Підвищення ефективності роботи автомобілів ЗАЗ-110550 на промислових підприємствах Йорданії шляхом удосконалення системи охолодження

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ХАРКIВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБIЛЬНО-ДОРОЖНIЙ ТЕХНIЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 629.113.012.5

Підвищення ефективності роботи автомобілів ЗАЗ-110550 на промислових підприємствах Йорданії шляхом удосконалення системи охолодження

Спеціальність 05.22.10-Експлуатацiя автомобільного транспорту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Абдель-Багі Валід

Харкiв 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Східноукраінському державному університеті(СУДУ) на кафедрі “Автомобілі“

Науковий керівник - Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Куліков Юрій Андрійович, зав.кафедрою “Автомобілі” в Східноукраінському державному університеті.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Дяченко Василь Григорович, професор кафедри “ДВС” Харківський державний політехнічний університет

доктор технічних наук, професор Лєбєдєв Анатолiй.Тихонович, зав.кафедрою “Трактори та Автомобілі , Харківський державний технічний університет сільського господарства

Провідна установа: Український транспортний університет, кафедра “Виробничi системи та сервіс на транспорті”

Захист відбудеться “3” 03 1999 р. О 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті за адресою: 310002,м. Харків, вул. Петровського,25

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету

Автореферат розісланий “ 02 ” 02. 1999 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор Подригало М.А.

АНОТАЦІЯ

Абдель-Багі Валід. Підвищення ефективності роботи автомобіля ЗАЗ-11050 на промислових підприємствах Йорданії шляхом удосконалення системи охолодження. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.10 “Експлуатація автомобільного транспорту” при Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті, 1999 р.

Проведено аналіз ефективності експлуатації автомобілів ЗАЗ в умовах Йорданії, установлена недостатня ефективність роботи системи охолодження (с.о.) в період високих температур навколишнього середовища (>313 К) і виявлені причини її зниження у процесі експлуатації.

Виконані теоретичні дослідження теплопередачі у радіаторі з механічним ущільненням контакту пластин з трубками. Розроблена математична модель с.о. з радіатором, поверхня теплообміну якого обдувається вентилятором частково.

Наведені експериментальні дослідження енергетичних характеристик радіаторів, вентиляторної установки і блока “радіатор-вентилятор” з урахуванням впливу основних параметрів конструкції і режимів роботи з метою уточнення математичної моделі с.о. і вибору її раціонального варіанта.

Виконано аналіз з вибору раціональних параметрів, елементів конструкцій і режимів роботи с.о. Розроблено рекомендації з удосконалення с.о. двигуна, що забезпечує надійну роботу автомобілів ЗАЗ в умовах Йорданії.

Ключові слова: промисловий транспорт, автомобіль, система охолодження, радіатор, вентилятор, теплопередачі , математична модель.

SUMMARY

Abdel-Bagi Walid.

Increase of an overall performance of the automobile ZАZ-110550 at the industrial enterprises of Jordan by perfection of cooling system.Manuscript.

The dissertation for achiering a scientific degree of the Phd in technical science, major-05.22.10 “Explotation of automobile transport” at kharkiv state transport techincal university,1999.

The analysis of exploitation of automobiles ZАZ in conditions of Jordan is made,unsufficient overall performance of cooling system (с.s) is the period of high environmental temperatures (> 313К) is defined, reasons of its reduction in the process of explotation are revealed.

The theoretical researches of transfer in a radiator with mechanical condensation of the contact of plates with рipes are made. The mathematical model с.s. is developed. The heat exchange surface of this C.S. is partially blown over by the fan.

The experimental researches of power characteristics of radiators, fan station and block “radiator-fan” are given in a view of influence of the basic design parameters and modes of operation with the purpose of specification of mathematical model С.S. and of choice of its rational verion.

The analysis of the choice of rational parameters, of designs and modes of С.S. operations is made. The recommendations for perfection of С.S which guarantees a sate work of automobiles ZАZ in conditions of Jordan,are dereloped.

Key words: industrial transport, automobile, cooling system, radiator, ventilator, transfer , mathematical model.

АННОТАЦИЯ

Абдель-Баги Валид. Повышение эффективности работы автомобиля ЗАЗ-110550 на промышленных предприятиях Иордании путем совершенствования системы охлаждения - рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.10 “Эксплуатация автомобильного транспорта”. Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 1999г.

Проведен анализ эффективности эксплуатации автомобилей ЗАЗ в условиях Иордании, установлена недостаточная эффективность работы системы охлаждения в период высоких температур окружающей среды (>313К) и выявлены причины ее снижения в процессе эксплуатации.

Выполнены теоретические исследования процессов теплообмена в системе охлаждения автомобилей ЗАЗ-110550 (1102) с учетом изменения параметров конструкции и режимов работы, основных ее элементов (радиатора, вентиляторной установки и др.). Исследован процесс теплопередачи в радиаторе из алюминия, в котором плотность посадки коллективных ребер на пучок трубок осуществлена протяжкой изнутри трубок шариками. Получено уравнение коэффициента теплопередачи, учитывающее влияние на процесс теплопередачи слоя загрязнений в микрозазорах контактов ребер с трубками с использованием величины термического сопротивления. Исследовано влияние качества контакта поверхностей ребер и трубок на коэффициент теплопередачи и установлена рациональная степень их прилегания.

Разработана математическая модель системы охлаждения с радиатором, поверхность теплообмена которого обдувается вентилятором частично. Получено уравнение для определения давления, создаваемого вентиляторной установкой на основных участках аэродинамического тракта.

Приведены результаты экспериментальных исследований макетов и натурных образцов радиаторов, блока “радиатор-вентилятор”, вентиляторной установки и других элементов системы охлаждения на специальных стендах и на автомобилях: радиаторы современных конструкций из алюминия уступают по энергетическим и массогабаритным характеристикам радиаторам с сердцевиной из медных трубок и пластин на 15…20%; радиаторы из алюминиевых трубок и пластин-ребер имеют примерно одинаковые показатели; опытный образец радиатора украинского производства имеет на 10…12% меньший коэффициент теплопередачи при меньшем на 18-20% аэродинамическом сопротивлении и меньшем на 7% гидравлическом сопротивлении.

Анализ энергетических характеристик радиатора с учетом влияния числа пластин (шага расположения ребер на трубках) показал, что с увеличением степени оребрения, несмотря на снижение коэффициента теплопередачи К, величина , пропорциональная теплорассеивающей способности радиатора, увеличивается, но не превышает показателя серийного радиатора на 8%. При этом аэродинамическое сопротивление опытного радиатора меньше серийного на 13%.

Применение турбулизаторов воды в диапазоне изменения скорости воды в трубках, соответствующем режиму работы радиатора, увеличивает теплопередачу на 10-12%, что объясняется сугубо турбулентным режимом течения воды в трубках. В то же время гидравлическое сопротивление увеличилось практически в 2 раза.

Проведена оценка влияния подсоса воздуха через зазор между радиатором и кожухом на расход воздуха через радиатор (его уплотнение увеличивает расход воздуха через радиатор на 19%).

Исследования на стенде показали, что установка сетки из проволоки диаметром 0,5…0,8 мм и размером ячейки 1,3х1,3 мм перед радиатором на расстоянии 10...15 мм не только исключает попадание крупных частиц пыли в межреберные пространства, но и увеличивает коэффициент теплопередачи радиатора на 5…7%, практически не влияя на производительность вентилятора.

Полученные результаты экспериментальных исследований позволили уточнить математическую модель энергетического расчета системы охлаждения автомобиля ЗАЗ-110550 и провести расчетные исследования ее с учетом эксплуатации автомобилей в условиях промышленных предприятий Иордании.

Разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов работы системы охлаждения и рациональных параметров элементов ее конструкции, обеспечивающих надежную работу автомобилей ЗАЗ-110550 в условиях Иордании:

-применение кожуха, соединяющего радиатор с вентилятором, конструкция которого охватывает всю сердцевину радиатора и исключает подсос “горячего” воздуха из подкапотного пространства;

-увеличение расстояния от радиатора до обечайки вентилятора на 45…50 мм за счет перемещения радиатора вперед по направляющим пластинам;

-применение в кожухе вентилятора “воздушных клапанов”;

-увеличение в системе охлаждения радиаторов украинского производства числа охлаждающих пластин-ребер толщиной 0,08 мм до 276 штук или толщины пластин до 0,1 мм (при числе пластин 267 штук), что сделает их взаимозаменяемыми с радиаторами российского производства.

Ключевые слова: промышленный транспорт, автомобиль, система охлаждения, радиатор, вентилятор, теплопередача, математическая модель

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ

В Йорданії 60% усіх перевезень усередині країни здійснюється автомобільним транспортом, який широко використовується на підприємствах головних галузей промисловості, що звязані з добуванням фосфату і газу, виробництвом поташу і цементу. У звязку з цим Йорданія закуповує автомобілі у відомих фірм, таких як Мерседес (Німеччина), Крайслер (США), Фіат (Італія), Пежо (Франція), АвтоВАЗ (Росія), у тому числі АвтоЗАЗ (Україна) та інших. Як показав досвід експлуатації автомобілів на промислових підприємствах Йорданії, кліматичні умови значно впливають на працездатність автомобілів у цілому, а також на надійність і довговічність їх вузлів і деталей.

Актуальність теми

В Йорданії максимальна температура жаркого періоду року (травень-вересень) складає 323 К. В багатьох районах запорошеність в окремі періоди року досягає 100 - 130 мг/м3 при швидкості вітру більше ніж 8...10 м/с. Часто виникають порошні бурі. Запорошеність повітря при цьому досягає 1,95 г/м3.

Ураховуючи складні кліматичні умови, до системи охолодження (с.о.) автомобілів, що поставляються у країну, предявляються відповідні вимоги. Вони повинні забезпечувати надійну роботу автомобілів при температурі навколишнього середовища до 323 К, вологості 20% і запорошеності 1,95 г/м3 при мінімальних витратах потужності на привід допоміжних систем.

Досвід експлуатації автомобілів ЗАЗ-110550 (пікап) в умовах промислових підприємств Йорданії свідчить про те, що у жаркий період року (травень-вересень) з 11 до 16 годин експлуатація автомобілів неможлива з-за швидкого перегріву двигуна, в особливості у автомобілів, що експлуатуються протягом 5-ти років.

У звязку з викладеним вище робота присвячена вирішенню задачі підвищення ефективності с.о. автомобілів ЗАЗ-110550 (пікап) з урахуванням особливостей умов експлуатації на промислових підприємствах Йорданії.

Звязок з науковими програмами і темами

Робота виконувалась у рамках науково-дослідних робіт кафедри “Автомобілі“ Східноукраінського державного університету за проханням консульства Йорданії. Випробування радіаторів російського і українського виробництва з метою одержання їхніх енергетичних характеристик і підвищення ефективності провадились за темами Т3-98 і Т25-98 у відповідності з завданням АОЗТ “Зліт”, що поставляє українські радіатори сумісному підприємстві “ЗАЗ-Daewoo”.

Мета і задачі досліджень

Метою роботи і поліпшення експлуатаційних характеристик двигуна внутрішнього згоряння автомобілів ЗАЗ-110550 (пікап), що працюють на промислових підприємствах Йорданії, на основі інтенсифікації процесу тепломасообміну в радіаторі та вибору раціональних параметрів конструкції і режимів роботи блока “радіатор-вентилятор”.

Для досягнення поставленої мети вирішені такі задачі:

1.Аналіз ефективності роботи автомобілів в умовах промислових підприємств Йорданії і узагальнення основних напрямків удосконалення с.о.

2. Дослідження процесу теплопередачі у алюмінієвому радіаторі з механічним контактом ребер з трубками; розробка математичної моделі с.о. з урахуванням часткового омивання радіатора повітрям, що просмоктується вентилятором.

3. Експериментальне дослідження енергетичних характеристик с.о. і її основних елементів (радіатора, вентилятора і ін.) з врахуванням впливу параметрів конструкції, режимів роботи і умов експлуатації.

4. Вибір раціональних параметрів, елементів конструкції, режимів роботи с.о. і розробка рекомендацій для її удосконалення для забезпечення ефективної експлуатації автомобілів ЗАЗ-110550 в умовах промислових підприємств Йорданії.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Уперше досліджено вплив термічного опору механічного контакту трубок з ребрами на теплопередачу в алюмінієвих радіаторах російського та українського виробництва автомобілів ЗАЗ.

2. Розроблена математична модель тепломасообміну в радіаторі з частково омиваїмою поверхнею теплообміну вентилятором, яка на відміну від існуючих дозволяє визнати раціональні розміри кожуха вентилятора при прийнятих розмірах радіатора та умовах навколишнього середовища.

3. Одержані нові енергетичні характеристики блока “радіатор-вентилятор” з урахуванням впливу розмірів кожуха, а також радіатора українського виробництва для автомобілів ЗАЗ з урахуванням впливу числа охолоджуючих пластин-ребер.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблена методика і програма розрахунку параметрів конструкції і режимів роботи с.о. автомобіля ЗАЗ-110550 (1102), які на підставі результатів експериментальних досліджень дозволили одержати раціональний варіант системи для експлуатації автомобілів в умовах промислових підприємств Йорданії.

2. Підвищена ефективність роботи українського радіатора для автомобілів ЗАЗ за рахунок збільшення числа пластинок-ребер. Рекомендації упроваджені при засвоєнні виробництва радіаторів АОЗТ “Зліт” (м. Луганськ). Одержані енергетичні характеристики радіаторів українського та російського виробництва в параметричній і критеріальній формі.

3. Запропонована ефективна конструкція повітроочисника - турбулізатора повітряного потоку, що встановлюється на вході у радіатор.

4. Розроблені рекомендації з забезпечення ефективності роботи с.о. автомобілів ЗАЗ в умовах експлуатації на промислових підприємствах Йорданії, прийняті представництвом Йорданії в країні

Особистий внесок здобувача

1. Розроблена математична модель тепломасообміну у радіаторі з частково миваїмою поверхнею теплообміну вентилятором і с.о. у цілому.

2. Експериментально досліджені енергетичні характеристики радіаторів російського і українського виробництва і визначені умови їх взаємозамінності. Одержані критеріальні і залежності, що описують теплопередачу і аеродинамічний опір радіаторів з урахуванням їх експлуатації.

3. Визначений вплив сітки-фільтра на вході у радіатор на ефективність роботи поверхні теплообміну радіатора.

4. Розроблені рекомендації з підвищення ефективності експлуатації автомобілів ЗАЗ-110550 в умовах промислових підприємств Йорданії шляхом удосконалення с.о., що прийняті представництвом Йорданії.

Апробація результатів дисертації

Основні положення дисертації і окремих її результатів були докладені і схвалені на науково-технічних конференціях СУДУ (1994-1998), а також на VII міжнародній конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Ливадія, Крим) 1997 р., на науково-практичної конференції “Системотехніка на автомобільному транспорті” (Харків, 1998 р.).

Публікації. Результати дисертації надруковані у 6 наукових роботах.

Структура та обсяг роботи

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списка використаних джерел і додатка; вміщує 140 сторінок основного тексту, 58 рисунків і 14 таблиць. Список використаних джерел вміщує 126 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМIСТ

У вступі обгрунтована актуальність і новизна теми, дана загальна характеристика роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені основні напрямки вирішення задачі.

У першому розділі описані кліматичні умови експлуатації автомобілів у Йорданії. Наведений аналіз ефективності роботи автомобілів ЗАЗ-110550 (пікап) в умовах промислових підприємств при високих температурах навколишнього середовища. Показана недостатня ефективність роботи с.о. двигунів автомобілів у таких умовах. Наведений огляд і аналіз особливостей конструкцій і результатів попередніх досліджень с.о. автомобілів різних фірм, які дозволили визначити основні напрямки у дослідженнях з підвищення ефективності експлуатації автомобілів ЗАЗ-110550 на промислових підприємствах Йорданії в умовах субтропічного клімату.

Теоретичні й експериментальні дослідження параметрів конструкцій с.о. автомобілів, у тому числі стендові і натурні випробування радіаторів, вентиляторів, пристроїв автоматичного регулювання та ін. елементів проведені відомими організаціями: Київським автодорожнім інститутом (КАДІ), Харківським автодорожнім інститутом (ХАДІ), Московським автодорожнім інститутом (МАДІ), Ленінградським сільськогосподарським інститутом (ЛСХІ), Московським автомоторним інститутом (МАМІ), Московським автотракторним інститутом (МАТІ), Московським державним університетом інженерів залізничного транспорту (МііТ) та ін.

Великий внесок у ці дослідження внесли Авіркіів Л.А., Бурков В.В., Говорущенко М.Я., Дяченко В.Г., Гутаревич Ю.Ф., Дискин М.Е., Дрейцер Г.А., Дубровський І.В., Михайлов В.А., Панкратов Г.П., Петренко В.А., Петриченко Р.М., Шуваєв С.М , Кейс В., Емендель К., Мекаті Г., Гух В. та ін.

Проведений аналіз експлуатації ЗАЗ-110550 в умовах промислових підприємств Йорданії, конструктивних особливостей і результатів попередніх досліджень с.о. і їх основних елементів дозволив сформулювати для рішення основні задачі, що приведені вище.

У другому розділі наведені теоретичні дослідження процесів теплообміну в с.о. автомобілів ЗАЗ-110550 (1102) з урахуванням змінення параметрів конструкції і режимів роботи, основних її елементів (радіатора, вентиляторної установки та ін.).

Досліджено процес теплопередачі у радіаторі з алюмінію автомобілів ЗАЗ, у якому щільність посадки колективних ребер на пучок трубок здійснюється протяжкою усередині трубок кульками. Зроблене припущення, що при такій посадці ребер на трубки протягом усього периметра існує мікрозазор змінного розміру, що змінюється випадково (від з min до з max), середня величина (з) якого може бути визначена як наслідок порівняння експериментального і розрахункового коефіцієнтів теплопередачі радіатора з умови, що з=0.

У процесі експлуатації у мікрозазори контактів ребер з трубками просякають пари палива, мастил, які конденсуються на поверхнях паливопередачі, й на створених плівках цих рідин осідають мікрочастинки забруднень з навколишнього середовища, тобто повітряний зазор заповнюється шаром забруднень, вплив якого на процес теплопередачі може бути врахований в рівнянні величиною термічного опору теплопередачі усередненого вздовж периметра перерізу шару забруднень (з).

З урахуванням впливу цих факторів на коефіцієнт теплопередачі одержано рівняння

, (1)

де - коефіцієнт оребрення;

і - відповідно поверхня теплообміну, що омивається рідиною і повітрям, м2 ;

1 і 2 - відповідно коефіцієнт теплоотдачі від “гарячого” теплоносію до стінок трубок і від поверхні теплообміну до повітря, Вт/ м2 К;

і -питомі термічні опори шарів забруднень внутрішньої і зовнішньої поверхонь теплообміну, Вт/ м2 К;

- термічний опір контакту ребер з трубками, який повинен враховувати наявність у контакті можливих зазорів окисних і рідинних плівок, забруднень, тобто. .

Використання електротеплової аналогії дозволяє одержати:

, (2)

де - термічний опір стінки, м2?К/Вт;

і - омічний опір контакту і стінки трубки (виміряється електричним методом).

У результаті експерименту визначається коефіцієнт теплопередачі нового радіатора, для якого методом, описаним вище, одержано Rк. Це дозволяє з рівняння визначити 2.

(3)

При цьому і Rс - величини відомі, а 1 - визначається із відповідного критеріального рівняння. В результаті для випадку Rk =0 (монолітний контакт) і тих же умов можна одержати з 2 гранично можливі значення коефіцієнта теплопередачі для даної конструкції радіатора. Таким же чином можна дослідити вплив якості контакту (ступеня прилягання поверхонь ребер і трубок у контакті, чистоти поверхонь) на коефіцієнт теплопередачі і встановити раціональну ступінь прилягання поверхонь у контакті, тобто сформулювати вимоги до технології виготовлення радіаторів.

Розроблена математична модель теплопередачі у радіаторі з врахуванням особливостей схеми течії теплоносіїв, що дана на рис. 1 (А - висота серцевини радіатора, а (В-х) - ширина кожуха конфузора вентилятора). “Гарячий” теплоносій має два ходи. Повітря просмоктується вентилятором через частини I i III радіатора. Для аналізу роботи поверхні теплообміну наочніше взяти за основу схему, що показана на рис. 1б.

У відповідності з цією схемою теплопередача у радіаторі описується такою системою рівнянь, що одержана на основі рівнянь теплоперначі і теплового балансу, застосованих до відповідних честей радіатора.

Для частини I:

;

; (4)

,

де ; ; ;

;

Для частини II:

;

; (5)

,

де ; ; ;

;

1 і 2 - визначаються з відповідного рівняння (4а).

Для частини III:

;

; (6)

,

де ; ; ; .

У наведеній системі рівнянь: Q - тепловиділення у двигуні, Вт; Q1 і Q2 - відповідно кількість теплоти, що відводиться I і II частинами радіатора (рис. 1б); G - масова витрата теплоносія, кг/ч; ср - теплоємність теплоносія, Дж/кг К; .u2ф.- масова швидкість повітря у фронтальному перерізі радіатора, кг/м2с; -коефіцієнт теплопровідності теплоносія, дэ--еквiвалентний діаметр каналу для проходу теплоносія, м2; Nu, Re і Рг - відповідно критерії Нусельта, Рейнольдця і Прантля. Рівняння системи лінеарізовані за умовами, що температурний натиск у радіаторі прийнятий середньоарифметичним. Коефіцієнти при невідомих величинах (,, , ,,,,,) постійні й постійні значення правих частин рівнянь.

По відношенню до основних ділянок аеродинамічного тракту одержане рівняння для визначення тиску, що створюється вентиляторною установкою (що вміщує у себе кожух на вході і канал на виході), яке за умовами ом =1 (ом коефіцієнт Кориоліса повітряного потоку у перерізі за вентилятором) має вигляд:

, (7)

де реш, кан, рад.- відповідно коефіцієнти аеродинамічного опору грат, каналу до радіатора і пiсля радіатора;

2' і 2''- відповідно значення густини повітря до і після радіатора, кг/м3;

v2ф, vом і vа.- відповідно значення швидкості повітряного потоку у перерізі перед радіатором і у перерізі, що обмітається лопастями вентилятора і руху автомобіля, м/с.

Розроблена компютерна програма для енергетичного розрахунку с.о. двигуна автомобілів ЗАЗ-110550 з метою дослідження її роботи з урахуванням впливу енергетичних і техніко-економічних характеристик елементів конструкції (грат на вході, сітки-фільтра, радіатора, кожуха, нещільностей між радіатором і кожухом та ін.) і режимів їх роботи.

Для уточнення одержаних результатів теоретичних досліджень, у тому числі математичної моделі, сформульовані задачі експериментальних досліджень.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень макетів і натурних зразків радіаторів блока “радіатор-вентилятор”, вентиляторної установки та інших елементів с.о. на спеціальних стендах (аеродинамічній трубі відкритого типу, аеродинамічній камері) і на автомобілях.

Порівняльні дослідження макетів радіаторів автомобілів провідних фірм (Форд, Опель, Мерседес, Пежо, Фіат, ВАЗ, ГАЗ) і українського виробництва (АОЗТ“Зліт”) показали: радіатори сучасних конструкцій поступаються за енергетичними і масогабаритними характеристиками радіаторам з серцевиною з мідних трубок і пластин на 15-20 %; радіатори з алюмінієвих трубок і пластин-ребер мають приблизно однакові показники; дослідний зразок радіатора українського виробництва, однотипний за конструкцією з радіатором російського виробництва, що застосовується на автомобілях ЗАЗ, а також радіаторами автомобілів Ауді, Фіат, Мерседес та ін., мають на 10-12% менший коефіцієнт теплопередачі при меншому на 18-20% аеродинамічному опорі.

У звязку з тим, що ЗАЗ планував з 1998 року застосовувати у автомобілях радіатори українського виробництва (АОЗТ “Зліт”, м. Луганськ), були випробувані зразки радіаторів з досвідних партій, які мають однакові габаритні розміри з радіатором (у подальшому №3) російського виробництва (висоту - 340 мм, ширину - 380 мм і глибину - 34 мм) і відрізняються від нього товщиною оребряючих пластин (0,08 замість 0,1 мм) і розмірами перерізу трубок (діаметр зовнішній - 8,4 мм, внутрішній - 7,6 мм замість 8,5 мм і 7,25 мм). Технологія виготовлення і технологічне устаткування принципово однакові, але для ущільнення зєднання ребер з трубками застосовується протяжка кульками діаметром 7,6+0,1 мм.

Випробувались радіатори російського виробництва після пробігу автомобіля (200 тис. км) для визначення ступеню впливу забруднень поверхні теплообміну на енергетичні характеристики (коефіцієнт теплопередачі, аеродинамічний і гідравлічний опір) і радіатор з поверхнею теплообміну, штучно покритий парами мастила, палива і порохом, привезений із Йорданії.

Випробування показали, що початковий варіант радіатора українського виробництва з числом оребрюючих пластин 257шт. має менший коефіцієнт теплопередачі, на 20% менший аеродинамічний опір і на 7% менший гідравлічний опір (з-за збільшення перерізу для проходу води) у порівнянні з радіатором №1.

Оскільки дослідний радіатор повинен бути взаємозмінним з радіатором №1, що застосовується у автомобілях, по теплорозсіювальній здатності були реалізовані заходи для підвищення еквіваленту поверхні KF2, що омивається повітрям, і тепловіддачі від води до стінок трубок 1:

виготовлені і випробувані зразки радіаторів з різними кроками розташування оребряючих пластин (240 шт., 252 шт., 257 шт., 267 шт.);

виготовлений і випробуваний радіатор з турбулізаторами води у трубках (подальше № 3) з числом пластин 252 шт.;

виготовлений і випробуваний радіатор зі знежиреною поверхнею теплообміну у контакті ребер з трубками;

визначено термічний опір контакту ребер з трубками у серійному і дослідному радіаторах.

В результаті обробки експериментальних даних одержані в параметричній і критеріальній формах залежності, необхідні для проведення розрахункових досліджень для радіаторів російського виробництва:

для радіатора № 1:

до експлуатації

; ; ; (8)

; ; ;

після експлуатації (200 тис. пробігу автомобіля):

; ; ; (9)

; ; ,

справедливі для умов: u2ф =2...20 кг/(м2с); =0,2...2,5м/c; ; Re1 = (4...45)103.

для радіатора №2 (з числом оребряючих пластин nпл=267 шт., однаковим з радіатором №1)

; ; ; (10)

; ; ,

справедливі при: u2ф = 2...20 кг/(м2с), =0,2...2,5 м/с, і Re1 = (4...45)103.

Аналіз енергетичних характеристик радіатора з урахуванням впливу числа пластин (шага розположення ребер на трубках) показав, що зі збільшенням ступеню оребрення, незважаючи на зниження коефіцієнта теплопередачі К, величина KF2, пропорціональна теплорозсіювальній здатності радіатора, зростає, але при nпл=267 шт. (число пластин в радіаторі №1) не досягає показника серійного радіатора на 8%. При цьому аеродинамічний опір дослідного радіатора залишається меншим на 13% у порівнянні з серійним. Це свідчить про доцільність подальшого збільшення числа оребрюючих пластин до 276 шт. (до вирівнювання аеродинамічного опору радіаторів). При цьому величина KF2 досягає величини цього показника російського радіатора, але потребує змінювань технологічного процесу виготовлення радіаторів.

Застосування турбулізаторів води у діапазоні змінення швидкості води в трубках, що відповідає режиму роботи радіатора (v1 =1,6...2,0 м/с), збільшує теплопередачу усього на 10-12%, що пояснюється сугубо турбулентним режимом течії води у трубках (). В той же час гідравлічний опір збільшився практично у 2 рази. Тому застосування турбулізаторів у трубках радіатора буде впливати на продуктивність насоса і , природно, у кінцевому підсумку на температурний стан двигуна. При однаковому гідравлічному опорі радіатора з турбулізаторами і без них ефект від застосування турбулізаторів незначний.

Аналіз термічного опору Rк контакту ребер з трубками з використанням електротеплової аналогії показав, що він у серійному і дослідному радіаторах практично однаковий і складає величину Rk=2.95*10-4 K/Вт. Знежирювання поверхонь, що стикаються у контакті, не привело до зменшення Rк..

Зменшення товщини ребер у радіаторі українського виробництва на 0,02 мм зроблено з метою економії кольорових металів.

Однак, як показав аналіз, ефективність роботи оребрення при цьому зменшилась (для =0,0001м і =0,00008 м при =0,01 м, =100 Вт/(м2К) і =175 Вт/(мК)) приблизно на 6%. Тому для подальшого підвищення теплорозсіювальної здатності дослідного радіатора доцільне підвищення товщини оребрюючих пластин до =0,1 мм.

Задача удосконалювання системи охолодження автомобілів ЗАЗ-110550, що експлуат-уються в умовах субтропічного клімату Йорданії, з урахуванням порівняно невеликий коефіцієнт використання повітряного потоку, що набігає при русі автомобіля, веде до необхідності дослідження доцільності підвищення ефективності роботи поверхні теплообміну радіатора за рахунок більшого включення в аеродинамічний тракт вентилятора поверхні радіатора.

У зв'язку з цим основними параметрами, що характеризують конструкцію кожуха, з'єднуючого радіатор і вентилятор, були вибрані розміри “х” (або “В-х”) і “а” (рис.2). Саме вони, враховуючи несиметричне відносно радіатора розташування вентилятора, визначають ступінь використання поверхні теплообміну і ефективність роботи радіатора (рівномірність його обдув у) і вентилятора (його продуктивність), Такі дослідження були проведені в аеродинамічній трубі відкритого типу. Випробування зазнавав блок “радіатор-вентилятор”, який було розташовано на вході в аеродинамічну трубу. Розмір “х” змінювався у діапазоні 120…0 мм, розмір “а”- у реальному діапазоні його змінювання 0…50 мм за рахунок переміщення радіатора вперед на 50 мм без істотного змінення конструкції його кріплення.

Математичне планування експерименту з цими параметрами дозволило одержати для визначення середнього значення швидкості повітря у фронтальному перерізі попереду радіатора багаточлен

йорданія теплопередача автомобіль радіатор

у відповідності з яким при х=0 мм і а=50 мм продуктивність вентилятора збільшується на 15%.

Одержані результати ствердили можливість збільшення ефективності с.о. за рахунок змінення розмірів “а” і “х”. Це дозволило сформулювати рекомендації щодо раціонального змінення конструкції кожуха-вентилятора і розташування радіатора.

Проведена оцінка впливу підсмоктування повітря через зазор між радіатором і кожухом на витрати повітря через радіатор. Випробування показали, що його ущільнення збільшує витрати повітря через радіатор на 19%.

При експлуатації автомобіля в Йорданії, особливо в умовах порохових бурь, у радіатор попадають крупні частки пороху, які і концентраторами забруднень.

Дослідження на стенді показали, що установка сітки з дроту діаметром 0,5...0,8 мм і розміром чарунки 1,3х1,3 мм перед радіатором на відстані 10...15 мм не тільки виключає попадання великих часток пороху у міжреберні простори, але й підвищує коефіцієнт теплопередачі радіатора на 5...7%, практично не впливаючи на продуктивність вентилятора

Помітний вплив на продуктивність вентилятора робить забруднення радіатора під час експлуатації. Випробування системи з радіатором (після пробігу автомобіля 200 тис. км в умовах України) показали, що продуктивність вентилятора зменшується на 5...7%.

На стенді “аеродинамічна камера” був випробуваний вентилятор з прилеглими до нього елементами конструкції на вході й виході (кожух-конфузор на вході і елементи кріплення електроприводу на виході), які визначають умови входу повітряного потоку у вентилятор і виходу з нього і в значній мірі впливають на характеристику вентилятора, і одержана аеродинамічна характеристика, яка дозволяє одержати результати розрахунку системи охолодження з більшою точністю

Проведені на автомобілях випробування (в умовах України і Йорданії) дозволили уточнити вихідні дані для розрахунку: продуктивність насоса циркуляції води; тепловиділення двигуна у воду; аеродинамічний опір граток радіатора; коефіцієнт використання набігаючого потоку повітря при русі автомобіля; максимально допустиму швидкість руху навантаженого автомобіля на підйомі з урахуванням вимог безпеки.

Одержані результати експериментальних досліджень дозволили уточнити математичну модель енергетичного розрахунку с.о. автомобіля ЗАЗ-110550 і провести розрахункові дослідження її з урахуванням експлуатації автомобілів в умовах промислових підприємств Йорданії.

У четвертому розділі приведений вибір параметрів конструкції і режимів роботи с.о. автомобілів ЗАЗ-110550 для їх експлуатації в умовах промислових підприємств Йорданії.

Кінцевою метою розрахунку було визначення раціональних варіантів систем охолодження і розробка рекомендацій для удосконалення системи охолодження з метою підвищення її ефективності в умовах Йорданії (з мінімальними переробками) в умовах ЗАЗа.

Оцінка ефективності охолодження двигуна проводилася по температурі води на виході з двигуна повністю навантаженого автомобіля ЗАЗ-110550 при його русі на розрахунковому підйомі з швидкістю 40 км/г з урахуванням вимог безпеки. Дослідження проведені при різних значеннях температури навколишнього середовища (T2'=313…323К) з урахуванням впливу підсмоктування “гарячого “ повітря з підкапотного простору і забруднення радіатора під час експлуатації.

Аналіз результатів дозволив встановити, що серійний варіант системи (з радіатором фірми ВАЗ) при температурі навколишнього повітря 313 К забезпечує підтримування температури повітря на виході з двигуна на потрібному рівні ((T1'=373К).

Підвищення температури навколишнього середовища до 323 К (умови Йорданії) приводить до зростання температури Т1' до рівня 383 К, і, як наслідок, забруднення поверхні теплообміну радіатора під час експлуатації до рівня 390 К.

Застосування у системі радіаторів з турбулізаторами у трубках знижує рівень температури охолоджуючими рідинами на 4...5 К в умовах, що збільшений удвічі гідравлічний опір радіатора від турбулізаторів не буде зменшувати продуктивність насоса.

У дійсності продуктивність насоса від додаткового гідравлічного опору системи зменшується. В результаті ефект від застосування турбулізаторів зводиться до мінімуму, а режим охолодження двигуна погіршується.

Дослідження показали, що серійна с.о. у недостатній мірі використовує швидкість набігаючого потоку. Наприклад, при розрахунковому значенні швидкості руху автомобіля (Va=40 км/г) використовується швидкість набігаючого потоку тільки на 15%. Отже з'являється додаткова задача підвищення теплорозсіювальної здатності системи шляхом зменшення опору основних елементів системи, у тому числі застосування гарно обтічних направляючих повітряного потоку до радіатора, звуження перерізу бампера у напрямку до радіатора, застосування повітряних клапанів у кожусі ( див. рис.2).

В результаті досліджень було встановлено, що більш повне використання поверхні теплообміну радіатора, яка у серійному виконанні не обдувається вентилятором, тобто включення цієї частини поверхні в аеродинамічний тракт вентилятора дозволяє підвищити теплорозсіювальну здатність радіатора. Змінення конструкції кожуха (конфузора) таким чином, щоб він був суцільним, охоплював усю серцевину радіатора, вимикаючи підсмоктування повітря вентилятором з підкапотного простору, і забезпечував відстань від вентилятора до радіатора 45...50 мм, підтримує потрібний рівень температури води на виході двигуна (369 К) при температурі навколишнього середовища 323 К, тобто система має запас на забруднення під час експлуатації (рис.3). Необхідність застосування у радіаторі турбулізаторів відпадає. Застосування сітки-повітроочисника з дроту діаметром 0,5...0,8 мм і розмірами чарунки 1,3х1,3 мм дозволяє уловлювати великі частки пороху і одночасно інтенсифікувати теплопередачу у радіаторі, що знижує рівень температури повітря на вході у радіатор на 2...3 К.

При дослідженні с.о. з рекомендованою конструкцію кожуха і радіатором №2 (українського виробництва) з підвищеним числом пластин-ребер Zпл=267 шт. були одержані результати декілька гірші у порівнянні з радіатором №1: значення температури “гарячого” теплоносія на вході у радіатор при температурі навколишнього повітря Т=313; 318 і 323 К вище відповідно на 1,1; 2,8 і 3,2 К у порівнянні з радіатором №1 (див. рис.3). Однак краща аеродинамічна характеристика радіатора №2 дозволяє компенсувати дану хибу за рахунок числа пластин до 276 шт. (рівність аеродинамічного опору радіаторів №1 і №2): рівень температури води на вході у радіатор наближається до рівня, що забезпечує радіатор №1 (див. рис.3).

З аналізу результатів виходить, що для підвищення ефективності роботи системи охолодження необхідно:

застосувати кожух, що з'єднує радіатор з вентилятором, конструкція якого охоплює усю серцевину радіатора і виключає підсмоктування “гарячого” повітря з підкапотного простору;

збільшити відстань від радіатора до обичайки вентилятора на 45...50 мм за рахунок переміщення радіатора уперед вздовж направляючих пластин, при цьому висота стінки кожуха за периметром повинна бути 30...35 мм;

встановити перед радіатором на відстані 10...15 мм сітку (фільтр-турбулізатор) з дроту товщиною 0,5...0,8 мм і розмірами чарунки 1,3х1,3 мм для уловлювання великих частин забруднень і підвищення теплопередачі у радіаторі;

застосувати у повітрозабірних вікнах (під бампером) суцільні направляючи повітряного потоку, що щільно прилягають до радіатора;

переріз бампера зробити звужуючимся у напрямку до радіатора з метою зменшення ступеню затінення радіатора;

застосувати у кожусі вентилятора “повітряні клапани” загальним перерізом 0,01 м2 (див. рис.2);

при застосуванні в с.о. радіаторів українського виробництва збільшити у них число охолоджуючих пластин-ребер товщиною 0,08 мм до 276 штук, або товщину пластин до 0,1 мм (при числі пластин 267 штук), що робить їх практично взаємозмінними з радіаторами російського виробництва.

ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз ефективності експлуатації автомобілів ЗАЗ 110550 (пікап) в умовах промислових підприємств Йорданії, встановлена недостатня ефективність роботи с.о. в період високих температур навколишнього середовища (>313 К) і виявлені причини її зниження під час експлуатації.

2. На основi теоретичних досліджень процесу теплопередачі у радіаторі трубчато-пластинчатої конструкції з алюмінію з механічним ущільненням контакту пластин з трубками протяжкою кульками одержане рівняння теплопередачі, що враховує вплив термічного опору такого контакту, на підставі електротеплової аналогії.

3. Розроблена математична модель с.о., яка враховує, що поверхня теплообміну радіатора обдувається вентилятором частково.

4. Експериментально визначені енергетичні характеристики радіаторів, вентиляторної установки і блока “радіатор-вентилятор” з урахуванням впливу основних параметрів конструкції і режимів роботи з метою уточнення математичної моделі і виконання енергетичного розрахунку с.о. для вибору її раціонального варіанта, у тому числі:

одержані енергетичні характеристики (К, р1, р2) радіаторів (російського і українського виробництва) з урахуванням параметрів конструкцій, режимів роботи і умов експлуатації в параметричній і критеріальній формах;

встановлено, що із-за відсутності монолітного контакту ребер з трубками в алюмінієвій конструкції радіатора величина термічного опору контакту ребер з трубками складає 2.95 *10-4 К/Вт і його вплив на процес теплопередачі у радіаторі досягає 12%;

визначено ступінь оребрення дослідного (українського) радіатора, необхідний для забезпечення взаємозмінності з радіатором російського виробництва;

встановлений вплив на енергетичні характеристики радіатора і вентилятора основних параметрів конструкції кожуха (ширина “В-х” і відстань “а” від радіатора до вентилятора) і зазору між радіатором і кожухом (див. рис.2);

одержана аеродинамічна характеристика вентилятора з урахуванням впливу умов на вході (кожуха) і виході (конструкції кріплення електродвигуна) повітряного потоку.

5. Встановлене максимальне значення швидкостей тривалого руху на підйомах повністю навантаженого автомобіля. з урахуванням вимог безпеки, на дiльницях автомобільних шляхiв, що з'єднують основні підприємства Русайфа і мають максимальні підйоми.

6. Встановлено, що в силу недосконалості аеродинамічного тракту, і, як наслідок, порівняно великого його аеродинамічного опору, коефіцієнт використання набігаючого потоку в с.о. при русі з різними швидкостями складає приблизно 0,15.

7. За допомогою одержаної математичної моделі і результатів дослідження розробленi рекомендації з підвищення ефективності роботи с.о. без збільшення потужності на привід вентилятора, які можуть бути розповсюджені і на автомобілі ЗАЗ-1102, що експлуатуються в Йорданії.

8. Розроблені і упроваджені рекомендації для підвищення теплорозсіювальної здатності радіаторів українського виробництва АОЗТ “Зліт” (м. Луганськ) за рахунок підвищення їх ступеню оребрення.

9. Проведено техніко-економічний аналіз упровадження рекомендацій за результатами досліджень, що були прийняті Урядом Йорданії в Україні, який показав, що автомобілі ЗАЗ- 110550 після удосконалення с.о. можуть з успіхом експлуатуватися на промислових підприємствах Йорданії в жаркі періоди року (липень-серпень) і це дозволить щорічно зекономити тільки на комбінаті Русаіфа близько 104,7 тис. грн.

Основні положення дисертації були опубліковані у роботах

1. Куліков Ю.А., Лахно В.А., Абдель-Багі Валід. Математична модель охолоджуючого пристрою автомобіля./ Вісник Східноукраїнського державного університету. Вид-цтво СУДУ. Серія Транспорт. 1996 р., с 7-13. (особистий внесок 55%).

2. Абдель-Багі Валід, Куликов Ю.А., Лахно В.А. Математична модель охолоджуючого пристрою транспортного засобу при неповному обдуві поверхні теплообміну вентилятором./ Вісник Східноукраїнського державного університету. Вид-цтво СУДУ. Науковий журнал №4(8) 1997 р., с 190-194 (особистий внесок 70%).

3. Куліков Ю.А., Лахно В.А., Абдель-Багі Валід. Математична модель охолоджуючого пристрою автомобіля./ Придніпровський науковий вісник №51(62). Вид-цтво “Наука і освіта”. Серія- Технічні науки. 1997.

4. Куліков Ю.А., Лахно В.А., Абдель-Багі Валід. Деякі аспекти моделювання охолоджуючого пристрою транспортного засобу при неповному обдуві поверхні теплообміну вентилятором./ Придніпровський науковий вісник №51(62). Вид-цтво “Наука і освіта”. Серія- Технічні науки. 1997. с.28-32 (особистий внесок 70%).

5. Куліков Ю.А., Абдель-Багі Валід, Грибиниченко М.Ф. Дослідження впливу термічного опору контакту ребер та трубок на теплопередачу у радіаторах автомобілів ЗАЗ-110550./ Придніпровський науковий вісник №56(123). Вид-цтво “Наука і освіта”. Серія- Технічні науки. 1997. с.13-15 (особистий внесок 80%).

6. Куліков Ю.А., Абдель-Багі Валід. Про підвищення роботи системи охолодження автомобілів ЗАЗ-110550 в умовах Іорданії./ Придніпровський науковий вісник №83(150). Вид-цтво “Наука і освіта”. Серія- Технічні науки. 1998. с.1-8 (особистий внесок 85%).

Размещено на Allbest.ru

...