مقاله شماره 2

سیستم خنک کاری اتومبیل

مهدی ملکی طهرانی

همانطور که در مقاله قبل توضیح داده شد، سیستم خنککاری اتومبیل از اجزای ضروری یک موتور احتراق داخلی میباشد. در این مقاله به معرفی مبدل های حرارتی فشرده که در اتومبیل استفاده میشوند و دلیل استفاده از آنها میپردازیم. همانطور که در مقاله قبل گفته شد بر اساس قانون دوم ترمودینامیک فقط بخشی از انرژی حاصل از سوختن بنزین را میتوان به صورت مفید استفاده کرد. همچنین این نکته قابل توجه است که محدودیت ما در عمل بیشتر است و ما مجبوریم دمای روغن را در محدوده 230 درجه سانتیگراد حفظ کنیم که در مقاله قبل به صورت کامل توضیح داده شد و همانطور که گفته شده حدود 30% از انرژی حاصل از سوختن بنزین می بایست که به محیط اطراف داده شود. به عبارت دیگر شما فرض کنید که حدودا مساوی همان انرژی ای که ماشین شما را به حرکت در میآورد، به محیط اطراف داده میشود که همانطور که مشاهده میشود این انرژی بزرگ و قابل توجه است و نحوه انتقال این انرژی به محیط اطراف بسیار مهم میباشد که در این مقاله به این موضوع توجه میشود. اولین چیزی که باید به آن قبل از موضوع خود رادیاتور توجه شود خنککاری خود موتور است. به عبارت دیگر، گرمایی که توسط موتور به هوای اطراف در رادیاتور ماشین داده میشود، ابتدا میبایست توسط یک واسطه از موتور گرفته شود و سپس این گرما در رادیاتور اتومبیل از واسطه به هوای محیط داده شود. پس خنککاری خود موتور در درجه اول قبل از دادن گرما در رادیاتور به هوای محیط باید مد نظر گرفته شود. خنککاری موتور باید توسط یک مایع انجام شود زیرا گازها ضریب انتقال حرارت کمی دارند و ماشینهای بسیار اندک که در قدیم هوا خنک طراحی شده اند، دائما با مشکل گرمی بیش از حد ماشین، تعویض سریع روغن ماشین و تعمیر و یا تعویض سیلندر و یا پیستون مواجه شده اند و در نظر بگیرید که با طراحیهای جدید و ظرفیتهای جدید ماشینها این کار اصولی نمی باشد. توجه شود که در ماشین هوا خنک دیگر رادیاتور وجود ندارد و گرما مستقیم از موتور اتومبیل به هوای اطراف داده میشود که همانطور که گفته شد دیگر طراحی این ماشینها منسوخ شده است زیرا نرخ انتقال گرما پایین است و موتور ماشین نمیتواند به اندازه مناسب خنک گردد. حال سئوالی که پیش می آید این است که چه مایعی برای این کار مناسب است. بهترین مایع برای این کار آب است که هم ظرفیت گرمایی بالا ، هم عدد پرانتل مناسب و هم ضریب رسانایی گرمایی بالا دارد. همچنین هزینه ای ندارد. البته در مناطقی که در زمستان ، دمای هوا به زیر صفر درجه سانتیگراد میرسد، باید با اتيلن گليكول (ضد یخ) مخلوط شود تا آب درون رادیاتور یخ نزده و مشکلات بعدی بوجود نیاید. به عبارت دیگر اتيلن گليكول دمای نقطه ذوب آب را پایین میبرد. البته اتيلن گليكول مزایای دیگری نیز دارد و باعث بالا رفتن دمای جوش نیز میشود و بنابراین دمای بالاتر در طراحی بدست میآید که موجب افزایش راندمان اتومبیل میشود و همچنین اتيلن گليكول نقش ضد زنگ نیز دارد. به عبارت سادهتر استفاده از اتيلن گليكول به گونه ای واجب است. همچنین طراحی مسیر آب در اطراف بدنه سیلندر باید به گونه ای انجام شود که در موقع افزایش دمای آب اطراف بدنه موتور نسبت به دمای تنظیم شده در ترموستات، آب با سرعت مناسب اطراف بدنه اتومبیل جریان داشته باشد، تا انتقال حرارت از طریق جابجایی اجباری انجام شود. به عبارت دیگر طراحی جریان آب اطراف بدنه موتور باید به گونه ای باشد که نرخ انتقال گرما مناسب باشد. پس گرما ابتدا در موتور به آب منتقل می شود و سپس در رادیاتور اتومبیل این گرما به هوای اطراف داده میشود. اصولا فلسفه وجود رادیاتور اتومبیل نیز همین انتقال گرما از آب به محیط اطراف است که این گرما توسط آب از موتور اتومبیل گرفته شده است. حال نکته مهم اینجاست که همانطور که گفته شد این گرما، انرژی زیادی دارد و با توجه به اینکه موتور ماشین در محفظه کوچکی قرار دارد و همچنین ورودی هوای ماشین نیز به دلیل طراحی ایرودینامیکی ماشین کوچک میباشد، طراحی این مبدل حرارتی برای انتقال این انرژی حرارتی به محیط کار مشکل و مهمی میباشد. به بیان ساده تر اگر بخواهیم از مبدلهای به کار رفته در مصارف خانگی استفاده کنیم به دلایل ذکر شده و مخصوصا به دلیل کمبود جا به مشکل بر خواهیم خورد. برای این که این موضوع روشنتر شود باید گفت که بزرگترین فن کوئل های متداول موجود در کاربردهای تهویه مطبوع، انتقال حرارتی کمتر در دمای کاری مشابه خواهند داشت و بنابراین اگر بخواهیم از روش مشابه استفاده کنیم به کویلی بزرگتر از کویل فن کوئل نیاز داریم که میدانیم ما این فضا را در اتومبیل نداریم. حال به بررسی این سئوال میپردازیم که چگونه میتوان مشکل کمبود فضا را در اتومبیل حل کرد. برای بررسی این موضوع میدانیم که برای انتقال حرارت از آب به هوا سه مقاومت حرارتی وجود دارند. به این معنی که هر چه مجموع مقاومت حرارتی بالاتر باشد، انتقال حرارت کمتر میشود. این سه مقاومت حرارتی عبارتند از : 1- مقاومت حرارتی سمت آب که مقاومت حرارتی است که از طریق آن آب گرمای خود را به جداره فلزی رادیاتور منتقل میکند که این انتقال حرارت از طریق همرفتی انجام میشود. 2- مقاومت حرارتی رسانایی جداره فلزی رادیاتور 3- مقاومت حرارتی سمت هوا که مقاومت حرارتی است که از طریق آن گرما از جداره فلزی رادیاتور به هوا منتقل میشود که این انتقال حرارت نیز از طریق همرفتی انجام میشود. همچنین لازم به ذکر است که مقاومت همرفتی به صورت کلی مساوی است با حاصلضرب ضریب انتقال حرارت جابجایی در مساحت موثر انتقال حرارت. نکته اینجاست که در بین 3 مقاومت حرارتی ذکر شده مقاومت سمت هوا در اکثر مواقع بزرگترین مقاومت میباشد زیرا همانطور که در ابتدا توضیح داده شد ضریب انتقال حرارت جابجایی گازها کوچک میباشد. نمیتوان عدد خاصی برای مقایسه ضریب انتقال حرارت جابجایی سمت آب و سمت هوا ارائه کرد زیرا هر دو به شدت تابع سرعت هوا یا آب عبوری میباشند، ولی میتوان گفت به صورت متوسط ضریب انتقال حرارت جابجایی سمت آب 15 برابر سمت هوا می باشد. بنابراین بهترین راه برای حل مشکل موجود در انتقال حرارت، کاهش مقاومت حرارتی سمت هوا است که با توجه به اینکه سرعت هوا در محدوده خاصی میباشد، باید مساحت موثر سمت هوا را افزایش داد. البته باید به 2 نکته ظریف توجه شود، اولا که این افزایش مساحت باید به گونه ای باشد که مقاومت حرارتی رسانایی افزایش چشمگیر نداشته باشد، و نکته مهمتر اینکه به فضای محدود توجه شود. حال جالب است که بدانید طراحی انجام شده برای رادیاتور اتومبیل این مشکلات را حل کرده است و با در نظر گرفتن همه موارد ذکر شده، مقاومت سمت هوا را به صورت قابل ملاحظه کاهش داده است. این طراحی در شکل زیر نشان داده شده است زیرا در یک فضای کوچک مساحت زیادی از فین را به صورت فشرده استفاده میکند.

حال سئوال بعدی که باید در نظر گرفت این است که آیا این طراحی مشکلاتی نیز ایجاد میکند؟ و جواب این سئوال مثبت است. آرایش لوله پره استفاده شده در رادیاتور ماشین برای افزایش مساحت موثر سمت هوا از لوله های بسیار نازک مستطیلی استفاده کرده است که افت فشار سمت آب را افزایش چشمگیر میدهد. ولی این موضوع در اتومبیل مشکلی ایجاد نمیکند، زیرا در اتومبیل، ما میتوانیم از بخشی از انرژی اتومبیل در یک فضای بسیار کوچک و با به کار بردن یک پمپ آب مشکل افت فشار را حل کنیم. همچنین، آرایش پره به گونه ای است که مساحت موثر سمت هوا در یک فضای کوچک، افزایش چشمگیر داشته است. ولی توجه داشته باشید که همین فشرده بودن پره ها منجر به افزایش افت فشار سمت هوا نیز میشود. . ولی این موضوع در اتومبیل مشکلی ایجاد نمیکند، زیرا در اتومبیل، ما میتوانیم از بخشی از انرژی الکتریکی اتومبیل در یک فضای کوچک و با به کار بردن یک فن الکتریکی مشکل افت فشارسمت هوا را حل کنیم. همچنین هوا با سرعت زیاد از قسمت جلو اتومبیل در هنگام حرکت اتومبیل وارد مجموعه کندانسور و رادیاتور میشود. بنابراین آرایش به کار برده شده در مبدل رادیاتور خودرو منجر به افزایش افت فشار سمت آب و سمت هوا میشود، ولی این ویژگی ها مشکلی در اتومبیل ایجاد نمیکنند. پس به صورت خلاصه رادیاتور دستگاهی است در سیستم خنک کننده موتور که حجم زیادی از آب را در تماس نزدیک با مساحت زیادی از هوا نگه می دارد تا انتقال حرارت از آب به هوا به خوبی و به سـرعت امکـان پذیر باشـد. 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 می شود و پس از خنک شدن به مخزن خروجی جریان می یابد 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 می کند و این گرما از محل اتصال لوله و پره، به پره‌ها منتقل می شود و سپس گرمای انتقال یافته به پره‌ها نیز توسط جریان هوای اجباری از آنها دفع می‌شود.