Исходная величина для расчета элементов системы охлаждения - количество теплоты (Дж/с), которое необходимо отвести от двигателя в охлаждающую среду,
Qж = qж · NeN,
где qж - удельное количество теплоты, Дж/(кВт·с); NeN - эффективная мощность, кВт.
На основании статистических данных для различных типов двигателей удельное количество теплоты qж [Дж/(кВт·с)] составляет:
карбюраторные двигатели – 800 … 1200;
дизели – 630 … 1000.
Для ориентировочных расчетов четырехтактных двигателей количество теплоты (Дж/с) может быть подсчитано по эмпирической формуле в зависимости от параметров двигателя.
Qж = C · i · D1+2m · nm · α-1,
где С = 0,41¸0,47 - коэффициент пропорциональности; i - число цилиндров; D - диаметр цилиндра, см; n - частота вращения коленчатого вала, об/мин; α - коэффициент избытка воздуха; m= 0,6…0,7 - показатель степени.
Расчет радиатора. Основные параметры радиатора: поверхность охлаждения радиатора Fp (м2), омываемая воздухом; фронтальная поверхность радиатора Fф.р (м2); глубина радиатора l(м) - расстояние между передней и задней стенками его решетки по ходу воздуха, l=0,06…0,15м; коэффициент компактности радиатора φ - отношение охлаждающей поверхности к объему радиатора, φ=Fр/Fф.р·l=600…900 м2/м3; коэффициент оребрения ψ - отношение площадей поверхностей, омываемых воздухом и жидкостью, ψ = 3…6.
Количество жидкости (кг/с), циркулирующей в системе охлаждения в единицу времени,
Gж = Qж/(сж · ΔТж) ,
где сж - теплоемкость циркулирующей жидкости: для воды сж = 4,178 Дж/(кг·К), для этиленгликолиевых смесей сж = 2,093 Дж/(кг·К); ΔТж=5…10 - перепад температуры охлаждающей жидкости в радиаторе, К; ΔТж = Тж.вх - Тж.вых .
Поверхность охлаждения радиатора (м2)
Fp = Qж/[К(Тж.ср – Тв.ср)],
где К - полный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·град); Тж.ср=(Тж.вх+Тж.вых)/2=353…368 - средняя температура жидкости в радиаторе, К; Тв.ср = (Тв.вх+Тв.вых)/2 = 323…328 - средняя температура воздуха, проходящего через радиатор, К.
Полный коэффициент теплопередачи К зависит от многих факторов: конструкции радиатора (трубок, ребер, качества пайки), скорости жидкости и воздуха.
К = (ψ / αж + δ / λ + 1 / αв)-1,
где ψ - коэффициент оребрения; αж - коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке трубки радиатора, Вт/(м2·К); δ - толщина стенки трубки, м; λ - коэффициент теплопроводности металла трубок радиатора, Вт/(м·К); αв - коэффициент теплоотдачи от стенок трубок радиатора к воздуху, Вт/(м2·К). Можно принимать К [Вт/(м2·К)]:
для карбюраторных двигателей 140 … 180;
для дизелей 80…100.
Для существующих конструкций систем жидкостного охлаждения удельная поверхность охлаждения радиатора (м2/кВт) fр = Fр / NeN и удельная емкость системы охлаждения (л/кВт): vж = Vж / NeN, где Vж - полная емкость системы (л), имеют следующие значения:
для легковых автомобилей fр = 0,136 ¸ 0,313; vж = 0,613 ¸ 0,354;
для грузовых автомобилей fр = 0,204 ¸ 0,408; vж = 0,272 ¸ 0,816.
Количество теплоты, отводимой от двигателя Qж и передаваемой через охлаждающую жидкость охлаждающему воздуху в радиаторе Qв, принимают равными. В этом случае расход воздуха через радиатор (м3/с)
Gв = Qв/(ρв · св · ΔТв) ,
где Qв - количество теплоты, отводимое от радиатора охлаждающим воздухом: Qв = Qж, Дж/с; св = 1000 - теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); ΔТ= Тв.вых – Тв.вх = 20 … 30 - перепад температуры воздуха в радиаторе, К (Тв.вх = 313 К); ρ - плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе, кг/м3:
ρв = p0 · 106/(Rв · Тв.ср),
где p0 - атмосферное давление, МПа; RB = 287 - удельная газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг·К); Тв.ср = 323 … 328 - средняя температура воздуха, проходящего через радиатор, К.
Фронтальная поверхность решетки радиатора, выполненная в виде квадрата с целью получения коэффициента обдува равным единице, (м2)
Fф.р = Gв / vв,
где vв = 6…24 - скорость воздуха перед фронтом радиатора без учета скорости движения машины, м/с.
Глубину радиатора определяют по найденным значениям поверхности охлаждения радиатора Fр и фронтальной поверхности решетки радиатора Fф.р:
l = Fр / (Fф.р ·φ).