Воздушный и водяной промежуточные охладители

Воздушный и водяной промежуточные охладители

На рис. 10.1 показан воздушный промежуточный охладитель. Он напоминает радиатор системы охлаждения двигателя, через который проходит впускной заряд после выхода из нагнетателя. Его называют воздушным промежуточным охладителем, потому что воздух проходит через трубопроводы «радиатора» (который правильнее называть теплообменником), отдавая тепло воздуху, который циркулирует вокруг ребер между трубопроводами.

В водяном промежуточном охладителе теплообменник установлен в картер в виде металлического ящика (рис. 10.2). Теплообменник представляет собой маленький, но достаточно плотный радиатор. Как обычно, вода циркулирует по трубопроводам, а впускной заряд направляется через ребра, установленные между трубопроводами. Иногда подобная конструкция выполняется по обратной схеме. В таких случаях воздух проходит через трубопроводы, а металлический картер выполняет функции водяной рубашки, через которую прокачивается холодная вода.

Рис. 10.2. В водяном промежуточном охладителе для охлаждения горячего воздуха из компрессора используется вода.

В лодках, оснащенных двигателями с наддувом, есть возможность обеспечить поток прохладной воды, а если температура воды ниже, чем температура воздуха, эффективность промежуточного охладителя может возрасти до 100%. В дрэг-гонках, гонках на скорость и гонках на соляных озерах используется охлажденная соленая вода (концентрированный раствор), которая прокачивается насосом через водяную рубашку охлаждения, при этом эффективность промежуточного охладителя может превысить 100%. При регулярном использовании в легковых автомобилях охлаждающая вода должна направляться в отдельный радиатор, установленный в передней части кузова автомобиля, чтобы избавиться от тепла, которое отдал впускной заряд. При подобной упрощенной конструкции водяной промежуточный охладитель не будет настолько эффективен, как воздушный охладитель, но, если вы ограничены в пространстве или если трудности при проведении трубопроводов указывают на то, что воздушный промежуточный охладитель будет малоэффективным, стоит рассмотреть вариант установки водяного промежуточного охладителя.

«Трубопровод и ребро» или «балка и пластина»

Если мы внимательно осмотрим конструкцию теплообменника, мы обнаружим три проблемных участка. Существует два типа конструкций теплообменников. Теплообменники типа «трубопровод и ребро» устанавливаются на серийные автомобили. Внешне данная система напоминает систему охлаждения двигателя. Однако внутри есть несколько различий: зигзагообразные ребра между трубопроводами, при этом такие же ребра установлены внутри трубопроводов с целью снижения температуры впускного заряда. Преимуществами этого типа конструкции являются низкая стоимость, легкость в производстве и незначительный вес. В седанах дополнительная нагрузка на мост может привести к ухудшению курсовой устойчивости автомобиля. Одним из недостатков является то, что ребра и трубопроводы расположены на большом расстоянии друг от друга, что значительно снижает теплоотдачу, хотя и способствует увеличению интенсивности потока (рис. 10.3). К тому же, так как эта конструкция запущена в серийное производство, точный размер впускного и выпускного отверстия будет сложно подобрать, следовательно, интенсивность потока впускного заряда также может пострадать.

10.3. Конструкция промежуточного охладителя с ребрами и трубопроводами.

Конструкция типа «балка и пластина» обычно изготавливается на заказ. Поэтому подобный промежуточный охладитель будет стоить в несколько раз дороже, чем конструкция «трубопровод и ребро». Эту конструкцию можно легко идентифицировать по квадратной плоской поверхности трубопроводов в отличие от трубопроводов радиатора на промежуточных охладителях типа «трубопровод иребро» с закругленными краями. Основные преимущества этого типа конструкции – соответствие всем вашим требованиям благодаря индивидуальному подходу ксозданию конструкции, увеличение эффективной теплоотдачи, а также более плотное расположение трубопроводов (хотя учтите, что в некоторых системах это нельзя считать преимуществом). К тому же плоская поверхность труб будет ограничивать интенсивность потока воздуха, в то время как закругленные края трубопроводов в конструкциях типа «трубопровод и ребро» способствуют увеличению интенсивности потока.

Некоторые другие замечания относительно типов конструкций

Одним из важных параметров конструкции должна быть достаточно большая площадь теплоотдачи, чтобы обеспечить эффективное снижение температуры впускного заряда. И, конечно же, поток впускного заряда должен быть как можно более плавным, чтобы не терять интенсивность. При этом необходимо обеспечить просторный путь для прохождения потока впускного заряда, таким образом снижая скорость потока. Это делается для того, чтобы дать области теплоотдачи максимальное количество времени, чтобы забрать тепло и передать его охлаждающей среде. Что касается водяных промежуточных охладителей, запомните, что очень часто они имеют обратную конструкцию, поэтому во всех обсуждениях относительно обеих концепций вы можете использовать мои комментарии по-разному в зависимости от того, проходит ли поток впускного заряда через трубопроводы или циркулирует между ребрами, а также от того, как вы планируете сконструировать ваш водяной промежуточный охладитель.

Многие заводские промежуточные охладители слишком малы, чтобы обеспечить соответствующую интенсивность потока и отвод тепла. Обратите внимание на датчик температуры воздуха в верхнем локте, прочные шланги и хомуты.

Многим вопрос выбора промежуточного охладителя не кажется таким уж сложным. Обычно в первую очередь оценивается доступное свободное пространство, затем делается выбор между новым и использовавшимся ранее промежуточным охладителем подходящего размера с удобным для данного случая расположением штуцеров, чтобы облегчить прокладку трубопроводов. В завершение можно сравнить мощность на выходе вавтомобиле, в котором ранее был установлен этот промежуточный охладитель, с ожидаемой мощностью двигателя вашего автомобиля.

Конечно же, этот метод может работать на удивление эффективно, но недостаток этой теории в том, что вы основываетесь на предположении, что производитель действительно установил качественный промежуточный охладитель с отличными техническими характеристиками. Если промежуточный охладитель снят с автомобиля Porsche 911 или Nissan Skyline GT-R, тогда вы можете быть уверены, что производитель учел пропускную способность и эффективность отвода тепла. Но многие производители поступают иначе. Так они стараются сделать себестоимость автомобиля как можно ниже, окончательное решение принимают экономисты, а не конструкторы трансмиссии.

Чуть позже мы рассмотрим меры, которые можно предпринять, чтобы сократить потери интенсивности потока в трубопроводах и штуцерах смомента, когда впускной заряд покидает нагнетатель, и до того, как он попадает во впускной коллектор. И хотя верно утверждение, что на этих отрезках интенсивность потока снижается, наибольшие потери все-таки происходят в самом промежуточном охладителе. Поэтому именно на этом участке стоит сконцентрировать внимание.

Интенсивность потока и отвод тепла

Необходимо достичь баланса между сохранением интенсивности потока и отдачей тепла. Этот сердечник обеспечивает минимальные потери интенсивности потока, но при этом охлаждающая способность также достаточно низкая, так как трубопроводы не оснащены настоящими турбулизаторами.

Как упоминалось ранее, трубопроводы промежуточного охладителя внутри не похожи на трубопроводы радиатора. Внутри них установлены зигзагообразные ребра, которые также называют турбулизаторами. Основной их задачей является заставить поток впускного заряда контактировать с поверхностью турбулизаторов и со стенками труб, при этом отдавая тепло. Затем это тепло передается на ребра между соединяющимися трубопроводами. После этого тепло поглощается охлажденным воздухом, который циркулирует через сердечник охладителя.

Конечно же, все эти действия негативно сказываются на интенсивности потока, но, так как без этого невозможен отвод тепла, нам приходится искать золотую середину. Каждый производитель промежуточных охладителей имеет свои идеи по этому поводу. Некоторые используют трубопроводы с близко расположенными друг к другу турбулизаторами, другие предпочитают среднее расстояние между ними, но есть и те, кто устанавливает турбулизаторы на значительном расстоянии друг от друга. Лично я считаю, что плотность расположения турбулизаторов должна зависеть от длины каждого трубопровода, а также от общего количества трубопроводов. В некоторой степени эти два фактора будут определяться в первую очередь расположением промежуточного охладителя в автомобиле, а также расположением нагнетателя и впускного коллектора. При этом нужно учитывать, что направление трубопроводов должно быть с конструктивной точки зрения как можно проще, к тому же стоит по возможности избегать изгибов.

Посмотрев внимательно на рис. 10.4, вы сразу поймете, о чем я говорю. Хотя все четыре промежуточных охладителя занимают примерно одинаковое пространство, общее количество трубопроводов и их длина различны. Конечно же, два промежуточных охладителя вверху оснащены более длинными трубопроводами, при этом их меньше. Это значит, что сопротивление потоку будет возрастать. При добавлении перегородки, чтобы впускное и выпускное отверстия находились с одной стороны, общее количество трубопроводов эффективно уменьшилось наполовину, а их длина удвоилась, что привело к большему снижению интенсивности потока.

Рис.10.4. Четыре промежуточных охладителя одинаковых размеров обладают различной пропускной способностью, если говорить об интенсивности потока.

Следовательно, если нам приходится иметь дело с длинными трубопроводами, необходимо помнить, что увеличение длины трубопроводов будет влиять на отдачу тепла. Поэтому нужно выбирать трубы с не слишком плотно расположенными турбулизаторами, чтобы избежать чрезмерных потерь интенсивности потока. С другой стороны, если наш промежуточный охладитель будет иметь конструкцию, как охладитель в нижнем левом углу, нужно понимать, что большое количество коротких трубок, снижая потери интенсивности потока, может стать еще более эффективным вотдаче тепла, если использовать турбулизаторы, расположенные близко друг к другу. Поэтому мы можем увеличить отдачу тепла без потери интенсивности потока благодаря тому, что у нас есть много относительно коротких трубопроводов.

Всегда необходимо пытаться найти баланс. Не стоит стремиться увеличить теплоотдачу за счет потери интенсивности потока, и наоборот: стремление к сохранению высокой интенсивности потока может привести к минимальной отдаче тепла, особенно если пространства хватает на установку небольшого охладителя. Если пространства достаточно, используйте большое количество относительно коротких трубопроводов, чтобы сократить потери интенсивности потока и увеличить теплоотдачу.