Охлаждение, или Внутренняя аэродинамика: стопами Кэрролла Смита. Повесть о балансе. Книга 5
Тепловой баланс (вместо предисловия)
Говоря о тепловом балансе, мы подразумеваем взаимодействие между двумя стихиями. Первая, как всегда, человеческая природа; вторая – география и ее погодные условия. Во-первых, по трудноуловимым причинам, охлаждающим системам в этом смысле зачастую уделяется незаслуженно скромное внимание. Во-вторых, большинство наших гоночных автомобилей спроектированы для эксплуатации… Где? Вопрос совсем не праздный!
Понятно, что система охлаждения спорткара, настроенная ранней весной при +5 (вот прям как сейчас, в майской Москве образца 2024 года), вряд ли адекватно справится со своей работой, допустим, в июльском Сочи при +30. Автомобиль, температура масла и воды которого столичной весной стабилизируется на уровне 85°C, скорее всего, будет у нас признан удовлетворительным и запущен в производство. Несомненно, это связано с эйфорией, которая часто сопутствует первым испытаниям!
Поскольку температура двигателя находится в прямой зависимости от температуры окружающей среды, в жаркий день на сочинском треке такой оптимизм отнюдь не обрадует пилота спорткара. Более того, системы охлаждения "донорских" автомобилей Touring и GT, как правило, рассчитаны на гораздо меньшую мощность, чем генерирует гоночный автомобиль.
Двигатель внутреннего сгорания в тепловом отношении малоэффективен. К сожалению, это так. В зависимости от его конструкции, порядка 25 процентов общего тепла должно отводиться в воздушный поток через масло и воду (или воздух). И, кстати, не подумайте, что тепловая эффективность двигателей составляет оставшиеся 75%. Большая часть этого тепла уходит через выхлопные газы или любым иным доступным путем. Словом, там чертовски жарко!
Чтобы избавиться от этого, необходимо использовать тяжелые, громоздкие и дорогостоящие теплообменники и трубопроводы. Теплообменники, в свою очередь, крайне уязвимы (так скажем, склонны к повреждениям). Кроме того, они – источник паразитного аэродинамического сопротивления (о нем мы говорили в четвертой книге повестей о Балансе – "Основы аэродинамики…").
Задача инженера-конструктора, минимизируя такие вводные, как вес и фронтальное сопротивление, – сбалансировать спорткар, добившись его максимального перфоманса. И сегодня – с точки зрения охлаждения и внутренней аэродинамики.
Теплообменник: А почему не радиатор?
Зададимся вопросом: чего мы хотим? – А мы, собственно, пытаемся передать определенный процент тепла двух охлаждающих жидкостей – воздушному потоку. Любая передача тепла между двумя жидкостями прямо пропорциональна средней разнице температур между ними; площади поверхности, их разделяющей, и объему этих жидкостей. Другими словами, чтобы качественно улучшить охлаждение, мы должны или увеличить площадь поверхности одной/обеих сторон теплообменника, или объем воздушного потока, проходящего через него в единицу времени. Максимальная площадь поверхности зависит от конструкции теплообменника. С этого аспекта мы и начнем.
Очевидно, что мы хотим получить максимальную площадь охлаждения при минимальных физических размерах. Оптимизировав систему трубок для подачи жидкости и "соты" теплообменника, мы можем увеличить площадь его поверхности в десятки раз. И при этом сохранить эффективный поток воздуха. Естественно, что это не так-то просто ("так-то просто" никогда не бывает). Эффективная конструкция подразумевает наличие узких и многочисленных каналов для подачи воздуха; а также близкую к идеальной теплопередачу между гидравлическими трубками и воздушными "сотами". Проектировщик должен иметь четкое представление о вязкости и других характеристиках жидкостей. Он обязан предполагать ожидаемый перепад температур между ними. Словом, держать в голове все условия, в которых предстоит работать теплообменнику.
Послушаем Кэрролла Смита: "Все вышесказанное означает, что проектирование теплообменников – работа специалистов. Это также означает, что эффективные теплообменники разрабатываются для конкретных применений (узлов и агрегатов). Или, по крайней мере, для конкретных типов применений. Именно по этой причине, например, большие "кулеры" для автоматической коробки передач, какими бы дешевыми они ни были, плохо охлаждают моторное масло в гоночном автомобиле. На самом деле, они также плохо охлаждают жидкость и для автоматической коробки передач!" Как всегда, американский инженер последователен в критике кустарщины.
Итак, мы имеем дело с двумя различными типами жидкостно-воздушных теплообменников – водяным и масляным. И поэтому давайте сейчас постараемся забыть столь устойчивый для нас термин, как – "радиатор". По сей день радиаторы иной раз используются для обогрева домов. Или, шире, – для обогрева. Теплообменники нужны для охлаждения двигателей гоночных автомобилей. Эффективный "кулер" оснащается плоскими трубками для подачи жидкости; они не располагаются на одной линии друг с другом. Само же устройство снабжено максимальным количеством воздушных "сот". И теплообменник не нужно красить. Впрочем, если он алюминиевый, то должен быть анодирован.
Теплообменник: Дедукция, Ватсон!..
Смит делится практическим опытом: "Существуют противоречивые мнения относительно целесообразности использования алюминиевых теплообменников. Лично я считаю, что они почти так же эффективны, как более популярные медные и латунные устройства. При этом значительно легче! Я использую их, когда могу. Однако они дороже, сложнее в оптимизации и ремонте. Сколько мне известно, лучшие алюминиевые детали производит Standard Thompson. При этом мало кто может себе их позволить. Harrison, специализирующаяся на алюминиевой системе для Corvette, делает превосходный продукт. Modine также можно поставить в этот ряд. Их теплообменники можно разрезать поперек резервуаров с помощью ленточной пилы, чтобы изменить габариты. Естественно, затем мы сможем приварить новые пластины резервуара. Однако в любом случае придется монтировать уже свои собственные впускные и выпускные патрубки. К сожалению, мы ничего не сможем поделать с размерами любого из фирменных "кулеров". Например, VW Rabbit оснащен очень эффективным и легким алюминиевым блоком. Можно считать, что вам крупно повезло, если размеры их теплообменника вам подходят. Это – идеальное решение! Однако в силу эластичного соединения труб с резервуаром его невозможно модифицировать. При этом его напорная способность ограничена. Тут можно воспользоваться колпачками высокого давления VW…"
И так далее, и тому подобное. Конечно, в практическом смысле ценность этой конкретной информации для нас сегодня близка к нулю. Тогда зачем же я ее привожу? – Во-первых, потому, что иной раз диву даешься, насколько глубоко американский инженер погружен в свою тему. Во-вторых, – от практических частностей всегда можно (и нужно) двигаться в сторону общих умозаключений.
Допустим, что у нас возникли небольшие проблемы с температурой охлаждающей жидкости. Путем нехитрой трансформации однорядной конфигурации теплообменника в двухрядную можно добиться изменения температуры где-то на 5°C. Схема показана на рисунке 1.
Нам достаточно поменять линию подачи воды. Обеспечить ее поступление в резервуар снизу, выход же – сверху. Таким образом, каждая капля охлаждающей жидкости пройдет через трубу, длина которой в два раза больше, чем у стандартного однорядного теплообменника. Как говорится, решение большой проблемы при помощи кувалды и такой-то матери. Русская смекалка в американском исполнении!
Так же, как и Смит, я тоже постараюсь быть последовательным. Еще раз повторюсь: Нам с вами совсем не обязательно знать, как проектировать теплообменники. Наша задача – понимать, какие из них подходят для выбранных целей – и почему.
Лайфхакинг
Перед тем как оставить в покое охладители, давайте примем во внимание несколько бытовых советов:
1. Ни в коем случае не красьте теплообменник! Его задача – способствовать теплопередаче. Черная краска, которую так любят в радиаторных магазинах, служит тепловым барьером и снижает эффективность "кулера".
2. "Соты" теплообменника должны всегда быть ровными и чистыми, дабы не препятствовать потоку воздуха. Аккуратная упаковка из фанеры или алюминия, сохраняющая демонтированный теплообменник, значительно сокращает трудоемкую работу по выпрямлению и очищению "сот".
3. Используя сразу нескольких теплообменников, вспомним о том, что чем больше разница в температуре охлаждаемой жидкости и охлаждающего воздуха, тем больше будет перепад температуры в "кулере". Два важных для нас последствия. Во-первых, очень важно установить несколько охладителей параллельно, а не последовательно. Во-вторых, не устанавливать маслоохладитель непосредственно перед водяным радиатором или за ним. Температура воздуха после водяного "кулера", примерно равна температуре воды. Такой поток вряд ли существенно охладит масло. Наоборот, естественно, работает в том же смысле. "Понимаю, что многим хорошим гоночным автомобилям с незапамятных времен сходит с рук тот или иной (или сразу оба) из этих грехов, но это отнюдь не оправдывает их и не делает максимально эффективными!" – постулирует Смит.