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.

Конструкция

По сути, интеркулер — это радиатор охлаждения, который работает с воздухом, однако в его конструкции есть противоречия не решённые до сих пор. Воздух выходит из турбины нагретым от сжатия и тепла выпуска, после этого он заполняет радиатор интеркулера и по факту заполнения, под нужным давлением, он проходит дальше. Это самое время прохождения негативно сказывается на турболаге, времени реакции турбины на педаль газа, и чем больше сам «кулёк», тем дольше турболаг. Однако и уменьшать объём — не рационально.

Кроме того, трубки, по которым проходит воздух, должны иметь оптимальную форму и площадь сечения, чтобы соблюсти баланс между эффективным охлаждением (радиатор работает лучше, когда трубки плоские и воздушный поток турбулентный) и минимальными потерями давления (а они меньше, когда трубки круглые в сечении и поток ламинарный). Здесь также высчитывается оптимальное значение между потерями давления и качеством охлаждения.

Но и подобная конструкция сама по себе требует небольшого тюнинга. Некоторые производители устанавливали систему орошения интеркулера (к примеру, Impreza WRX STI от Subaru на всех мировых рынках имели кнопку для подачи водички на соты «кулька» и дополнительный бак на 12 литров воды).

Работает этот самый кулер как обычный радиатор. От турбины сжатый (и горячий) воздух поступает в радиатор интеркулера, где охлаждается встречным воздушным потоком. Инженеры подсчитали, что охлаждение поступающего в мотор воздуха на 10 градусов дает прирост мощности в 3%. Хороший интеркулер понижает температуру на 50-60 градусов, а это уже добавляет мотору до 20% мощности. Особенности конструкции определяют эффективность охлаждения: толщина и форма воздушных каналов, количество изгибов (чем больше поворотов делает воздух, тем лучше он охлаждается и тем выше потеря давления), материал и расположение сот для дополнительного охлаждения, расположение входных и выходных патрубков и распределение воздушных потоков в бачках.

Рабочая часть интеркулера (ядро) рассчитана таким образом, чтобы пропускать вдоль трубок максимальный поток встречного воздуха. Сами трубки имеют внутри пластины-турбулизаторы, практически дублирующие по своей структуре сотовые ячейки между трубками. Такая система способствует завихрениям воздушных потоков внутри трубок и максимальной их теплоотдаче. Расположение сот может быть туннельного типа (улучшает прохождение воздуха, но уменьшает качество охлаждения) или со смещением рядов (лучше охлаждение, но больше сопротивление воздушному потоку). Сами трубки, вернее их форма, играет значительную роль в прохождении воздушных потоков, ведь закруглённые трубки уменьшают сопротивление потоку и улучшают обдув.

Кроме этого, на работу влияет ещё и распределение воздушных потоков внутри самого радиатора. В идеале, воздух равномерно расходится по всем патрубкам, а на выходе собирается в выходной патрубок.

Разновидности конструкций

В настоящее время интеркулер используется повсеместно, на различных видах автомобилей. Его можно встретить, как на бензиновых, так и на дизельных машинах.

Первый и наиболее распространённый вид интеркулера относится к воздушному типу теплообменников. Он представляет собой некого рода батарею, состоящую из трубок, соединённых между собой пластинами. И те, и другие выполняют функцию теплоотводящих элементов.

В среднем, такой тип промежуточного охладителя способствует тому, что, проходящая через него воздушная смесь, охлаждается до 45-50 градусов. Его наличие позволяет увеличить мощность мотора на 15-20%. Наибольший положительный эффект от работы теплообменника прослеживается при движении со скоростью не менее 40 км/ч.

Несмотря на все достоинства представленного устройства, есть у него и один достаточно существенный недостаток. В силу своих функциональных особенностей, интеркулер «воздух-воздух» очень громоздкий.

В заводских условиях, решить эту проблему удаётся без особых затруднений. Куда сложнее смонтировать данное устройство, есть возникла необходимость оснастить свой автомобиль турбокомпрессором в гаражных условиях. В данном случае, нередко возникает необходимость внесения изменений в конструкцию кузова авто, что влечет за собой массу неудобств.

Следующий вид теплообменников принято называть водным. Рабочей средой в данном случае является вода или хладагент. Внешне, такой типов интеркулера разительно отличается от представленного ранее вида.

• Во-первых, он более компактный, чем его воздушный аналог. Стоит отметить, что вода, в отличие от воздуха, обладает куда большей теплоёмкостью. Этим и объясняется хорошая теплоотдача данного устройства.
• Второе, не менее существенное преимущество – высокая эффективность.

Сопоставительный анализ двух систем показал, что водный теплообменник в разы превосходит воздушный по основным рабочим показателям.

Всем хорош водный интеркулер, но всё же есть у него один минус. Кроется он в конструктивных особенностях устройства. Дело в том, что для обеспечения полноценной работы интеркулера, он оснащается датчиком температуры, блоком управления и водяным насосом. Каждый из представленных компонентов системы требует систематической диагностики и своевременного обслуживания.

Помимо этого, в случае поломки одного из этих узлов, владелец авто будет вынужден заплатить достаточно большие деньги. Именно поэтому, с целью удешевления, на большинстве бюджетных авто монтируется именно воздушный аналог данного устройства.

Интеркулер, для чего он нужен?

Повышение мощности ДВС решается довольно-таки просто – необходимо обеспечить в цилиндрах двигателя оптимальные условия для сгорания топлива. Однако подобная задача только на первый взгляд кажется простой. Для подачи дополнительного кислорода в мотор используется специальное устройство – турбина, которая сжимает атмосферный воздух, и в таком виде он поступает в ДВС. Чаще всего подобными изделиями оснащается дизель.

Следствием того, что атмосферный воздух сжимается, происходит увеличение его плотности, что обеспечит поступление в мотор большего количество кислорода. Однако по законам физики, при сжатии газа происходит повышение температуры, а подача в дизель горячего воздуха – один из возможных вариантов быстрого его разрушения. Поэтому для снижения температуры сжатого воздуха используется такое устройство, как интеркулер.

5 Как провести прочистку интеркулера?

Условно сие мероприятие можно разделить на несколько логичных этапов.

Первое, что нужно сделать, – это добраться до самого охладителя. В зависимости от модели автомобиля и места под капотом, где он установлен, может понадобиться и разбор бампера с передней панелью, а возможно будет достаточно просто снять защиту с арки. Нужно понимать, что избрав путь наружной очистки, вы избежите хлопотных работ по снятию прибора, однако и промыть теплопроводник получится на порядок хуже.

Чтобы промыть прибор снаружи, достаточно будет шланга с небольшим напором воды, мягкой щетки и средства против грязи. Еще раз напомним, что водяной напор под большим давлением крайне неблагоприятно может повлиять на пластины радиатора.

Что касается внутренней чистки, то процесс снятия сильных проблем не вызывает, прибор, как правило, прикрепляется двумя болтами

После извлечения вожделенного интеркулера из-под капота важно правильно оценить масштабы требуемых работ. При самом сильном загрязнении (особо его заметно с тыльной стороны) специалисты советуют проводить чистку в 3 этапа:

1. Механическая чистка. Удаление насекомых, камней, наростов, выпрямление деформированных пластин при помощи подручных средств.
2. Очистка от грязи и других отложений при помощи химических средств. К примеру, Profoam 2000.
3. Внутренняя чистка. Чтобы почистить прибор внутри от масла, используются средства для прочистки карбюратора, двигателя,  радиатора либо же обычный керосин или бензин, Уайт-спирит или ацетон.

После того как интеркулер будет очищен от грязи и масла, сквозь радиаторные пластины должен проходить свет не менее чем на 80 %. Проведя все процедуры, перед установкой охладителя обратно под капот его следует высушить. Для этого можно задействовать компрессор.

По словам механиков, для того чтобы снять прибор, промыть его и поставить обратно, должно хватить 2–3 часов.

В итоге вернув прибор на свое место, вы, несомненно, почувствуете положительные изменения в динамике разгона автомобиля, его резвости, легкости и мощности.

Ни гвоздя ни жезла, друзья.

Особенности эксплуатации

Охладитель воздушного потока не требует обслуживания в процессе эксплуатации. Но под воздействием напора газов возможны разрывы патрубков или трубок в радиаторе. В нагнетателе устанавливается регулятор давления, который сбрасывает излишки воздушной массы в атмосферу. При самостоятельной установке необходимо настроить клапан на давление, безопасное для теплообменника и магистралей. Восстанавливать поврежденные элементы не рекомендуется, поскольку детали не выдержат нормальных условий эксплуатации.

На автомобилях с интеркулером, расположенным в нижней части переднего бампера, возможно повреждение узла о неровности дороги. Владельцу необходимо установить штатную защиту или сделать экран своими руками из стального листа. Рекомендуется предусмотреть сетку, предохраняющую соты радиатора от засорения или повреждения потоком песка зимой или насекомыми в летнее время. Замятые соты ухудшают теплоотвод, ремонт интеркулера с пробитыми или деформированными трубками производится редко.

Производители допускают расход масла в пределах от 0,5 до 1,0 л на 1000 км пробега. При повышенном выбросе смазки требуется демонтировать систему наддува для ремонта или замены турбокомпрессора.

Зачем в автомобиле нужен интеркулер

Практически любой современный дизельный двигатель оснащается интеркулером. Несмотря на всевозможные разновидности подобных устройств, основное их назначение остаётся неизменным – понижение температуры нагнетаемого воздуха. Как правило, промежуточный охладитель устанавливается непосредственно после турбины. Воздух, проходя через трубки представленного устройства отдаёт большую часть тепла и, будучи охлажденным, поступает в камеру сгорания двигателя.

Охлажденная воздушная смесь обладает большей плотностью. Такая консистенция наиболее оптимальна с точки зрения эффективной работы любого двигателя. Чем больше плотность воздушной смеси, тем значительнее объём поступившего в камеру сгорания воздуха. Такая смесь будет способствовать более высокому давлению внутри цилиндров, что существенно повысит КПД дизельного двигателя.

Сама конструкция интеркулера выполнена таким образом, чтобы проходящий через него воздух не встречал на своём пути каких-либо препятствий. В противном случае, это бы повлекло за собой снижения давления, нагнетаемого турбиной воздуха, что неблагоприятно отразилось бы на эффективной работе мотора.

Принципиальное расположение теплообменника может варьироваться, в зависимости от особенностей подкапотного пространства конкретного автомобиля. В большинстве случаев его монтируют перед основным радиатором системы охлаждения, либо в боковой части у крыла.

Полезная площадь охлаждающих элементов теплообменника рассчитывается индивидуально, для каждого отдельно взятого типа дизельного двигателя, с учетом его технических характеристик и условий эксплуатации.

Завдання та протиріччя конструкції

На відміну від радіатора охолодження двигуна, інтеркулер вивиконує дещо інші завдання і працює не з рідиною, а з повітрям. Основне протиріччя закладене в самому принципі роботи і поки залишається непереборним для конструкторів.

Повітря, виходячи з турбіни, нагрівається і від стиснення, і від тепла випускної системи. Потім воно проходить в радіатор інтеркулера, і тільки після того, як радіатор повністю заповнений під потрібним тиском, повітря надходить далі. Ця затримка додатково збільшує час турболага – реакції турбіни на натиснення педалі газу. І чим більший об’єм інтеркулера, тим довшим буде турболаг. При цьому робити інтеркулер менше, ніж необхідно для ефективного охолодження повітря, нераціонально.

Друге протиріччя криється у внутрішній конструкції. Трубки, по яких проходить повітря, повинні мати оптимальну форму і площу перетину, щоб дотримати баланс між ефективним охолодженням (а радіатор працює краще, коли трубки плоскі і повітряний потік турбулентний) та мінімальними втратами тиску (а вони менше, коли трубки круглі в перерізі і потік ламінарний). Тут також вираховується оптимальне значення між втратами тиску і якістю охолодження.

Поки що створити інтеркулер зі 100% ефективністю (охолодження повітря до температури навколишнього середовища при збереженні тиску) не вдалося нікому. Найкраще, що пропонують конструктори – компроміс між плюсами і мінусами конструкції, що забезпечує комфортне використання пристрою, при цьому ефективність 70% вважається дуже хорошим показником.

Функции интеркулера в автомобиле

Владельцу автомобиля с промежуточным охладителем воздуха необходимо знать, для чего он нужен и как эксплуатировать узел. При работе рабочего колеса турбины происходит сжатие воздушного потока, сопровождаемое ростом температуры и снижением плотности. Подача перегретого газа в рабочие камеры цилиндров приводит к некорректному смесеобразованию, падению мощности и крутящего момента. Возникают детонационные процессы, разрушающие стенки головки и блока цилиндров, а также детали газораспределительного механизма.

Описанные негативные эффекты не зависят от способа воспламенения рабочей смеси. Но дизельные двигатели отличаются повышенной степенью сжатия, это позволяет поднять температуру газа в цилиндре в конце такта сжатия до 550°С. Это значит, что дизель с наддувом требует использования теплообменника в случае установки 2-ступенчатого компрессора, обеспечивающего повышенное давление.

Установленный промежуточный охладитель позволяет снизить температуру потока газов перед подачей в камеры сгорания. Из описания функции теплообменника сжатого воздуха становится понятно, почему узел не используется на моторах атмосферного типа.

Подобные силовые агрегаты забирают воздушный поток в цилиндры без промежуточного сжатия, температура газа увеличивается за счет прогрева стенками впускного коллектора.

Эффективность применения

Наверное, сейчас многие поняли что такое и для чего нужен интеркулер, однако остается вопрос про его эффективность. Насколько эффективно его применение в машине?

Ребята эффект есть и еще какой. Так например — охлаждение воздуха всего на 10 градусов, дает рост производительности двигателя примерно на 3%. А как правило даже «воздушный тип» интеркулеров охлаждает воздух примерно на 50 градусов, вот вам и 15% к мощности. Но рекордсменами являются водные системы, у них понижение температуры может доходить до 70 градусов, то есть – 21% к мощности двигателя.

Как видите — установка этого устройства очень обоснована. Однако хочется сразу отметить, что их ставят только на турбированные двигатели, ведь у обычных нет таких объемов нагнетания в цилиндры воздуха, да и нет такого сильного нагрева.

Основные технические требования

Выбирая интеркулер, нужно помнить об основных технических требованиях к этому устройству. Вот что берут в расчет производители:

• Размеры ядра. В большинстве случаев ядро занимает 45% площади всей секции, имеют толщину 2-3 дюйма. Иногда встречаются ядра, каналы в которых удлинены. Оптимальным выбором будет 2-дюймовое тонкое ядро;
• Форма ядра. Должна быть обтекаемой, что положительно сказывается на объемах проходящих воздушных потоков;
• Лобовая площадь. Лучшим вариантов из двух интеркулеров с одинаковой толщиной будет тот, чья лобовая площадь наибольшая;
• Внутреннее проходное сечение. Учитывает потери давления. При этом находящиеся внутри завихрители не допускают ламинарного потока. Плотное расположение приводит к потере потока, однако улучшают теплообмен. Для компенсации этого недостатка увеличивают проходное сечение. Если подкапотное пространство ограничено, стоит выбирать изделия, в которых плотность завихрителей небольшая;
• Направление потока. Фокус в том, чтобы направление потока могло положительно сказываться на внутреннем проходном сечении.
• Впускная и выпускная крышка. В них монтируются специальные направляющие заслонки, собирающие воздух и препятствующие быстрому изменению его направления.

В очередной раз конструкция интеркулера наводит нас на мысль о том, что выигрывая в одном мы сразу же теряем в другом. Речь идет о давления, сопротивлениях, способности воздуха свободно проходить по внутренней части изделия и т.д. Производители стараются найти золотую середину. Об этом мы и поговорим.

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.

Интеркулер и его разновидности

Рассматриваемое устройство считается промежуточным охладителем. Оно реализует процесс снижения температуры наддувочного воздуха по двум схемам:

1. Воздух-воздух.
2. Вода-воздух.

В первом варианте охладителем является поток встречного набегающего атмосферного воздуха. Система предусматривает наличие алюминиевых или медных труб, по которым проходит горячий воздух. Чтобы его охлаждение осуществлялось интенсивнее, трубы снабжают пластинами теплоотвода.

Воздушный интеркулер начинает продуктивно работать на скоростях выше 30 км/час. Устанавливают его на автомобилях, как правило, в следующих местах под капотом:

• впереди за бампером, в котором предварительно вырезают окно воздухозаборника;
• вверху над мотором;
• со стороны любого переднего крыла.

Самым эффективным считается вариант с передним и боковым расположением теплообменника. В этом случае его обдув происходит с большей мощностью, а установка осуществляется без особых сложностей. Примером могут служить такие бренды, как Mitsubishi Lancer Evolution, VW Touareg или Subaru Impreza WRX. Нужно заметить, что воздушные кулеры хорошо работают при габаритах значительных размеров, поэтому их целесообразней применять на грузовиках и других крупных автотранспортных средствах. Они более просты в конструкции и технологичней, чем жидкостные.

Благодаря работе инженеров над миниатюризацией воздушных интеркулеров, они стали чаще встречаться в новых моделях легковых автомобилей. Однако там, где воздушный охладитель перестает справляться со своими прямыми обязанностями, ему на смену приходит водяной аналог. Ответив на вопрос, зачем нужен интеркулер, и рассмотрев работу воздушных теплообменников, можно немного остановиться на особенностях водяных промежуточных охладителей.

Интеркулер на автомобиле

Почему теплообменник может сломаться

Как любой другой механический узел автомобиля, интеркулер, в процессе работы может быть подвержен разного рода неисправностям.

Чаще всего они возникают вследствие несвоевременной замены расходных элементов и отсутствия должного уровня обслуживания всех сопутствующих узлов и элементов.

Одна из основных проблем с интеркулером связана с нарушением его герметичности. Проще говоря, его попросту рвёт. Такая проблема может быть вызвана рядом причин.

1. Одна из них – механическое повреждение, вследствие попадания инородных предметов через решетку радиатора.
2. Вторая имеет иное происхождение. Нередко, элементы теплообменника выходят из строя из-за высокого давления в системе.

Головную боль владельцам турбодизелей доставляют также и подводные патрубки. Случается, что в ходе длительной эксплуатации или попросту ввиду их низкого качества, они лопаются или теряют эластичность.

Важно помнить, что в данном случае нужно использовать только специальные соединительные и уплотнительные элементы, рассчитанные на заданные параметры. Это позволит добиться бесперебойной эксплуатации авто и избавит вас от лишних трат

Задачи, которые приходится решать производителям современных автомобилей, достаточно обширны. Многие из них затрагивают вопросы экологии и мощности ДВС. Зачастую они оказываются связанными, так полное сгорание топлива, дает повышение мощности и улучшение экологических показателей мотора. Если более внимательно посмотреть на то, как используется дизель в конструкции авто, то выяснится, что справиться с затронутыми проблемами ему помогает интеркулер.