Интенсивность теплообмена и соотношение угепловых потоков, связанных с теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением, имеют весьма большое значение, так как определяют не только расход энергии, но и степень обеспечения нагрева наиболее ответственных узлов двигателя (например, подшипников коленчатого вала).

За счет теплового излучения тепло передается капоту и деталям ограждения, а от них вследствие теплопроводности, теплового излучения и конвекции — в окружающую среду. Тепло из подкапотного пространства теряется также в связи с многократным свободным обменом воздуха, обусловливающим конвекцию. Таким образом, физическая сторона рассматриваемого сложного процесса целиком определяется сочетанием всех его составляющих. Ввиду значительных мощностей этих составляющих нельзя пренебрегать ни одной из них. С достаточной для практических целей точностью может быть исключен только теплообмен в результате излучения, так как в рассматриваемой задаче его роль невелика, а попытки учесть его влияние сделали задачу практически неразрешимой. В дальнейшем изложении теплообмен вследствие излучения не рассматривается. Такой подход позволяет описать реальные физические явления и получить результаты с достаточной для практики точностью.

Рис. 21. Схема передачи тепла при обогреве:
а — подвод тепла к внешней поверхности двигателя; б — подвод тепла во внутренний объем двигателя; в — смешанный подвод тепла

Таким образом, необходимая теплопроизводительность установки подчиняется экспоненциальному закону. Входящая в это выражение величина теплоотдачи К Вт/(м-°С) характеризует интенсивность теплообмена, вызываемого тепловым излучением,, теплопроводностью и теплоотдачей.

Следовательно, этот коэффициент отличен не только для различных способов безгаражного хранения, но и зависит от температуры двигателя, условий окружающей среды, параметров теплоносителя и т. д. Поэтому определение величины К ввиду сложности процесса теплообмена при обогреве такого агрегата, как двигатель, является задачей, не имеющей точного-решения. Достаточную для практических расчетов точность определения величины К можно получить, приняв некоторые допущения, а именно: К = const; ев = const. с0 = const. Для этого имеются основания. Так, например, теплоемкость чугуна, масса которого является преобладающей в двигателе ЗИЛ-130, в интервалах температур от 0 до 100° С остается величиной постоянной. Объемная теплоемкость воздуха св при нормальном атмосферном давлении с ростом температуры от —20 до +20 °С увеличивается лишь на 10%. Коэффициент теплопроводности стали (материал капота и ограждений) с изменением температуры от 0 до 100 °С увеличивается также на 10%. Эти данные позволяют предположить, что в широком диапазоне изменения условий протекания процесса теплообмена величины К, св и сд изменяются весьма незначительно. Правомерность такого допущения доказана М. Н. Величанским путем построения линейных и нелинейных моделей процесса теплообмена и проверки их на адекватность.

В случаях подвода тепла, когда время теплового воздействия невелико (режим разогрева), имеет место нестационарный процесс.

Коэффициент а (Вт/°С) характеризует величину мощности источника теплоты, затрачиваемой на поддержание температуры двигателя в 1°С; b (ч-1) является характеристикой темпа нагревания двигателя.

Таким образом, задача определения необходимой мощности установки обогрева q упрощается и сводится к экспериментальному определению значений коэффициентов; при заданных режимах использования тепла (подогрев, разогрев) и известных температурах окружающего воздуха к двигателю подводится тепло и измеряются получаемые при этом средние значения температуры двигателя. Соответствующая математическая обработка позволяет найти для стационарного процесса (режим подогрева) величину а, а для нестационарного процесса (режим разогрева) величины а и Ь.

Эти выражения найдены для ЗИЛ-130 при условии, что средняя температура двигателя, до которой необходимо его нагревать, составляет 20 °С.

Естественно, что при расчете величины необходимой теплопроизводительности для автомобилей других марок или при условии обогрева двигателя до более высокой или более низкой температуры t численные коэффициенты уравнении изменятся. Однако, как показано выше, их конкретные значения могут быть получены путем сравнительно несложного эксперимента.

На рис. 22 представлена (в качестве примера) графическая интерпретация зависимостей необходимой теплопроизводительности источника тепла от времени его подвода и температуры окружающего воздуха для установки воздухообогрева. Как видно из графиков, возможны самые разнообразные сочетания необходимой теплопроизводительности q и времени тепловой подготовки т при заданных значениях температуры окружающего воздуха, t0.

Естественно, что на практике невозможно осуществить эти сочетания произвольным образом, поскольку имеются ограничения, связанные с мощностью установки, временем разогрева, организационными причинами и т. п. Максимальная мощность установки должна подбираться таким образом, чтобы обеспечить достижение средней температуры двигателя при минимальных температурах окружающей среды в регионе.

Практически следует рассматривать два варианта использования установок обогрева: – при ограниченном (определенном) значении теплопроизводительности установки q, когда необходимая средняя температура двигателя достигается путем изменения времени работы установки т (подогрев); – при ограниченном времени обогрева т, когда требуемая средняя температура двигателя достигается изменением теплопроизводительности установки обогрева q (разогрев).

Рис. 22. Зависимость необходимой теплопроизводительности установки воздухоразогрева q от времени тепловой подготовки т и температуры окружающей среды ta

Рис. 23. Затраты энергии (теплоты) на один пуск при обогреве двигателей в зависимости от температуры окружающей среды:
1 — воздухоразогрев; 2 — воздухоподо-грев; 3 — водоподогрев; 4 — электроподогрев; 5 — разогрев стационарной газовой горелкой; 6 — разогрев подачей воздуха в картер двигателя; 7 — подогрев стационарной газовой горелкой; 8 — подогрев подогревателем «Малютка»; 9 — разогрев подогревателем «Малютка»