К вопросу детерминирования влияния медной плёнки в конструкции датчика поверхности температуры на расчет теплового состояния слоя нагара

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский авиационный институт

К ВОПРОСУ ДЕТЕРМИНИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МЕДНОЙ ПЛЁНКИ В КОНСТРУКЦИИ ДАТЧИКА ПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАСЧЁТ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СЛОЯ НАГАРА

Лобанов Игорь Евгеньевич доктор технических наук

Аннотация

В статье было детерминировано тепловое состояние медной плёнки, входящей в состав датчика поверхностной температуры на основе дополнительной (вспомогательной) стенки, детерминированы нестационарные распределения её температуры и плотности теплового потока. В рамках статьи было доказано, что влияние медной плёнки на определение граничных условий на поверхности слоя нагара ничтожно мало, что является преимуществом конструкции датчика.

Ключевые слова: тепловое; температурное; состояние; плёнка; медь; расчётный; экспериментальный; теоретический; измерение; камера сгорания; тепловой двигатель; теплообмен; поверхность.

В существующих теоретических работах [1, 2, 4] расчёты проводятся с граничными условиями, полученными путем измерений с помощью датчика поверхностной температуры с дополнительной стенкой по методике, описанной в [1] (рис. 1).

Рис. 1. Cлой медной плёнки на схеме датчика теплового потока на основе дополнительной (вспомогательной) стенки.

Методика определения нестационарных поверхностной температуры и плотности теплового потока [2] включает в себя программу расчёта плотности теплового потока на поверхности медной плёнки и нестационарной температуры под ней в зависимости от термоэлектродвижущей силы на обеих границах константановой пластины по методу, подробно изложенному в [2].

Taким образом, в качестве нестационарной температуры Y(t) была взята не фактическая температура под слоем нагара, а температура под слоем медной пленки датчика поверхностной температуры толщиной 0,1 мм.

В этом случае возникает вопрос о влиянии вышеупомянутой медной плёнки на результаты расчетов теплового состояния слоя нагара.

Чтобы оценить влияние медной плёнки на тепловое состояние слоя нагара, найдем температуру над поверхностью медной плёнки.

Расчётная схема для поверхностной температуры над медной плёнкой представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема для расчёта поверхностной температуры над медной плёнкой.

Сквозь верхнее сечение 1 медной плёнки проходит тепловой поток плотностью q1(t), величина которого известна. Нижнее сечение 2 медной плёнки имеет температуру Т2(t), величина которой также известна. Как уже отмечалось выше, необходимо определить нестационарную температуру в верхнем сечении медной плёнки, т.е. температуру Т1(t).

Tеплофизические свойства меди, согласно данным Ф.Крейта и У.Блэка [3], составляют: л=399 Вт/м·К; а=116,6·106 м^2/с. Расчет теплового состояния слоя меди основан на замене реальной плёнки телом плоской геометрической формы, поскольку она изолирована в радиальном направлении и отношение ее диаметра к толщине равно 50.

Принимая во внимание вышеуказанные допущения, будем производить расчёт теплового состояния слоя меди, основываясь на формулах [1, 4]:

(1)

(2)

Анализ результатов расчета для различных зависимостей T1(t) показывает, что в формуле (3) члены, содержащие производные от температуры составляют в сумме менее 0,005К, поэтому ими можно пренебречь. Аналогичные выводы можно сделать относительно формулы (2).

Исследования различных зависимостей q2(t) показали, что:

(3)

B cвязи с этим члены в левой части последнего неравенства можно приравнять. Следовательно, выражения для нестационарной температуры и нестационарной плотности теплового потока будут выглядеть следующим образом:

(4)

(5)

Meтодом подбора q2(t) были найдены несколько значений Т1(t) в интервале наибольшего расхождения между T1(t) и Т2(t). Maксимальное расхождение между температурой, найденной по формуле (5) и температурой, найденной посредством перебора, составляет (545,65К-545,63К)=0,02К при уровне измеренной температуры 545,46К.

Важным обстоятельством является тот факт, что максимум температуры Т1(t), coгласно расчётным данным, полученным посредством перебора значений q2(t), имеет ту же абсциссу, что и максимум температуры Т2(t). Это означает, что сдвиг фаз между этими температурами меньше расчётного шага по времени ДфE и им можно пренебречь.

Приведённые в этом разделе расчёты позволяют сделать вывод о том, что температуру Т1(t) над поверхностью медной плёнки можно определять по формуле (5) с достаточной степенью точности.

Результаты расчета температуры над поверхностью медной плёнки приведены на рис. 3.

Рис. 3. Температура поверхности над медной плёнкой и под медной плёнкой.

В заключение следует провести расчёт теплового состояния слоя нагара с учетом медной плёнки.

На рис. 4--5 приведены графики температуры и плотности теплового потока для слоя нагара толщиной 50 мкм, рассчитанные с учетом и без учета медной плёнки соответственно.

Рис. 4. Температура поверхности слоя нагара с учётом и без учёта влияния медной плёнки.

медный пленка двигатель нагрузка

Рис. 5. Плотность теплового потока на поверхности слоя нагара с учётом и без учёта медной плёнки.

Влияние медной плёнки на тепловое состояния слоя нагара, рассчитанного по зависимостям, приведённым в [1, 4], составляет менее 0,1% (на рис. 4--5 два графика сливаются в один).

Проведённое в этом разделе исследование позволяет сделать следующий вывод: влияние медной плёнки на нестационарное тепловое состояние слоя нагара очень мало, поэтому в качестве граничного условия для обратной задачи теплопроводности можно брать нестационарную температуру Т2(t) под слоем медной плёнки.

Выводы

Анализируя результаты расчёта локальных нестационарных тепловых нагрузок на поверхностях камер сгорания тепловых двигателей на основе измерений с помощью датчика теплового потока на основе дополнительной (вспомогательной) стенки по методике, изложенной в [1, 4], можно сделать следующие основные выводы.

В статье было детерминировано тепловое состояние медной плёнки, входящей в состав датчика поверхностной температуры на основе дополнительной (вспомогательной) стенки, детерминированы нестационарные распределения её температуры и плотности теплового потока.

В рамках статьи было доказано, что влияние медной плёнки на определение граничных условий на поверхности слоя нагара ничтожно мало, что является преимуществом конструкции датчика.

Библиографический список

1. Лобанов И.Е. Локальный радиационно-конвективный теплообмен в турбулентном пограничном слое в камерах сгорания быстроходных дизелей: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -- М., 1998. -- 173 с.

2. Страдомский М.В., Максимов Е.А. Оптимизация температурного состояния деталей дизельных двигателей. -- Киев: Наукова думка, 1987. -- 168 с.

3. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. -- М.: Мир, 1983. -- 512 с.

4. Кавтарадзе Р.З., Лапушкин Н.А., Лобанов И.Е. Исследование теплоизолирующего действия слоя нагара на поверхностях КС дизеля с использованием обратных и сопряженных методов теплопроводности // Изв. вузов. Машиностроение. -- 1997. -- № 4--6. -- С. 70--76.

5. Макарчук А.А., Николаенко А.В. Результаты сравнительных ускоренных испытаний по влиянию сорта топлива на закоксовывание распылителей и деталей камеры сгорания высокооборотного дизеля // Двигателестроение. -- 1991. -- № 7. -- С. 52--54.

6. Папок К.К., Виппер А.Б. Нагары, лаковые отложения и осадки в автомобильных двигателях. -- М.: ГНТИМЛ, 1956. -- 156 с. 7. Нuber K. Der Wдrmeьbergang schnellaufender direktein-spritzender Diesel-motoren: Dissertation. -- Mьnchen: TU, 1990. -- 130 s.

Размещено на Allbest.ru