Радиаторы — это теплообменники, используемые для охлаждения двигателей внутреннего сгорания , в основном в автомобилях, но также в самолетах с поршневыми двигателями, железнодорожных локомотивах , мотоциклах, стационарных электростанциях или при любом подобном использовании такого двигателя.
Двигатели внутреннего сгорания часто охлаждаются путем циркуляции жидкости, называемой охлаждающей жидкостью двигателя , через блок цилиндров и головку блока цилиндров , где она нагревается, затем через радиатор, где она теряет тепло в атмосферу, а затем возвращается в двигатель. Охлаждающая жидкость двигателя обычно имеет водную основу, но может быть также масляной. Обычно используется водяной насос для циркуляции охлаждающей жидкости двигателя, а также осевой вентилятор [1] для подачи воздуха через радиатор.
В автомобилях и мотоциклах с двигателем внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением радиатор соединен с каналами, проходящими через двигатель и головку блока цилиндров , по которым жидкость ( охлаждающая жидкость ) прокачивается насосом охлаждающей жидкости. Этой жидкостью может быть вода (в климате, где вода вряд ли замерзнет), но чаще всего это смесь воды и антифриза в пропорциях, соответствующих климату. Сам антифриз обычно представляет собой этиленгликоль или пропиленгликоль (с небольшим количеством ингибитора коррозии ).
Типичная автомобильная система охлаждения включает в себя:
В процессе сгорания выделяется большое количество тепла. Если позволить нагреву беспрепятственно увеличиваться, произойдет детонация , и компоненты снаружи двигателя выйдут из строя из-за чрезмерной температуры. Чтобы бороться с этим эффектом, охлаждающая жидкость циркулирует по двигателю, поглощая тепло. Как только охлаждающая жидкость поглощает тепло от двигателя, она продолжает поступать в радиатор. Радиатор передает тепло от охлаждающей жидкости проходящему воздуху.
Радиаторы также используются для охлаждения жидкостей автоматических трансмиссий , хладагента кондиционера , всасываемого воздуха , а иногда и для охлаждения моторного масла или жидкости гидроусилителя рулевого управления . Радиатор обычно устанавливается в таком месте, где к нему поступает поток воздуха от движения автомобиля вперед, например, за передней решеткой. Если двигатели установлены посередине или сзади, радиатор обычно устанавливают за передней решеткой, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха, хотя для этого требуются длинные трубы охлаждающей жидкости. В качестве альтернативы радиатор может забирать воздух из потока над верхней частью автомобиля или из боковой решетки. Для длинных транспортных средств, таких как автобусы, боковой поток воздуха чаще всего используется для охлаждения двигателя и трансмиссии, а верхний поток воздуха чаще всего используется для охлаждения кондиционера.
Автомобильные радиаторы состоят из пары металлических или пластиковых напорных бачков, соединенных сердцевиной с множеством узких проходов, что обеспечивает большую площадь поверхности по отношению к объему. Этот сердечник обычно состоит из сложенных друг на друга слоев металлического листа, спрессованных с образованием каналов и спаянных вместе . В течение многих лет радиаторы изготавливались из латунных или медных сердечников, припаянных к латунным коллекторам. Современные радиаторы имеют алюминиевые сердечники и часто позволяют сэкономить деньги и вес, используя пластиковые коллекторы с прокладками. Эта конструкция более подвержена поломкам и ее труднее ремонтировать, чем традиционные материалы.
Более ранним методом строительства был сотовый радиатор. Круглые трубки на концах были спрессованы в шестиугольники, затем сложены вместе и спаяны. Поскольку они соприкасались только своими концами, это образовало, по сути, твердый резервуар для воды, через который проходило множество воздушных трубок. [2]
В некоторых старинных автомобилях используются сердечники радиаторов, изготовленные из спиральной трубки, что является менее эффективной, но более простой конструкцией.
.jpg/1280px-Thermo-syphon_cooling_circulation_(Manual_of_Driving_and_Maintenance).jpg)
В радиаторах сначала использовался нисходящий вертикальный поток, обусловленный исключительно термосифонным эффектом. Охлаждающая жидкость нагревается в двигателе, становится менее плотной и поэтому поднимается вверх. По мере того, как радиатор охлаждает жидкость, охлаждающая жидкость становится плотнее и опускается. Этот эффект достаточен для маломощных стационарных двигателей , но недостаточен для всех автомобилей, кроме самых первых. Во всех автомобилях в течение многих лет использовались центробежные насосы для циркуляции охлаждающей жидкости двигателя, поскольку естественная циркуляция имеет очень низкую скорость потока.
Система клапанов или перегородок или того и другого обычно включается для одновременного управления небольшим радиатором внутри автомобиля. Этот небольшой радиатор и связанный с ним вентилятор называются сердечником отопителя и служат для обогрева салона. Как и радиатор, сердечник обогревателя отводит тепло от двигателя. По этой причине автомеханики часто советуют операторам включать обогреватель и устанавливать его на максимальную мощность, если двигатель перегревается, чтобы помочь основному радиатору.
Температура двигателя в современных автомобилях в первую очередь контролируется термостатом с восковыми гранулами — клапаном, который открывается, когда двигатель достигает оптимальной рабочей температуры .
Когда двигатель холодный, термостат закрыт, за исключением небольшого перепускного потока, поэтому термостат испытывает изменения температуры охлаждающей жидкости по мере прогрева двигателя. Охлаждающая жидкость двигателя направляется термостатом на вход циркуляционного насоса и возвращается непосредственно в двигатель, минуя радиатор. Направление циркуляции воды только через двигатель позволяет двигателю максимально быстро достичь оптимальной рабочей температуры, избегая при этом локальных «горячих точек». Как только охлаждающая жидкость достигает температуры активации термостата, он открывается, позволяя воде течь через радиатор, чтобы предотвратить более высокий рост температуры.
Достигнув оптимальной температуры, термостат регулирует поток охлаждающей жидкости двигателя к радиатору, чтобы двигатель продолжал работать при оптимальной температуре. В условиях пиковой нагрузки, например, при медленном подъеме по крутому склону с большой нагрузкой в жаркий день, термостат будет почти полностью открыт, поскольку двигатель будет развивать мощность, близкую к максимальной, в то время как скорость воздушного потока через радиатор будет низкой. (Поскольку радиатор является теплообменником, скорость потока воздуха через радиатор оказывает большое влияние на его способность рассеивать тепло.) И наоборот, при быстром спуске по автомагистрали в холодную ночь с легким дросселем термостат будет почти закрыт. потому что двигатель производит мало мощности, а радиатор способен рассеивать гораздо больше тепла, чем производит двигатель. Слишком большой поток охлаждающей жидкости в радиатор приведет к переохлаждению двигателя и его работе при температуре ниже оптимальной, что приведет к снижению эффективности использования топлива и увеличению выбросов выхлопных газов. Кроме того, долговечность, надежность и долговечность двигателя иногда подвергаются риску, если какие-либо компоненты (например, подшипники коленчатого вала ) спроектированы с учетом теплового расширения для обеспечения соответствия друг другу с правильными зазорами. Еще одним побочным эффектом переохлаждения является снижение производительности обогревателя салона, хотя в типичных случаях он по-прежнему подает воздух со значительно более высокой температурой, чем температура окружающей среды.
Таким образом, термостат постоянно перемещается во всем своем диапазоне, реагируя на изменения рабочей нагрузки, скорости и внешней температуры автомобиля, чтобы поддерживать оптимальную рабочую температуру двигателя.
На старинных автомобилях вы можете встретить термостат сильфонного типа с гофрированными сильфонами, содержащими летучую жидкость, например спирт или ацетон. Эти типы термостатов плохо работают при давлении в системе охлаждения выше примерно 7 фунтов на квадратный дюйм. Современные автомобили обычно работают при давлении около 15 фунтов на квадратный дюйм, что исключает использование термостата сильфонного типа. В двигателях с прямым воздушным охлаждением это не касается термостата сильфона, который управляет заслонкой в воздушных каналах.
На температуру двигателя влияют и другие факторы, в том числе размер радиатора и тип вентилятора радиатора. Размер радиатора (и, следовательно, его охлаждающая способность ) выбран таким образом, чтобы он мог поддерживать расчетную температуру двигателя в самых экстремальных условиях, с которыми может столкнуться транспортное средство (например, при подъеме в гору при полной загрузке в жаркий день). .
Скорость воздушного потока через радиатор оказывает большое влияние на тепло, которое он рассеивает. Скорость автомобиля влияет на это примерно пропорционально усилию двигателя, обеспечивая тем самым грубую обратную связь саморегулирования. Если дополнительный вентилятор охлаждения приводится в движение двигателем, он также аналогичным образом отслеживает частоту вращения двигателя.
Вентиляторы с приводом от двигателя часто регулируются муфтой вентилятора от приводного ремня, которая проскальзывает и снижает скорость вращения вентилятора при низких температурах. Это повышает эффективность использования топлива, поскольку не тратится энергия на приведение в действие вентилятора без необходимости. На современных автомобилях дальнейшее регулирование скорости охлаждения обеспечивается вентиляторами радиатора с регулируемой скоростью или циклическим циклом вращения. Электрические вентиляторы управляются термостатическим выключателем или блоком управления двигателем . Электрические вентиляторы также имеют то преимущество, что обеспечивают хороший воздушный поток и охлаждение на низких оборотах двигателя или в неподвижном состоянии, например, при медленном движении.
До разработки вискомуфтовых и электрических вентиляторов двигатели оснащались простыми фиксированными вентиляторами, которые постоянно прогоняли воздух через радиатор. Транспортные средства, конструкция которых требует установки большого радиатора для выполнения тяжелых работ при высоких температурах, например, коммерческие автомобили и тракторы, часто охлаждаются в холодную погоду при небольших нагрузках, даже при наличии термостата , поскольку большой радиатор и фиксированный Вентилятор вызывал быстрое и значительное падение температуры охлаждающей жидкости, как только открывался термостат. Эту проблему можно решить, установив Жалюзи радиатора (или кожух радиатора ) на радиаторе, который можно регулировать, чтобы частично или полностью блокировать поток воздуха через радиатор. В самом простом случае жалюзи представляют собой рулон материала, такого как холст или резина , который разворачивается по длине радиатора, чтобы покрыть нужную часть. Некоторые старые машины, такие как одномоторные истребители Royal Aircraft Factory SE5 времен Первой мировой войны и SPAD S.XIII , имеют ряд жалюзи, которые можно регулировать с сиденья водителя или пилота, чтобы обеспечить определенную степень контроля. Некоторые современные автомобили имеют ряд жалюзи, которые автоматически открываются и закрываются блоком управления двигателем, чтобы при необходимости обеспечить баланс охлаждения и аэродинамики. [3]
Поскольку тепловой КПД двигателей внутреннего сгорания увеличивается с увеличением внутренней температуры, давление охлаждающей жидкости поддерживается выше атмосферного, чтобы повысить ее температуру кипения . Калиброванный предохранительный клапан обычно встроен в заливную крышку радиатора. Это давление варьируется в зависимости от модели, но обычно находится в диапазоне от 4 до 30 фунтов на квадратный дюйм (от 30 до 200 кПа). [4]
Поскольку давление в системе охлаждающей жидкости увеличивается с повышением температуры, оно достигнет точки, в которой предохранительный клапан позволит сбросить избыточное давление. Это прекратится, когда температура системы перестанет расти. В случае переполнения радиатора (или напорного бачка) давление стравливается путем выхода небольшого количества жидкости. Его можно просто слить на землю или собрать в вентилируемом контейнере, в котором сохраняется атмосферное давление. При выключении двигателя система охлаждения охлаждается и уровень жидкости падает. В некоторых случаях, когда излишки жидкости собираются в бутылке, они могут быть «всосаны» обратно в основной контур охлаждающей жидкости. В других случаях это не так.
До Второй мировой войны охлаждающей жидкостью двигателя обычно была простая вода. Антифриз использовался исключительно для предотвращения замерзания, и часто это делалось только в холодную погоду. Если обычную воду оставить замерзать в блоке двигателя, она может расшириться при замерзании. Этот эффект может привести к серьезным внутренним повреждениям двигателя из-за расширения льда.
Разработка высокопроизводительных авиационных двигателей потребовала улучшенных охлаждающих жидкостей с более высокими температурами кипения, что привело к использованию гликоля или водно-гликолевых смесей. Это привело к использованию гликолей из-за их антифризных свойств.
С момента разработки двигателей из алюминиевых сплавов или смешанных металлов ингибирование коррозии стало даже более важным, чем антифриз, и во всех регионах и сезонах.
Сухой переливной бачок может привести к испарению охлаждающей жидкости, что может вызвать локальный или общий перегрев двигателя. Если автомобиль перегреется, это может привести к серьезному повреждению. Результатом могут быть такие неисправности, как перегорание прокладок головки блока цилиндров, а также деформированные или треснувшие головки цилиндров или блоки цилиндров . Иногда предупреждение не появляется, поскольку датчик температуры, который передает данные для датчика температуры (механического или электрического), подвергается воздействию водяного пара, а не жидкого охлаждающего средства, что приводит к опасным ложным показаниям.
Открытие горячего радиатора снижает давление в системе, что может привести к ее закипанию и выбросу опасно горячей жидкости и пара. Поэтому крышки радиаторов часто содержат механизм, который пытается сбросить внутреннее давление до того, как крышку можно будет полностью открыть.
Изобретение автомобильного водяного радиатора приписывают Карлу Бенцу . Вильгельм Майбах разработал первый сотовый радиатор для автомобиля Mercedes мощностью 35 л.с. [5]
Иногда бывает необходимо оборудовать автомобиль вторым, или вспомогательным, радиатором для увеличения охлаждающей способности, когда размер исходного радиатора невозможно увеличить. Второй радиатор подключается последовательно с основным радиатором в контуре. Так было, когда Audi 100 впервые была оснащена турбонаддувом, создав модель 200. Их не следует путать с интеркулерами .
Некоторые двигатели имеют масляный радиатор — отдельный небольшой радиатор для охлаждения моторного масла . Автомобили с автоматической коробкой передач часто имеют дополнительные соединения с радиатором, позволяющие трансмиссионной жидкости передавать свое тепло охлаждающей жидкости в радиаторе. Это могут быть как масляно-воздушные радиаторы, так и уменьшенный вариант основного радиатора. Проще говоря, это могут быть масловодяные охладители, в которых маслопровод вставлен внутрь водяного радиатора. Хотя вода горячее окружающего воздуха, ее более высокая теплопроводность обеспечивает сопоставимое охлаждение (в определенных пределах) от менее сложного и, следовательно , более дешевого и надежного масляного радиатора . Реже жидкость гидроусилителя рулевого управления, тормозная жидкость и другие гидравлические жидкости могут охлаждаться с помощью вспомогательного радиатора автомобиля.
Двигатели с турбонаддувом или наддувом могут иметь промежуточный охладитель , который представляет собой радиатор воздух-воздух или воздух-вода, используемый для охлаждения поступающего воздушного заряда, а не для охлаждения двигателя.
Для самолетов с поршневыми двигателями жидкостного охлаждения (обычно рядными, а не радиальными) также требуются радиаторы. Поскольку скорость полета выше, чем у автомобилей, они эффективно охлаждаются в полете и поэтому не требуют больших площадей или охлаждающих вентиляторов. Однако многие высокопроизводительные самолеты страдают от серьезных проблем с перегревом во время простоя на земле - всего семь минут для Spitfire . [6] Это похоже на современные автомобили Формулы 1 : когда они останавливаются на стартовой решетке с работающими двигателями, им требуется подача воздуха в отсеки радиаторов, чтобы предотвратить перегрев.
Снижение лобового сопротивления является основной целью проектирования самолетов, включая разработку систем охлаждения. Ранний метод заключался в использовании обильного воздушного потока самолета для замены сотового заполнителя (много поверхностей с высоким соотношением поверхности к объему) радиатором, монтируемым на поверхности. При этом используется единая поверхность, совмещенная с фюзеляжем или обшивкой крыла, при этом охлаждающая жидкость течет по трубам в задней части этой поверхности. Такие конструкции в основном встречались на самолетах времен Первой мировой войны.
Поскольку наземные радиаторы настолько зависят от скорости полета, они еще более склонны к перегреву при движении по земле. Гоночные самолеты, такие как Supermarine S.6B , гоночный гидросамолет с радиаторами, встроенными в верхние поверхности поплавков, были описаны как «летающие по датчику температуры», что является основным ограничением их характеристик. [7]
Поверхностные радиаторы также использовались в нескольких высокоскоростных гоночных автомобилях, таких как Blue Bird Малкольма Кэмпбелла 1928 года.
Как правило, ограничением большинства систем охлаждения является то, что охлаждающая жидкость не должна кипеть, поскольку необходимость обращения с газом в потоке значительно усложняет конструкцию. Для системы с водяным охлаждением это означает, что максимальный объем теплопередачи ограничен удельной теплоемкостью воды и разницей температур между окружающей средой и 100 °C. Это обеспечивает более эффективное охлаждение зимой или на больших высотах, где температура низкая.
Другой эффект, который особенно важен при охлаждении самолетов, заключается в том, что удельная теплоемкость меняется и температура кипения снижается с увеличением давления, причем это давление меняется с высотой быстрее, чем падение температуры. Таким образом, обычно системы жидкостного охлаждения теряют мощность по мере набора высоты самолета. Это было основным ограничением производительности в 1930-х годах, когда внедрение турбонагнетателей впервые позволило удобно путешествовать на высоте более 15 000 футов, а конструкция охлаждения стала основной областью исследований.
Самым очевидным и распространенным решением этой проблемы было использование всей системы охлаждения под давлением. Это поддерживало удельную теплоемкость на постоянном уровне, в то время как температура наружного воздуха продолжала падать. Таким образом, такие системы улучшали эффективность охлаждения при наборе высоты. В большинстве случаев это решало проблему охлаждения высокопроизводительных поршневых двигателей, и почти все авиационные двигатели с жидкостным охлаждением периода Второй мировой войны использовали это решение.
Однако системы под давлением также были более сложными и гораздо более восприимчивыми к повреждениям - поскольку охлаждающая жидкость находилась под давлением, даже незначительное повреждение в системе охлаждения, такое как единственное отверстие от пули винтовочного калибра, могло привести к быстрому выбрызгиванию жидкости из системы охлаждения. дыра. Отказы систем охлаждения были, безусловно, основной причиной отказов двигателей.
Хотя построить авиационный радиатор, способный обрабатывать пар, сложнее, это ни в коем случае не невозможно. Ключевым требованием является создание системы, которая конденсирует пар обратно в жидкость перед его подачей обратно в насосы и завершением контура охлаждения. Такая система может использовать удельную теплоту испарения , которая в случае воды в пять раз превышает удельную теплоемкость в жидкой форме. Дополнительную выгоду можно получить, позволив пару перегреться. Такие системы, известные как испарительные охладители , были предметом серьезных исследований в 1930-х годах.
Рассмотрим две системы охлаждения, которые в остальном схожи и работают при температуре окружающего воздуха 20 °C. Полностью жидкостная конструкция может работать при температуре от 30 °C до 90 °C, обеспечивая разность температур 60 °C для отвода тепла. Система испарительного охлаждения может работать при температуре от 80 °C до 110 °C. На первый взгляд кажется, что это гораздо меньшая разница температур, но этот анализ упускает из виду огромное количество тепловой энергии, поглощенной во время генерации пара, эквивалентной 500 °C. Фактически, испарительная версия работает при температуре от 80 °C до 560 °C, то есть эффективная разница температур составляет 480 °C. Такая система может быть эффективной даже при гораздо меньших объемах воды.
Недостатком системы испарительного охлаждения является площадь конденсаторов, необходимая для охлаждения пара до температуры ниже точки кипения. Поскольку пар гораздо менее плотен, чем вода, необходима соответственно большая площадь поверхности, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха для обратного охлаждения пара. В конструкции Rolls-Royce Goshawk 1933 года использовались обычные радиатороподобные конденсаторы, и эта конструкция оказалась серьезной проблемой для сопротивления. В Германии братья Гюнтер разработали альтернативную конструкцию, сочетающую испарительное охлаждение и поверхностные радиаторы, расположенные по крыльям самолета, фюзеляжу и даже рулю направления. Несколько самолетов были построены с использованием их конструкции и установили многочисленные рекорды производительности, в частности Heinkel He 119 и Heinkel He 100 . Однако этим системам требовалось множество насосов для возврата жидкости из разбросанных радиаторов, и оказалось, что их чрезвычайно сложно поддерживать в рабочем состоянии, и они были гораздо более подвержены боевым повреждениям. К 1940 году от попыток разработать эту систему в целом отказались. Необходимость в испарительном охлаждении вскоре была сведена на нет из-за широкой доступности охлаждающих жидкостей на основе этиленгликоля , которые имели более низкую удельную теплоемкость , но гораздо более высокую температуру кипения , чем вода.
Радиатор самолета, расположенный в воздуховоде, нагревает проходящий через него воздух, заставляя его расширяться и набирать скорость. Это называется эффектом Мередита , и высокопроизводительные поршневые самолеты с хорошо спроектированными радиаторами с низким сопротивлением (особенно P-51 Mustang ) получают от него тягу. Тяга была достаточно значительной, чтобы компенсировать сопротивление канала, в котором был заключен радиатор, и позволяла самолету достичь нулевого сопротивления при охлаждении. В какой- то момент даже планировались оснастить Supermarine Spitfire форсажной камерой , за счет впрыска топлива в выхлопной канал после радиатора и его воспламенения . Дожигание достигается за счет впрыска дополнительного топлива в двигатель после основного цикла сгорания.
Двигатели стационарных установок обычно охлаждаются радиаторами так же, как автомобильные двигатели. Существуют некоторые уникальные различия, зависящие от стационарной установки: необходимо тщательно спланировать, чтобы обеспечить правильный поток воздуха через радиатор и обеспечить надлежащее охлаждение. В некоторых случаях используется испарительное охлаждение через градирню . [8]
