nhỏ hơn.
Quan hệ giữa tốc độ vòng u
1
, u
2
biểu thò theo biểu thức sau:
2
1
21
r
r
uu
 , (m/s).
Chiều cao của cánh bơm ở lối vào và lối ra được xác đònh theo công thức:













Zr2c
G
b
, (m) (8-6)
Trong đó:

1
,

2
– chiều dày của cánh ở lối vào và lối ra, (m) (

1
=

2
=

3
= 3

5 mm).
c
r
– tốc độ ly tâm của nước ở lối ra (m/s).
2
b2
22r
tg
u

-

2/ Trên vòng của r
2
, lấy điểm B, qua B, dựng góc
2
EBO 

(hình 8.3).
-

3/ Từ tâm O, kẻ một đường cắt vòng r
1
ở K sao cho OK làm với OB một góc
21

.
-

4/ Kéo dài đường BK, cắt vòng r
1
tại A.
-

5/ Vẽ đường trung trực LE của đoạn AB, đường trung trực đó gặp BE tại E.
-

6/ Điểm E là tâm của cung tròn qua AB (dạng của cánh bơm), bán kính ma ở bánh công
tác r
0

o
– Nhiệt lượng tổng cộng đưa vào động cơ khi động cơ làm việc ở trạng thái
phụ tải đã cho.
Q
e
– Nhiệt lượng tương đương với công có ích của động cơ.
Q
th
– Nhiệt lượng do khí thải đem ra ngoài.
Q
ch
– Nhiệt lượng tổn hao do cháy không hoàn toàn.
Q
d
– Nhiệt lượng truyền cho dầu bôi trơn.
Q
cl
– Nhiệt lượng của các tổn thất nhiệt khác.
q’
lm
– lượng nhiệt truyền cho nước làm mát ứng với 1 đơn vò công suất trong 1
đơn vò thời gian (J/kW.s).
N
e
– công suất có ích của động cơ (kW).
-

Đối với động cơ xăng dùng chế hoà khí có thể lấy:
q’
lm

của nước: c
n
= 4,187 (J/kg.độ)

Trò số c
n
của êtylen glucon: c
n
= 2.093 (J/kg.độ)
Ä
t
n
– hiệu nhiệt độ nước vào và nước ra bộ tản nhiệt: (
Ä
t
n
= t
nv
– t
nr
).

Đối với động cơ ôtô máy kéo:
Ä
t
n
= (5 ÷ 10)
0
C.



, (J/s) (8-11)
-

Qua thành ống :
 
211lm
ttF.Q





, (J/s) (8-12)
-

Từ mặt ngoài của thành ống đến không khí:


kk222lm
tt.F. Q 

, (J/s) (8-13)
Trong đó: Q
lm
– nhiệt lượng của động cơ truyền cho nước làm mát (J/s), bằng nhiệt lượng
do nước dẫn qua bộ tản nhiệt.

1
– hệ số tản nhiệt từ nước làm mát đến thành ống bộ tản nhiệt (W/m

n
,t
kk
– nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong bộ tản nhiệt và không khí đi
qua bộ tản nhiệt.
Giải các phương trình, ta được:
   
kkn2kkn2
21
2
1
2
1
lm
ttkFttF
1
F
F
F
F
1
1
Q 








1
và tính đến diện tích
của các tấm tản nhiệt.
Tỷ số

1
2
F
F
là hệ số diện tích, với loại két nước dùng ống nước dẹt có thể chọn

= 3 ÷ 6.
Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong két nước xác đònh theo biểu thức sau đây:
2
tt
t
nrnv
n



Trong đó: t
nv
, t
nr
– nhiệt độ nước vào và nhiệt độ nước ra của két nước.
(có thể lấy bằng nhiệt độ nước vào và nhiệt độ nước ra của động cơ).
Nhiệt độ trung bình của không khí làm mát:
2
tt


Hệ số

1
có thể xác đònh bởi các số liệu thực nghiệm. Trò số thí nghiệm của hệ số

1
thay đổi
trong khoảng

1
= 2326 ÷ 4070 (W/m
2
.độ) .
Hệ số

của đồng lá

= 83,9 ÷ 126 (W/m.độ), của hợp kim nhôm 104,8 ÷ 198 (W/m.độ) còn
của thép không gỉ 9,3 ÷ 18,6 (W/m.độ).
Hệ số

2
phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ lưu động của không khí

kk
.
Khi thay đổi

kk


171
Khi không tính đến các tổn thất nhiệt Q
lm
cũng có thể xác đònh theo biểu thức:
Q
lm
= c
kk
G
kk
.(t
kkr
– t
kkv
) (8-16)
Do đó:
kkkk
lm
kkvkkr
Gc

2
)
Trong đó: f
2
– hệ số diện tích làm mát của két nước ứng với 1 đơn vò công suất (m
2
/kW ).

Đối với ôtô du lòch: f
2
= 0,136 ÷ 0,313 (m
2
/kW).

Đối với ôtô tải: f
2
= 0,0204 ÷ 0,408 (m
2
/kW).
N
e
– công suất có ích cực đại của động cơ (kW).
Dung tích của hệ thống làm mát bằng chất lỏng ứng với 1 đơn vò công suất (V
lm
/N
e
) thường
trong khoảng:
-


=
Ä
H
th
+
Ä
H
đh
+
Ä
H
ra
(N/m
2
) (8-17)
Hình 8.4. Quan hệ của hệ số truyền
nhiệt k với tốc độ gió

kk
.
0

10

20

30

40


Ä
H
ra
– tổn thất khí động ở chỗ ra của không khí khi đưa qua các rãnh (N/m
2
).
Trò số
Ä
H
th
– xác đònh theo công thức:
8,9.2
H
kk
2
kk
thth


, (N/m
2
) (8-18)
Trong đó:

th
– hệ số tổn thất áp suất có thể lấy trong phạm vi 2 ÷ 3.


kk
– khối lượng riêng trung bình của không khí (kg/m

Khi D < 100 mm:
98175,735H
q

, (N/m
2
).

Khi D = (100

150) mm:
19625,1171H
q

, (Nm
2
).
Công suất tiêu hao cho dẫn động quạt tính theo công thức sau:

3
q
kkp
q
10.
V.H
N



, (kW)

các phiến tản nhiệt trên động cơ làm mát bằng gió.
Bảng 8-1 Kích thước của các phiến tản nhiệt
Gang Hợp kim nhôm Thông số cơ bản
(mm)
Xylanh Nắp xylanh

Xylanh Nắp xylanh
h
s
e


14

30
6

12
4

8
2

4
15

50
6

12