نقش رادیاتور در پروسه انتقال حرارت موتور
بر اثر احتراق در
موتورهای احتراق داخلی گرمای زیادی تولید میشود که حتی میتواند فلزات مجموعه
سیلندر و پیستون را ذوب کند .سیستم خنک کاری به منظور پیشگیری از بالا رفتن دمای
موتور به کار میرود. این سیستم برای مراقبت در برابر عملکرد مؤثر در تمام سرعتهای
موتور و کنترل شرایط مختلف مورد استفاده است. دما در طول مدت احتراق مخلوط سوخت و
هوا در محفظه احتراق موتور بسیار بالا میرود و به بیش از ۲۰۰۰ درجه میرسد. میزان
قابل توجهی از این حرارت توسط دیوارههای سیلندر و پیستونها جذب میشود بنابراین
باید خنککاری به اندازهای صورت پذیرد که دما بیش از حدود ۲۳۰ درجه نشود.
دماهای بالاتر باعث کاهش ضخامت فیلم روغن میشود و خواص روغن به شدت افت میکند که
این مسئله موجب افزایش استهلاک قطعات و ازدیاد دمای آنها خواهد شد.
در موتورهای احتراق داخلی مقدار محدودی از انرژی سوخت برای قوای محرکه موتور استفاده میشود. تقریبا حدود ۲۸ درصد انرژی سوخت به کار مفید تبدیل میشود. ۳۰ درصد به واسطه خنک کاری، ۳۲ درصد به وسیله خروج گازهای داغ و ۱۰ درصد باقیمانده توسط اصطکاک و عوامل دیگر به هدر میرود. میزان حقیقی و دقیق انرژی تبدیل شده به کار مفید در پروسه احتراق موتور به مشخصههای فیزیکی اجزای موتور بستگی دارد.
همانطور که گفته شد، دما در طول احتراق در سیلندر موتورهای درونسوز به بیش از ۲۰۰۰ درجه میرسد. این دما بیش از نقطه ذوب مواد مورد استفاده در ساختار موتور است بنابراین با بالارفتن دما به موتور خسارت وارد میشود و باید دمای کار موتور در محدودهای خاص حفظ شود. در یک نمونه سیستم خنک کاری آبی موتور این دما در محدوده ۹۵-۷۵ قرار دارد که برای خنک کاری هوایی این میزان کمی بیشتر است.
خنک کاری در موتور دو علت دارد:
۱) نگه داشتن دمای اجزای موتور در دمایی که روغنکاری مؤثر در آن ممکن باشد.
۲) نگه داشتن دمای اجزای مختلف موتور در یک محدوده خاص به طوری که به سلامت قطعات موتور صدمه نزند.
نحوه عملکـرد موتور در انتخاب و طراحی سیستم خنک کاری تأثیر میگذارد و این کاملا به نوع گازهای احتراق و اجزای موتور وابسته است. وقتی موتور سرد است، کارایی پایینی دارد بنابراین سیستم خنککاری معمولا شامل وسایلی است که زمینه فعالیت خنککـاری نرمـال را بـرای حفظ گرمـای مناسب موتور مهیـا میکننـد.
هنگام راه اندازی موتور دمای قطعات داخلی آن، به سرعت افزایش مییابد؛ پس وقتی موتور به دمای بهرهبرداری میرسد باید سیستم خنککاری فعالیتش را آغاز کند.
نمایه سیستم خنک کاری موتور برای حداقل کردن حجم و وزن رادیاتور است که در وسایل نقلیه از اهداف مهم تلقی میشود. باید درجه حرارت متوسط آبی که از رادیاتور عبور میکند حتی الامکان بالا نگه داشته شود تا اختلاف آن با درجه حرارت متوسط زیاد باشد.
البته این درجه حرارت نباید از نقطه جوش آب در فشار اتمسفر تجاوز کند زیرا در آن صورت قسمتی از آب تبخیر میشود و فشار داخل رادیاتور بهشدت افزایش مییابد. گرچه با طراحی درپوش مناسب برای رادیاتور آب داخل تحت فشار است تا دیرتر به نقطه جوش برسد، هوا نیز باید پس از عبور از رادیاتور به اطراف بدنه موتور جریان یابد.
جهت عکس جریان به دو دلیل مناسب نیست: اولا هوا به روغن و ذرات آغشته به روغن که به هر حال روی بدنه موتور وجود دارد آلوده میشود و این ناخالصیها روی منافذ رادیاتور رسوب میکند و از راندمان آن میکاهد و ثانیا بر اثر تماس با بدنه گرم موتور درجه حرارت آن بالا میرود و موجب کاهش قدرت خنک کنندگی رادیاتور میشود.
برای
درک نیاز موتور به سیستم خنک کاری، اثرات افزایش یا کاهش دمای کارکرد موتور در ذیل
آمده است:
● اثرات افزایش دمای کارکرد موتور
▪ بهرهبرداری در دماهای بالا، بارهای زیاد با سرعت بالا بدون عملیات خنککاری باعث اکسیداسیون روغن روغنکاری میشود. در این شرایط ممکن است با بالا رفتن دما، لعاب و رسوب شکل گیرد؛ به طوری که رینگ پیستون نتواند کار خود را انجام دهد؛ ضمن این که خراش خوردن رینگ نیز باعث اختلال عملکرد آن میشود. به همین ترتیب اکسیداسیون روغن میتواند باعث خوردگی و سایش بعضی از انواع یاتاقانها شود.
▪ اگر دمای کارکـرد خیلـی زیاد شـود، نقاطی از پیستونها و قسمتهایی از میللنگ
که در یاتاقان میچرخند، منبسط میشوند که این موضوع باعث خروج آنها از لقی مجاز
میشود و این تغییرات صدمات جدی در یاتاقانها و رینگها به بار میآورد.
▪ سطوح داخل محفظه احتراق از قبیل پای سوپاپ خروجی و شمع ممکن است آنقدر گرم شود که جرقه زودتر اتفاق بیفتد؛ این شرایط جرقه پیشرس نامیده میشود که اگر برای مدتی ادامه یابد، خسارت عمده به موتور میزند.
▪ اگر مخلوط تازه وارد شده به سیلندر خیلی گرم شود، چگالی آن کاهش خواهد یافت و در نتیجه قدرت آن کاسته میشود؛ به خصوص در موتورهای بنزینی.
▪ با افزایش دمای مخلوط هوا و سوخت در محفظه احتراق و مانیفولد ورودی، اصطکاک مکانیکی افزایش مییابد و از قدرت خروجی موتور میکاهد.
● اثرات کاهش دمای کارکرد موتور
۱) افزایش خنککاری باعث کاهش راندمان حرارتی، همچنین مانع تبخیر مناسب سوخت میشود که موجب رقیق شدن روغن میگردد.
۲) تبخیر نامناسب سوخت ، فیلم روغن بر روی دیوارههای سیلندر را از بین میبرد و باعث افزایش فرسایش سطح داخلی سیلندر میشود.
۳) به طور کلی خنککاری بیش از حد باعث کاهش قدرت، ضرر اقتصادی مصرف بیشتر سوخت و کاهش طول عمر قطعات موتور میشود.
● رادیاتور و نحوه انتقال حرارت از
سیال گرم به هوا
رادیاتور
دستگاهی است در سیستم خنک کننده موتور که حجم زیادی از آب این سیستم را در تماس
نزدیک با هوا نگه میدارد تا انتقال حرارت از آب به هوا به خوبی و به سـرعت
امکـانپذیر باشـد. همچنین میتوان گفت رادیاتور وسیلهای است که برای نگهداری
مقدار زیادی آب در مجاورت حجم بزرگی از هوا بهکار میرود؛ به طوری که حرارت بتواند
از آب به رادیاتور و از رادیاتور به هوا منتقل شود.
اجزای رادیاتور از مخزن بالایی و مخزن پایینی و هسته (شبکه) رادیاتور تشکیل شده که
خود شبکه از لولهها و پرهها به وجود آمده است. همچنین به مخزن بالایی یک گلویی
که به لوله هوا ارتباط دارد، متصل است.
سیال خنک کننده توسط پمپ به جدارههای سیلندر جریان مییابد. در صورت بالا رفتن
درجه حرارت سیال ترموستات مسیر را باز میکند و سیال گرم از طریق لوله ورودی
رادیاتور که در مخزن ورودی آن تعبیه شده است، وارد رادیاتور میشود و پس از خنک شدن
به مخزن خروجی جریان مییابد و پس از خروج توسط لوله خروجی رادیاتور، سیکل خود را
ادامه میدهد.
انتقال حرارت در رادیاتور خودرو به این صورت است که آب گرم در طول مسیر حرکت در رادیاتور، گرمای خود را به لولهها منتقل میکند و این گرما از محل اتصال لوله و پره، به پرهها منتقل میشود و سپس گرمای انتقال یافته به پرهها نیز توسط جریان هوای اجباری از آنها دفع میشود.
● انواع رادیاتور
شبکه رادیاتورها شامل دو نوع فین تیوب و کروگیت است:
۱) رادیاتور فین تیوب (fin-Tube) : در این نوع رادیاتور امتداد لولهها عمود بر راستای پرههاست و لولهها از داخل پرهها عبور میکنند.
۲) رادیاتورهای کروگیت (crougate): در این نوع رادیاتورها لولهها از
داخل پرهها عبور نمیکنند بلکه پرهها به صورت موجدارند و لولهها در امتداد پرهها
روی نوک فین قرار داده میشوند.
در حالت کلی مونتاژ رادیاتورهای کروگیت راحتتر و سریعتر از نوع فین تیوب است و
امکان اتوماسیون آن وجود دارد ولی رادیاتورهای فین تیوب به دلیل درگیر شدن لوله و
پره با یکدیگر، استحکام مکانیکی بیشتری دارند.