Радиаторы — это теплообменники , используемые для охлаждения двигателей внутреннего сгорания , в основном в автомобилях, а также в поршневых самолетах, железнодорожных локомотивах , мотоциклах, стационарных электростанциях или в любом аналогичном использовании такого двигателя.
Двигатели внутреннего сгорания часто охлаждаются путем циркуляции жидкости, называемой охлаждающей жидкостью двигателя , через блок двигателя и головку цилиндров , где она нагревается, затем через радиатор, где она отдает тепло в атмосферу, а затем возвращается в двигатель. Охлаждающая жидкость двигателя обычно имеет водную основу, но может быть и масляной. Обычно используют водяной насос, чтобы заставить охлаждающую жидкость двигателя циркулировать, а также осевой вентилятор [1] для прокачки воздуха через радиатор.
В автомобилях и мотоциклах с жидкостным охлаждением двигателя внутреннего сгорания радиатор соединен с каналами, проходящими через двигатель и головку цилиндров , по которым жидкость ( охлаждающая жидкость ) прокачивается насосом охлаждающей жидкости. Эта жидкость может быть водой (в климате, где маловероятно, что вода замерзнет), но чаще всего представляет собой 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:
Процесс сгорания производит большое количество тепла. Если бы тепло увеличивалось бесконтрольно, произошла бы детонация , а компоненты вне двигателя вышли бы из строя из-за чрезмерной температуры. Для борьбы с этим эффектом охлаждающая жидкость циркулирует через двигатель, где она поглощает тепло. Как только охлаждающая жидкость поглощает тепло из двигателя, она продолжает свой поток к радиатору. Радиатор передает тепло от охлаждающей жидкости проходящему воздуху.
Радиаторы также используются для охлаждения жидкостей автоматической трансмиссии , хладагента кондиционера , всасываемого воздуха , а иногда и для охлаждения моторного масла или жидкости гидроусилителя руля . Радиатор обычно устанавливается в положении, где он получает 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, даже если 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 наиболее распространен для охлаждения двигателя и трансмиссии, а верхний поток воздуха наиболее распространен для охлаждения кондиционера.
Автомобильные радиаторы состоят из пары металлических или пластиковых коллекторных бачков, соединенных сердечником с множеством узких проходов, что обеспечивает большую площадь поверхности относительно объема. Этот сердечник обычно изготавливается из сложенных слоев металлического листа, спрессованных для формирования каналов и спаянных или спаянных вместе. В течение многих лет радиаторы изготавливались из латунных или медных сердечников, припаянных к латунным коллекторам. Современные радиаторы имеют алюминиевые сердечники и часто экономят деньги и вес, используя пластиковые коллекторы с прокладками. Такая конструкция более подвержена поломкам и труднее ремонтируется, чем традиционные материалы.
Более ранним методом строительства был сотовый радиатор. Круглые трубки были спрессованы в шестиугольники на концах, затем сложены вместе и спаяны. Поскольку они соприкасались только своими концами, это образовало то, что стало фактически сплошным водяным баком со множеством воздушных трубок через него. [2]
В некоторых старинных автомобилях используются радиаторы, изготовленные из спиральной трубки — менее эффективная, но более простая конструкция.
.jpg/1280px-Thermo-syphon_cooling_circulation_(Manual_of_Driving_and_Maintenance).jpg)
Радиаторы впервые использовали нисходящий вертикальный поток, приводимый в движение исключительно термосифонным эффектом. Охлаждающая жидкость нагревается в двигателе, становится менее плотной и поэтому поднимается. По мере того, как радиатор охлаждает жидкость, охлаждающая жидкость становится более плотной и опускается. Этот эффект достаточен для маломощных стационарных двигателей , но недостаточен для всех, кроме самых первых автомобилей. Все автомобили в течение многих лет использовали центробежные насосы для циркуляции охлаждающей жидкости двигателя, поскольку естественная циркуляция имеет очень низкую скорость потока.
Система клапанов или перегородок, или и то, и другое, обычно включается для одновременной работы небольшого радиатора внутри транспортного средства. Этот небольшой радиатор и связанный с ним вентилятор называются сердечником отопителя и служат для обогрева салона. Как и радиатор, сердечник отопителя действует, отводя тепло от двигателя. По этой причине автомобильные техники часто советуют операторам включать обогреватель и устанавливать его на высокую температуру, если двигатель перегревается, чтобы помочь основному радиатору.
Температура двигателя в современных автомобилях в основном контролируется термостатом с восковыми шариками — клапаном, который открывается, как только двигатель достигает оптимальной рабочей температуры .
Когда двигатель холодный, термостат закрыт, за исключением небольшого обходного потока, так что 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 достичь оптимальной рабочей температуры как можно быстрее, избегая при этом локализованных «горячих точек». Как только охлаждающая жидкость достигает температуры активации термостата, он открывается, позволяя воде течь через радиатор, чтобы предотвратить повышение температуры.
Достигнув оптимальной температуры, термостат регулирует поток охлаждающей жидкости двигателя в радиатор, чтобы двигатель продолжал работать при оптимальной температуре. В условиях пиковой нагрузки, например, при медленном движении вверх по крутому склону с большой нагрузкой в жаркий день, термостат будет приближаться к полностью открытому положению, поскольку двигатель будет выдавать почти максимальную мощность, в то время как скорость воздушного потока через радиатор низкая. (Будучи теплообменником, скорость воздушного потока через радиатор оказывает большое влияние на его способность рассеивать тепло.) И наоборот, при быстром движении под уклон по автомагистрали холодной ночью с небольшим нажатием на педаль газа термостат будет почти закрыт, поскольку двигатель вырабатывает мало мощности, а радиатор способен рассеивать гораздо больше тепла, чем производит двигатель. Подача слишком большого потока охлаждающей жидкости в радиатор приведет к переохлаждению двигателя и его работе при температуре ниже оптимальной, что приведет к снижению топливной экономичности и увеличению выбросов выхлопных газов. Кроме того, прочность, надежность и долговечность двигателя иногда ставятся под угрозу, если какие-либо компоненты (например, подшипники коленчатого вала ) спроектированы с учетом теплового расширения для установки с правильными зазорами. Другим побочным эффектом переохлаждения является снижение производительности обогревателя салона, хотя в типичных случаях он все равно выдувает воздух при значительно более высокой температуре, чем окружающая среда.
Таким образом, термостат постоянно перемещается по всему своему диапазону, реагируя на изменения рабочей нагрузки транспортного средства, скорости и внешней температуры, чтобы поддерживать оптимальную рабочую температуру двигателя.
На старинных автомобилях вы можете найти термостат сильфонного типа, который имеет гофрированные сильфоны, содержащие летучую жидкость, такую как спирт или ацетон. Эти типы термостатов не работают должным образом 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. На двигателях с прямым воздушным охлаждением это не проблема для термостата сильфонного типа, который управляет заслонкой в воздушных каналах.
На температуру двигателя влияют и другие факторы, включая размер радиатора и тип вентилятора радиатора. Размер радиатора (и, следовательно, его охлаждающая способность ) выбирается таким образом, чтобы он мог поддерживать температуру двигателя на проектном уровне в самых экстремальных условиях, с которыми может столкнуться автомобиль (например, подъем в гору при полной загрузке в жаркий день).
Скорость воздушного потока через радиатор оказывает большое влияние на рассеиваемое им тепло. Скорость автомобиля влияет на это примерно пропорционально усилию двигателя, тем самым давая грубую саморегулирующуюся обратную связь. Когда дополнительный вентилятор охлаждения приводится в действие двигателем, он также отслеживает скорость двигателя аналогичным образом.
Вентиляторы с приводом от двигателя часто регулируются муфтой вентилятора от приводного ремня, который проскальзывает и снижает скорость вращения вентилятора при низких температурах. Это повышает топливную экономичность, не тратя мощность на привод вентилятора без необходимости. На современных автомобилях дальнейшее регулирование скорости охлаждения обеспечивается либо переменной скоростью, либо циклическим включением вентиляторов радиатора. Электрические вентиляторы управляются термостатическим переключателем или блоком управления двигателем . Электрические вентиляторы также имеют преимущество в том, что обеспечивают хороший поток воздуха и охлаждение при низких оборотах двигателя или в неподвижном состоянии, например, в медленно движущемся транспортном потоке.
До разработки вязкостных и электрических вентиляторов двигатели оснащались простыми фиксированными вентиляторами, которые постоянно протягивали воздух через радиатор. Транспортные средства, конструкция которых требовала установки большого радиатора для работы при высоких температурах, такие как коммерческие автомобили и тракторы, часто работали в холодное время года при небольших нагрузках, даже при наличии термостата , поскольку большой радиатор и фиксированный вентилятор вызывали быстрое и значительное падение температуры охлаждающей жидкости, как только открывался термостат. Эту проблему можно решить, установив жалюзи радиатора (или кожух радиатора ) на радиаторе, которые можно отрегулировать, чтобы частично или полностью блокировать поток воздуха через радиатор. В простейшем случае жалюзи представляет собой рулон материала, такого как холст или резина , который разворачивается по длине радиатора, чтобы закрыть нужную часть. Некоторые старые транспортные средства, такие как одномоторные истребители Royal Aircraft Factory SE5 времен Первой мировой войны и SPAD S.XIII , имеют ряд жалюзи, которые можно регулировать с места водителя или пилота, чтобы обеспечить определенную степень контроля. Некоторые современные автомобили имеют ряд жалюзи, которые автоматически открываются и закрываются блоком управления двигателем, чтобы обеспечить баланс охлаждения и аэродинамики по мере необходимости. [3]
Поскольку тепловой КПД двигателей внутреннего сгорания увеличивается с внутренней температурой, охлаждающая жидкость поддерживается под давлением выше атмосферного, чтобы повысить ее температуру кипения . Калиброванный предохранительный клапан обычно встроен в крышку заливной горловины радиатора. Это давление варьируется между моделями, но обычно составляет от 4 до 30 фунтов на квадратный дюйм (от 30 до 200 кПа). [4]
По мере того, как давление в системе охлаждения увеличивается с ростом температуры, оно достигнет точки, в которой предохранительный клапан позволит избыточному давлению выйти. Это прекратится, когда температура системы перестанет расти. В случае переполненного радиатора (или расширительного бачка) давление сбрасывается путем выхода небольшого количества жидкости. Она может просто стечь на землю или собраться в вентилируемом контейнере, который остается под атмосферным давлением. Когда двигатель выключен, система охлаждения охлаждается, и уровень жидкости падает. В некоторых случаях, когда избыточная жидкость была собрана в бутылке, она может быть «всосана» обратно в основной контур охлаждения. В других случаях этого не происходит.
До Второй мировой войны охлаждающей жидкостью двигателя обычно была простая вода. Антифриз использовался исключительно для контроля замерзания, и это часто делалось только в холодную погоду. Если простую воду оставить замерзать в блоке двигателя, она может расшириться при замерзании. Этот эффект может привести к серьезным внутренним повреждениям двигателя из-за расширения льда.
Развитие высокопроизводительных авиационных двигателей потребовало улучшенных охлаждающих жидкостей с более высокими точками кипения, что привело к принятию гликоля или водно-гликолевых смесей. Это привело к принятию гликолей из-за их антифризных свойств.
С появлением двигателей из алюминиевых сплавов или смешанных металлов ингибиторы коррозии стали даже важнее антифриза, причем во всех регионах и сезонах.
Переливной бачок, который пуст, может привести к испарению охлаждающей жидкости, что может вызвать локальный или общий перегрев двигателя. Серьезные повреждения могут возникнуть, если транспортное средство перегреется. Результатом могут стать такие неисправности, как прогоревшие прокладки головок, деформированные или треснувшие головки цилиндров или блоки цилиндров . Иногда предупреждения не будет, поскольку датчик температуры, который предоставляет данные для указателя температуры (механического или электрического), подвергается воздействию водяного пара, а не жидкой охлаждающей жидкости, что дает ложные показания.
Открытие горячего радиатора приводит к падению давления в системе, что может привести к его 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 приписывается Карлу Бенцу . Вильгельм Майбах спроектировал первый сотовый радиатор для Mercedes 35hp . [5]
Иногда необходимо оснастить автомобиль вторым или вспомогательным радиатором для увеличения охлаждающей способности, когда размер оригинального радиатора не может быть увеличен. Второй радиатор подключается последовательно с основным радиатором в контуре. Так было, когда Audi 100 впервые получил турбонаддув, создав 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 либо масляно-воздушные радиаторы, как для уменьшенной версии основного радиатора. Проще говоря, это могут быть масляно-водяные охладители, где масляная трубка вставлена 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 [ требуется ссылка ] масляного радиатора. Реже жидкость гидроусилителя руля, тормозная жидкость и другие гидравлические жидкости могут охлаждаться вспомогательным радиатором на транспортном средстве.
Двигатели с турбонаддувом или наддувом могут иметь промежуточный охладитель , представляющий собой радиатор типа «воздух-воздух» или «воздух-вода», используемый для охлаждения входящего воздушного потока, а не для охлаждения двигателя.
Самолеты с поршневыми двигателями с жидкостным охлаждением (обычно рядные двигатели, а не радиальные) также требуют радиаторов. Поскольку скорость воздуха 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 при работе на холостом ходу на земле — всего семь минут для Spitfire . [6] Это похоже на современные болиды Формулы-1 , когда они останавливаются на стартовой решетке с работающими двигателями, им требуется нагнетаемый воздух в радиаторные отсеки для предотвращения перегрева.
Снижение сопротивления является одной из основных целей в проектировании самолетов, включая проектирование систем охлаждения. Ранняя технология заключалась в использовании обильного воздушного потока самолета для замены сотового сердечника (множество поверхностей с высоким отношением поверхности к объему) на радиатор, установленный на поверхности. При этом используется одна поверхность, вписанная в фюзеляж или обшивку крыла, а охлаждающая жидкость течет по трубам в задней части этой поверхности. Такие конструкции в основном использовались на самолетах времен Первой мировой войны.
Поскольку они так зависят от скорости воздуха, поверхностные радиаторы 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, описываются как «летающие на указателе температуры» как на главном пределе их производительности. [7]
Поверхностные радиаторы также использовались в нескольких высокоскоростных гоночных автомобилях, например, в Blue Bird Малкольма Кэмпбелла 1928 года.
Как правило, ограничением большинства систем охлаждения является то, что охлаждающая жидкость не должна кипеть, поскольку необходимость обработки газа 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 температуры низкие.
Другим эффектом, который особенно важен в охлаждении самолета, является то, что удельная теплоемкость изменяется, а точка кипения уменьшается с давлением, и это давление изменяется быстрее с высотой, чем падение температуры. Таким образом, как правило, системы жидкостного охлаждения теряют мощность по мере набора высоты самолетом. Это было основным ограничением производительности в 1930-х годах, когда внедрение турбонагнетателей впервые позволило удобно путешествовать на высоте более 15 000 футов, и проектирование охлаждения стало основной областью исследований.
Наиболее очевидным и распространенным решением этой проблемы было запустить всю систему охлаждения под давлением. Это поддерживало удельную теплоемкость на постоянном уровне, в то время как температура наружного воздуха продолжала падать. Таким образом, такие системы улучшали охлаждающую способность по мере подъема. Для большинства применений 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 были также более сложными и гораздо более подверженными повреждениям - поскольку охлаждающая жидкость находилась под давлением, даже незначительное повреждение в системе охлаждения, например, одно пулевое отверстие винтовочного калибра, приводило к быстрому выплескиванию жидкости из отверстия. Отказы систем охлаждения были, безусловно, основной причиной отказов двигателей.
Хотя построить радиатор для самолета, способный работать с паром, сложнее, это ни в коем случае невозможно. Ключевым требованием является обеспечение системы, которая конденсирует пар обратно в жидкость перед его передачей обратно в насосы и завершением охлаждающего контура. Такая система может использовать удельную теплоту испарения , которая в случае воды в пять раз превышает удельную теплоемкость в жидкой форме. Дополнительный выигрыш может быть получен, если позволить пару стать перегретым. Такие системы, известные как испарительные охладители , были предметом значительных исследований в 1930-х годах.
Рассмотрим две системы охлаждения, которые в остальном похожи и работают при температуре окружающего воздуха 20 °C. Полностью жидкостная конструкция может работать при температуре от 30 °C до 90 °C, обеспечивая разницу температур в 60 °C для отвода тепла. Испарительная система охлаждения может работать при температуре от 80 °C до 110 °C. На первый взгляд это кажется гораздо меньшей разницей температур, но этот анализ упускает из виду огромное количество тепловой энергии, поглощаемой при образовании пара, эквивалентное 500 °C. По сути, испарительная версия работает при температуре от 80 °C до 560 °C, что составляет эффективную разницу температур в 480 °C. Такая система может быть эффективной даже при гораздо меньших количествах воды.
Недостатком испарительной системы охлаждения является площадь конденсаторов, необходимая для охлаждения пара ниже точки кипения. Поскольку пар намного менее плотный, чем вода, соответственно, требуется большая площадь поверхности, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха для охлаждения пара. Конструкция Rolls-Royce Goshawk 1933 года использовала обычные радиатороподобные конденсаторы, и эта конструкция оказалась серьезной проблемой для сопротивления. В Германии братья Гюнтер разработали альтернативную конструкцию, сочетающую испарительное охлаждение и поверхностные радиаторы, распределенные по всем 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 эти системы требовали многочисленных насосов для возврата жидкости из разнесенных радиаторов и оказались чрезвычайно сложными для поддержания надлежащей работы, и были гораздо более восприимчивы к повреждениям в бою. К 1940 году попытки разработать эту систему были в целом прекращены. Необходимость в испарительном охлаждении вскоре отпала из-за повсеместной доступности охлаждающих жидкостей на основе этиленгликоля , которые имели более низкую удельную теплоемкость , но гораздо более высокую температуру кипения , чем вода.
Радиатор самолета, находящийся 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 (в частности, P-51 Mustang ) получают от него тягу. Тяга была достаточно значительной, чтобы компенсировать сопротивление воздуховода, в котором был заключен радиатор, и позволила самолету достичь нулевого сопротивления охлаждения. В какой-то момент даже планировалось оснастить Supermarine Spitfire форсажной камерой , впрыскивая топливо в выхлопной канал после радиатора и поджигая его [ требуется ссылка ] . Форсаж достигается путем впрыска дополнительного топлива в двигатель ниже по потоку от основного цикла сгорания.
Двигатели для стационарных установок обычно охлаждаются радиаторами так же, как и автомобильные двигатели. Существуют некоторые уникальные различия, в зависимости от стационарной установки – необходимо тщательное планирование, чтобы обеспечить надлежащий поток воздуха через радиатор для обеспечения надлежащего охлаждения. В некоторых случаях испарительное охлаждение используется через градирню . [8]
