Oхлаждающая способность сред в большой мере определяется тем, изменяется или не изменяется их агрегатное состояние в процессе охлаждения изделий.
В зависимости от температуры кипения охлаждающие среды разделяют на две группы. Первая группа - это среды, агрегатное состояние которых изменяется в период охлаждения. К ней относится вода, водные растворы солей, щелочи, жидкий азот, а также масла, водные растворы эмульсин и т. п., температура кипения которых ниже температуры охлаждаемого изделия. Ко второй группе относятся среды, агрегатное состояние которых не изменяется в процессе охлаждения изделий. Их температура кипения превышает температуру охлаждающихся изделий. Это расплавленные металлы, соли, щелочи и их смеси. К этой же группе следует отнести воздух и гелий, также не меняющие своего агрегатного состояния.
В зависимости от охлаждающей способности сред их делят на три группы:
1. Сильнодействующие охладители: растворы в воде 5% NaOH, 2% K4Fe(CN)6*3H2O1 10-15% NaOH и вода при 15-30° С, в особенности при интенсивном движении, жидкий азот, гелий.
2. Среднедействующие охладители: расплавленные соли, щелочи и металлы, растительные и минеральные масла, мазут, водные растворы силикатов натрия, горячие водные растворы солей и т.п.
3. Слабодействующие охладители: струн сухого воздуха и паровоздушных смесей, вода при 80-90° С, мыльная вода и др.
Охлаждающая способность охладителя зависит от его скрытой теплоты испарения, теплоемкости, теплопроводности и вязкости. На скорость охлаждения в рассматриваемом охладителе влияют количество охладителя и гидродинамический режим его движения.
При погружении изделия с высокой температурой в охлаждающую среду с низкой температурой кипения наблюдаются следующие процессы. В первоначальный момент из-за повышенного парообразования все изделие покрывается паровой пленкой, которая устойчиво держится на поверхности металла. Она - плохой проводник тепла, и поэтому охлаждение на этой стадии, называемой стадией пленочного кипения, замедленно.
По мере понижения температуры изделия количество выделяющегося тепла становится недостаточным поддержания па поверхности сплошной паровой пленки Разрушение паровой пленки приводит к тому, что поверхность изделия начинает соприкасаться с охлаждающей жидкостью. При этом интенсивно образуются пузырьки пара, а интенсивность охлаждения резко возрастает, так как на образование пузырьков пара, быстро отрывающихся от поверхности, расходуется большое количество тепла, и температура металла быстро снижается до температуры кипения охлаждающем среды. Соответствующий период охлаждения носит название пузырькового кипения
При последующем охлаждении парообразование практически не наблюдается, и тепло передается конвекцией от поверхности изделия к охлаждающей среде. Интенсивность теплообмена в третьем периоде невелика, и соответственно малы скорости охлаждения.
Требования к идеальной охлаждающей среде при закалке состоят в том, что она должна обеспечивать охлаждение со скоростями выше критических в некоторой области температур. При более низких температурах скорость охлаждения не должна быть высокой, так как это приводит к возникновению больших остаточных напряжений и короблению изделий. Так, например, при закалке алюминиевых сплавов необходимы высокие скорости охлаждения при температурах 500-300° С для фиксации пересыщенного твердого раствора. Oxлаждение же в интервале температур 200-20° С желательно проводить со значительно меньшей интенсивностью для уменьшения остаточных напряжений.
Охлаждение в воде. Для оценки охлаждающей способности сред по экспериментальным данным строят зависимости коэффициентов теплоотдачи α от температуры поверхности изделия Как уже отмечалось ранее, охлаждающая способность зависит и от условии движения жидкости относительно поверхности изделия.
На рис. 1 приведены значения коэффициентов теплоотдачи для спокойной и циркулирующей воды. Видно, что в зависимости от температуры коэффициенты теплоотдачи изменяются пи кривым с максимумом. При высоких температурах коэффициенты α имеют небольшие значения, что соответствует пленочному режиму кипения. По мере развития пузырькового кипения коэффициенты α резко возрастают, а затем снижаются при таких температурах поверхности при переходе к конвективному теплообмену.

Кривые зависимости коэффициентов теплоотдачи α от температуры поверхности не дают однозначного представления о скоростях охлаждения при различных температурах, так как количество отводимого от изделия тепла пропорционально α и перепаду температур tп-tводы. Скорость охлаждения для «тонких» в термическом смысле тел определяется формулой

где с и ρ - удельная теплоемкость и плотность металла соответственно; V - объем охлаждаемого тела
Из уравнения (I) следует, что для оценки охлаждающей способности среды можно использовать параметр k=α(tп-tводы), который при заданных физических свойствах металла и размерах изделия однозначно определяет скорости охлаждения. На рис. 2 приведены зависимости параметра k от температуры поверхности построенные по данным рис. 1.
Как видно из данных рис. 2. скорости охлаждения изделий в воде в зависимости от температуры охлаждаемой поверхности также изменяются по кривой с максимумом. При температуре воды 20°С этот максимум находится в области температур поверхности 200-300°С. С повышением температуры воды скорости охлаждения снижаются, а максимум смещается в область более низких температур поверхности. Следует отметить, что в области температур поверхности 100-200°С скорости охлаждения при применении воды с повышенной температурой больше, чем для воды с температурой 20°С. Повышение скоростей охлаждения в области низких температур приводит к увеличению остаточных напряжении, и поэтому перегрев воды в закалочных баках ограничивается температурами 25-45° С. Циркуляция воды повышает скорости охлаждения в области высоких температур.

Охлаждение в водных растворах и эмульсиях. Исследования показали, что даже незначительное количество примесей существенно изменяет охлаждающую способность воды. Установлено, что это связано с влиянием примесей на устойчивость паровой пленки на поверхности охлаждаемого изделия. При этом растворимые примеси уменьшают, а нерастворимые, наоборот, увеличивают стабильность паровой пленки. Это свойство воды было использовано для разработки закалочных сред с высокой и пониженной охлаждающей способностью.
Повышение охлаждающей способности воды достигается растворением в ней кислот, щелочей и солей. Такие хорошо растворимые соединения, как KCl, NaCl, CaCl2, Na2CO3, К2CO3, Na2SO4, H2SO4, NaOH, КОН, снижают устойчивость паровой пленки и повышают температуру перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому.
Наоборот, присадка нерастворимых и слаборастворимых веществ, образующих в воде эмульсию (масла, жиры, нефтепродукты, мыла и др.), увеличивает стабильность паровой пленки и понижает температуру смены режимов кипения. Охлаждающая способность воды с присадкой этих веществ в области высоких температур существенно понижается.
В практике термической обработки широкое применение нашли водные растворы 5-15% NaCl Они обладают большей по сравнению с водой охлаждающей способностью при повышенных температурах, а при температурах ниже 200-250° С охлаждают примерно с тон же скоростью, что и вода.
Меньшее применение нашли растворы щелочей, которые по охлаждающей способности аналогичны растворам NaCl Растворы кислот не используют в качестве закалочных сред из-за их агрессивности и выделения при закалке вредных паров. Суспензии и эмульсии характеризуются пониженной скоростью охлаждения при высоких и средних температурах, а при низких - охлаждают так же, как чистая вода.
На рис. 3 приведены значения коэффициентов теплоотдачи в зависимости от температуры поверхности для различных растворов и эмульсий позволяющие по лучить количественные характеристики их охлаждающей способности.

Температура воздуха в охлаждаемых помещениях.

Должна выдерживаться в соответствии с технологией хранения данного груза. Задается настройкой реле температуры.Повышение температуры в камере может привести к порче груза или продуктов и служит сигналом для внимательного анализа всех параметров работы холодильной установки.

Повышение температуры в большинстве или во всех камерах выше заданной может быть следствием:

- недостатка хладагента в системе . Он характерен целым набором признаков:

· низким уровнем хладагента (или его исчезновением) в указательном стекле конденсатора (Рис. 7.7.),

· появлению пузырьков пара в стекле индикатора влажности (при отсутствии засорения фильтра-осушителя п. 7.7.6).

· понижением давления на всасывании компрессора,

· увеличением числа пусков компрессора,

· частичной или полной оттайкой батарей,

· снижением давления конденсации ниже давления насыщенных паров хладагента при остановке компрессора,

Рис. 7. 7. Указательное стекло конденсатора.

Исчезновение уровня хладагента в указательном стекле конденсатора может указывать на недостаточную величину гидрозатвора (или его отсутствие) в самом конденсаторе и попадание парообразного хладагента в жидкостную магистраль, и появление пузырьков пара в стекле индикатор влажности.

Рис. 7.8 . Цикл с недостатком хладагента. 1 – 2 – сжатие в компрессоре; 2 – 3 3 – 4 – дросселирование в ТРВ; 4 – 1

Холодильный цикл с недостатком хладагента на рисунке 7.8 . показан красными прерывистыми линиями. Точка 3 ́ характеризует состояние парожидкостной смеси на входе в ТРВ. Тогда энтальпия окончания дросселирования (точка 4′) не будет равной энтальпии на входе, а уменьшится на величину присутствия пара в точке 3′ которая будет характеризовать суммарное содержание балластного пара, образовавшегося в результате дросселирования жидкости и пара на входе в ТРВ, а процесс дросселирования изобразится линией 3′ - 4′ . Увеличенный объем пара даст ложный сигнал увеличения тепловой нагрузки (дополнительный перегрев 1 - 1 ́), в результате ТРВ увеличит подачу хладагента в испаритель, затем начнет уменьшать, приводя к режиму «влажного хода» 1′′ - 2′′ . Таким образом, появление парожидкостной смеси на входе в ТРВ приводит к неустойчивой работе ТРВ с периодической работой испарителей в режимах слабого заполнения и переполнения («влажный ход») жидким хладагентом. При недостатке хладагента компрессор работает частыми непродолжительными циклами в режиме «пуск – остановка». При работе на этом режиме соленоидные вентили постоянно открыты, а прохождение хладагента через ТРВ сопровождается характерным звуком проходящего пара. Причиной недостатка хладагента в системе являются утечки, но возможна также перетечка хладагента из системы в неработающий конденсатор или ресивер.

- снижения холодопроизводительности компрессора. Оно может произойти из-за неправильной работы устройства автоматики, изменяющего его холодопроизводительность, когда часть цилиндров компрессора выключена, либо неисправности самого компрессора.

Повышение температуры в одной камере выше заданной может происходить по причине:

- покрытия испарителя толстым слоем снеговой шубы . В этом случае эффективность работы испарителя заметно падает и он не в состоянии отводить всю тепловую нагрузку из камеры.

- большого количества неохлажденных продуктов , загруженных в камеру.

- больших теплопритоков вследствие неплотного закрытия дверей камеры либо ухудшения качества изоляции из-за старения, механических повреждений, увлажнения.

- недостаточногозаполнения испарителя жидким хладагентом. Холодопроизводительность испарителя резко снижается, он перестает в полной мере отводить тепловую нагрузку на него и требуется корректировка настройки соответствующего ТРВ.

- закрытого соленоидного вентиля (СВ) из-за его неисправности или реле температуры. Неисправности соленоидного вентиля чаще всего связаны с заеданием самого клапана, перегоранием катушки СВ или силового элемента реле температуры.

- закупорки дроссельного отверстия ТРВ ледяной пробкой. Если после обогрева ТРВ циркуляция маслохладоновой смеси в системе возобновляется, то необходимо немедленно включить в работу фильтр-осушитель и циркуляцию смеси проводить через него.

- сильного засорения фильтра ТРВ. Если после обогрева ТРВ циркуляция масло-хладоновой смеси не возобновляется, то требуется замена фильтра. Признаком засорения фильтра ТРВ является обмерзание входного патрубка.

-недостаточного переохлаждение на входе в ТРВ. Недостаточное переохлаждение конденсата может вызвать появление пузырьков пара на входе в ТРВ и, как следствие, его неустойчивую работу.

неисправен термостат либо регулятор давления кипения «до себя» (см. п.7.8.6.)

Давление кипения хладагента .

Давление кипения в испарительной системе с достаточной для практики точностью оценивается по давлению всасывания компрессора и является одним из наиболее важных па­раметров, влияющих на экономичность работы холодильной уста­новки. Снижение давления кипения на 0,01 МПа приводит к снижению холодопроизводительности компрессора в среднем на 4-5%. Для испарителей, не снабжен­ных регуляторами давления кипения «до себя», давление кипения однозначно определяет температуру кипения в испарительных аппаратах. Оно оценивается по темпера­турной шкале мановакуумметра на всасывании компрес­сора или по таблице насыщенных паров данного хладагента «давление – температура», либо по диаграмме i -p . Для испарителей, имеющих на выходе регуляторы давления кипения, температура кипения оценивается по манометру, установленному на выходе этого испарителя. Работа охлаждающих аппаратов при пониженной температуре кипения мо­жет вызвать подмораживание охлаждаемых продуктов, находящих­ся около охлаждающих аппаратов, увеличенную усушку продуктов, замерзание хладоносителя в испарителе при рассольной системе охлаждения.

Температура кипения хладагента должна быть ниже температуры воздуха в охлаждаемых помещениях на 9-10 °С в установках большой производительности и на 12-20 °С в установках малой производительности при непосредственной системе охлаждения и на 4-6 °С ниже средней температуры рассола в испарителях при рассольном охлаждении.

Давление (а значит и температура) кипения является регулируемым парамет­ром (см. §. 5.4). Реле низкого давления РНД(одно или несколько), установленное на всасывающей стороне компрессора, изменяет его холодопроизводительность (способами пуск - остановка, отключе­нием отдельных цилиндров), поддерживая давление на всасывании в пределах зоны нечувствительности прибора. В связи с этим для изменения давления и температуры кипения необходимо изменить задание в РНД (см. §. 5.4 и п.7.7.5.).

Понижение давления на всасывании в компрессор (рис. 7.9.) изменение цикла показано красным цветом) вызывает, прежде всего, повышение температуры нагнетания компрессора (t 2΄ > t 2), что влечет неприятности, рассмотренные в п. 7.7.1

Рис. 7.9 . Цикл холодильной установки с пониженным давлением всасывания. . 1 – 2 – сжатие в компрессоре; 2 – 3 – охлаждение и конденсация в конденсаторе; 3 – 4 – дросселирование в ТРВ; 4 – 1 – кипение и перегрев в испарителе.

Уменьшение холодопроизводительности при росте затраченной работы вызывает значительное снижение эффективности работы холодильной установки. Понижение давления на всасывании компрессора может быть вызвано следующими причинами:

- засорился грязеуловитель (газовый фильтр) на всасывающем трубопроводе перед компрессором или фильтр-осушитель, при этом после фильтра - осушителя жидкостная труба холоднее трубы до фильтра, а при сильном засорении его корпус и участок жидкостного трубопровода за ним покрывается инеем или конденсатом.

- попала влага при зарядке системы хладагентом и образовались ледяные пробки в дроссельных отверстиях ТРВ. В этом случае температура в камерах будет расти, а испарители начнут оттаивать, соленоидные вентили постоянно открыты. После обогрева ТРВ прохождение хладагента возобновляется. Необходимо немедленно включить в работу фильтр-осушитель (см. п. 7.6.7).

- недостаток хладагента в системе , сопровождается характерным звуком при его прохождении через ТРВ, постоянно открытыми соленоидными вентилями, низким уровнем хладагента(или его исчезновением) в указательном стекле конденсатора, появлением пузырьков в стекле индикатора влажности, повышением температуры в камерах

- холодопроизводительность компрессора больше требуемой может возникнуть из-за нарушений в работе САР температуры кипения хладагента (см. §5. 4; п.7. 7.5.) .

- поверхности испарителей покрыты толстым слоем инея . В этом случае температура в камерах при высоких тепловых нагрузках будет расти или находиться ниже заданных значений из-за значительного уменьшения коэффициента теплопередачи испарителя и, как следствие, падения его холодопроизводительности. При снижении холодопроизводительности испарителя ТРВ уменьшит подачу жидкого хладагента в испаритель вследствие своей неравномерности регулирования, что отразится на величине давления всасывания. Для экономичной работы холодильной установки толщина снеговой шубы испарителя должна быть в пределах до 2 мм.

- Недостаточное переохлаждение жидкого хладагента может привести к попаданию пара в жидкостную магистраль и вызвать неустойчивую работу ТРВ.

Повышение давления на всасывании компрессора , а значит, и температуры кипения хладагента уменьшает температур­ный напор, действующий на испа­ритель, и может привести к невозможности поддержания заданных значений темпера­туры в охлаждаемых объектах, особенно с минусовыми температурами хранения. Оно происходит из-за:

- переполнения системы хладагентом . Одновременно возрастает и давление конденсации. В этом случае излишки хладагента нужно слить из системы в баллоны (см. п. 7.6.8.).

- понижения холодопроизводительности компрессора из-за не плотностей во всасывающих или нагнетательных клапанах, неисправности автоматических устройств изменения холодопроизводительности компрессора, пропусков в байпасном устройстве, соединяющем нагнетательный трубопровод со всасывающим либо пропусков в предохранительном клапане. В последних случаях трубка, соединяющая всасывание компрессора с нагнетанием, горячая.

Давление конденсации .

Измеряется по манометру конденсатора либо, при его отсутствии, с достаточной для практики точностью, оценивается по манометру давления нагнетания

Рис. 7.10 . Цикл с повышенным давлением конденсации. 1 – 2 – сжатие в компрессоре; 2 – 3 – охлаждение и конденсация в конденсаторе; 3 – 4 – дросселирование в ТРВ; 4 – 1 – кипение и перегрев в испарителе.

Увеличение давления конденсации выше требуемого (изменение цикла на рис. 7.10. показано красным цветом) также приводит к повышению температуры нагнетания (t 2΄ > t 2) с последствиями и снижению холодопроизводительности установки из-за увеличения балластного пара при дросселировании. Однако снижение холодопроизводительности происходит в меньшей степени, чем понижение давления всасывания. Так, повышение давления конденсации на 0,01 МПа влечет снижение холодопроизводительности на 1-2% и увеличение потребляемой мощности примерно на 1.5% при стандартных условиях эксплуатации. Давление конденсации опре­деляется в основном температурой забортной воды и ее расходом через конденсатор.

Возрастание давления конденсации может быть вызвано следующими причинами:

-повышением температуры забортной воды .

-уменьшением расхода воды через конденсатор. Он выражается вувеличении нагрева забортной воды, выходящей из конденсатора. Разность температуры охлаждающей воды на выходе из конденсатора и входе в него должна быть в пределах (2 – 4) ⁰C, причем более низкой температуре забортной воды соответствует большая разность входа и выхода ее из конденсатора. Увеличение нагрева воды может быть вызвано недостаточным открытием клапанов или засорением фильтров на трубопроводах забортной воды, неисправной работой водорегулятора или насоса (если имеются). На судах с большим сроком эксплуатации возможно уменьшение диаметров водяной магистрали вследствие внутренних отложений ржавчины и грязи.

- попаданием воздуха в систему хладагента . Сопровождается сильным колебанием стрелки манометра нагнетания и повышением температуры нагнетания. В этом случае воздух ведет себя как загрязнение, окутывающее теплообменные трубки и затрудняющее теплопередачу (удаление воздуха из системы см. п.7.6.6.);

- переполнением системы хладагентом . Избыточный хладагент заполняет часть конденсатора, чем значительно уменьшает площадь его теплопередающей поверхности, повышая давление конденсации. В этом случае давление кипения (и всасывания в компрессор) также повышенное из-за замедления циркуляции хладагента в системе. Необходимо излишки хладагента слить в баллоны (см. п.7.6 8.);

-загрязнением теплопередающей поверхности конденсатора, вызванным отложениями ила, водорослей, образованием водя­ного камня, замасливанием поверх­ностей теплообменных труб со сто­роны хладагента, скоплением воз­духа в конденсаторе. Загрязнение теплопередающей поверхности конденсатора сопровождается уменьшением нагрева воды, охлаждающей конденсатор до (1 – 2)⁰C из-за снижения теплообмена между парообразным холодильным агентом и водой. При нормальных условиях эксплуатации эта разность должна составлять 8⁰C.

Понижение давления конденсации происходит из-за снижения температуры забортной воды (если нет САР давления кон­денсации), при этом холодильная машина работает экономичнее. Однако чрезмерное падение давления конденсации вызывает неустойчивую работу ТРВ (см. п. 7.7.5), значительное снижение подачи жидкого хладагента и, как следствие, неудовлетворительное заполнение испарителей. Для нормальной работы ТРВ требуется поддерживать манометрическое давление конденсации не менее 0,6 МПа, поэтому при падении темпера­туры забортной воды ниже 15°С вручную уменьшают ее подачу на конденсатор.

Перегрев пара, всасываемого в компрессор .

Это разность значений температуры на всасывании в компрессор и кипения в испарительной системе (рис. 7.11.). Оценивается по термометру, установленному на всасывающем трубопроводе компрессора и температурной шкале мановакууметра компрессора. Влияет на ресурс, экономичность и "безопасность работы установки. Малый перегрев пара или его отсутствие может вызвать «влажный ход» комп­рессора (на рис 7.11 сжатие в компрессоре показано красной линией 1′′ - 2 ́ ́). Влажный ход компрессора - одно из серьезных нарушений в ра­боте холодильных установок, неред­ко приводящих к ава­риям.

Рис. 7.11 . Влияние перегрева пара на цикл холодильной установки. – сжатие в компрессоре; 1 ′′ – 2′′ - «влажный ход» компрессора; 2 – 3 – охлаждение и конденсация в конденсаторе; 3 – 4 – дросселирование в ТРВ; 4 – 1 – кипение и перегрев в испарителе.

Влажный ход создает угрозу гидравлических ударов и резко сни­жает холодопроизводительность компрессора из-за уменьшения коэф­фициента подачи. Харак­терными признаками этого, наиболее опасного, режима работы компрессора являются значительное снижение температуры нагнетания и картера компрессора, обмерзание всасывающего трубопровода у компрессора и запорного клапана на всасывании, появление инея на крышках цилиндров, исчезновение стука клапа­нов и появление стуков в цилиндрах. При возникновении признаков влажно­го хода необходимо немедленно остановить компрессор и выяснить причину наступления «влажного хода» компрессора. Уменьшение перегрева может быть следствием значительной снеговой «шубы» на испарителях или неправильного их включения после снятия снеговой шубы, а также избыточной подачей жидкого хладагента в какой-либо испаритель. В первом случае нужно снять «снеговую шубу» и затем, во избежание бурного вскипания жидкости в подключаемом испари­теле и опасности гидравлического удара необходимо сначала прикрыть всасывающий клапан компрессора, а затем осторожно открыть запорный кла­пан на выходе подклю­чаемого испарителя. в во втором случае - выявить испаритель, в который подается избыточное количество жидкого хладагента и подрегулировать ТРВ обнаруженного испарителя (см. 7.7.5.). Обнаружение переполняемого испарителя нужно проводить после снятия снеговой шубы.

В аммиачных установках гидравлические удары могут возникать не только из-за переполнения испарителей хладагентом, но также вследствие скопления масла во всасывающем трубопроводе. В этом случае гидравлический удар может произойти при выбросе скопившегося масла во всасывающий коллектор компрессора.

Большой перегрев (изменение сжатия 1 ́ - 2 ́ в цикле показаны красным цветом на рис. 7.11 .) увеличивает температуру нагнетания t ́ 2 > t 2 и снижает эффективность работы установ­ки. Указывает на недостаточное заполнение некоторых испарителей жидким хладагентом, а также может служить признаком конструкционных неполадок в компрессоре (п.7.7.1.). В этом случае нужно выявить слабо заполненные испарители и отрегулировать их ТРВ (п. 7.7.5). Нор­мальный перегрев характеризуется «сухим ходом» компрессора, внешними признаками которого служат относительно высокая тем­пература нагнетательного патрубка и легкий стук ритмично рабо­тающих клапанов.

В установках, не оборудованных теплообменниками, перегрев поддерживается на уровне не более 20°С, в установках с регенеративны­ми теплообменниками - в пределах 20-45°С. Большие значения перегрева соответствуют более высоким температурам забортной воды. Величина перегрева пара на всасывании компрессора является регулируемым параметром и может изменяться настройками ТРВ, регулирующими перегревы в испарителях(см. §. 5.3, п. 7.7.5.).

На параметры работы двигателя, среди прочего, существенно влияет оптимальный температурный режим охлаждающей жидкости. Повышенная температура охлаждающей жидкости при частичной нагрузке обеспечивает благоприятные условия для работы двигателя, что положительно влияет на расход топлива и токсичность отработавших газов. Благодаря пониженной температуре охлаждающей жидкости при полной нагрузке мощность двигателя увеличивается, вследствие охлаждения всасываемого воздуха и тем самым увеличения его количества, поступающего в двигатель.

Применение системы охлаждения с электронным регулированием температуры позволяет регулировать температуру жидкости при частичной нагрузке двигателя в пределах от 95 до 110°C и при полной нагрузке – от 85 до 95°C.

Система охлаждения двигателя с электронным регулированием оптимизирует температуру охлаждающей жидкости в соответствии с нагрузкой двигателя. Согласно программе оптимизации, заложенной в память блока управления двигателем, посредством действия термостата и вентиляторов достигается требуемая рабочая температура двигателя. Таким образом, температура охлаждающей жидкости приведена в соответствие с нагрузкой двигателя.

Схематично система охлаждения с электронным управлением показана на рисунке.

Рис. Система охлаждения с электронным управлением:
1 – расширительный бачок; 2 – радиатор системы отопления; 3 – клапан отключения радиатора системы отопления; 4 – распределитель охлаждающей жидкости с электронным термостатом; 5 – масляный радиатор коробки передач; 6 – датчик температуры охлаждающей жидкости (на выходе жидкости из двигателя); 7 – датчик температуры охлаждающей жидкости (на выходе жидкости из радиатора); 8 – масляный радиатор; 9 – вентиляторы; 10 – основной радиатор системы охлаждения; 11 – жидкостный насос

Основными отличительными составляющими системы охлаждения с электронным регулированием от обычной является наличие распределителя охлаждающей жидкости с электронным термостатом. В связи с введением электронного регулирования системы охлаждения в блок управления двигателем поступает следующая дополнительная информация:

• электропитание термостата (выходной сигнал)
• температура охлаждающей жидкости на выходе из радиатора (входной сигнал)
• управление вентиляторами радиатора (2 выходных сигнала)
• положение потенциометра у регулятора системы отопления (входной сигнал)

Распределитель представляет собой устройство для направления потока охлаждающей жидкости в малый или большой круг.

Рис. Принципиальная схема работы распределителя охлаждающей жидкости с электронным термостатом:
1 – поток жидкости от основного радиатора; 2 – зона отстоя охлаждающей жидкости при закрытой клапанной тарелке; 3 – большая клапанная тарелка; 4 – поток жидкости от двигателя; 5 – поток жидкости от системы отопления; 6 – поток жидкости от масляного радиатора; 7 – поток жидкости от жидкостного насоса; 8 – малая клапанная тарелка; 9 – электронный термостат; а – циркуляция жидкости по малому кругу; б – циркуляция жидкости по большому кругу

В термостате в отличие от обычных систем охлаждения установлен дополнительное нагревательное сопротивление 3.

Рис. Электронный термостат:
1 – штифт; 2 – наполнитель; 3 – дополнительное сопротивление

При нагревании охлаждающей жидкости наполнитель 2 разжижается и расширяется, что ведет к подъему штифта 1. Когда к нагревательному сопротивлению не поступает ток, термостат действует как традиционный, однако температура его срабатывания повышена и составляет 110°C (температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя). В наполнитель встроено нагревательное сопротивление 3. Когда на него подается ток, оно нагревает наполнитель 2, который при этом расширяется, в результате чего штифт выдвигается на определенную величину «x» в зависимости от степени нагрева наполнителя. Штифт 1 теперь перемещается не только под действием нагретой охлаждающей жидкости, но и под действием нагревания сопротивления, а степень его нагревания определяет блок управления двигателем в соответствии с заложенной в него программой оптимизации температуры охлаждающей жидкости. В зависимости от характера импульса и времени его подачи изменяется степень нагревания наполнителя.

Распределитель размещен вместо подсоединительных штуцеров у головки блока цилиндров и представляет собой устройство для направления потока охлаждающей жидкости в малый или большой круг.

Малый круг служит для быстрого прогрева двигателя после запуска холодного двигателя. Система оптимизации температуры охлаждающей жидкости при этом не работает. Термостат в распределительной коробке препятствует выходу охлаждающей жидкости из двигателя и открывает кратчайший путь к насосу. Радиатор не включен в круг циркуляции охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость циркулирует по малому кругу. Положение клапанных тарелок таково, что возможно движение охлаждающей жидкости только к насосу. Охлаждающая жидкость нагревается очень быстро, чему способствует циркуляция ее только по малому кругу.

Теплообменник системы отопления и масляный радиатор включены в малый круг.

Ход охлаждающей жидкости в большой круг открывается или посредством термостата в регуляторе по достижению температуры примерно 110°C, или в соответствии с нагрузкой двигателя по программе оптимизации температуры охлаждающей жидкости, заложенной в блок управления двигателем.

При полной нагрузке двигателя требуется интенсивное охлаждение охлаждающей жидкости. На термостат в распределителе поступает ток, и открывается путь для жидкости из радиатора. Одновременно посредством механической связи малая клапанная тарелка перекрывает путь к насосу в малом круге.

Насос подает охлаждающую жидкость, выходящую из головки блока непосредственно к радиатору. Охлажденная жидкость из радиатора поступает в нижнюю часть блока двигателя и оттуда засасывается насосом.

Возможна также комбинированная циркуляция охлаждающей жидкости. Одна часть жидкости проходит по малому кругу, другая – по большому.

Управление термостатом в оптимизированной системе охлаждения двигателя (движение охлаждающей жидкости по малому или большому кругу) осуществляется в соответствии с трехмерными графиками зависимости оптимальной температуры охлаждающей жидкости от ряда факторов, основными из которых являются нагрузка двигателя, частота вращения коленчатого вала, скорость движения автомобиля и температура всасываемого воздуха. По этим графикам определяется величина номинальной температуры охлаждающей жидкости.

Термостат срабатывает лишь тогда, когда фактическая величина температуры охлаждающей жидкости выходит за пределы поля допуска номинальной величины температуры, что и обеспечивает постоянство нахождения фактической температуры в поле допуска номинальной температуры.

Фактические значения температуры охлаждающей жидкости снимаются с двух различных мест контура системы охлаждения и передаются в блок управления двигателем в виде сигналов по напряжению. Датчики температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя и на выходе охлаждающей жидкости из двигателя в распределителе работают как датчики с отрицательным температурным коэффициентом. Номинальные величины температуры охлаждающей жидкости заложены в память блока управления двигателем в качестве графических зависимостей.

При эксплуатации двигателя в странах с суровым климатом может применяться дополнительный электроподогрев для повышения температуры охлаждающей жидкости. Дополнительный подогрев состоит из трех свечей накаливания. Они встроены в месте подсоединения магистрали охлаждающей жидкости к головке блока. По сигналу от блока управления реле включает малый или большой подогрев. В зависимости от резерва по току генератора включаются одна, две или три свечи накаливания для подогрева охлаждающей жидкости.

Технические требования

Назначение охлаждающих жидкостей - воспринимать и отводить тепловой поток от тех зон и деталей двигателя, перегрев которых вызывает нарушение нормальной работы или разрушение. Основной тепловой поток образуется теплотой, которая, согласно второму закону термодинамики, не может быть преобразована в механическую работу. Это та самая теплота, которая должна быть передана холодному источнику. Количество ее зависит от разности температур горячего и холодного источника при заданной массе и теплоемкости рабочего тела. Если бы удалось осуществить адиабатный (без обмена тепла) рабочий цикл, то такой двигатель мог бы работать без системы охлаждения: количество теплоты, которое должно быть отдано холодному источнику, удалялось бы из двигателя с отработавшими газами.

В настоящее время делаются попытки создать такой двигатель, рабочий цикл которого максимально приблизился бы к адиабатическому циклу.

К сожалению, в реальном двигателе часть теплоты, которая должна была бы при адиабатическом цикле превратиться в полезную работу, в процессе расширения рабочего тела отводится через стенки цилиндров, днища поршней, когда газ полностью не расширился, определенная часть теплоты отрабогавших газов уходит в систему охлаждения после их выхода из цилиндра. Отвод теплоты происходит через стенки выпускных канатов, находящихся в головке цилиндра и тоже омываемых охлахдаюшей жидкостью.

Наиболее точно определить количество теплоты Q2, отводимое системой охлаждения, можно только экспериментальным путем, при оценке теплового баланса двигателя. Структура теплового баланса современных двигателей внутреннего сгорания показывает, что система охлаждения должна воспринять и рассеять в пространстве примерно 1/3 тепловой энергии сгоревшего топлива. Это очень большой поток теплоты, соизмеримый с потоком, уносимым отработавшими газами, и с теплотой, превращенной в полезную работу.

Моторные масла и топливо тоже можно отнести к категории охлаждающих жидкостей, поскольку кроме прямых своих функций они способствуют охлаждению узлов и механизмов двигателя, а в ряде случаев их используют только для охлаждения поршней и других деталей.

Эффективное действие систем жидкостного охлаждения во многом определяется физическими и химическими свойствами охлаждающей жидкости. Процесс отвода теплоты от двигателя и передача его в окружающую среду зависят от теплоемкости и теплопроводности жидкости: чем выше показатели, тем лучше охлаждается двигатель. С увеличением теплоемкости увеличивается количество теплоты, которую жидкость способна воспринять при заданном повышении температуры, а с увеличением ее теплопроводности теплота отводится быстрее.

Таким образом, с увеличением теплоемкости можно уменьшить количество жидкости, циркулирующей в системе, а с увеличением теплопроводности - уменьшить скорость ее циркуляции и получить более равномерную ее температуру.

В жидкостных системах охлаждения современных двигателей внутреннего сгорания применяют два типа охлаждающих жидкостей - воду и низкозамерзающие жидкости (антифризы). Являясь промежуточным звеном в цепи передачи теплоты, охлаждающая жидкость должна удовлетворять ряду определенных требований, несоблюдение которых может вызвать серьезные нарушения в работе системы и всего двигателя в целом. Для этого они должны обладать возможно большей теплоемкостью и теплопроводностью; оптимальной вязкостью (1 мм2/с); температурой замерзания не выше -60 °С; температурой кипения не ниже 120 °С; высокой физической стабильностью.

В то же время охлаждающие жидкости не должны разрушать металлы, из которых изготовлены блок и головка цилиндров, радиатор, отопитель, предпусковой подогреватель, резиновые шланги, и другие материалы, с которыми она соприкасается; не должны образовывать накипь и другие отложения на внутренних поверхностях системы; должны быть нетоксичными и пожаробезопасными. Стоимость их изготовления и сырья должна быть минимальной.

Охлаждающая жидкость должна обладать оптимальной вязкостью. Это требование вызвано тем, что при слишком высокой вязкости жидкости ее циркуляция в системе, как принудительная, так и термосифонная, затруднена, и затраты мощности на привод насоса велики. Вместе с тем при очень малой вязкости устранить подтекание и потери жидкости через уплотнения насоса на стыках патрубков и шлангов значительно труднее. Многолетний опыт показал, что кинематическая вязкость жидкости должна быть близка к вязкости воды, т. е. 0,9-1,1 мм2/с при 20 °С.

Очень неудобно, особенно зимой, если охлаждающая жидкость имеет высокую температуру замерзания, как, например, вода. В этих случаях при длительных перерывах в работе двигателя воду приходится сливать или содержать автомобили в теплых гаражах. Поэтому желательно, чтобы температура замерзания охлаждающей жидкости была возможно ниже (например, не более -60 °С). Вместе с тем для двигателей, работающих летом или в районах с жарким климатом, а также для судовых двигателей это требование необязательно.

Температура кипения охлаждающей жидкости должна быть во всех случаях достаточно высокой (100-120 °С), т.е. на 30-40° выше допустимой рабочей. Совершенно недопустима нестабильность охлаждающей жидкости. Особенно надо следить за качеством воды, за содержанием в ней солей, вызывающих накипь. Образование накипи приводит к снижению теплопередачи и, как следствие, к перегреву двигателя. Поэтому вода, предназначенная для применения ее в качестве охлаждающей жидкости, должна иметь минимальную жесткость. Лучше всего применять дистиллированную, дождевую или снеговую воду.

В последнее время все чаще отказываются от применения воды для охлаждения автомобильных двигателей, применяя специальные жидкости, замерзающие при низкой температуре, - . Раньше их применяли только зимой, а теперь с разработкой герметичных систем охлаждения антифризы применяют в любое время года как несменяемые жидкости, заливаемые на заводе-изготовителе в систему охлаждения автомобиля на весь срок его эксплуатации (до капитального ремонта). Важное значение имеет стоимость сырья и изготовления жидкости, ее доступность к простота транспортировки и хранения. Особенно перспективны эта жидкости для применения в системах охлаждения, предусматривающих заполнение их на длительный или на весь срок эксплуатации автомобиля.

Самой простой и в то же время доступной охлаждающей жидкостью, достаточно полно удовлетворяющей основным требованиям, является вода. Ее применяли в самых ранних конструкциях двигателей, широко применяют для двигателей с жидкостным охлаждением и для крупных двигателей, таких, как тепловозные и судовые; вода является пока наиболее целесообразной охлаждающей жидкостью.

Являясь источником тепловой энергии в процессе сгорания, топливо до сгорания, благодаря теплоемкости и скрытой теплоте испарения в определенных условиях, может играть существенную роль в понижении тепловой напряженности двигателя. Эта особенность жидких топлив была замечена еще на самых ранних этапах развития двигателестроения и в ряде случаев широко использовалась для охлаждения теплонапряженных де!алей и двигателя в целом. Особенно широко этой способностью топлив пользовались для понижения теплового режима высокофорсированных двигателей спортивных автомобилей и мотоциклов.

В автомобильных двигателях с системой непосредственного впрыскивания топлива в цилиндры факел топлива форсункой направляют всегда в сторону головки выпускного клапана. Этим обеспечивается быстрое и полное испарение топлива и одновременно охлаждение клапана.

В карбюраторных двигателях малой и средней степени форсирования (18-40 кВт/л) охлаждающую способность топлива обычно не используют; наоборот, для интенсивного и полного его испарения впускной трубопровод имеет систему подогрева (жидкостную или газовую), которая компенсирует понижение температуры во впускной трубе двигателя подводом теплоты.

В высокофорсированных двигателях (со степенью форсирования более 45-50 кВт/л) скрытую теплоту испарения топлива часто использовали для снижения их тепловой напряженности.

Особенно эффективно действуют как охлаждающие жидкости такие топлива, как этиловый и метиловый спирты, обладающие высокой скрытой теплотой парообразования. Это свойств спиртов широко используют для снижения тепловой напряженности спортивных, автомобильных и мотоциклетных двигателей.

Снижение температуры повышает не только надежность работы двигателей, но и мощность их, так как благодаря понижению температуры горючей смеси увеличивается ее плотность на 20-25 %.

Для топлив, используемых как охлаждающие жидкости, важны такие физические свойства, как теплота испарения, теплопроводность и теплоемкость (32).

Моторное масло в двигателе можно использовать как смазывающий и охлаждающий материал. Причем маслом охлаждают наиболее теплонапряженные детали двигателя и, в первую очередь, поршни, система масляного охлаждения которых может быть выполнена различно.

Наиболее простой способ - подача масла под давлением на внутреннюю поверхность днища поршня. Этот способ особенно удобен для двигателей средних размеров с диаметром цилиндров 100-150 мм, так как здесь не требуется специальной усложненной конструкции поршней. Форсунки, подающие масло, могут быть установлены неподвижно на картере двигателя или на верхней головке шатуна. Установка на верхней головке шатуна требует специального канала вдоль всего шатуна или трубки, подводящей масла от нижней головки, смазываемой под давлением, к верхней, причем улучшается ее смазка.

Второй способ масляного охлаждения поршня называют «взбалтыванием».

Для этого в верхней внутренней полости поршня выполнена специальная чашеобразная полость, в которую через форсунку, установленную в верхней головке шатуна, подается масло. Благодаря силам инерции это масло взбалтывается и интенсивно омывает верхнюю внутреннюю поверхность поршня, охлаждая ее.

Наиболее сложны и самые эффективные - циркуляционные и смешанные системы, их применяют обычно в тепловозных и судовых двигателях большой мощности с диаметром шлиндров более 200- 250 мм.

ДЛЯ предварительных расчетов систем масляного охлаждения, кроме вязкости масел, которая оказывает решающее влияние на гидродинамические течения, необходимо знагь их теплоемкость и теплопроводность. Теплоемкость масла примерно в 2 раза меньше теплоемкости воды и зависит от его плотности и температуры. Зависимость теплоемкости от температуры следует учитывать обязательно, так как в режиме охлаждающей жидкости масло может нагреваться до высоких температур (100-150 °С).

Наиболее распространенной охлаждающей жидкостью для двигателей внутреннего сгорания является вода. Она удовлетворяет необходимым требованиям, но не всем и не в полной мере. Вместе с тем исключительная доступность воды, ее прахтически повсеместные запасы (водопровод, реки, озера, дожди, снега) делают воду очень удобной для применения. Но есть три существенных недостатка у воды как у охлаждающей жидкости.

1. Вода замерзает при 0°С, что очень осложняет ее применение зимой. К тому же при замерзании вода увеличивает свой объем на 10 %. Поэтому при образовании льда (замерзании) в системе охлаждения возникают давления до 200-300 МПа, что приводит к серьезным повреждениям двигателя и радиатора, после чего требуется сложный и трудоемкий ремонт (сварка, пайка или полная замена блока, головки цилиндров и радиаторг). Поэтому приходится внимательно следить за тем, чтобы не «разморозить» двигатель; сливать воду или, периодически пуская двигатель, прогревать систему. Одно время на некоторых автомобилях устанавливали специальные автоматические пусковые устройства, с помощью которых при охлаждении воды пускали двигатель и останавливали его после прогрева воды до 80-85 °С. Недостаточная надежность автоматов привела к тому, что эти устройства не стали применять.

2. Вода имеет низкую температуру кипения, что приводит иногда к ее закипанию в радиаторе.

Для предотвращения больших коррозионных износов и поддержания оптимальной вязкости масляной пленки на деталях цилин- дропоршневой группы температуру охлаждающей жидкости необходимо поддерживать в диапазоне 85-95 °С. Эта температура близка к температуре кипения воды, и даже небольшие отклонения от нормальных условий эксплуатации вызывают ее закипание. Кроме того, поддержание температуры на таком уровне ведет к интенсивному испарению воды, что связано с необходимостью часто доливать воду в радиатор. Это тоже неудобно при эксплуатации.

С уменьшением барометрического давления, например, в горных условиях, температура кипения воды понижается, вероятность ее закипания увеличивается, особенно при преодолении крутых подъемов, когда двигатель работает на больших нагрузках и отдача теп- лоты в воду возрастает.

Для увеличения температуры кипения и уменьшения потерь воды при испарении современные системы охлаждения выполняют герметичными. Давление в них повышается до 0,135-0,2 МГ1а, а температура кипения соответственно до 110-120 °С Это уменьшает потери воды от испарения, но приводит к понижению мощности двигателя из-за уменьшения массового наполнения цилиндров. Кроме того, увеличивается склонность топлива к детонации.

3. Вода содержит минеральные соли, образующие на внутренней поверхности водяной рубашки и радиатора накипь, которая, обладая плохой теплопроводностью, ухудшает теплопередачу и снижает эффектвиность охлаждения.