Исследование термодинамики и теплопередачи

Многоступенчатый компрессор - это многоцилиндровый поршневой компрессор, используемый для получения сжатого воздуха высокого давления путем последовательного сжатия воздуха в каждом цилиндре с промежуточным охлаждением его после сжатия в каждой ступени. На рис. 16 изображен процесс сжатия атмосферного воздуха в многоступенчатом компрессоре.

Рис. 16. Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре

А - В - изобарное всасывание воздуха в первый цилиндр при Р1= const; В - С - сжатие воздуха в первом цилиндре, т.е. в первой ступени;

С - Д1 - нагнетание воздуха в первый холодильник при Р2= const;

Д1 - Д - всасывание охлажденного в холодильнике сжатого воздуха во второй цилиндр;

Д - С - охлаждение сжатого воздуха в первом холодильнике;

Д - Е - сжатие воздуха во втором цилиндре, т.е. во второй ступени компрессора;

Е - Е1 - нагнетание сжатого во втором цилиндре воздуха через второй холодильник в резервуар при Р3= const.

Допустимое увеличение давления в каждой ступени компрессора rХ при начальном давлении Рнач.= Р1 = 1 кг/см., конечном давлении Ркон = Р3 и количестве ступеней компрессора m = 2 составил:

Х = Хm =Х2 или Х

Это означает, что допустимое увеличение давления в каждой ступени компрессора определяется корнем m - й степени из величины конечного давления сжатого воздуха. Работа, расходуемая на сжатие воздуха в многоступенчатом компрессоре с числом ступеней m.

,

где - работа, расходуемая на сжатие в каждой ступени.

Для политропного и адиабатного сжатия имеем:

Многоступенчатое сжатие позволяет получать воздух высокого сжатия при допустимом (заданном) температурном режиме работы, например, пневмоинструмента потребителя.

Центробежный компрессор-нагнетатель широко применяются на автомобильных двигателях с газотурбонаддувом (ЯМЗ - 238Н, ЯМЗ - 240Н и др.)

Нагнетатель имеет привод от газовой турбины, работающей от отработавших газов двигателя и вращается вместе с турбиной с частотой 10 000 об/мин. термодинамический двигатель теплопроводность излучение

Отличительной особенностью центробежных нагнетателей является непрерывность действия. Сжатие воздуха в центробежном нагнетателе осуществляется за счет сил инерции. На создание потока воздуха и нагнетание его в цилиндре двигателя под давлением наддува Рн = 1,5-2 кг/см2(150-200 кПа) расходуется работа, выполняемая турбинной за счет остаточной энергии выхлопных газов. Работа, расходуемая в нагнетателе на сжатие 1кг. воздуха имеет вид

вн +сж+R+,

где вн = Р2 v2 - P1 v1- работа затрачиваемая на преодоление внешних сил;

сж = pdv- работа политропного сжатия воздуха;

- изменение кинетической энергии воздуха при его движении через нагнетатель;

R - работа, затраченная на преодоление внутренних сопротивлений.

Глава 6. Реальные газы. Истечение газов и паров. Дросселирование

Искусственный холод. Эжектирование. Термохимия.

Состав смеси. Диссоциация.

6.1 Реальные газы

Реальным газом называют газ, молекулы которого имеют конечный объём, между молекулами такого газа существуют силы взаимодействия. Уравнение состояния идеального газа Клапейрона и Менделеева, газовые законы Бойля-Мариота и Гей - Люссака для реального газа не действительны. Ван-дер-Ваальс в 1873г. предложил уравнение состояния реального газа

(р + а/)·(- в) = R•Т,

где а и в - константы, характерные для каждого вещества;

а/ - величина, учитывающая силы межмолекулярного взаимодействия;

в - величина, учитывающая собственный объем молекул газа.

Величины а и в могут быть выражены через критические параметры Тк,

к, Рк и наоборот параметры критической точки через а и в по формулам

в = в, Тк = 8а/27Rв, Рк = а/27в2. (56)

Величины констант для газов приведены в справочниках. Уравнение Ван - дер - Ваальса количественно оказывается неудовлетворительным в области значительных плотностей и низких температур, а трудности построения рационального уравнения состояния заключается в существовании в реальных газах, явления ассоциации молекул, т.е. объединения их в комплексы из двух, трех и более молекул.

6.2 Истечение газов и паров

В автомобильных двигателях процессы истечения газа имеют место при впуске свежего заряда и выпуске отработавших в цилиндре газов, в агрегатах газотурбинного наддува, в компрессорах и турбинах, применяемых в газотурбинных и реактивных двигателях, в эжекторах и других устройствах.

Состояние газа в каждой точке газового потока характеризуется термодинамическими параметрами: давлением Р, температурой Т, удельным объемом и скоростью движения газа w. Кроме их различают параметры торможения Р/, Т/, /, которые характеризуют состояние газа при адиабатном торможении потока до нулевой скорости путем установки преграды на пути его движения . В результате кинетическая скорость молекул преобразуется в тепловую с увеличением температуры и энтальпии, давления и плотности.

Поток газа может перемещаться по каналам различного профиля с постоянной и переменной площадью поперечного сечения f. При этом важно, чтобы поток газа был сплошным, т.е. через поперечное сечение канала расход газа оставался неизменным.

Уравнение сплошности потока газа имеет вид

G = (57)

где G - массовый расход газа через поперечное сечение канала в единицу времени; w - скорость движения газа в сечении f; - удельный объем газа.

По форме каналов они могут быть отнесены к соплам или диффузорам.

Соплом называется канал с таким профилем, что при движении по нему газа происходит увеличение скорости потока w, увеличение удельного объема газа и уменьшение давления р. В сопле происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую энергию газа, что способствует росту скорости газового потока.

Диффузором называется канал с таким профилем, что при движении по нему газа происходит увеличение давления газа р и уменьшение скорости газового потока. В диффузоре происходит уменьшение кинетической энергии газа. В зависимости от формы канала и отношения давлений среды на входе в канал и на выходе из него, скорость газового потока в выходном сечении канала, может быть меньше, равной или больше скорости звука С. Скорость звука характеризует скорость распространения малых возмущений. Она зависит от свойств среды и ее параметров и определяется выражением

С =

При ускоренном или замедленном движении газового потока с изменением его температуры скорость звука также изменяется. Отношение скорости газа в данном сечении канала к скорости звука называется числом Маха М = /с. Скорость газа при щ < c и M < 1 называется дозвуковой, при щ = c и М = 1 звуковой и при щ > c, M > 1 сверхзвуковой скоростью. Параметры газового потока, когда скорость газа равна скорости звука, называются критическими, т.е.

Ркр/Р1/ = (59)

Критическое отношение давлений, при котором скорость газа становиться равной скорости звука, является функцией только показателя адиабаты, зависящего от атомности газа и температуры. Для воздуха - двухатомного газа при к = 1,4 отношение давлений = 0,528. Тогда ркр = 0,528 Р1/, Ткр = 0,83 Т1/, кр = 1,58 1/, кр = 0,634 1/, щкр = Скр = 1,08 ,

где Р1/, Т1/, 1/, 1/ - давление, температура, удельный объем, плотность газа (параметры торможения на входе в канал).

При адиабатном истечение газов через суживающееся сопло и сопло постоянного профиля скорость и расход газа G при заданных значениях давлений на входе Р1 и на выходе Р2 определяются из выражений:

При р2 / р1 > (докритический режим)

w = (60)

G = f (61)

При р2/р1 ? кр имеем:

kp = (62)

Gmax = f (63)

При сверхкритическом режиме р2 / р1 < в пределах суживающегося сопла происходит неполное расширение газа, давление понижается только до критического, а скорость на выходе равна критической скорости звука. Дальнейшее повышение скорости газа невозможно.

Расширяющееся сопло - сопло Лаваля применяют для получения скоростей больших, чем критическая скорость и достижения перепада давлений (рис. 17). В таком сопло газовый поток в ходе истечения дозвуковой скоростью (<c; р1>ркр) увеличивает скорость до скорости звука с равной критической скорости в газовой среде с параметрами wкр, ркр, Vкр, (wкр=с, ркр<р1, кр>1);

Рис. 17. Сопло Лаваля

Для сопла Лаваля характерными являются:

- участок 1 длиною , представляющий собой суживающееся сопло, в котором газовый поток в ходе истечения с дозвуковой скоростью (w < c;

р1 > ркр) увеличивает скорость до скорости звука с равной критической скорости в газовой среде с параметрами kp, ркр, кр (kp = с, ркр < р1, кр >1);

- участок 2 с наименьшим внутренним диаметром dmin и площадью поперечного сечения fmin, в котором скорость газового потока равна скорости звука, а параметры газа kp = с, ркр < р1, кр >1;

- участок 3 длиною представляющий собой расширяющееся сопло, в котором газовый поток имеет сверхзвуковую скорость истечения w2 > с и максимальный расход газа Gmax через выходное сечение с площадью f и диаметром d.

В целях исключения отрыва струи от стенок сопла и возникновения при этом дополнительных сопротивлений угол конусности расширяющегося сопла выполняют = 10-120.

Длина расширяющейся части сопла Лаваля

(64)

Площадь минимального сечения fmin

fmin = G кр / kp (65)

Для воздуха fmin = G /2,15(Р1/ 1)0,5

Площадь выходного сечения сопла f

f = fmin (кp2/wvкр), (66)

где кр =- критическая скорость газа; (67)

2 = 1 (Р1/Р2) - удельный объем газа при давлении среды Р2. (68)

6.3 Дросселирование

Дросселирование это процесс понижения давления в канале диаметром D путем установки перегородки с отверстием диаметром d, которое существенно меньше диаметра канала D, (рис. 18.)



Рис. 18. Схема дросселирования.

Малое отверстие диаметром d (дроссель) в сравнительно большом канале представляет сопротивление движению газа при преодолении которого давление в канале снижается с р1 до р2. Температура Т1 и скорость движения щ1 до дросселя для идеального газа не отличаются от Т2 и щ2 за дросселем, а для реального газа отмечается небольшое их снижение. Удельный объем увеличивается с 1 до 2. а произведение р - , т.е. р1 ·1 = р2 ·2 и энтальпия j не изменяются.

Что же касается изменения температуры, то в термодинамике для реальных газов имеется понятие, называемое дифференциальным температурным эффектом дросселирования, 1 = dТ/dр. Для идеальных газов 1 = 0, а Т1= Т2. Для реальных газов при дросселировании давление всегда падает, а 1 и температура в определенных условиях изменяются, что называется эффектом Джоуля-Томсона. При 1 > 0 температура газа падает, т.е. наблюдается охлаждающий эффект. При 1 < 0, температура повышается, т.е. отмечается тепловой эффект.

Состояние газа (р,Т) при которых эффект Джоуля-Томсона меняет знак называются точками инверсии, а их непрерывная совокупность - кривой инверсии (рис. 19.), которая делит диаграмму р-t на две области. Дросселирование начинающиеся при давлении и температуре расположенных внутри инверсионной кривой, сопровождается охлаждением вещества, а при их расположении снаружи - нагревом рабочего тела.



Рис. 19. Кривая инверсии азота

6.4 Искусственный холод

Производство искусственного холода для промышленных и бытовых нужд получило широкое применение, в том числе на автотранспорте для рефрижераторных перевозок продуктов.

По второму закону термодинамики, температура тела не может стать ниже температуры окружающей среды самопроизвольно без затраты работы или теплоты. Поэтому для решения задачи понижения температуры тела и поддержания непрерывно заданной низкой температуры в течение определенного времени, применяются различные холодильные установки. Такие установки работают по обратным термодинамическим циклам тепловых двигателей, (рис. 20). Так, в цикле Карно из начального состояния 1 рабочее тело, называемое холодильным агентом сжимается в компрессоре 3 сначала по адиабате 1 - 2, а затем по изотерме 2 - 3, т.е. в условиях эффективного охлаждения. Затем в расширительном цилиндре 1 давление и температура рабочего тела снижаются до значений Р4 и Т4 = Т1. Охлажденное до уровня Т 4 = Т1 рабочее тело направляется в охлаждаемый им отсек 2, где за счет его тепла q2 изотермически расширяется до первоначального состояния. Таким образом, цикл развивается в диаграммных представлениях против вращения часовой стрелки, а затрачиваемая на привод компрессора 3 работа цикла ц расходуется на передачу теплоты q2 от теплоносителя - рабочего тела с низким температурным уровнем к теплоприемнику - окружающей среде с более высокой температурой в количестве q1 = q2 +ц .

т = q2 /ц = (q2 -ц)/ц = Т1/(Т2-Т1) - холодильный коэффициент цикла Карно.

Обеспечить изотермические процессы в цикле реальной холодильной установки без фазовых превращений рабочего тела технически сложно.

Так как используемые в качестве холодильного агента рабочие тела аммиак, фреон и др., газы, кипящие при низких температурах, для которых изотермические процессы реализуются в цикле Карно, как процессы конденсации (в холодильнике) и парообразования (в холодильной камере).

Рис. 20. Схема холодильной установки и холодильный цикл Карно в координатах Т-s

В связи с этим цикл реальной холодильной установки больше похож на обратный паровой цикл Ренкина.

Наиболее распространенным в мире рабочим телом для холодильных установок, в том числе кондиционных установках автомобилей является фреон R12 - фторхлор, замещенный метан СС2 F2, отнесенный потенциально озоноактивным углеводородам, ограниченного применения.

6.5 Эжектирование

Эжектирование - это процесс приведения в движение газа путем создания разряжения другим газом, движущимся с большой скоростью, (рис. 21). Такой газ называется активным или эжектирующим, а приводимый им в движение газ пассивным или эжектируемым. В ходе эжектирования происходит передача энергии от активного газа пассивному. В последующем происходит выравнивание их скоростей и параметров.

Рис. 21. Схема эжектора

В зависимости от соотношения межу активным и пассивным газом различают эжекторы и инжекторы. В эжекторе количество активного газа меньше чем пассивного, а давление смеси на выходе равно давлению окружающей среды. Эжекторы находят применение для вентиляции помещений, для просасывания атмосферного воздуха через радиатор автомобильного двигателя. В инжекторе количество пассивного газа больше активного, а давление смеси газов на выходе больше. Поэтому он предназначен для повышения давления газов при нагнетании их в резервуары и различные устройства.

6.6 Термохимия. Состав смеси. Диссоциация

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты, которая называется теплотой реакции. Теплота реакции может быть положительной или отрицательной. Теплота, выделяющаяся в реакции, считается положительной, а теплота, поглощаемая в реакции отрицательной.

В химических реакциях кроме выделения или поглощения теплоты, изменяется внутренняя энергия системы и совершается внешняя работа, которая в автомобильных двигателях слагается из работы расширения и сжатия. Изменение внутренней энергии называется тепловым эффектом химической реакции. Он слагается из теплоты, выделенной при реакции и теплоты внешней работы. В реакциях, в которых кроме расширения или сжатия, никакой другой работы не совершается, имеют место минимальная работа и максимальное выделение теплоты реакции.

В замкнутой системе, т.е. в камере сгорания автомобильного двигателя при постоянном объеме изохорный тепловой эффект равен количеству выделенной теплоты.

Если химическая реакция протекает при постоянном давлении тепловой эффект изобарной реакции равен снижению энтальпии системы qр = i1 -i2. Согласно закона Гесса, тепловой эффект химического процесса зависит только от начального и конечного состояний системы. Однако он не зависит от пути, по которому протекает процесс.

Топливо объединяет вещества, выделяющие в ходе преобразования энергию, которая может быть технически использована. Основным способом высвобождения химической энергии топлива в автомобильных двигателях является организация процесса горения рабочего тела в камере сгорания путем реализации комплекса быстро протекающих химических реакций, сопровождающихся выделением теплоты.

Основным топливом для двигателей с принудительным зажиганием рабочего тела является бензин состоящий на 85 % из углерода С и на 15% из водорода Н. Для двигателей с самовоспламенением рабочего тела от сжатия топливом служит дизельное топливо, состоящее на 86% из углерода С, на 13% из водорода Н и на 1% из кислорода О. Автомобильные газовые двигатели работают на сжатых или сжиженных газах, состоящих на 82-85% из углерода С и на 18-15% из водорода Н. Все они нефтяного происхождения и представляют собой смеси различных углеводородов.

Состав топлива определяет его тепловую ценность, характеризуемую теплотворной способностью и, т.е. количеством теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива. В продуктах сгорания топлива всегда содержатся пары воды, образующиеся при сгорании водорода и покидающие двигатель при высокой температуре, без конденсации водяных паров. В связи с этим в тепловых расчетах применяют низшее значение теплотворной способности топлива , которая меньше и на величину тепла которое могло быть выделено путем конденсации водяных паров.

Низшая теплотворная способность топлива приближенно можно определить по эмпирической формуле Д.И. Менделеева или по следующей формуле:

Нин = [8100qc +24600qн]4,1868, кДж/кг, (69)

где qс = 0,85 и qн = 0,15 - массовые доли углерода и водорода в 1кг бензина или qс = 0,86 и qн = 0,13 - массовые доли углерода и водорода в 1кг дизельного топлива.

Состав смеси. Каждое топливо требует для сжигания определенное количество воздуха. Практически важным параметром является не теплота сгорания топлива, а теплота сгорания горючей смеси. Теплота сгорания горючей смеси в зависимости от соотношения топлива и воздуха может быть: богатой, бедной и стехиометрической. Различия их определяется отношением количества воздуха действительно содержащегося в горючей смеси д к теоретически необходимому количеству воздуха для полного сгорания топлива о. Это отношение называется коэффициентом избытка воздуха = д /о.

При = 1 горючая смесь называется стехиометрического состава и для сгорания 1г топлива смеси предусмотрено, теоретически необходимое количество 14,9г воздуха. При 1 горючая смесь называется богатой и для сгорания 1г топлива в смеси предусмотрено воздуха меньше чем требуется теоретически.

При 1 горючая смесь называется бедной и для сгорания 1г топлива в смеси имеется воздух больше теоретически необходимого количества.

Для составления теплового баланса процесса сгорания топлива в автомобильном двигателе используются элементарные химические реакции окисления элементов С и Н входящих в состав топлив:

С+О2 = СО2 (70)

12+32 = 44кг - при полном сгорании углерода до углекислого газа СО2.

2. 2С+О2 = 2СО (71)

24+32 = 56кг - при сгорании углерода до окиси углерода СО (угарный газ).

3. 2Н2+О2 = 2Н2О (72)

4+32 = 36кг - при сгорании водорода и образования водяного пара.

Химические реакции окисления углерода и водорода могут протекать при коэффициенте избытка воздуха = 1, 1, 1. Так как 1кг топлива содержит не по 1кг С и Н, а qс кг С и qн кг Н или (qс кг С + qн кг Н) = 1кг топлива.

Тогда уравнения (70), (71), (72) для 1кг топлива имеют вид:

1. при = 1 углерод, соединяясь с кислородом, образует окись углерода СО, которое соединяясь с кислородом образует углекислый газ СО2 и вместо уравнения (70) и (71) имеем

qс кг С + qс кг О2 = qс кг СО2. (73)

2. водород топлива всегда окисляется полностью, в случае недостатка кислорода 1, это отражается только на сгорании углерода, т.е. кислорода не хватает для окисления всего количества окиси углерода СО в углекислый газ. Поэтому получим уравнение (72) в виде

qн кг Н2 + 8 qн кг О2 = 9 qн кг Н2О. (74)

Складывая полученные уравнения и возможное содержание qо кг кислорода в топливе, а также содержание в атмосферном воздухе по массе 23,2% кислорода и 76,8% азота получим выражения для определение для теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1кг топлива о и масс продуктов сгорания GСО2 , GСО, GН2О, GN2 , их суммарной массы Gп.с. и массовых долей , , , :

о = 4,31 qс +8 qн - qо кг. (75)

Для бензина и дизельного топлива соответственно:

о = 4,31(2,6660,85+80,15-0) = 14,94кг и

о = 4,31(2,6660,86+80,13-0,01) = 4,31(2,293+1,04-0,01) = 4,313,3232 = 14,3кг.

GСО2 = 11/3qс кг ; GСО = ( -1)(2,666 qс + 8 qн - qо) кг; GН2О = 9 qн кг,

GN2 = 0,768о кг, Gп.с. = GСО2 + GСО + GН2О + GN2 , кг;

 qСО2 = GСО2 / Gп.с. , qСО = GСО / Gп.с. qН2О = GН2О / Gп.с qN2 = GN2/ Gп.с.

3. при 1, т.е. при введении в цилиндр двигателя воздуха больше чем требуется теоретически, рабочая смесь будет бедной и в реакцию окисления войдет только необходимое строго определенное, количество кислорода, как в случае = 1 и = о. Излишек кислорода появится в свободном состоянии в продуктах сгорания, т.е. вместо GСО = 0 при = 1 получим GСО2 = ( -1) (2,666 qс+8 qн - qо) кг свободного кислорода. Состав продуктов сгорания в остальном останется таким же, как и при = 1, а qО2 определится из выражения qО2 = GО2 / Gп.с. При 1, т.е. при введении в цилиндр двигателя рабочего тела богатого по топливу и с недостаточным количеством кислорода для его окисления полного сгорания окиси углерода СО в углекислый газ СО2 не может быть. Поэтому только часть углерода С топлива полностью окисляется в СО2, а другая часть окиси углерода СО так и остается не окисленной в продуктах сгорания в виде угарного газа СО.

Считается, что в двигателе кислорода с избытком хватает для сгорания наиболее легкого газа водорода и на окисление всего углерода в окись углерода СО и части окиси углерода в двуокись углерода СО2. Поэтому можно написать:

qС = Х qс+ (1- Х) qс, (76)

где qс - массовая доля углерода в 1кг топлива;

Х qс - количество углерода окисленное в СО2;

(1-Х) qс - количество углерода окисленное только в СО.

Доля углерода топлива, сгоревшего полностью, т.е. окисляющегося в СО2 при 1 определяется из выражения:

Х qс = qс(2/ - 1) + 6 qн( - 1) (77)

Доля углерода топлива, окисляющегося только в СО, определяется уравнением:

(1-Х) qс = 2(1-)( qс+3qн) (78)

Поэтому, реакция сгорания топлива в двигателе в условиях недостатка воздуха имеет вид:

qс кг С + qс кг Н)+ (qс +8qн ) кг О2 =

= Х qс кг СО2+(1- Х) qс кг СО+9 qн кг Н2О,

(79)Состав продуктов сгорания в кг при 1определяется из выражений:

GСО2 = Х qс = GН2О = 9qH (80)

GСО = (1- Х) qс = GN2 = 0,768о (81)

Суммарная масса продуктов сгорания должна быть равна массе кг воздуха плюс 1кг топлива, образующих рабочее тело или горючая смесь. Вследствие недостатка кислорода теплота в химических реакциях не может выделиться полностью. В результате появляется потеря теплоты, называемая потерей вследствие химической неполноты сгорания.

Количество теплоты, выделяющейся при окислении углерода С в углекислый газ СО2. hСО2 = 8140 ккал/кг = 34080,55 кДж/кг. Количество теплоты, выделяющейся при окислении С в СО, hСО = 2470 ккал/кг = 10341.4 кДж/кг. Потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания 1кг топлива

ккал/кг = 61127,3 (1- ) кДж/кг.

Диссоциация в процессе сгорания топлива в автомобильных двигателях отмечается при температурах газов близких и больших 20000С и представляет собой процесс распада химических соединений на простые составные части. Так, углекислый газ СО2 распадается с образованием окиси углерода СО и свободного кислорода О2, а водяной пар Н2О - с образованием свободного водорода Н2 и свободного кислорода О2.

В процессе сгорания происходит соединение отдельных элементов (С, О2, Н2), а в процессе диссоциации - противоположное явление, т.е. химические реакции между углеродом, водородом и кислородом могут протекать как в прямом (при сгорании), так и в обратном направлении (при диссоциации).

При сгорании 2СО + О2 = 2СО2 и 2Н2+О2 = 2Н2О.

При диссоциации 2СО2 = 2СО+О2 и 2Н2О = 2Н2+О2.

В процессе сгорания, особенно на конечном этапе, одновременно с диссоциацией продуктов сгорания происходит и обратный процесс - окисление продуктов диссоциации. При определенной температуре количественно эти два явления взаимно компенсируются, а состав продуктов сгорания остается вполне определенным. Такое состояние химических реакций называется химическим равновесием.

Если прямые реакции сопровождаются выделением теплоты, т.е. экзотермические. То обратные реакции сопровождаются поглашением теплоты, т.е. эндотермические. В этой связи диссоциация снижает количество теплоты, выделяющуюся в результате реакции сгорания топлива.

Процесс сгорания топлива в автомобильных двигателях быстротечный и настолько сложный, что, рассматривать только горючую смесь и конечные продукты сгорания невозможно. Так как при этом целый ряд вопросов остаётся необъяснимым. При этом остаются не принятыми во внимание промежуточные химические реакции, связывающие исходное состояние с конечным с помощью разветвляющихся цепных реакций, описанных в учении о цепных реакциях акад. Н.Н. Семеновым.

Начало химической реакции возможно, если энергия столкновения двух соударяющихся молекул превышает среднюю энергию столкновения на некоторую величину. Молекулы, обладающие такой избыточной энергией, называют активными. Однако до появления искры интенсивность образования активных молекул невелико. В результате теплового воздействия искры на горючую смесь появляются активные центры реакции, дающие начало развитию цепных реакций. В этой начальной стадии реакции образуется только начальный очаг горения без повышения температуры и давления газов. Этот начальный этап называется периодом задержки воспламенения. В ходе его скорость подготовительных реакций постепенно увеличивается. В определенный момент скорость образования активных центров значительно превышает скорость их исчезновения, тепловыделение оказывается значительно больше теплоотдачи в соседние слои смеси. В результате реакция сгорания начинает бурно развиваться, что характеризуется видимым появлением пламени, повышением температуры и давления газов, наступает второй период сгорания или период видимого сгорания.

Температура и давление, а так же скорость начавшегося распространения пламени увеличиваются. Скорость распространения пламени повышается до 20-30 м/с, сгорание с такой скоростью принято называть нормальным или диффузионным сгоранием рабочего тела в двигателе с искровым зажиганием, в отличие от взрывного или детонационного сгорания гомогенной (однородной) смеси со скоростью распространения пламени 2000 м/с.

Детонационное сгорание в двигателе недопустимо вследствие снижения мощности и экономичности, а так же разрушения его отдельных деталей.

Процесс сгорания в дизелях, в отличие от рассмотренного двигателя, разделяют не на два, а на 3-4 периода, что связано с отсутствием равномерного распределения топлива в объеме сжатого воздуха. В дизеле рабочая смесь всегда гетерогенная в отличие от гомогенной (однородной) в двигателе с искровым зажиганием.

Несмотря на значительное превышение температуры сжатого воздуха (500-6000С) над температурой самовоспламенения впрыскиваемого мелко распыленного топлива (2000С), оно воспламеняется не мгновенно, а с задержкой называемой периодом задержки воспламенения. Продолжительность его 0,002-0,006с. Это время требуется на подготовительные химические реакции окисления, предшествующие видимому сгоранию.

Первые очаги пламени появляются в той части объема, где физико-химическая подготовка происходила наиболее интенсивно, и в которой образовалось наибольшее количество активных центров, дающих начало цепным реакциям.

Период задержки воспламенения заканчивается и наступает период сгорания, характеризуемый быстрым повышением давления и температуры. При очень быстром нарастании давления более 0,4-0,6 МПа на 10 угла поворота коленчатого вала двигатель работает жестко со стуком, что весьма нежелательно из-за повышенных износов деталей. Во втором периоде химические реакции интенсифицируются, и тепловыделение резко увеличивается, температура, и давление газов возрастают.

Третий период, протекающий почти при постоянном давлении, начинается у ВМТ, когда впрыск топлива еще продолжается. Поэтому в дизеле отмечается интенсивное догорание топлива в начале хода расширения, а период называется периодом догорания. Обычно третий и четвертый периоды объединяют в один период.

В связи с тем, что дизель работает, на гетерогенной смеси скорость распространения пламени не может достигать уровня взрывного горения (2000 м/с) и детонации в дизеле не бывает. Для высокоэффективного сгорания топлива в дизеле важно согласовать топливные факелы распылителя с формой и аэродинамикой камеры сгорания.

Раздел 2. Теплопередача

Самопроизвольный процесс передачи внутренней энергии от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой называется теплообменом или теплопередачей. Передача тепла осуществляется теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность - это процесс передачи тепла между непосредственно соприкасающимися частями тела, обусловленный тепловым движением молекул или атомов вещества, а в металлах свободных электронов.

Конвекция тепла - это процесс передачи тепла из одной части пространства в другую текущей жидкостью или газом. Конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс конвекции тепла и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и потоком жидкости или газа называется конвективной теплоотдачей.

Тепловое излучение - это процесс превращения внутренней энергии тела в лучистую энергию и передачи лучистой энергии в окружающее пространство или тело. Процесс превращения падающей на тело лучистой энергии во внутреннюю энергию тела называется поглощением. Процесс передачи тепла, обусловленный взаимным излучением и поглощением тепла между двумя или несколькими телами, имеющих различную температуру, носит название теплообмена излучением.

Процесс передачи тепла от одной жидкости или газа к другой через разделяющую их твердую стенку так же называется теплопередачей.

Глава 7. Теплопроводность

7.1 Основные положения

В твердом теле или в неподвижной жидкости с неодинаковой температурой по объему их, происходит распространение теплоты теплопроводностью от точек с высокой температурой к точкам с низкой температурой. Теплообмен между отдельными зонами тела обусловлен взаимным обменом кинетической энергией через молекулярные связи, распространением упругих волн, а в металлах так же диффузией электронов.

Совокупность температур для всех точек, в данный момент времени, в пространстве, в котором протекает процесс теплообмена, называется температурным полем. Различают температурное поле стационарное, когда температуры точек тела не изменяются во времени и нестационарное, когда они изменяются во времени - при разогреве или охлаждении тела. Поверхность тела, на которой располагаются точки с одинаковой температурой, называется изотермической поверхностью. Линия, соединяющая точки с одинаковой температурой называется изотермой. Изменение температуры на единицу расстояния между изотермическими поверхностями называется температурным градиентом и обозначается grad t = () dt/dn,

где - единичный вектор, направленный перпендикулярно к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры;

n - расстояние между изотермическими поверхностями.

При возрастании температуры температурный градиент имеет положительное значение, при снижении - отрицательное. Наличие градиента является необходимым условием теплообмена.

Количество теплоты, передаваемое от одной изотермической поверхности к другой в сторону понижения температуры в единицу времени называется тепловым потоком, обозначается Ф и имеет размерность, Вт (ккал/ч). Отношение теплового потока (Ф) к площади (F), через которую он проходит в единицу времени, называется плотностью (q) теплового потока

q = Ф/ F, (82)

7.2 Теплопроводность при стационарном потоке теплоты

Стационарный тепловой поток, проходящий через плоскую однослойную стенку, определяется законом Фурье:

Ф = ,

где - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(мК). Он определяется опытным путем, а значения его для твердых и жидких тел газов и паров приведены в справочной литературе 2;

- толщина стенки, м;

F - площадь поверхности стенки, через которую проходит поток теплоты, м2;

t1 - t2 - разность температур на поверхностях стенки, К;

- отношение толщины стенки к коэффициенту теплопроводности стенки или термическое сопротивление стенки или слоя, (м2К)/Вт.

При =1м, F =1м2, (t1 - t2)=1К, Ф =, т.е. теплопроводность численно равна тепловому потоку проходящему через 1м2 поверхности стенки при градиенте температуры 1К/м. Коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества проводить теплоту. У газов =0,005-0,5Вт/(мК); у жидкостей =0,08-0,7 Вт/(мК) и у металлов=10 -410 Вт/(мК). Вещества с2…3 Вт/(мК) называются теплоизоляционными. Пористые вещества и строительные материалы имеют =0,0,2-3 Вт/(мК).

Для многослойной стенки, состоящей, из n слоев формула для теплового потока имеет вид:

Ф =

Тепловой поток, проходящий через многослойную плоскую стенку прямо пропорционален разности температур поверхностей первого t1 и последнего слоя tn+1 , площади поверхности, через которую он проходит, и обратно пропорционален полному термическому сопротивлению многослойной плоской стенки.

Особенностью прохождения теплового потока через цилиндрическую стенку, например, цилиндры двигателя или труб систем смазки и охлаждения, является то, что изотермические поверхности имеют единую ось и цилиндрическую форму, а температура изменяется по радиусу.

Тепловой поток для однослойной стенки цилиндра составит

Ф =

где d1 и d2 - внутренний и наружный диаметр цилиндра, м; 0,5(d2 - d1) - толщина стенки цилиндра, м; t1 и t2 - температуры внутренней и наружной поверхности стенки цилиндра, К;

- термическое сопротивление 1м длины цилиндра трубы.

Для многослойной цилиндрической стенки, состоящей из n слоев с температурами крайних поверхностей t1 и tn+1 тепловой поток, составит:

Ф = ,

где знаменатель - полное термическое сопротивление многослойной цилиндрической стенки.

В зависимости от назначения на практике встречаются установки, например теплообменники (радиаторы) через которые должны проходить мощные тепловые потоки и стенки их однослойные с малым термическим сопротивлением. В других случаях, стенки являются ограждающим элементом теплотрассы, глушителя, холодильников. Их приходится дополнительно теплоизолировать для исключения потерь теплоты в окружающую среду.

7.3 Теплопроводность при не стационарном тепловом потоке

Нестационарный тепловой поток наблюдается в автомобильных двигателях при их запуске и прогреве, а также остывании по окончании работы; при термической обработке деталей в период их нагревания и охлаждения, т.е. во всех случаях, когда температурное поле в их телах изменяется во времени.

Нагревание и охлаждение пластины. Пластина толщиной 2, температура которой начальный момент времени всюду одинакова и равна t0, нагревается или охлаждается в жидкой или газообразной среде с постоянной температурой t1.. Коэффициент теплоотдачи от поверхности пластины в окружающую среду имеет постоянное значение.

Безразмерная температура пластины является функцией следующих безразмерных величин:

= (), (87)

где = - безразмерная температура;

t - температура пластины на расстоянии Х от оси в момент времени от начала процесса;

F0 = - безразмерное время или критерий Фурье;

- коэффициент температуропроводности, м2/с;

- коэффициент теплопроводности, Вт/м.к;

с и - теплоемкость и плотность материала пластины;

Вi = - отношение внутреннего термического сопротивления пластины к внешнему (критерий Био);

- коэффициент теплоотдачи от поверхности пластины к окружающей среде, Вт/(м2К).

Функциональная зависимость выражается уравнением:

= , (88)

где - корни характеристического уравнения ctq= /Bi.

Это уравнение для примет вид:

1. при Bi 100

= , (89)

2. при Bi 0,1

= cos, (90)

При значениях F0 0,3 можно вычислять , принимая во внимание один первый член ряда. В этом случае безразмерные температуры в середине пластины ср и на поверхности пов

ср = Nexp (-Fo); пов = Pexp(-Fo).

Величины N, P и при различных значениях Bi приведены в справочниках.

Количество тепла, которое отдает или воспринимает 1м2 пластины с обеих сторон в промежуток времени от до определяется соотношением

Ф = 2, Вт/м2 ; (91)

где - средняя безразмерная температура пластины.

= (92)

При Bi 100 и Bi 0,1 получим соответственно:

= (93)

и = (94)

При F00,3, = М exp (-Fo)

Значения М приведены в справочниках. При Bi 0,5 эта формула практически пригодна с самого начала нагревания или охлаждения.

Глава 8. Конвективный теплообмен

8.1 Основные положения

Совместный процесс передачи теплоты тепловым движением молекул и атомов вещества, а в металлах - свободных электронов между соприкасающимися поверхностями и процесс передачи теплоты из одной части пространства в другую текущей жидкостью или газом можно разделить на следующие 4 вида теплообмена:

1. конвективный теплообмен в однофазной среде;

2. конвективный теплообмен в двухфазной среде;

3. конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости или газа, т.е. вынужденная конвекция;

4. конвективный теплообмен при свободном движении жидкости или газа, т.е. естественная конвекция.

Вынужденным называют движение жидкости или газа, обусловленное внешними силами, например, движение охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения и в радиаторе автомобильного двигателя с помощью циркуляционного насоса или воздуха, через наружный контур радиатора с помощью вентилятора и встречного потока.

Свободным, называют движение обусловленное, неравномерным распределением плотности жидкости или газа в связи с протеканием теплообмена, например, движение воздуха в форточке при вентиляции комнаты, теплый воздух, имеющий меньшую плотность, поднимается верх и выходит из комнаты через верхнюю часть форточки, а через нижнюю часть в комнату поступает свежий воздух большей плотности. Поэтому окно имеет форточку вверху.

8.2 Перенос теплоты конвекцией. Теплоотдача

Молекулярные связи в твердых телах удерживают молекулы в определенном положении в пространстве, а в газах эти связи не значительны и поэтому их молекулы или атомы имеют возможность свободно перемещаться в пространстве, взаимно диффундироваться. При наличии в объеме газа зон с разной температурой перераспределение энергии происходит из-за столкновения частиц, перемещающихся с различной скоростью движения, а перенос теплоты осуществляется конвекцией.

Перенос теплоты только одной конвекцией может происходить в жидкостях или газах и при условии существования разности температур между отдельными их слоями. Более нагретые слои, имея меньшую плотность, поднимаются вверх, а менее нагретые и тяжелые опускаются вниз. В результате такого перемешивания по всей массе жидкости или газа установится одинаковая температура.

Теплообмен между поверхностью твердого тела и движущейся жидкостью называется теплоотдачей. Теплоотдача наблюдается, когда холодная жидкость в рубашке охлаждения омывает нагретые в режиме прогрева двигателя головку и блок цилиндров или нагретая охлаждающая жидкость находится в трубках радиатора у холодных стенок трубок и охлаждается от стенок.

При движении холодной жидкости в нагретой трубе она нагревается от ее стенок. Наибольшая скорость потока наблюдается в центре трубы, а чем ближе к стенкам она падает. При небольших скоростях движения в результате трения жидкости о шероховатую поверхность стенок ее движение замедляется и у поверхности стенок окажется как бы зацепившийся неподвижный слой, называемый пограничным слоем. Теплообмен трубы через пограничный слой с общей массой жидкости происходит как путем теплопроводности, так и путем конвекции. Так как теплопроводность жидкостей и газов не значительна, пограничный слой замедляет теплоотдачу от стенки к жидкости, а отсутствие его наоборот, ускоряет теплоотдачу.

На образование пограничного слоя оказывает большое влияние характер движения жидкости в трубе.

Ламинарный режим течения жидкости - это режим течения параллельных слоёв, которые не пересекаются между собой.

При медленном и спокойном ламинарном движении жидкости вокруг нагретой поверхности наличие пограничного слоя замедляет теплообмен. При больших скоростях обмывания жидкостью нагретой поверхности, созданных вентилятором или насосом, возникает турбулентный поток, движение, когда кроме основного движения наблюдается поперечное, освобождающий поверхность от пограничного слоя и ускоряющий теплоотдачу. Ускоренное движение жидкости обусловлено использованием насоса и поэтому имеет место вынужденная конвекция.

Тепловой поток при теплоотдаче от нагретой поверхности к жидкости или газу, например, от нагретых поверхностей отопительной батареи к комнатному воздуху, выражается уравнением Ньютона.

Ф = (t1 - t2) F, Вт,

где t1 - температура нагретой поверхности, К;

t2 - температура жидкости или газа, К;

F - площадь поверхности теплоотдачи, м2;

- коэффициент теплоотдачи стенки. Вт/(м2К);

В расчетах конвективного теплообмена большие затруднения вызывает определение коэффициента теплоотдачи находящегося в зависимости от многочисленных факторов: скорости движения газа или жидкости, их физических параметров - плотности, вязкости, теплоемкости, температуры, режима движения, формы и расположения поверхности по отношению к движущемуся газу или жидкости и многих других.

Обычно задачу решают с помощью сложной системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена с краевыми условиями однозначности.

8.3 Теория подобия и метод моделирования

Методом моделирования изучаются вопросы конвективного теплообмена, обусловленные характером движения газовых и жидкостных потоков. Исследование проводится не на действующей установке ,т.е. образце, а на ее модели, выполненной в уменьшенном масштабе, иногда из прозрачного материала, что позволяет наблюдать движение подкрашенных потоков жидкости и фотографировать их. Модели выполняются с соблюдением всех требований теории подобия и геометрического подобия его образцу. Важно также обеспечить равенство чисел гидродинамического и теплового подобия.

Примером числа гидродинамического подобия является число Рейнольдса Re = d/v,

где - скорость рабочей жидкости в модели;

d - определяющий размер;

- кинематическая вязкость жидкости, м2/с.

Следствием достигнутого гидродинамического подобия является подобие полей скорости и давления, т.е. одинаковое отношение скоростей и перепадов давлений в сходственных точках образца и модели. Условием теплового подобия является подобие температурных полей и равенство чисел теплового подобия, которым является число Нуссельта, т.е. температуры в сходственных точках модели и образца должны иметь одинаковое отношение.

В число или критерий теплоотдачи Нуссельта характеризующий интенсивность теплообмена на границе жидкости и стенки входит коэффициент теплоотдачи . Поэтому вместо установления математической зависимости его от многочисленных факторов достаточно установить зависимость между критерием Нуссельта и критериями подобия Пекле Ре, Рейнольдса Re, Грасгофа Gr, Эйлера Eu, Прандтля Pr, а затем вычислить коэффициент теплоотдачи .

Критериями или числами гидродинамического и теплового подобия являются:

1. Критерий Пекле, характеризующий конвективный теплообмен, Ре

Ре = ,

где - характерный линейный размер поверхности теплообмена, м.

2. Критерий Рейнольдса Re, характеризующий силы инерции и вязкости потоке жидкости

Re = ,

где - кинематическая вязкость, м2/с.

3. Критерий Грасгофа, Gr характеризующий взаимодействие подъемных сил и сил вязкости.

Gr = ,

где - разность между температурами стенки () и жидкости (): - коэффициент объемного расширения, 1/град: g - ускорение свободного падения, м/с2.

...