автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение температурно-динамических показателей систем охлаждения тракторов и автомобилей путем совершенствования теплорассеивающих поверхностей

На правах рукописи

Васильев Максим Алексеевич

УЛУЧШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАКТОРОВ И АВТОМОБИЛЕЙ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛОРАССЕИВЛЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность: 05.04. 02. Тепловые двигатели

и 05.20.03. Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном

университете

Научные руководители: Заслуженный деятель науки и техники РФ

доктор технических наук, академик, профессор Николаенко А. В.

Кандидат технических наук, доцент Курмашев Г. А.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Зуев А. А.

Доктор технических наук, профессор Петриченко М. Р.

Ведущая организация: Научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства Нечерноземной зоны Российской Федерации

Защита диссертации состоится / / (ХАр^А^ 1998 г. в ч. 3 О мин, на заседании диссертационного совета К 120.37.05 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу 189620, Санкт-Петербург - Пушкин, Академический пр., д. 23, ауд. 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета

Автореферат разослан / А 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Смирнов В.Т

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основными направлениями мирового и отече-венного развития автомобильной и тракторной промышленности явля-гся: повышение энергонасыщенности, экономичности и надежности трактов и автомобилей, снижение их металлоемкости и массы. Улучшение хнико-экономических характеристик должно сопровождаться применени-г новых прогрессивных технологий, обеспечивающих снижение трудоемки производства, экономию дефицитных материалов или замену их бо-:е распространенными, устранение вредности труда и охрану окружаю-ей среды, снижение себестоимости продукции.

Перед радиаторной промышленностью стоят те же задачи. Более пол> современным тенденциям в автотракторной промышленности удовлет->ряет способ производства автотракторных теплообменников из алюми-!я по новой безотходной технологии, методом продольной подрезки и от-[бки ребер, который позволяет получать более высокие теплотехнические жазатели поверхности охлаждения.

Улучшение температурно-динамических качеств систем охлаждения (игателей позволяет повысить надежность тракторов и автомобилей в це->м и их эксплуатационные свойства. Повышение тепловой эффективности «ерхности теплообмена, уменьшение габаритных размеров и массы ра-1атора возможно путем нахождения оптимального сочетания основных 1раметров оребрения расчетным путем.

Цель исследований. Улучшение температурно-динамических показа-леи систем охлаждения тракторов и автомобилей путем совершенствова-ш теплорассеивающих поверхностей.

Объект исследования. Модели теплообменников и полноразмерпые аоминиевые радиаторы, полученные методом продольной подрезки и от-;бки ребер с различной геометрией оребрения. Системы охлаждения дви-телей с опытными алюминиевыми радиаторами трактора ЮМЗ-6Л, ав-.мобилей ВАЗ-2106 и УАЗ-452Д.

Научная новизна 1. Уравнения теплотехнических характеристик для »верхности полученной методом продольной подрезки и отгибки ребер. Результаты математического эксперимента влияния геометрии оребрения I величины теплорассеивающей поверхности, коэффициента теплопереда-[ и аэродинамического сопротивления поверхностей охлаждения. 3. Ма-матическая модель оптимизации геометрии оребрения поверхности лаждения, позволяющая учитывать влияние всей площади теплорассеи-.ния и коэффициента теплопередачи на величину тепловой эффектив-)сти. 4. Методика определения оптимальной геометрии оребрения поверх->сти охлаждения. 5. Теплотехнические характеристики алюминиевых ра-

диаторов, полученных новым методом, для трактора ЮМЗ-6Л и автомоб) лей УАЗ-452Д , ВАЗ-2106 и данные температурно-динамических показат лей систем охлаждения двигателей с данными радиаторами.

Практическая значимость. Результаты решения задачи оптимизащ: геометрии оребрения в заданных габаритах. Улучшение температуры« динамических параметров систем охлаждения двигателей, с алюминиевым радиаторами, трактора ЮМЗ-6Л, автомобилей УАЗ-452Д, ВАЗ-2106. Ра работанные компьютерные программы, использование которых позволж рассчитывать оптимальные параметры оребрения для получения мака мальной теплоотдачи радиатора и при уменьшении глубины радиатор

Апробация работы. Основные положения диссертационной работ доложены и одобрены на ежегодных научно-технических семинарах стра СНГ " Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов автомобилей" в СПГАУ в 1995-1997 годах.

Публикации. По теме исследования опубликовано шесть печатнь: работ.

Внедрения. Материалы исследований используются для дальнейш* разработок алюминиевых радиаторов в ОНИЛАР СПГАУ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит у введения, шести глав, общих выводов, списка литературы ( 102 наименов; ний ), 10 приложений. Содержит 187 страницах машинописного текст; включает 35 таблиц,€6рисунков и 25 страниц приложений,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложен основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассматривается состояние исследуемого вопрос Рассмотрены пути улучшения температурно-динамических качеств систе охлаждения двигателей тракторов и автомобилей ( за счет увеличения те1 лорассеивающей площади и коэффициента теплопередачи ). Дана оцени возможности применения алюминия для производства автотракторны теплообменников и, в первую очередь, жидкостных радиаторов для охлая дения двигателя. Выполнен ретроспективный анализ развития конструкци алюминиевых теплообменников. Исходя из работ Буркова В.В, Курмашег Г.А, Михайлова В.А. и рада других авторов выявлено, что метод получен* оребренной поверхности продольной подрезкой и отгибкой ребер являет< наиболее прогрессивным, позволяющим наиболее полно удовлетворить 3! дачи стоящие при производстве автотракторных радиаторов. Данный М' тод позволяет получать радиаторы с высокими теплотехническими и ко! струкционными характеристиками, но метод поиска оптимального соотн< шения параметров геометрии оребрения в настоящее время не разработа: Нет данных для оценки влияния геометрических параметров оребрения у

гемпературно-динаиические качества системы охлаждения двигателя тракторов и автомобилей.

Исходя из целей исследования и в результате анализа состояния вопроса, были сформулированы следующие задачи, решаемые в диссертации:

1. На основе экспериментальных ¡1 теоретических данных получить /равнения доя расчета теплотехнических характеристик поверхностей охлаждения изготовляемых методом продольной подрезки и отгибки ребер,

2. Провести математический эксперимент с целью выявления влияния основных параметров оребрения на теплотехнические характеристики теп-торассеивающих поверхностей полученных, новым методом.

3. Разработать математическую модель оптимизации теплорассеи-зающих поверхностей.

4. Получить оптимальное соотношение параметров геометрии оребре--шя для различных радиаторов.

5. Экспериментально проверить на изготовленных полноразмерных эадиаторах полученные закономерности.

6. Провести стендовые испытания для оценки влияния геометрии оребрения радиатора на температурно-динамические качества системы охлаждения двигателя.

7. Провести эксплуатационные испытания полноразмерных автотрак-горных радиаторов, полученных методом продольной подрезки и отгибки оебер.

8. Выполнить экономический анализ применения опытных алюминне-)ых радиаторов.

2. Разработать методику расчета оптимальной геометрии оребрения гегшорассеивающей поверхности.

Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы улучшения тем-тературно-динамических качеств систем охлаждения двигателей путем оптимизации охлаждающей поверхности.

На первом этапе получена формула величины теплорассеивающей юверхности в зависимости от параметров оребрения:

Р = В Н С 4-Ь-Ь / (( я + 2-Ь ) ит а) + ( 2Ь + q) / ( я + 2-Ь)), (1)

где В и Н - фронтальные размеры сердцевины радиатора, м;

Ь - глубина радиатора, м; q - толщина пластины заготовки, м;

I - шаг оребрения, м; И-высота ребра, м; а - угол отгиба ребра.

Формула (1) учитывает не только площадь самих ребер, но и всю межреберную и фронтальную площадь пластин, из которых собрана серд-1евина радиатора, омываемая воздушным потоком.

В результате математического эксперимента было установлено, что фронтальные размеры радиатора не влияют на параметры оребрения. При лвеличении шага оребрения на 0,5 мм площадь теплорассеивающей поверх-тости уменьшается на 10 % за счет уменьшения количества ребер, при уве-

личении угла отгиба ребра на 10° площадь теплорассеивающей поверхносп уменьшается на 9 % за счет уменьшения площади ребер, при увеличении м соты ребра на 1 мм площадь теплорассеивающей поверхности увеличивав ся на 4,2 % за счет увеличения площади ребер. Изменения толщины ребра д и ширины ребра - / существенного влияния на площадь теплорассе) вающей поверхности не оказывают.

На основе теоретических исследований из формулы Нуссельта бы.' получена формула коэффициента теплопередачи, в которой в виде компле: сов учитывается влияние параметров оребрения:

иг /.-сог- ( Уь )п3п4 У*-"5 х] о

к =-- , (2

( Ру )ПЗ

где X - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт / (м ■ К);

со - функция влияния угла наклона ребра;

<1е - эквивалентный диаметр, м ;

и - скорости теплоносителей воздуха и жидкости соотве ственно, м / с;

V - коэффициент кинематической вязкости, м2 / с;

•По - КПД поверхности охлаждения;

р - коэффициент живого сечения.

Для расчета КПД поверхности охлаждения была предложе! формула:

/

(a+b)-t-sma ] , ,

(2-h+í-sina)-(b+5CI)j \ 1>' •

где а и Ь-размеры сечения жидкостных каналов пластины, м; 5ст - толщина стенки пластины, м; Лр - эффективность ребра:

j-th(m-h)/(m-h) , (<

где j - коэффициент учитывающий способ соединения ребер с осно ной поверхностью; m - геометрический комплекс, м-':

m = (2 к / Хи 8 , (:

где Хм - коэффициент теплопроводности материала, Вт / (м • К). Коэффициент живого сечения рассчитывался по разработан» формуле:

р = 2 • h • ({■ sin а - 2 ■ 5) / ((# + 2 • ti) • i ■ sin а ) (i Получена формула для расчета аэродинамического сопротивлени

ДР = Ш| •( / / df )»2.a,m3 . ( L / de . ( y\L )т6 / у , ('

где ЛР - перепад давления до и после радиатора, Па.

На основании опытных данных были определены коэффициенты в равнениях ( 2 ) и ( 7 ) которые характеризуют влияние комплексов пара-¡етров геометрии оребрения на коэффициент теплопередачи и аэродинами-[еское сопротивление.

На следующем этапе для оценки влияния параметров оребрения на :оэффициенты теплопередачи и аэродинамического сопротивления был [роведен математический эксперимент, в результате которого установлено, [то с увеличением высоты ребра на 1 мм коэффициенты теплопередачи и эродинамического сопротивления снижаются на 1,5 % и 7 % соответствен-ю. Это объясняется уменьшением перепада температур между поверх-гостью и воздушным потоком, увеличением эквивалентного диаметра и :оэффициента живого сечения.

При увеличении шага оребрения на 1 мм коэффициент теплопередачи величивается на 2,2 %, так как уменьшается число ребер на пластинах, а ледовательно, происходит увеличение перепада температуры между поверхностью пластин и -воздушным потоком.

Коэффициент аэродинамического сопротивления с увеличением шага ребрения на 1 мм снижается на 14 %, так как уменьшается турбулизация оздушного потока, растут эквивалентный диаметр и коэффициент жи-ого сечения.

С уменьшением ширины ребра на 1 мм происходит рост коэффициента еплопередачи на 7,8 % , так как растет турбулизация воздушного потока и [роисходит интенсивное дробление пограничного теплового слоя, что по-воляет перемещать наиболее нагретые слои воздуха от поверхности тепло-бменника к периферии, то есть к краю ребра, где скорость потока воздуха ¡аибольшая. При этом возрастает температура воздуха, выходящего из еплообменника, что приводит к повышению интенсивности процесса еплообмена.

Уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления на ,4 % при увеличении ширины ребра на 1 мм объясняется следующим: во-[ервых, уменьшается число торцов ребер, которые обтекает воздух; во-торых, уменьшаются завихрения между рядами ребер; в третьих, меньше вменяется русло воздушного потока, проходящего между ребрами сердце-ины радиатора, в результате чего перепад давления до и после радиа-ора уменьшается.

При увеличении угла отгиба ребра с 50° до 65° происходит уменьше-:ие площади ребер и коэффициент теплопередачи возрастает на 8 % , в нтервале 65° - 75° коэффициент теплопередачи изменяется незначитель-:о, а при росте утла отгиба с 75° до 90 0 начинается уменьшение интен-ивности воздушного потока и коэффициент теплопередачи уменьшает-я на 8,2 % .

Коэффициент аэродинамического сопротивления уменьшается и д< стигает минимального значения при а = 90 например, ц = 6,2 при h=6 м? t=2,3 мм, L, =35 мм, так как растет эквивалентный диаметр и живое сечени а следовательно, уменьшается турбулизация воздушного потока. При ув< личении толщины ребра в зоне с 0,15 до 0,2 мм коэффициенты Teroronepi дачи и аэродинамического сопротивления фактически не изменяются. С] щсственное влияние на рост коэффициентов теплопередачи и аэродинам! ческого сопротивления оказывает увеличение скорости теплоносителе! причем, степень скорости воздуха в формуле (2) определяет величину tvj булентности воздушного потока при прохождении сердцевины радиатор;

Выявленное неоднозначное влияние параметров оребрения на bi личину теплорассеиваюшей поверхности и на коэффициент теплопер< дачи требует их совместного учета при решении оптимизационной л дачи повышения тепловой эффективности радиаторов.

Для решения этой задачи и улучшения температурно-дннамическн качеств системы охлаждения двигателя, была взята за основу целева функция Z. При оптимальном сочетании параметров геометрии орес рения целевая функция принимает максимальное значение:

Z = к • F => max (8

Зона поиска оптимума определена технологическими возможнс стями оборудования:

2 < t < 5 (мм); 0,2 < б < 0,5 (мм); 5 < I < 10 ( мм);

5 < h < 10 (мм); 45° < а < 90» , (9

и рядом ограничений:

В = const; Н = const. (10

£ = L/(dc0-7-3°-5W>3-/0'3) <Сшах (И

c = (q — а)/2 — 6-п (12

8=l,4(M-i> (13

h / sin (а) < 5 ■ t (14

Ограничение (10) показьшает неизменность габаритных размеро! Уравнение (11) является ограничением аэродинамического сопротивл< ния, а выполнение ограничения (12) является гарантией сохранени герметичности жидкостных каналов. Уравнение (13) является условие достаточной жесткости ребер, уравнение (14) представляет ограничен« технологических возможностей.

Для поиска оптимального оребрения разработана программа дл ЭВМ. Результаты расчетов (рис. 1 и 2 ), характеризуют зависимость or тимального соотношения геометрии оребрения от глубины радиатор; На графике (рис. 1) можно выделить три зоны. В зоне 1 ( с глубино радиатора до 50 мм ), при увеличении возможной глубины радиатора кс эффициент теплопередачи фактически постоянен, а общая площадь тел лообменника резко растет, соответственно растет и целевая функция Z

3 зоне 2 ( Ь = 50 + 75 мм), при увеличении возможной глубины радиатора коэффициент теплопередачи несколько уменьшается и, в конечном ггоге, достигает минимума, а общая площадь теплообменника и целе-зая функция медленно растут и в конце зоны 2 достигают максимума.

178

26 30 35 40 <5 60 55 ВО 65 70 75 80 85 50 95 100

I- ( ММ )

Рис.1. Влияния глубины радиатора на тепловую эффективность.

Кривые 1- при £<10; кривые 2 - при С, <9; кривые 3 - при £ < В .

Зона 1 и зона 2 являются наиболее оптимальными, так как с увеличением возможной глубины радиатора происходит увеличение целевой функции. В зоне 3 ( Ь > 75 мм) при увеличении возможной глубины радиатора шэффициент теплопередачи изменяется мало, а общая площадь теплообменника и целевая функция начинает медленно уменьшаться, так как резко эастет аэродинамическое сопротивление. В этой зоне увеличение глубины радиатора не приводит к увеличению теплоотдающей способности. Разме-зы самих зон зависят от заданного ограничения аэродинамического сопро-гивления. С его уменьшением размеры первой зоны увеличиваются, размеры второй зоны почти не изменяется, но ее границы сдвигаются вправо, гретья зона уменьшается.

Ь (мм) ((мм)

10

8

1 ! ! 1 з ! ! 1 ; ; I 1 -ч ' ? ;

1 ......I..........|........... : 3 2

о- : \ I ' ' ✓ Т" -Я

; ! ! —-

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

85 90

Рис.2. Оптимальные параметры оребрения в зависимости от глубины радиатора.

Кривые: 1 - при £<Ю ; кривые 2 - при £ < 9; кривые 3 - при С < 8 .

35 100 1_(ММ )

s

При увеличении глубины более 75 мм не приводит к росту теплоот-дающей способности радиатора, а увеличение глубины более 50 мм не рационально при данном ограничении аэродинамического сопротивления, так как теплорассеивающая способность увеличивается незначительно (рис. 1).

Рисунок 2 показывает оптимальное сочетание основных параметров оребрения хеплорассеивающей поверхности ири заданной величине аэродинамического сопротивления и, что с увеличением глубины радиатора растут значения основных параметров оребрения; этот рост вызван ограничениями аэродинамического сопротивления и технологическими возможностями оборудования. Например, для сердцевины радиатора с глубиной 35 мм оптимальные параметры будут: уг ол отгиба ребра 58°; шаг оребрения 2 мм; высота ребра 5,9 мм.

Результаты данных исследований показали, что для создания радиатора с наименьшей массой и удовлетворяющего потребностям отвода тепла от двигателя, охлаждающей жидкостью, необходимо трансформировать целевую функцию, приводя ее к виду L=>min.

L = [ F ( q + 2h) / — q / 2 ] ■ [ t sin a / ( 2 h +1 sin a) ] , (15) где F - площадь теплорассеивающей поверхности, м2.

F = <2охд/(кДич) (16)

Зона поиска будет соответствовать ограничениям (9). В качестве дополнительных ограничений принято:

В = const; Н = const; Q охл = const. (17)

c = (q — а)/2 — 8 • n ; 6= 1,4iD ; h/sin(a)<5-t . Для решения уравнения П5) была составлена программа для ЭВМ. Выявлено, что при каждом значении фронтальных размеров радиатора и требуемой теплоотдачи, полученная минимальная глубина радиатора требует определенного сочетания параметров оребрения. Это потребовало построения типоразмерного ряда оптимальных сочетаний параметров оребрения, представленного в виде таблицы 1.

Таблица 1

_________Таблица типоразмерного ряда параметров оребрения__

Типоразмер j____Параметры оребрения

X t h a 1 8

— мм мм гоад мм мм

Г" г. ..„ 5,7 58,0 5 0,2

2 1,9 5,8 58,0 5 0,2

3 2,0 5,9 58,0 5 0,2

4 2,1 6,4 60,0 0 0.2

5 2,2 6,9 62,0 5 0,2

Продолжение таблицы 1

6 2,3 7,2 64,0 ! 5 0.2 I

7 2,4 ^ лл_ 65,0 5 0,2

8 2,5 7,6 65,0 ! 5 0,2 \

9 2,6 7,9 65,0 .1_ ^ _] 0,2 !

10 2,7 8,2 65,0 ! 5 0,2 1

Для выбора номера типоразмера используется таблица 2; при заданном коэффициенте аэродинамического сопротивления и глубины радиатора выбирается номер типоразмера, который в таблице I. определяет оптимальное сочетание основных параметров оребрения.

Таблица 2

Таблица номеров типоразмера в зависимости от глубины радиатора и ________коэффициента аэродинамического сопротивления_

Глубина

Коэффициент аэродинамического сопротивления ^

радиатора (мм) 12 11 10 9,5 ^ 9 8,5 8

20 -г 25 | 1 1 1 2 2 2 2

26*30 1 1 2 2 2 2 3

31 4-35 2 1 и 2 2 3 3 3

36-4-40 2 2 3 3 3 3 4

41 +45 2 3 3 4 4 5 6

46-г 50 3 3 4 5 5 7 8

51 ч- 55 4 4 5 6 8 9 10

В третьей главе приведены методики экспериментальных исследо-*аний, даны описания экспериментальных установок и применяемого >борудования и описана методика обработки опытных данных.

Методика лабораторных исследований включает: определение тепло-¡ых и аэродинамических характеристик моделей и полноразмерных радиа-:оров, собранных из ребристых пластин, полученных методом продольной юдрезки и отгибки ребер.

Исследования моделей и полноразмерных радиаторов проводились ?а тепловом стенде, представляющим собой малую и большую аэроди-шмические трубы, оборудованные водяным контуром.

Методика и программа стендовых исследований включают: определе-ше температурно-динамических характеристик системы охлаждения двига-■еля фактора ЮМЗ-6Л, автомобилей УАЗ-452Д и ВАЗ-2106 с опытными шюминиевыми радиаторами и с серийными, с целью их сравнения. Данные 1сследования проводились в лаборатории комплексных испытаний тракто->ов и автомобилей, позволяющей наиболее полно имитировать эксплуата-

ционные условия работы трактора и автомобилей при любых погодны условиях, различных температурных и динамических нагрузках.

Методика лабораторко-дорожных и нолевых исследований вклю чает: определение тсмиературно-динамических характеристик систем! охлаждения двигателя трактора ЮМЗ-6Л, автомобилей УАЗ-452Д ! ВАЗ-2106 с опытными алюминиевыми радиаторами для оценки их рабо тоспособности в эксплуатационных условиях. Испытания автомобиле; проводились на специальной трассе, а испытания трактора проходил на поле учхоза "Пушкинский".

Методика эксплуатационных испытаний включает: определение ис ходных данных для расчета показателей надежности испытываемых радия торов.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных ис следований.

Исследования моделей радиаторов проводились с целью получ« ния теплотехнических характеристик теплорассеивающих поверхносте1 получаемых методом продольной подрезкой и отгибкой ребер.

Экспериментальные характеристики коэффициента теплопередачи аэродинамического сопротивления представлены в виде уравнений (18) (19); оценка соответствия теоретических кривых опытным данным произв< дена по корреляционному отношению - г) и критерию Фишера-Р.

к = Ь| (УОЬ2 . (18

ДР = Ь4(\\)Ь5 , (19

где коэффициенты 1ч и оценивают влияние сочетания паре метров геометрии оребрения на коэффициенты теплопередачи и аэрс динамического сопротивления. В результате решения системы уравн* ний были получены значения коэффициентов п1-ь п5 и т 1 -мпб в ура! нениях (2) и (7), которые после подстановки примут вид:

, Др = 0,5-(//^)-°'5-о-2'3(Ь/с1с)-р-0'1 ■ (у V!. )2 / у , (20

0,041 • X со-з.7 ¿лз-« (уУ1. П о

к= - , (21

(УМ"3

где пЗ = 1,03( 11 де)-°-09

Для проверки адекватности разработанной математической модел были проведены испытания полноразмерных радиаторов доя гракто]. ЮМЗ-6Л, автомобилей УАЗ-452Д и ВАЗ-2106. Оценка соответствия теор тических кривых опытным данным произведена по корреляционному о' ношению-г) и критерию Фишера - К. Во всех случаях математическая модет

декватно описывает процессы теплопередачи и аэродинамического сопро-ивления при 5 % уровне значимости.

В результате реализации оребрения радиаторов максимально близко-э к расчетному были улучшены конструкционные характеристики опыт-ых алюминиевых радиаторов по сравнению с серийными: для радиатора втомобиля УАЗ-452Д коэффициент объемной компактности сердцевины спрос на Дфу = 35 м2/ м3, а коэффициент массовой компактности сердцеви-ы увеличился на Дер ы = 0,29 м2/ кг; для сердцевины радиатора автомобиля АЗ-2106 Дер = 98 м-/ м3 . Дф м = 0,29 м2/ кг; для сердцевины радиатора ракторя ЮМЗ-671 Дф\ = 266 м:/ м3 , Д<рм- 0,28 м:/кг.

В результате проведения стендовых испытаний были получены емпературно-динамические характеристики системы охлаждения двига-глей трактора ЮМЗ - 6Л , автомобилей УАЗ - 452Д и ВАЗ-2106.

При установке опытного алюминиевого радиатора на трактор ЭМЗ-бЛ , система охлаждения имеет лучшую температурно- динамн-ескуго характеристику, чем с серийным радиатором ( рис. 3 и 4 ). опытным алюминиевым радиатором система охлаждения двигателя имеет ачальный температурный напор меньше на 3.8 К в зоне, близкой к макси-альному крутящему моменту, и на 2,0 К меньше в зоне номинальной ощности, чем с серийным радиатором. Критическая температура кружающего воздуха, при которой еще возможна работа двигателя, аоборот имеет большее значение для системы охлаждения с опытным адиатором. Рост температуры воды на выходе из двигатели при ис-ользовании опытного радиатора аналогичный, как и у серийного, но оддержание номинальной темперап'ры охлаждающей жидкости воз-ожно при более высокой (на 2 К)температуре окружающего воздуха.

1 нач (°С )

74

62

64

68

70

66

72

вала двигателя трактора ЮМЗ-6Л

кривая-1 с опытным радиатором; кривая-2 с серийным радиатором.

Рис. 3. Зависимость начального температурного напора от частоты вращения коленчатого

60

1000

1200

1600

1800 II ( МИН

t.«p<°C)

46

4¿

Рис.4. Зависимость

критической температу ры окружающего воз духа от частоты враще иия коленчатого вал! двигателя трактор: ЮМЗ-6Л

кривая-1 с оаытньп радиатором; кривая-2 < серийным радиатором.

30 <—

юоо

1400

1800

1800

п ( МИН )

Система охлаждения автомобиля УАЗ-452Д с опытным алюминиевых: радиатором имеет начальный температурный напор в среднем меньше ш 1,7 К, чем система охлаждения с серийным радиатором. Критическая температура окружающего воздуха, при которой еще возможна работа двигателя, для системы охлаждения с опытным радиатором в среднем на 1,6 К больше, чем с серийным радиатором. Характер роста температуры воды не выходе из двигателя при использовании опытного радиатора аналогичный как и у серийного.

Система охлаждения двигателя автомобиля ВАЗ-2106 с опытным алюминиевым радиатором, имеет лучшую температурно-динамическую характеристику, чем с серийным радиатором, так начальный температурный напор в среднем меньше - на 1,9 К при установке опытного алюминиевого радиатора. Критическая температура окружающего воздуха, при которой еще возможна работа двигателя имеет большее значение для системь: охлаждения с опытным радиатором, в среднем на 2 К.

Из анализа проведенных испытаний видно, что опытные алюминиевые радиаторы, изготовленные методом продольной подрезки и отгибки ребер, имеют лучшие температурно-динамические показатели пс сравнению с серийными радиаторами, устанавливаемыми на заводе.

Для оценки работоспособности радиаторов в эксплуатационных условиях были проведены полевые испытания трактора ЮМЗ-6Л на пахотных работах (в среднем загрузка двигателя составляла 86 % ) и дорожные испытания автомобилей УАЗ-452Д и ВАЗ-2106 ( ¥ = 0,018 ). Полученные температурно-динамические параметры ( для ЮМЗ-6Л - tup = 315 К, для ВАЗ-2106 - tup = 311 К , для УАЗ-452Д - tLKp = 312 К ) показывают, что система охлаждения двигателя обеспечивала оптимальный температурный режим работы двигателя - tw = 90 ± 5 0 С .

Для оценки надежности по обеспечению тепловой эффективной! охлаждения двигателей, были проведены эксплуатационные пепытани!

трактора ЮМЗ-6Л, автомобилей УАЗ-452Д и ВАЗ-2Ю6 с опытными алюминиевыми радиаторами, полученными методом продольной подрезки и отгибки ребер.

По результатам испытаний и расчетов определяющим фактором выхода из строя радиаторов автомобилей и трактора является превышение температуры охлаждающей жидкости на входе в радиатор больше допустимой. Для радиатора автомобиля ВАЗ-2106 гамма-процентный ресурс составит не менее 300 тыс. км с 95 % вероятностью. Гамма-процентный срок службы не менее 15 лет с 95 % вероятностью при среднегодовом пробеге 20000 км. Вероятность безотказной работы при планируемом пробеге в 300 тыс. км. составит 94 % . Для радиатора автомобиля УАЗ-452Д вероятность безотказной работы за планируемую наработку в 200 тыс.км. составит 89 %. Гамма-процентный срок службы не менее 10 лет с 85 % вероятностью при среднегодовом пробеге 20000 км, гамма-процентный ресурс составит не менее 204 тыс. км с 85 % вероятностью. Для радиатора трактора ЮМЗ-6 вероятность безотказной работы за планируемую наработку в 20 тыс. моточасов составит 94 % . Гамма-процентный срок службы не менее 10 лет с 85% вероятностью при среднегодовом наработке 2000 мого-часов, гамма- процентный ресурс составит не менее 22340 мото-часов с 85 % вероятностью.

В пятой главе приведена методика расчета оптимального оребрения поверхности охлаждения, изложен алгоритм программы для ЭВМ. Исходными данными расчета являются: необходимый теплоотвод; габариты сердцевины теплообменника; диапазоны возможных скоростей, коэффициенты теплопроводности, коэффициенты кинематической вязкости и режимы течения теплоносителей; толщины пластины заготовки и стенок жидкостных каналов; коэффициент теплопроводности материала; зоны варьирования основных параметров оребрения (высота, ширина, толщина, угол отгиба ребер и шаг оребрения).

Программа позволяет находить оптимальное сочетание параметров геометрии оребрения теплорассеивающей поверхности при минимально возможной глубине радиатора.

В шестой главе приведен расчет экономической эффективности применения опытных алюминиевых радиаторов, полученных способом продольной подрезки и отгибки ребер. Сочетание оптимальных параметров оребрения, рассчитываемое по предложенной методике, позволяет не только улучшить температурно-динамические показатели систем охлаждения двигателей, но и уменьшить габаритные размеры и массу радиатора. Это в совокупности с применяемым новым способом оребрения пластин алюминиевых радиаторов позволило снизить трудоемкость и стоимость применяемых материалов, а следовательно, себестоимость производства радиаторов и получить снижение эксплуатационных расходов, Расчетная стоимость опытных алюминиевых радиаторов составила для трактора ЮМЗ-6Л -

469,51 руб, для автомобилей ВАЗ-2106 - 265.87 руб, УАЗ-452Д - 480,14 ру< что ниже стоимости серийных радиаторов на 225 руб для ЮМЗ-6Л и У А' 452Д , а для ВАЗ-2106 на 15 руб. Удельный годовой экономический эффе» составит для трактора ЮМЗ-бЛ - 264,49 руб, для автомобилен ВАЗ-2106 39,22 руб, УАЗ-452Д - 91,68 руб. Одним из положительных аспектов нов< го способа оребрения алюминиевых пластин является безотходность ново технологии, отсутствие вредности производства.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ основных направлений развития конструкции и произво; ства теплообменников выявил, что получение сребренной поверхности м< годом продольной подрезки и отгибки ребер является наиболее прогрессш ным безотходным методом, позволяющим устранить вредность произво; ства и обеспечить охрану окружающей среды. Радиаторы, полученные дар ным методом, имеют высокие теплотехнические и конструкционные хара! теристики.

2. На основе разработанной формулы величины теплорассеивающе поверхности в зависимости от параметров оребрения проведен матем£ тический эксперимент, в результате которого установлено, что увелич< ние высоты ребра на 1 мм вызывает рост теплорассеивающей площад теплообменника на 4,2 % , а при возрастании шага оребрения на 0, мм или увеличении угла отгиба ребра на 10° происходит ее уменыш ние на 10 % . Другие параметры оребрения заметного влияния на ра: меры теплорассеивающей площади не оказывают.

3. Полученные формулы расчета коэффициентов теплопередачи аэродинамического сопротивления теплорассеивающей поверхности, пс зволили провести математический эксперимент на ЭВМ для оценки влияни параметров оребрения на данные характеристики. Установлено, что увеш чение высоты или ширины ребра на 1 мм приводит к уменьшению коэфф* циента теплопередачи на 1,5 % и 7,8 % соответственно, а при увеличени угла отгиба с 50° до 65° или его уменьшение с 90° до 75° коэффициент тех лопередачи уменьшается на 8,1 % , при росте шага оребрения на 1мм коэс] фицйент теплопередачи увеличивается на 2,2 %. Коэффициент аэродинам! ческого сопротивления уменьшается на 7 % при увеличении высоты ребр на 1 мм, или ширины ребра на 1,6 мм. или угла отгиба ребер на 15°. или шг га оребрения на 0.5 мм.

4. Полученная математическая модель ( 8) позволяет определять 01 тимальные соотношения параметров геометрии оребрения при необхода мости получить максимальную теплоотдачу в заданных габаритны размерах, а математическая модель ( 15 ) позволяет определять опт! мальные соотношения параметров геометрии оребрения при минимизаци глубины радиатора.

5. Разработанная методика позволяет на основе расчета оптимизиро-зать параметры оребрения поверхности охлаждения, полученной способом тродольной подрезки и отгибки ребер. Данная методика может служить эсновой для конструкторских расчетов радиаторов.

6. В результате проведения математического эксперимента было установлено, что оптимальное соотношение параметров оребрения зависит от глубины радиатора и аэродинамического сопротивления. Так, с увеличением глубины радиатора и уменьшением допустимого ограничения аэродинамического сопротивления величины параметров оребрения растут: с увеличением глубины радиатора с 25 мм до 60 мм высота ребра увеличивается с 5,8 мм до 8,3 мм, шаг оребрения - с 2 мм до 3 мм, угол отгиба ребра - с 58° до 65°.

7. Для практического использования, оптимальные сочетания параметров оребрения в зависимости от глубины теплообменника, разбиты на 10 типоразмеров. Приведенная методика выбора типоразмера позволяет определить нужный номер типоразмера ряда в зависимости от глубины радиатора и накладываемого ограничения по допустимому аэродинамическому сопротивлению.

8. Полученные полноразмерные алюминиевые радиаторы с параметрами оребрения максимально близкими к расчетным ( оптимальным ), по сравнению с серийными имеют меньшую массу: для трактора ЮМЗ-6Л на 4 кг, для автомобилей ВАЗ-2106 на 1,8 кг, для УАЗ-452Д на 4 кг; и меньшую глубину: для трактора ЮМЗ-6Л на 30 мм, для автомобиля УАЗ-452Д на 5 мм и меньшую высоту 25 мм.

9. Результаты проведенных испытаний полноразмерных радиаторов на большой аэродинамической трубе, подтвердили разработанные математические модели, так как значения критериев Фишера превышают табличные значения при 5 % уровне значимости в 2 раза.

10. Проведенные исследования показали, что температурно- динамическая характеристика системы охлаждения двигателя с опытным алюминиевым радиатором по сравнению с серийным для трактора ЮМЗ-6Л имеет начальный температурный напор меньше на 2,0+3,8 К , для автомобиля ВАЗ-2106 на 1,6+2 К , а для автомобиля УАЗ-452Д на 1,7 К . Конструкционные характеристики сердцевин опытных алюминиевых радиаторов по сравнению с серийными значительно возросли: автомобиля УАЗ-452Д А<р у = 35 м2 / м3 , Аф м = 0,29 м2 / кг; автомобиля ВАЗ-2106 Дфу=98м2/м3, Дфм^ 0,29 м2/кг ; трактора ЮМЗ-6Л Дфv = 266 м2 / м3 , Дфм = 0,28 м2/кг.

11. Проведенные исследования радиаторов на надежность по обеспечению тепловой эффективности охлаждения двигателей, позволили установить, что для радиатора автомобиля ВАЗ-2106 ресурс составит не менее 300 тыс. км с 95 % вероятностью, для радиатора автомобиля УАЗ-

452Д не менее 200 тыс. км. с 89 % вероятностью, для радиатора трактора ЮМ3-6Л не менее 20 тыс. мото-часов с 94 % вероятностью.

12. Проведенный расчет экономической эффективности опытных алюминиевых радиаторов показывает, что их стоимость меньше серийных на 225 руб. для ЮМЗ-бЛ и УАЗ-452Д , а для ВАЗ-2106 на 15 руб; удельный годовой экономический эффект от применения опытных радиаторов составит для трактора ЮМЗ-6Л - 264,49 руб, для автомобилей ВАЗ-2106 - 39,22 руб, УАЗ-452Д - 91,68 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Васильев М. А., Курмашев Г. А. Влияние параметров геометрии оребрения радиатора на его тепловую эффективность П Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Тезисы докладов постоянно действующего научно-технического семинара стран СНГ. - СПГАУ. - Санкт-Петербург, 1995.- С. 33 - 34.

2. Васильев М. А., Курмашев Г. А. Эксергетическая оценка транспортного кондиционера // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Тезисы докладов постояннодей-ствующего научно-технического семинара стран СНГ. - СПГАУ. - Санкт-Петербург, 1995. - С. 34 - 36. .

3. Васильев М, А., Курмашев Г. А. Комплексная оценка транспортного кондиционера // Внедрение достижений науки в АПК Верхневолжья в условиях рыночной экономики: Тезисы 18-ой научно-практической конференции. ТСХИ. - Тверь, 1995. - С. 96 - 97.

4. Васильев М. А., Курмашев Г. А. Оптимальная геометрия оребрения алюминиевых теплорассеивающих поверхностей//Улучшение эффективных, экологических и ресурсных показателей энергетических установок сельскохозяйственных тракторов и автомобилей: Сб. научных трудов СПГАУ. - Санкт-Петербург, 1995. - С. 73 - 77.

5. Васильев М. А., Курмашев Г. А. Минимизация размеров алюминиевых теплообменников // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Тезисы докладов постояннодей-ствующего научно-технического семинара стран СНГ. - СПГАУ.- Санкт-Петербург, 1996. - С. 60 - 61.

6. Васильев М. А., Курмашев Г. А. Получение максимальной тепловой эффективности радиатора путем изменения геометрии оребрения в зависимости от его глубины // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Тезисы докладов постоян-нодействующего научно-технического семинара стран СНГ. - СПГАУ. -Санкт-Петербург, 1997. - С. 119 -122.