Tính toán hệ thống làm mát động cơ
Chơng 11 Tính toán hệ thống làm mát
11.1. Tính toán hệ thống làm mát bằng nớc:
11.1.. Xác định lợng nhiệt từ động cơ truyền cho nớc làm mát:
Nhiệt độ từ động cơ truyền cho nớc làm mát có thể coi gần bằng số nhiệt lợng đa
qua bộ tản nhiệt truyền vào không khí, lợng nhiệt truyền cho hệ thống làm mát của
động cơ xăng chiếm khoảng 20 ữ 30%, còn của động cơ điêden chiếm khoảng 15 ữ
25% tổng số nhiệt lợng do nhiên liệu toả ra. Nhiệt lợng Q
lm
có thể tính theo công thức
kinh nghiệm sau đây:
Q
lm
= q
lm
N
e
, (J/s) ; (11.2)
Trong đó: q
lm
- Lợng nhiệt truyền cho nớc làm mát ứng một đơn vị công suất
trong 1 đơn vị thời gian (J/kW.s);
Đối với động cơ xăng:
q
lm
= 1263 ữ 1360 J/kW.s (1300 ữ 860 kcal/ml.h)
Đối với động cơ điêden:
q
lm
= 1180 ữ 1138 J/kW.s ( 760 ữ 720 kcal/ml.h).
Có trị số Q

lm
, ta có thể xác định đợc lợng nớc G
lm
tuần hoàn trong hệ thống trong
1 đơn vị thời gian:
nn
m1
m1
tC
Q
G

=
(11.3)
Trong đó :
C
n
- Tỷ nhiệt của nớc làm mát (J/kg.độ );
Nớc: C
n
= 4187 J/kgđộ (1,0 kcal/kg.độ ),
Êtylen glucon C
n
= 2093J/kgđộ (0,5kcal/kg. độ).
t
n
- Hiệu nhiệt độ nớc vào và ra bộ tản nhiệt:
Với động cơ ô tô máy kéo t
n
= 5 ữ 10

0
C.
Với động cơ tàu thuỷ t
n
= 5 ữ 20
0
C khi dùng với hệ thống làm mát hở
và 7 ữ 15
0
C với hệ thống kín.
Tính toán hệ thống làm mát thờng tính ở chế độ công suất cực đại.
11.2.. Tính két nớc:
Bao gồm việc xác định bề mặt tản nhiệt để truyền nhiệt từ nớc ra môi trờng
không khí xung quanh.
Xác định kích thớc của mặt tản nhiệt trên cơ sở lý thuyết truyền nhiệt.
Truyền nhiệt trong bộ tản nhiệt chủ yếu là đối lu. Két nớc tản nhiệt của động cơ ô
tô máy kéo có một mặt tiếp xúc với nớc nóng và mặt kia tiếp xúc với không khí. Do đó
truyền nhiệt từ nớc ra không khí là sự truyền nhiệt từ môi chất này đến môi chất khác
qua thành mỏng. Nh vậy quá trình truyền nhiệt có thể phân ra làm ba giai đoạn ứng với
ba phơng trình truyền nhiệt sau:
Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Động lực, Khoa Cơ khí
1
Tính toán hệ thống làm mát động cơ
- Từ nớc đến mặt thành ống bên trong:
Q
lm
=
1
F
1

(t
n
- t

1
), J/s; (11-4)
- Qua thành ống :
Q
tm
= .F
1
( t

1
- t

2
)/ J/s; (11-5)
- Từ mặt ngoài của thành ống đến không khí :
Q
lm
=
2
F
2
(t

2
- t
kk

), J/s; (11-6)
Trong đó :
Q
lm
Nhiệt lợng của động cơ truyền cho nớc làm mát bằng nhiệt lợng do nớc dẫn
qua bộ tản nhiệt (J/s);

1
Hệ số tản nhiệt từ nớc làm mát đến thành ống của bộ tản nhiệt (W/m
2
.độ);
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống dẫn nhiệt W/m.độ (kcal/m.h
0
C);
Chiều dày của thành ống (m);

2
Hệ số tản nhiệt từ thành ống của bộ tản nhiệt vào không khí, tính W/m
2
. độ
(kcal/m.h
0
C);
F
1
Diện tích bề mặt tiếp xúc với nớc nóng (m
2
);
F
2

Diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí (m
2
);
t

1
,t

2
Nhiệt độ trung bình của bề mặt trong và ngoài của thành ống;
t
n
,t
kk
Nhiệt độ trung bình của nớc làm mát trong bộ tản nhiệt và của không khí
đi qua bộ tản nhiệt.
Giải các phơng trình trên ta có:
21
2
1
2
1
lm
1
F
F
F
F
1
1

Q

+


+

=
F
2
(t
n
- t
kk
) = kF
2
(t
n
- t
kk
) (11-7)
Diện tích tiếp xúc với không khí F
2
xác định theo công thức:
( )
kkn
lm
2
ttk
Q

F

=
Trong đó:
21
2
1
2
1
1
F
F
F
F
1
1
k

+


+

=
là hệ số truyền nhiệt tổng quát của két nớc.
Diện tích F
2
thờng lớn hơn diện tích F
1
vì F

2
còn tính đến diện tích của các cánh
tản nhiệt.
Tỷ số
=
1
2
F
F
gọi là hệ số diện tích, đối với loại két dùng ống nớc dẹp có thể chọn
= 3 ữ 6.
Nhiệt độ trung bình của nớc làm mát trong két nớc xác định theo biểu thức sau
Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Động lực, Khoa Cơ khí
2
Tính toán hệ thống làm mát động cơ
đây :
2
tt
t
nrnv
n
+
=
;
Trong đó, nhiệt độ nớc vào t
nv
và nhiệt độ nớc ra t
nr
của két nớc có thể lấy bằng
nhiệt độ nớc vào và nhiệt độ nớc ra của động cơ.

Nhiệt độ trung bình của không khí làm mát:

2
tt
t
kkrkkv
kk
+
=
.
Nhiệt độ không khí vào (t
kkv
) phía trớc bộ tản nhiệt lấy bằng 40
0
C. Chênh lệch
nhiệt độ của không khí qua bộ tản nhiệt t
kk
lấy bằng 20 ữ 30
0
C.
Với: t
kkr
= t
kkv
+ t
kk
.
Hệ số
1
có thể xác định bằng các công thức thực nghiệm. Trị số thí nghiệm của

hệ số
1
thay đổi trong khoảng
1
= 2326 ữ 4070 (W/m
2
.độ).
Hệ số của đồng lá = 83,9 ữ
126 (W/m.độ) của hợp kim nhôm
104,8 ữ 198 (W/m.độ) còn của thép
không gỉ 9,3 ữ 18,6 (W/m.độ).
Hệ số
2
phụ thuộc chủ yếu
vào tốc độ của không khí
kk
.
Khi thay đổi
kk
từ 5 ữ 60 m/s
thì hệ số
2
thay đổi đồng biến từ
40,6 ữ 303 (W/m
2
.độ).
Hệ số k cho bộ tản nhiệt kiểu
ống có thể xác định theo đồ thị k =
f(
kk

) trên hình (11-1). Theo số liệu
thí nghiệm, xác định bề mặt làm mát
của bộ tản nhiệt, có thể lấy k
2
và
có thể tính gần đúng
2
= 11,38
8,0
kk


(W/m
2
.độ).
Trong đó:

kk
Tốc độ của không khí đi qua bộ tản nhiệt (m/s),
Khi không tính đến các tổn thất nhiệt:
Q
lm
= C
kk
G
kk
(t
kkr
- t
kkv

) (11-8)
Do đó:
kkkk
lm
kkvkkr
Gc
Q
tt +=
.
Tơng tự, từ công thức (11-3) chúng ta tìm đợc nhiệt độ của nớc khi ra khỏi két n-
Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Động lực, Khoa Cơ khí
Hình 11-1. Quan hệ của hệ số truyền nhiệt k với tốc độ
không khí
kk

3
Tính toán hệ thống làm mát động cơ
ớc.
nn
lm
nvnr
Gc
Q
tt =
.
Với động cơ ô tô máy kéo, trị số G
kk
có thể tính theo công thức thực nghiệm:
G
kk

= (0,053 ữ 0,102)N
e
, kg/s
Trong đó:
N
e
Công suất cực đại (kW) (trong hệ đơn vị cũ G
kk
tính kg/h, N
e
tính theo mã lực
thì: G
kk
= 140 ữ 270 N
e
, kg/h).
Diện tích F
2
cũng có thể tính theo công thức thực nghiệm gần đúng:
F
2
= f
2
N
e
(m
2
)
Trong đó:
f

2
Hệ số diện tích làm mát của két nớc ứng với một đơn vị công suất m
2
/kW;
N
e
Công suất có ích cực đại của động cơ (kW).
Với động cơ ô tô du lịch f
2
= 0,136 ữ 0,313 m
2
/kW (0,10 ữ 0,23 m
2
/mã lực),
động cơ ô tô tải f
2
= 0,024 ữ 0,408 m
2
/kW (0,15 ữ 0,30 m
2
/mã lực) và cho động cơ
máy kéo f
2
= 0,408 ữ 0,543 m
2
/kW (0,30 ữ 0,40m
2
/mã lực).
Dung tích của hệ thống làm mát bằng chất lỏng ứng với một đơn vị công suất
(V

lm
/N
e
) thờng trong khoảng:
Động cơ ô tô du lịch : 0,163.10
-3
ữ 0,354.10
-3
m
3
/kW (0,12 ữ 0,26 l/mã lực).
Động cơ ô tô tải : 0,272.10
-3
ữ 0,816.10
-3
m
3
/kW (0,20 ữ 0,60 l/mã lực).
Động cơ máy kéo : 0,816.10
-3
ữ 2,04.10
-3
m
3
/kW (0,6 ữ 1,5 l/mã lực ).
11.3.. Tính bơm nớc:
Xác định lu lợng nớc tuần hoàn trong hệ thống làm mát và cột áp H
- Lu lợng nớc tuần hoàn trong hệ thống làm mát phụ thuộc vào nhiệt lợng do nớc
làm mát mang đi và chênh lệch nhiệt độ của nớc trong động cơ, xác định theo công
thức (11-3):

)tt(c
Q
GG
nvnrn
lm
nlm

==
, kg/s ;
Trong đó:
Q
lm
Nhiệt lợng truyền cho nớc làm mát (J/s);
C
n
Tỷ nhiệt của nớc (J/kg. độ);
t
nr
, t
nv
Nhiệt độ nớc ra và nhiệt độ nớc vào động cơ.
- Sức cản chuyển động của nớc trong hệ thống làm mát đợc tính theo cột nớc H
và phụ thuộc vào sức cản của từng bộ phận: két nớc, ống dẫn, vách nớc trong thân và
nắp máy v.v ... Thờng sức cản tổng quát của hệ thống làm mát khi tính toán gần đúng
có thể lấy H = 3,5 ữ 15 mH
2
O.
Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Động lực, Khoa Cơ khí
4
Tính toán hệ thống làm mát động cơ

Xác định lợng nớc làm mát tiêu hao G
lm
và cột áp H, ta có thể xác định đợc kích
thớc cơ bản của bơm nớc.
Lu lợng của bơm nớc xác định theo công thức sau:

=
lm
b
G
G
; kg/s (11-9)
Trong đó:
Hệ số tổn thất của bơm: = 0,8 ữ 0,9.
Kích thớc chủ yếu của bơm phải căn cứ vào
sự chuyển động của chất lỏng trong bơm. Với
loại bơm ly tâm các phân tử chất lỏng đồng thời
tham gia hai chuyển động (hình 11-2).
1 - Vận tốc vòng: Nớc quay cùng cánh bơm
với vận tốc
u
(tại điểm vào A: vận tốc là
1
u
; tại
điểm B, vận tốc là
2
u
).
2 - Vận tốc tơng đối theo hớng tiếp tuyến

vớ cánh quạt
w
(tại A: vận tốc tơng đối là
1
w
; tại
B vận tốc tơng đối là
2
w
).
Nh vậy phân tử nớc chuyển động với vận
tốc tuỵệt đối là :
wuc +=
; (tại A có vận tốc
tuyệt đối
c
1
; tại B có vận tốc tuyệt đối
c
2
).
Lỗ nớc vào bơm phải đảm bảo cung cấp đủ
lợng nớc tính toán cần thiết, Kích thớc của nó đ-
ợc tính theo công thức:
n1
b
2
0
2
1f

c
G
)rr(f

==
, m
2
; (11-10)
Trong đó:
G
b
Lợng nớc tính toán của bơm (kg/s);
r
1
Bán kính trong của bánh công tác (m);
r
0
Bán kính ở bánh công tác (m);
c
1
Vận tốc tuyệt đối của nớc khi đi vào cánh, bằng 2 ữ 5 (m/s);

n
Mật độ của nớc (kg/m
3
).
Từ phơng trình (11-10) rút ra:
2
0
n1

b
1
r
c
G
.r +

=
; m, (11-11)
Bán kính ngoài r
2
của bánh công tác đợc xác định từ vận tốc vòng u
2
ở điểm B.
Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng , Bộ môn Động lực, Khoa Cơ khí
5
Hình 11-2. Sơ đồ tính toán bơm nớc li tâm