Досить вільний, але правдивий переклад статті The John and Intercoolers by John
Відразу зазначу, що температури, тиску та ін величини в цій статті даються в "імперських" розмірностях (градуси за Фаренгейтом, фунти на квадратний дюйм і т.д.), що відповідає оригіналу. У дужках я наводитиму значення і коеф-ти для перерахунку з метричних одиниць до імперських.
Інтеркулер (intercooler – проміжний охолоджувач, англ.) – це теплообмінник. Це означає, що є два або більше середовища (газоподібних або рідких), які не стикаються, але між ними відбувається теплообмін.
При повністю відкритому дроселі та повному бусті (максимальному тиску наддуву) температура повітря, що подається з турбокомпресора, доходить до 250 - 350 ° F (
120 - 180°С, 1°F дорівнює 1,8°С) залежно від використовуваного ТКР, тиску наддуву, температури навколишнього повітря і т.д. Необхідно охолодити його для того, щоб збільшити його густину. Це допоможе нам зменшити схильність двигуна до детонації та підвищити віддачу двигуна.
Як працює інтеркулер? Гаряче повітря з турбіни проходить через трубки всередині інтеркулера. При цьому відбувається теплообмін. Трубки нагріваються, а повітря охолоджується. Забортне повітря (або вода, якщо інтеркулер рідинний) обдуває трубки та ребра, механічно з ними пов'язане, охолоджуючи їх. Знову відбувається теплообмін, але тепер між трубками та забортним повітрям. Таким чином, тепло переходить із наддувного повітря через інтеркулер у забортне повітря.
Фактори, які впливають на теплообмін, взаємопов'язані та можуть бути виражені в рівняннях (функціях). Ці формули хороші не тільки для інтеркулерів, але і для будь-яких теплообмінників, наприклад, радіаторів або кондиціонерів. Варто розглянути деякі з них, щоб зрозуміти, що важливо для теплопередачі, а що ні.
Перше рівняння описуєповну теплопередачу:
Q- кількість переданої теплової енергії,
U- коефіцієнт теплопровідності,
A— площа, що у теплообміні, тобто. площа зовнішньої поверхні трубок та ребра.
DTlm— параметр, що демонструє повну середню різницю температур повітря між входом та виходом інтеркулера [2].
DT1— температура повітря на вході в інтеркулер,
DT2— температура повітря на виході з інтеркулера,
F- фактор корекції (див. нижче).
Повітря, що обдує інтеркулер, прогрівається нерівномірно (чим ближче до входу, тим гарячіше). Тому, щоб коректно виміряти вихідну температуру повітря, необхідно зібрати все повітря на виході та перемішати.
F— параметр, що враховує нерівномірність прогріву повітря, що обдуває інтеркулер.
Для того щоб обчислити його, необхідно обчислити дві величини:
P =turbo air temp out - turbo air temp in
outside air temp in - turbo air temp in
R =outside air temp in - outside air temp out
Turbo Air Temp out - Turbo Air Temp in
Далі знайдемо ці дві величини на графіку, наведеному нижче:
Отже, Співвідношення №1 дає нам напрямок для покращення ефективності інтеркулера. Чим більше тепла ми передаємо (що більше Q), тим холодніше повітря виході інтеркулера. Йдемо далі.
Воно описує, скільки градусів втратив або отримав газ (рідина) на одній стороні теплообмінника (тобто тільки турбо повітря або зовнішнє повітря):
m- струм повітря (lbs/min),
DT- різниця температур між входом та виходом теплообмінника. Якщо у нас на вході 200 °F, а на виході 125 °F, то DT = 75. Слід пам'ятати, що температурана виході - середня "змішана" температура.
Отже, що корисного можна отримати з наведених вище рівнянь?
1. Чим більша різниця температур (що більше DTlm (1.1)), тим інтенсивніший теплообмін. Чим ближче вихідна температура інтеркулера до температури навколишнього середовища, тим гірше теплообмін.
2. Різницю вихідної температури інтеркулера та забортної температури називають наближенням (approach). Якщо надворі 100°F, але в виході интеркулера 140°F, то наближення буде 40 градусів (140-100=40). Чим менша ця величина, тим краще. З іншого боку, можна зіткнутися з ефектом "зворотного зв'язку". Для наочності запишемо рівняння 1.1 як Q/DTlm=U*A . Щоразу, колиDTlmзменшується (отримуємо краще наближення), Q збільшується (передаємо більше тепла, отримуючи нижчу вихідну температуру). ФункціяQ/DTlmзростає набагато швидше, ніжU*A. Таким чином, за кожен знижений градус наближення необхідно дедалі більше збільшувати площу та теплопровідність інтеркулера.
3. Автор вважає, що наближення 20°F можна вважати дуже хорошим показником, причому поліпшити цей параметр можна тільки заміною інтеркулера.
4. Чим більша площа, що бере участь у теплообміні, тим більше тепла можна передати. Це означає, що інтеркулер повинен мати максимально довгі трубки, їх має бути більше, як і ребер. Більшість тюнінгових інтеркулерів робляться за цією філософією.
З іншого боку, чим більша площа бере участь у теплообміні, тим менший струм повітря. Це випливає із рівняння [2]. Таким чином, необхідно шукати баланс між втратами та теплообміном.
5. Перемішування повітря у трубках сприяє теплообміну. Іноді в інтеркулерах використовуються "завихрювачі". З іншого боку, це створюєопір потоку.
Очищення інтеркулера від олії також сприяє теплообміну (U в [1.1]).
7. Зниження температури на вході інтеркулера. Чим ближче турбіна до режиму максимальної ефективності, тим менше нагрівання повітря, що виходить з неї. Ви можете знизити вихідну температуру декількома способами: зниження тиску, зменшення опору потоку між повітряним фільтром і ТКР, вибором більш ефективної турбіни. Про це трохи згодом. Якщо ви зменшите тиск на виході турбіни на 2 psi (poun per square inch — фунт на квадратний дюйм, 1 psi = 0.0689 bar = 0.068 атм.) або підніміть тиск на вході турбіни на 1 psi, температура на виході впаде
на 16°F (залежно від ефективності компресора та тиску наддуву). Якщо повітря на вході в інтеркулер буде холодніше на 16 градусів, на виході буде холодніше на 10, це все одно буде краще, ніж було.
Ще один аспект, який варто обговорити, це зниження тиску в інтеркулері. Тиск, який ми бачимо на покажчику наддуву :) - Тиск у впускному колекторі. Це не той самий тиск, який ми маємо на виході компресора. Уявіть собі соломинку. Повітря в ній не рухається, поки ми не візьмемо її в зуби і не створимо на одному з кінців тиску (подуєм). Так само і тиск на виході турбокомпресора завжди буде вищим, ніж тиск у колекторі, інакше повітря не рухатиметься.
Показником аеродинамічного опору інтеркулера, впускних трубопроводів та дроселя буде різниця тисків, необхідна для того, щоб заданий об'єм повітря рухався від ТКР до колектора впуску.
Опір интеркулера - важливий чинник, т.к. що тиск на виході турбіни, то вище і температура. Знижуючи тиск на виході турбіни, ми знижуємо температуру не тільки на турбіні, алета на виході інтеркулера. Нехай і не прямо пропорційно, але також допомагає. Чим більше дросель, шланги і чим менше опір інтеркулера, тим меншу роботу робить турбіна для створення того ж тиску в колекторі. Те саме і з входом турбіни. Чим менший опір ДМРВ, повітряного фільтра, тим менша робота, а значить і температура.
ЩО НАЩИНО МОГО ІНТЕРКУЛЕРА?
Розмістимо термодатчик біля виходу інтеркулера, просунувши його на тонкому дроті всередину шланга, і виїдемо на тест-драйв. При температурі 80-85°F надворі спостерігаємо 140°F на виході, тобто. наближення складає 55-60 градусів. Це говорить про те, що необхідний ефективніший інтеркулер. Якщо знизити температуру до 100 градусів, густина повітря збільшиться на 7%, відповідно двигун отримає на 7% більше повітря. В ідеалі потужність підніметься на ті ж 7%. Для 350 л.с. це буде 25 л.с. збільшення. Для 450 л.с. це 30 л.с. збільшення. Не погано.:)
Наступним тестом буде вимірювання падіння тиску. Найкращий спосіб - використовувати диференціальний манометр. Він вимірює різницю тиску між двома точками, до яких він підключений.
Одну лінію підключимо до виходу турбіни, а другу до виходу інтеркулера або впускного колектора (тоді мірятимемо падіння на всьому тракті). Можна використовувати 2 манометри, але не факт, що вони однаково відкалібровані. До того ж можна загробити манометр, підключений до турбіни, т.к. при закритті дроселя може виникати стрибок тиску (залежить від наявності блоуофф-клапан).
Якщо падіння тиску становить більше 4 або 5 psi, варто задуматися про інтеркулер з кращими характеристиками.