Chương 7. THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM MÁT, BÔI TRƠN
7.5. THIẾT KẾ CÁC CỤM CHI TIẾT CHÍNH TRONG HỆ THỐNG LÀM MÁT BẰNG NƯỚC CƯỠNG BỨC MỘT VÕNG KÍN
7.5.1. Thiết kế két nước
7.5.1.1. Phương án thiết kế két làm mát.
Két làm mát được phân làm hai loai: két làm mát kiểu “nước- nước” và két làm mát kiểu “nước - không khí” .
Két làm mát kiểu “nước-nước” được dùng trên động cơ có hai vòng tuần hoàn, nước làm mát như đã nói trên trong đó nước ngọt đi trong ống, cấu tạo của két nước này cũng tương tự két làm mát dầu nhờn bằng nước.
Két làm mát kiểu “nước- không khí”, thường dùng trên các loại ô tô máy kéo bao gồm ba phần, ngăn trên chứa nước nóng từ động cơ ra, ngăn dưới chứa nước
nguội để vào làm mát động cơ, nối giữa ngăn trên và ngăn dưới là giàn ống truyền nhiệt. Giàn ống truyền nhiệt là bộ phận quan trọng nhất của két làm mát.
Ðánh giá chất lƣợng két làm mát bằng hiệu quả làm mát cao tức hệ số truyền nhiệt của bộ phận tản nhiệt lớn, công suất tiêu tốn ít để dẫn động bơm nước, quạt gió. Cả hai chỉ tiêu đó đều phụ thuộc vào 3 yếu tố sau:
- Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu làm két tản nhiệt.
- Khả năng truyền nhiệt đối lưu của két.
- Kết cấu của két.(diện tích bề mặt truyền nhiệt).
Ðể giải quyết vấn đề thứ nhất, người ta dùng vật liệu chế tạo ống và lá tản nhiệt có hệ số dẫn nhiệt cao nhƣ: đồng, nhôm.
Vấn đề thứ hai được thực hiện bằng cách tăng tốc độ lưu động của môi chất thải nhiệt (nước) và môi chất thu nhiệt (không khí) nhằm tăng hệ số truyền nhiệt đối lưu của chúng.
Tuy nhiên, tăng tốc độ lưu động đòi hỏi phải tăng công suất tiêu hao cho dẫn động bơm nước và quạt gió.
Vấn đề thứ ba bao gồm việc chọn hình dáng và kích thước của ống và lá tản nhiệt, và cách bố trí ống trên két.
Hình 7-28. Kết cấu một số ống nước
Thông thường két làm mát được làm bằng các ống dẹt, cắm sâu trong các lá tản nhiệt bằng đồng thau (hình 7.2a). Ống nước dẹt làm bằng đồng có chiều dày thành ống là (0,13 - 0,20)mm và kích thước tiết diện ngang của ống là (13†20) x (2†4)mm. Còn các lá tản nhiệt có chiều dày khoảng (0,08 † 0,12)mm.
Các ống đƣợc bố trí theo kiểu song song (hình 7.2a) hoặc theo kiểu so le (hình 7.2.d). Loại so le dùng phổ biến nhất vì hiệu quả truyền nhiệt của nó tốt hơn loại song song. Trong một số trường hợp, để tăng hiệu quả truyền nhiệt (tăng không đáng kể), người ta đặt ống chếch đi một góc nào đó (hình 7.2c).
Ðể tạo xoáy cho dòng không khí nhằm tăng hiệu quả truyền nhiệt, người ta còn dùng ống dẹt hàn với lá tản nhiệt gấp khúc (hình 7.2b), trên lá dập rãnh thủng, hoặc dùng ống dẹt hàn với lá tản nhiệt hình sóng (hình 7.2e) và trên phần sóng của lá đó đƣợc dập lõm (chỗ có số 1). Hai loại này có hệ số truyền nhiệt khá cao, nên cũng đƣợc ứng dụng rộng rãi trên động cơ ô tô. Trên một số máy kéo và tải nặng người ta còn dùng ống tròn có gân tản nhiệt hình xoắn ốc (hình 7.2g). Loại này có
i)
g)
hàn vào ngăn trên và ngăn nước dưới như các kiểu ống dẹt mà ghép và làm kín bằng các đệm cao su chịu nhiệt.
Các kiểu bộ phận tản nhiệt nêu trên đây dùng lá tản nhiệt hoặc gân tản nhiệt thì ống tản nhiệt đều là ống nước.
Trên một số rất ít động cơ máy kéo người ta còn dùng bộ phận tản nhiệt ống không khí hình tròn hoặc hình lục lăng, mang tên két nước hình “tổ ong” (hình 7-2.i). Loại này ít dùng vì hệ số truyền nhiệt kém.
Muốn nâng cao hiệu quả truyền nhiệt của két làm mát thì phải giảm bước của lá tản nhiệt, bước của ống cả theo chiều ngang (chiều đón gió) và cả chiều sâu (chiều gió) cũng nhƣ tăng chiều sâu của két (tức là tăng số dãy ống theo chiều sâu).
Nhƣng tăng chiều sâu nhiều cũng không có hiệu quả lớn vì rằng khi hệ số truyền nhiệt của dãy ống đã ổn định thì nếu tăng chiều sâu lên 50%, khả năng tản nhiệt của két tăng15% , còn nếu tăng chiều sâu lên 100% thì khả năng tản nhiệt cũng chỉ tăng thêm 20%. Cần chú ý rằng các biện pháp nâng cao hiệu quả trên đây đều kéo theo sự gia tăng sức cản khí động của két. Thông thường két nước dùng trên ô tô sức cản khí động của không khí qua két không vƣợt quá 300 (N/m2).
7.5.1.2 Tính két nước
Ta chọn kiểu so le (hình 7.2.d). Loại so le dùng phổ biến nhất vì hiệu quả truyền nhiệt của nó tốt hơn loại song song.
Về mặt kết cấu, két làm mát của động cơ thiết kế có bình chứa nước phía trên và bình chứa nước phía dưới thông nhau qua các ống mỏng bằng đồng thau, có tiết diện dẹt (giống hình ôvan), đƣợc bố trí sáu hàng song song nhau, các hàng có các cột thẳng hàng với nhau. Các ống này có cánh tản nhiệt ở bên ngoài để tăng khả năng tản nhiệt. Loại ống này có ƣu điểm là có sức cản không khí ít hơn và diện tích tản nhiệt lớn hơn khoảng 2 † 3 lần so với ống tròn . Tuy nhiên loại ống này không bền bằng ống tròn và khó sửa chữa. Đường ống từ bơm nước đi vào nằm ở bình đi vào động cơ là Ф= 35mm
Khi động cơ làm việc, nhiệt độ sinh ra do quá trình cháy truyền ra môi trường xung quanh, do đó làm cho nước làm mát động cơ nóng dần lên. Nước nóng được bơm nước đẩy vào bình chứa nước phía trên của két nước. Nước nóng chảy trong các ống, đồng thời tỏa nhiệt ra thành ống, nhiệt từ thành ống truyền ra cho các cánh tản nhiệt và truyền ra môi trường không khí, cánh tản nhiệt có tác dụng tăng khả
15 c a
b 2
0.2
Hình 7-29. Sơ đồ kết cấu ống nước.
Ta có:
b = 2 - 2.0,2 = 1,6 (mm);
a = 15 - 2.0,2 = 14,6 (mm);
c = 15 - 2 = 13 (mm)
+ Diện tích tiếp xúc với chất lỏng F1: F1 = F0.n
F0 - diện tích tiếp xúc chất lỏng của một ống (m2);
n - số ống của két nước;
F0 = h. P0
h - chiều dài làm việc của ống, chọn h=990(mm) P0 - chu vi thành trong của ống.
P0 = 2.c + π.b = 2. 13+ 3,14.1,6 = 31,024 (mm) F0 = h.P0 = 990. 31,024 = 30713,76(mm2) F1 = n.F0 = 46.5.30713,76 = 70641648 (mm2) Vậy F1 = 7,06 (m2).
+ Tiết diện lưu thông chất lỏng trong két.
S = S0.n (m2) Trong đó:
S0: tiết diện lưu thông của chất lỏng qua một ống nước.
n: số ống nước trong két.
S0 = .0,82 + b.c
S0 = 3,14.0,82 + 1,6.13 = 22,8096 (mm2)
Vậy: S= 46.5.22,8096 = 5246,208 (mm2) = 0,005246 (m2) + Tính diện tích két nước tiếp xúc với không khí F2.
620 mm
45 cạnh (46 x 6) ống
990 mm 11,22 mm
Hình 7-30. Sơ đồ tính toán két nước F2 = F3 + F4
F3 - diện tích ống nước tiếp xúc với không khí.
F4 - diện tích cánh tản nhiệt tiếp xúc với không khí.
- Tính F3: F3 = P1.h‟.n
P1 - chu vi tiết diện ngoài của ống
P1 = 2.c + π.2 = 2.13 + 3,14.2 = 32,28 (mm)
h‟ - chiều cao làm việc của ống tiếp xúc với không khí.
h‟ = h - δ‟.m (mm)
δ‟ - độ dày cánh tản nhiệt. chọn δ‟ = 0,2 (mm).
m - số lớp của 1 cánh tản nhiệt, m = 300.
h‟ = 990 – 0,2.300 = 930 (mm).
Vậy F3 = 32,28.930.46.5 = 6904692 (mm2) = 6,904 (m2) - Tính F4:
F4 = m.b‟.l.i.k
620 mm 125 mm
11,22 mm 990 mm
k - số cánh tản nhiệt. chọn k = 45.
b‟ - bề rộng cánh tản nhiệt. chọn b‟= 11,22.
l - chiều dài cánh tản nhiệt.Tính theo bề dày của két l = B = 125(mm).
i – số bề mặt tiếp xúc không khí của cánh tản nhiệt. i = 2.
F4 = 300.11,22.125.2.45 = 37867500(mm2) Hay F4 = 37,868 (m2).
Vậy diện tích két nước tiếp xúc với không khí là:
F2 = 37,868 + 6,904 = 44,772 (m2).
125 620
990
2 3
4
5 6
7 8
9 1
Hình 7-31. Kết cấu két nước của động cơ CNG bus 29
1- Khoang nước trên; 2- Ống dẫn nước vào két; 3- Nắp két; 4- Ống thông hơi; 5- Ống nước; 6- Cánh tản nhiệt; 7- Nước làm mát; 8- Khoang chứa nước dưới; 9-