Вентиляторы систем охлаждения
Теоретический расчет величины воздушного потока и потребляемой мощности вентиляторов

Немного теории

Все вентиляторы систем охлаждения мобильных машин относятся к классу «осевых», или «пропеллерных», т. е. вентиляторов, нагнетающих поток по направлению оси вращения лопастей. Этим они отличаются от «центробежных», которые изменяют направление потока на 90° и направляют его перпендикулярно оси вращения лопастей.

Теплообмен в радиаторах систем охлаждения

В основе расчетов систем охлаждения лежит формула теплопередачи

ΔQ=mCΔT,

где ΔQ – количество тепла, передаваемое телу;
m – масса тела;
ΔT – разница температур;
C – удельная теплоемкость.

Из приведенной формулы можно сделать важные выводы. Если ΔQ и С – величины постоянные, то чем больше ΔT , тем меньше m. И еще: количество тепла ΔQ, которое может быть передано от одного тела другому, прямо пропорционально разнице температур этих двух тел ΔT. Относительно теплообмена в радиаторе системы охлаждения это означает: чем больше разница температур охлаждающей жидкости и окружающего воздуха ΔT (T_ж–T_в), тем меньший поток воздуха F, кг/с, требуется для охлаждения. Эта зависимость представлена на рис. 1. Из графика видно: когда температура окружающего воздуха приближается к температуре охлаждающей жидкости, т. е. ΔT уменьшается почти до нуля, требуемый поток воздуха стремительно увеличивается.

Этот и приведенные ниже графики построены на основе реальных испытаний.

Энергия, необходимая для создания воздушного потока заданной величины

Теперь рассмотрим зависимость энергопотребления привода вентилятора от величины воздушного потока и его скорости.

Как известно из классической механики, количество энергии, необходимой для приведения тела в движение, пропорционально скорости тела в квадрате:

E=mv²·0,5,

где E – энергия;
m – масса;
v – скорость.

Применительно к системе охлаждения из этого уравнения следует: чтобы увеличить поток воздуха, проходящий через радиатор, необходимо увеличить скорость потока, если эффективная площадь радиатора остается неизменной.

Отношение величины воздушного потока и энергии, необходимой для создания этого потока, выражается «законом вентилятора»:

Е₂=Е₁(F₂/F1)³,

где Е₁ – энергия, затрачиваемая для создания существующего воздушного потока;
Е₂ – энергия, необходимая для создания будущего воздушного потока;
F₁ – величина существующего воздушного потока;
F₂ – величина необходимого воздушного потока.

Из этого уравнения можно сделать важный вывод: энергия, необходимая для увеличения воздушного потока, пропорциональна отношению новой и старой величин потока в третьей степени. То есть, чтобы увеличить поток воздуха через радиатор в 2 раза, надо увеличить количество энергии в 8 раз (даже без учета возрастания аэродинамического сопротивления радиатора).

На рис. 2 изображена относительная зависимость между мощностью, потребляемой вентилятором, и величиной воздушного потока.

Принципы разработки систем охлаждения

Проектирование системы охлаждения обычно начинают с выбора максимальной рабочей температуры, т. е. максимальной температуры окружающего воздуха, при которой система охлаждения способна поддерживать температуру охлаждающей жидкости двигателя на заданном уровне.

После выбора максимальной рабочей температуры можно определить расчетный перепад температур ΔT в системе и величину необходимого воздушного потока. Чем выше выбранная максимальная рабочая температура, тем больше величина необходимого воздушного потока.

Проще говоря, если мы рассчитываем систему охлаждения для работы в средней полосе, взяв за максимум температуру окружающего воздуха +35 °С, нам потребуется менее мощный вентилятор, чем в случае, когда система охлаждения будет рассчитана на работу при +50 °С.

Для создания оптимальной по характеристикам системы охлаждения следует учитывать факторы, перечисленные далее.

Как правильно выбрать максимальную рабочую температуру

Если выбрать слишком низкую максимальную рабочую температуру, машина будет перегреваться при высоких температурах окружающего воздуха, но если выбрать чрезмерно высокую, заложив в конструкцию системы охлаждения слишком большой запас производительности, система будет потреблять слишком большую мощность, а это приведет к перерасходу топлива и ухудшению экономичности машины. Поэтому очень важно выбрать оптимальное значение максимальной рабочей температуры.

На рис. 3 представлена зависимость величины воздушного потока от температуры окружающего воздуха для теплообменника типа «воздух–воздух». В испытанной системе охлаждения использовался вентилятор Ø 864 мм, максимальная рабочая температура равнялась 43 °С.

На рис. 4 представлена зависимость мощности, потребляемой вентилятором, от температуры окружающего воздуха: мощность быстро падает с понижением температуры. Если температура окружающего воздуха опускается всего на 17 °С ниже максимальной рабочей температуры системы охлаждения, потребляемая мощность уменьшается более чем на 50%.

Свести к минимуму нагрузку на систему охлаждения

Следует выявить и исключить все паразитные нагрузки на двигатель, которые увеличивают его теплоотдачу и нагрузку на систему охлаждения. Такие паразитные нагрузки обычно появляются из-за нерациональных конструкторских решений.

Например, гидромуфта привода вентилятора обычно имеет к.п.д. 75–85%. Это означает, что 15–25% подводимой к ней мощности превращается в тепло, от которого нагревается гидравлическое масло. Это тепло должно быть отведено через систему охлаждения самим вентилятором. Гидропривод вентилятора на максимально напряженном режиме работы обычно создает 5–7% общей тепловой энергии, которая отводится системой охлаждения. За счет этого на максимальном режиме работы мощность, необходимая для привода вентилятора, увеличивается на 16–22%, чтобы дополнительно отвести тепло, созданное самим приводом, плюс потери 15–25% за счет не 100%-ного к.п.д. В результате «набегает» лишней потребляемой мощности на привод вентилятора до 31–47% на максимальном режиме.

Сравним: ременный привод вентилятора обычно имеет к.п.д. 93–98% и не увеличивает нагрузку на систему охлаждения.

Выбор диаметра вентилятора

Увеличивая диаметр крыльчатки вентилятора, можно увеличить площадь сечения воздушного потока, за счет чего можно уменьшить его скорость. Поскольку площадь круга изменяется пропорционально величине диаметра в квадрате, скорость воздушного потока изменяется пропорционально квадрату диаметра вентилятора.

Как установлено ранее, потребляемая вентилятором мощность изменяется пропорционально квадрату скорости воздушного потока. Таким образом, мощность, потребляемая вентилятором, изменяется обратно пропорционально изменению диаметра в четвертой степени:

Е₂=Е₁(Ø₁/Ø₂)⁴,

где Е₁ – мощность, потребляемая существующим вентилятором;
Е₂ – мощность, потребляемая новым вентилятором;
Ø₁ – диаметр существующего вентилятора;
Ø₂ – диаметр нового вентилятора.

Из уравнения видно, что при увеличении диаметра вентилятора на 10% (и соответственно площади радиатора) потребляемая вентилятором мощность снижается на 32% при сохранении прежней величины воздушного потока. Поэтому выгодно использовать радиатор и вентилятор наибольшего размера, которые можно разместить в подкапотном пространстве машины.

Системы с регулируемой величиной воздушного потока

Оптимальное решение. Системы охлаждения с регулируемой величиной воздушного потока позволяют обеспечивать высокую максимальную рабочую температуру без чрезмерных паразитных затрат мощности. Два наиболее распространенных способа регулировки величины воздушного потока – изменение частоты вращения или угла поворота лопастей вентилятора. Следует заметить, что уменьшение частоты вращения вентилятора выгодно не только с точки зрения экономии мощности, но и для снижения шума работы.

Вентиляторы охлаждения с поворачивающимися лопастями (изменяемым шагом) позволяют регулировать воздушный поток. Использование таких вентиляторов дает возможность разработчикам систем охлаждения обеспечить требования при экстремально высоких температурах окружающего воздуха и в то же время свести к минимуму потребление мощности на привод.

На рис. 5 представлена зависимость величины воздушного потока, проходящего через радиатор, от статического давления: при увеличении статического давления воздушный поток уменьшается. Чем больше воздуха будет проходить через радиатор, тем большее давление потребуется создать. На графике видно, как изменяется величина воздушного потока при изменении угла поворота лопастей (кривые сдвигаются на графике).

Испытания показали, что даже при относительно теплой погоде (+27 °С) использование вентилятора с поворачивающимися лопастями позволило снизить потребляемую мощность до 50%.