Общие критерии интеркуллера

Хотя критерии выбора интеркуллера, устанавливаемого в турбосистеме, многочисленны, основной вытекает из целей его установки – охлаждение воздушного заряда. Естественно, как в технике вообще, существуют факторы, ограничивающие диапазон поиска оптимальной конструкции. Как 6ы ни было соблазнительно охладить наддувный воздух до уровня окружающего (а может и ниже), это может привести к негативным последствиям. Слишком низкая температура приведет к значительному падению давления. Компенсация последнего посредством настройки вестгейта или же применения чарджера большей производительности повлечет пересмотр параметров всего мотора из-за возросшей нагрузки.

автор: Алексей Романов

Расчет размера интеркуллера

Компоновка подкапотного пространства современных автомобилей, как правило, не позволяет особо развернуться в фантазиях самостоятельных доработок. Несмотря на компактность воздушно-жидкостных теплообменников, места даже для их установки найти крайне тяжело, если оно не было предусмотрено производителем. Воздуховоды фронтальных интеркуллеров “упаковать” в моторном отсеке несколько проще. У каждой из применяемых на автомобилях конструктивных схем теплообменников есть свои преимущества и недостатки. Интеркуллер типа воздух/воздух намного проще по конструкции и имеет большую тепловую эффективность на высоких скоростях. Кроме того, такой тип теплообменников более надежен, дешевле и обладает лучшей ходимостью, поскольку его каналы не подвержены коррозии и накапливанию отложений жидкостной системы охлаждения.

Жидкостные интеркуллеры эффективней на низких скоростях, что дает преимущество машинам на старте и в соревнованиях на коротких дистанциях. Отклик на педаль акселератора с ними тоже лучше. Поскольку конфигурация подобной схемы, как правило, более компактна, в них меньше падение давления. К тому же, такая система меньше подвержена износу компрессорной части чарджера. Но сложность жидкостной системы все же не способствует ее распространенности, тем более, среди машин с самостоятельно построенными системами наддува.

Поэтому рассматривая формулу расчета системы охлаждения надувного воздуха, будем ориентироваться на теплообменники воздух/воздух, расположенные на автомобиле фронтально.

Теплопередача интеркуллера

При сегодняшнем развитии технологий способ изготовления теплообменника в первую очередь влияет на его цену, срок службы и ремонтопригодность, главными же показателя-определяющими эффективное снижение температуры надувного воздуха, являются размеры интеркулера. Точнее, его площадь теплообмена.

С крайне малыми допущениями можно утверждать, что площадь теплообмена для внутреннего и внешнего потоков воздуха одинакова. Определить необходимую ее величину можно, исходя из количества тепла, передаваемого от горячего воздуха к холод-ному, уравнение, описывающее теплопередачу, для каждого потока для внутреннего ( либо для внутреннего, либо для внешнего ). выглядит так:

• Q=GmCpΔT. где Q – количество переданной тепловой энергии (BTU, 1 BTU=1,0550559 кДж);
• Gm – массовый расход воздуха (Ib/мин);
• Cp – теплоемкость среды, равная 0,25 для воздуха;
• ΔT – разность температур воздуха на входе о выходе теплоо6менника (°F).

При подсчете параметров внешнего потока необходимо учитывать, что воздух, покидающий интеркулер в направлении моторного отсека, нагревается неравномерно. Та его часть, что обдувает сторону, которая 6лиже к турбине, горячее, а с ближней к дросселю стороны – холоднее, уравнении же фигурирует средне арифметическое значение этих  температур. Связь между объемным и массовым показателями расхода воздуха описывается уравнением идеального газа:

• Gm=P Gv/RT или Gv=Gm RT/P, где
• Gm- массовый расход воздуха (Ib/мин);
• Gv- объемный расход воздуха (cf/мин);
• Р – абсолютное давление (∼14,7 psi) для окружающей среды);
• R=0,37 – газовая константа для этих размерностей:
• Т – температура в градусах Ранкина (°R). Т(°R)=460+Т(°F).

Поскольку большинство фирм, выпускающих продукцию для турбосистем, представляют характеристики своей продукции в системе единиц, используемой США и Великобритании, то. как и в расчетах при подборе турбочарджера, переводить все в метрическую систему не имеет смысла.

Для вычисления отдаваемой тепловой энергии надувным воздухом известны все параметры. Основываясь на уровне ожидаемой мощности, при выборе характеристик турбочарджера были определены необходимые для ее получения величины расхода, давления и температуры во впускном коллекторе.

Была также определена и температура на выходе из турбокомпрессора по формуле:

• Т1 =Та1+Та1(-1+Р, 0.263)/Ес, где Т1- температура на выходе из компрессора (°R);
• Та1-температура окружающей среды (°R);
• Рr – степень повышения давления;
• Ес – эффективность компрессора.

Фронтальная площадь интеркулера

Анализ уравнения теплопередачи применительно к охлаждающему воздуху наглядно демонстрирует зависимость мощностных показателей турбированного мотора от режима функционирования теплообменника. При равенстве величины тепловой энергии, отдаваемой наддувным воздухом
и получаемой набегающим потоком, а также равной теплоемкости сред. расход и, как следствие. температура охлаждающего воздуха на выходе из кулера зависят от скорости потока и его начальной температуры.

То есть, иначе интерпретируя эту мысль, мощность мотора, работающего на одних и тех же оборотах, не одинакова при разной температуре окружающей среды и на разных скоростях движения автомобиля. Расход внешнего потока через тепло-обменник является не только функцией
скорости, которую. кстати, можно корректировать установкой вентиляторов охлаждения, он зависит и от фронтальной площади корпуса:

• Gv= υSif (без вентилятора), где
• Gv – объемный расход охлаждающего воздуха через корпус теплообменника (сf/мин);
• υ – скорость автомобиля (миль/час);
• Si – фронтальная площадь теплообменника (ft2);
• f- коэффициент приведения (5280 tf/мин).

Из этого уравнения можно определить один из геометрических параметров выбираемого теплообменника, которому по силам обеспечить условия, заданные для получения необходимой мощности турбированного двигателя: Si= Gv/υf. Стоит отметить, что
полученное значение может быть только приблизительным ориентиром в поиске, по-скольку указанная зависимость не описывает основную характеристику интеркулера -площадь теплообмена.

Площадь теплообмена интеркулера

Площадь теплообмена – сумма площадей пластин, ребер и трубок в конструкции корпуса теплообменника, которые ответственны за отвод температуры из системы. Определение оптимальной площади может опираться на ее зависимость от расхода воздуха в турбо-системе, полученную экспериментально-статистическим путем. Это наиболее простой способ, хотя и он и предоставляет довольно большой разброс искомых величин, более определенные цифры дает вычисление площади теплообмена. исходя из количества передаваемой тепловой энергии от наддувного воздуха к внешнему:

• Q=ψStΔTIm или St=Q/ψTIm, где
• Q – количество переданной тепловой энергии;
• ψ – коэффициент теплопроводности;

Численная характеристика теплопроводности материала равна количеству теплоты, проходящей через материал толщиной 1 фут (ft) и площадью 1 квадратный фут (ft2) за час,
при разности температур на двух противоположных поверхностях в 1 °F. В выбранной системе единиц ψ для воздуха равен 0,015 ВТU/(ft  hr°F). Погрешность результатов вычислений из-за отсутствия в уравнении теплопроводности материала, из которого
изготовлен теплообменник, критична при проектировании нового узла. При подборе же
готовой продукции ею можно пренебречь;

• St – площадь теплообмена (ft2);
• ΔTIm – средняя разница температур воздуха, проходящего через теплообменник снаружи и внутри. В приведенной формуле, правда, тоже присутствует величина, определяемая по графикам, составленным на основе опытно-статистических данных. но разброс результатов здесь меньше.
• ΔTIm= (ΔT1-ΔT2)F/In(ΔT1/ΔT2) , где ΔT1- разница температур наддувного воз-
  духа на входе е интеркулер и выходящего из интеркулера внешнего потока:
• ΔТ2 – разница температур наддувного воз-духа на выходе из интеркулера и набегающе-го потока;
• In(х) – натуральный логарифм, значения которого можно определить по таблицам брадиса;
• F – фактор коррекции, учитывающий не-равномерность прогрева воздуха, прошедшего через интеркулер.

F определяется по графику (рис) на основе расчетов двух величин:

• N=(Т1-Т2)/(Т1-Та1) и R=(Та2-Та1)/(Т1-Т2), где
• Т1 – температура наддувного воздуха на входе в интеркулер;
• Т2 – температура наддувного воздуха на вы-ходе из интеркулера;
  Та1- температура окружающего воздуха перед интеркулером;
• Та2 – температура прошедшего через интеркулер окружающего воздуха. Округленно можно представить площадь теплообмена как сумму площади стенок каналов интеркулера;
• St=LIxLwxLn, где LI- длина каналов;
• Lw – периметр сечения каналов;
• Ln – количество каналов.

Основываясь на опыте производителей теплообменников для турбосистем. можно утверждать, что оптимальный размер фронтального габарита интеркулера должен быть на 45% больше его площади теплопередачи для внутреннего потока.

Внутренний объем теплообменника интеркулера

Выбирая интеркулер на основе рассчитанных габаритных размеров, необходимо помнить и о его внутреннем объеме. Слишком малый теплообменник создаст сильное сопротивление воздуху, которое вызовет значительное падение давления наддува. Чрезмерный объем увеличивает время отклика на педаль акселератора. По длительности турбоямы можно приблизительно оценить потолок емкости теплообменника: tL=2kV/Gv, где

• tL – время длительности турбо-ямы (сек);
• Vi – объем интеркулера (in3);
• Gv – объемный расход воздуха (cf/мин) в режиме 2000-2200 о6/мин;
• k – коэффициент приведения, учитывающий соотношение сек/мин и in2/ft2.

Насколько превалирует важность длительности задержки реакции машины на дроссель над уровнем максимальной отдачи двигателя, или наоборот, зависит от поставленных задач при постройке машины. Необходимо лишь помнить, что турбо-яма длинной более трети секунды станет серьезным препятствием на старте в гонках и при движении в плотном трафике городского потока.

Обтекаемость внутренних и внешних каналов интеркулера

Чем тяжелее для воздуха пройти через недра интеркулера, тем больше он потеряет тепла. Но, с другой стороны, плохая обтекаемость сказывается на снижении давления наддува. Чтобы компенсировать плохую обтекаемость внутренних каналов. площадь их сечения должна быть достаточно большой, чтобы замедлить течение воздуха и тем самым сократить сопротивление. Если обтекаемость внутренних каналов может ухудшить теплообмен, то меньшее сопротивление конструкции интеркулера набегающему потоку приводит к улучшению теплообмена.

Чем проще воздуху пробираться через тело интеркулера, тем большее количество охлаждающего воздуха пройдет через внешние каналы и вступит в процесс теплообмена. Как бы ни были обтекаемы внешние каналы, примерно четвертая часть набегающего потока отклоняется завихрениями и не участвует в процессе теплообмена. Причем величина эта не меняется при уменьшении площади вырезав бампере вплоть до размеров на туже четверть меньше, чем фронтальная площадь теплообменника, если к нему по бокам выреза от выреза организовать плоскости, направляющие поток на ребра охлаждения.

Размер диаметра впускного тракта интеркулера

С ростом скорости надувного воздуха в подводящем и отводящем патрубках впускной системы растет и сопротивление его движению, и развиваются резонансные процессы. При чрезмерно больших диаметрах кардинально возрастает инерционность турбосистемы. так как прибавляют объем общей системе. Существует некий скоростной оптимум, равный примерно 0.25-0,28 от скорости звука, или 450 ft/сек, при котором негативные явления не переходят критический уровень. Исходя из этих значений, теперь можно вычислить подходящий диаметр впускного тракта.

• s=π(d/2)2=ηА/VB, где
• VB – скорость потока во впускном тракте (275-308 ft/сек);
• По – расход воздуха, проходящего через мотор на режиме максимальной мощности cf/мин);
• s – площадь сечения выпускного трубопровода (in2);
• d – диаметр трубопровода (in)
• η – коэффициент приведения равный 2.4 (мин/сек)/(ft2/in2).

Потери в интеркулере

При подборе чарджера по турбокартам необходима коррекция значений расхода и давления на впуске вследствие потерь в интеркулере. Их можно оценить по изменению плотности воздуха:

• Δр=(Tt/Ti) – 1, где
• Δр – изменение плотности надувного воздуха;
• Т1 – абсолютная температура на выходе из турбокомпрессора;
• Т2 – абсолютная температура на выходе из интеркулера.

Из связи параметров среды в уравнении идеального газа можно вычислить падение давления во впускном коллекторе:

• Рг= Роut/Pin=(Pgout+ΔPgout+14.7)/(-0,5+14,7 ); где Pout – абсолютное давление во впускном коллекторе;
• Pin – абсолютное давление на входе в компрессор;
• Pgou – давление наддува во впускном коллекторе;
• ΔPgout – падение давления во впускном трапе.

Эффективность интеркулера

Эффективность близких по размерам интеркулеров не одинакова вследствие их конструктивных особенностей. Производители иллюстрируют техническое описание своей продукции графиками эффективности в зависимости от плотности надувного воздуха. проходящего через теплообменник. Эффективностью интеркулера (Ei) называют отношение падения температуры в теплообменнике (ΔT) и нагрева воздуха в компрессоре (ΔTс):

Еi= ΔT/ ΔTс=(Т1-Т2)/(Т1-Та1).

По графикам эффективности производится окончательный выбор оптимального теплообменника из предварительно составленного по вычисленным габаритам ряда.

---

ПЛОЩАДЬ

Разница в площади теплообмена интеркулеров может быть следствием конструктивных нюансов. Например, к ее сокращению ведет уменьшение числа каналов и увеличение их сечений при сохранении объема тепло-обменника. Подобная конструкция приведет к снижению сопротивления, что отразится на меньшем падении давления, но эффективность охлаждения снизится. Такие конструкции предпочтительнее включать в системы малого давления.

И наоборот, чем выше предполагаемое давление наддува, тем более плотную структуру с высоким значением площади тепло-обмена следует выбирать. Если же уменьшение площади теплообмена происходит вследствие уменьшения объема интеркулера (меньше длина или количество каналов), то в первую очередь это отражается на падении давления вследствие как увеличения скорости потока, так и из-за ухудшения охлаждения. Но турбо-яма становится менее заметной.