Расчет теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине «Теплотехника»

Тема: «Анализ конструкции и расчет элементов теплового двигателя (ДВС)»

Автор проекта

____________________Быховец И. Д.________________

(дата, подпись, фамилия, имя, отчество)

 

Группа САТ-302 № зачетной книжки __________________

 

Специальность__ 190603 «Сервис автомобильного транспорта» ____________

 

__________________________________________________________________

 

Обозначение проекта

 

____________________ КР 2068029.190603.031 ____________________

 

 

Руководитель проекта__________________ Шилин Б.И.

(подпись, уч. степ., уч. зв., фамилия, инициалы)

 

Члены комиссии ________________________________________________

(подпись, уч. степ., уч. зв., фамилия, инициалы)

 

________________________________________________

(подпись, уч. степ., уч. зв., фамилия, инициалы)

 

Брянск – 2011

БРЯНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

 

Кафедра энергетики и автоматизации производственных процессов

 

Студент__________________________

Группа__ САТ-301 ___№ зачетной книжки_______________________

1. Тема:_____ Анализ конструкции и расчет элементов теплового __________

двигателя (ДВС) __________________________

2. Срок представления к защите_______________________________________

3. Содержание пояснительной записки

 

3.1._ Введение _____________________________________________________

3.2._ Анализ конструкций двигателей внутреннего сгорания ______________

3.3._ Анализ системы охлаждения двигателя автомобиля ГАЗ _____________

3.4._ Расчет теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку

3.5._ Расчет теплообмена при естественной конвекции ___________________

3.6._ Расчет характеристик цикла теплового двигателя ___________________

3.7._ Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного ___

_ аппарата ______________________________________________________

3.8._ Список используемой литературы ________________________________

 

4. Перечень графических материалов

4.1._ Рекуперативный теплообменный аппарат (ф. А2) ____________________

4.2._ Схема охлаждения двигателя (ф. А2) __________

 

 

Руководитель

проектирования ___________________________________ Шилин Б.И.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Разраб.

Быховец

Провер.

Шилин

Реценз.

Н. Контр.

Утверд.

Лит.

Листов

САТ-301

Содержание

1. Введение……………………………………………………….4 стр.

2. Анализ конструкций двигателей внутреннего сгорания……5 стр.

3. Анализ системы охлаждения двигателя автомобиля ГАЗ.…7 стр.

4. Расчет теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку…………………………………………………………10 стр.

5. Расчет теплообмена при естественной конвекции…………19 стр.

6. Расчет характеристик цикла теплового двигателя…………23 стр.

7. Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата……………………………………31 стр.

8. Список используемой литературы…………………………..38 стр.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Введение

В данной курсовой работе был произведен тепловой расчет элементов теплового двигателя, который включает в себя:

· Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку

· Теплообмен при естественной конвекции

· Расчет характеристик цикла теплового двигателя

· Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата

Расчет теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку помогает нам выяснить роль образования дополнительных слоев и их воздействие на процесс теплопередачи.

Расчет теплообмена при естественной конвекции состоит в анализе характера взаимодействия стенки двигателя с окружающей средой.

Расчет характеристик цикла теплового двигателя позволяет нам просмотреть реальную картину, происходящую в двигателе, что необходимо при расчете технологических особенностей цилиндра.

При конструктивном тепловом расчете рекуперативного теплообменного аппарата мы находим количество трубок, размеры и материал трубок аппарата.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Анализ конструкций двигателей внутреннего сгорания.

Двигатель является источником механической энергии, необходимой для движения автомобиля. Наибольшее распространение на автомобилях получили двигатели внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания так называется потому, что процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращение ее в механическую работу происходит непосредственно в его цилиндрах.

Эти двигатели классифицируют:

по способу смесеобразования – на двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые), у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров, и двигатели с внутренним смесеобразованием (дизели), у которых рабочая смесь образуется внутри цилиндров;

по способу выполнения рабочего цикла – на четырех- и двухтактные;

по числу цилиндров – на одно-, двух- и многоцилиндровые;

по расположению цилиндров – на двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд и на V-образные двигатели с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180⁰ двигатель называется с противолежащими цилиндрами, или оппозитным);

по способу охлаждения – на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением;

по виду применяемого топлива – на бензиновые (карбюраторные), дизельные, газовые и многотопливные.

В зависимости от вида применяемого топлива способы воспламенения рабочей смеси в двигателях различны:

в карбюраторных двигателях смесь, приготовленная из паров бензина и воздуха, и в газовых двигателях смесь, состоящая из сжатого или сжиженного горючего газа и воздуха, воспламеняется электрической искрой;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

в дизелях мелкораспыленное дизельное топливо, впрыснутое в цилиндры, самовоспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха без постороннего источника зажигания;

в многотопливных двигателях (ЗИЛ-645), конструкции которых позволяют использовать дизельное топливо, бензин и другие топлива, воспламенение рабочей смеси происходит так же, как и в дизелях, от сильно нагретого воздуха вследствие высокой степени его сжатия.

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

 

 

Рисунок 1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – впускной трубопровод; 4 – впускной клапан; 5 – свеча; 6 – выпускной клапан; 7 – выпускной трубопровод; 8 – шатун; 9 – коленчатый вал;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Анализ системы охлаждения двигателя автомобиля ГАЗ

 

Система охлаждения двигателя — жидкостная, закрывая, с принудительной циркуляцией жидкости. Система охлаждения состоит из: водяной рубашки блока цилиндра, окружающей гильзы цилиндров; водяной рубашки головки блока, охватывающей камеры сгорания и каналы головки; водяной рубашки впускной трубы; водяного насоса; радиатора и жалюзи; вентилятора; термостата: пробки радиатора и спускных краников. К системе охлаждения подключен также радиатор отопления кабины и пусковой подогреватель двигателя.

Рисунок 1. Система охлаждения двигателя ГАЗ.

1 – верхний бачок водяного радиатора; 2 – горловина радиатора; 3 – датчик контрольной лампы; 4 – пробка радиатора; 5 – подводящий шланг радиатора; 6 – водяной насос; 7 – перепускной шланг; 8 – контрольная лампа температуры воды в радиаторе; 9 – патрубок; 10 – термостат; 11 – правый продольный канал; 12 – датчик термометра; 13 – центральный канал водяной рубашки впускной трубы; 14 – термометр; 15 – рукоятка жалюзи; 16 – левый продольный канал; 17 и 22 – краники; 18 – тяга; 19 – водяная рубашка двигателя; 20 – отверстие входа воды в блок; 21 – отводящий шланг радиатора; 23 – нижний бачок радиатора; 24 – вентилятор; 25 – трубки радиатора; 26 – жалюзи.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Поддерживание правильного температурного режима двигателя существенно влияет на износ двигателя и его экономичность. При низкой температуре из-за большой вязкости масла увеличиваются потери на трение и снижается экономичность двигателя, масло смывается со стенок цилиндров конденсирующимися парами бензина, повышается износ трущихся детален и возможны задиры. Поэтому не рекомендуется начинать движение, когда двигатель холодный. До полного его прогрева следует двигаться с умеренной скоростью.

При перегреве двигателя возникает детонация, сильно снижается вязкость масла и подает его давление в системе смазки, ухудшаются условия смазки, что вместе с возможным пригоранием масла может привести к задирам поршней и цилиндров.

Жидкость из левой головки через два отверстия, имеющиеся в передней и задней ее частях, и далее через левый продольный 16 и центральный 13 каналы водяной рубашки впускной грубы направляется к правому продольному каналу и выпускному патрубку 9. Из правой головки через правый продольный канал водяной рубашки впускной трубы охлаждающая жидкость поступает в выпускной патрубок.

Из выпускного патрубка жидкость при открытом термостате направляется в верхний бачок 1 радиатора (при прогретом двигателе) или при закрытом термостате через перепускной шланг 7 во всасывающую полость водяного насоса (при непрогретом двигателе).

Водяной насос.

Водяной насос — центробежного типа. Корпус насоса состоит из двух частей: одна чacть корпуса отлита из чугуна и прикреплена к другой (задней) части, отлитой как одно целое с крышкой распределительных шестерен. Вал водяного насоса вращается в двух шарикоподшипниках. Размеры переднего подшипника, воспринимающего большую имеют с наружных торцов войлочные сальники, защищенные стальными кольцами. Сальники и кольца,

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

вмонтированные в наружные обоймы подшипников, препятствуют вытеканию смазки из полости корпуса.

Лопатки крыльчатки водяного насоса изготовлены из пластмассы (волокнит), а ступица — стальная. Полость насоса, в которой циркулирует охлаждающая жид­кость, отделена от полости с вмонтированными в нее подшипниками резиновым торцовым самоподвижным сальником. Крыльчатка имеет паз, в который входят выступы шайбы из графито-свицовистой смеси и выступы обоймы сальника. В торец обоймы упирается коническая пружина, прижимающая резиновую манжету сальника и шайбу к полированному торцу корпуса насоса. Другая обойма надета на цилиндрическую часть манжеты и центрирует пружину. Подшипники с находящейся между ними распорной втулкой зажаты между ступицей шкива и упорным кольцом, заложенным, в канавку вала. Подшипники закреплены в корпусе стопорным кольцом, входящим в паз корпуса.

Резиновая манжета, ее обоймы, шайба и пружина вращаются вместе с крыльчаткой. Для удобства сборки все эти детали заранее вставляют в крыльчатку и удерживают от выпадения запорным, кольцом. Вода, просачивающаяся через сальник из водяной полости, попадает в канавку, проточенную на валу, сбрасывается с кромки канавки центробежной силой и вытекает через контрольное отверстие, расположенное внизу корпуса. Течь воды через это отверстие указывает на неисправность сальника. При закупорке отверстия в полости подшипников скапливается вода и они выходят из строя.

 

Расчет теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку

Тепло газообразных продуктов сгорания передается через стенку к воде. Принимая температуру газов t_г = 1100⁰C, воды t_в = 40⁰C, коэффициент теплопроводности со стороны газа α_г = 100 Вт/м²К, со стороны воды α_в = 1300 Вт/м²К и считая стенку цилиндрической длиной L = 295 мм требуется:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

1. Определить термические сопротивления R, коэффициенты теплопередачи К, плотности тепловых потоков для случаев:

а) стенка стальная чистая, d_вн – 58 мм, d_н – 90 мм при λ₁ = 50 Вт/м К,

б) стенка чугунная чистая, d_вн – 58 мм, d_н – 90 мм при λ₂ = 35 Вт/м К,

в) стенка стальная, со стороны воды покрыта слоем накипи толщиной

δ₁ = 1,7 мм, при λ₃ = 2 Вт/м К.

г) случай «в», но поверх накипи имеется слой масла толщиной δ₂ = 0,4 мм, при λ₄ = 0,2 Вт/м К.

д) случай «г», со стороны газов стенка покрыта слоем сажи δ₃ = 1 мм,

при λ₅ = 0,2 Вт/м К.

2. Приняв для случая «а» тепловой поток за 100%, подсчитать в процентах тепловые потоки для остальных случаев.

3. Определить аналитически температуры всех слоев стенки для случая «д».

4. Определить эти же температуры графически.

5. В масштабе для случая «д» построить график падения температуры в стенке.

1. a). Термическое сопротивление находим по формуле: , где λ – коэффициент теплопроводности;

- длина цилиндрической стенки;

- внутренний диаметр трубки;

- внешний диаметр трубки.

Термическое сопротивление стали.

 

;

;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Коэффициент теплопередачи находим по формуле: ,

где - сумма термических сопротивлений.

Термическое сопротивление воды: ;

Термическое сопротивление газа: ;

Коэффициент теплопередачи.

 

;

;

Плотность теплового потока находим по формуле: ,

где - коэффициент теплопередачи;

- температура газа;

- температура воды.

 

Плотность теплового потока.

 

;

;

 

1.б). Термическое сопротивление чугуна.

;

;

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Коэффициент теплопередачи.

 

;

;

 

Плотность теплового потока.

 

;

 

1.в). Термическое сопротивление накипи.

Т.к стенка покрыта слоем накипи со стороны воды, то чтобы рассчитать термическое сопротивление накипи, мы должны пересчитать диаметры. Внешним диаметром накипи будет внешний диаметр трубки плюс две толщины слоя накипи, а внутренним диаметром накипи будет являться внешний диаметр трубки.

 

;

 

 

Коэффициент теплопередачи.

 

;

;

 

Плотность теплового потока.

 

;

1.г). Термическое сопротивление масла.

Т.к поверх накипи имеется слой масла, то чтобы рассчитать термическое сопротивление масла, мы должны пересчитать диаметры. Внешним диаметром масла будет диаметр накипи плюс две толщины масляного слоя, а внутренним диаметром масла будет являться внешний диаметр накипи.

;

;

 

Коэффициент теплопередачи.

 

;

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Плотность теплового потока.

 

;

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

1.д). Термическое сопротивление сажи.

Т.к стенка со стоны газов покрыта слоем сажи, то чтобы рассчитать термическое сопротивление сажи, мы должны пересчитать диаметры. Внутренним диаметром сажи будет внутренний диаметр трубки вычесть две толщины слоя сажи, а внешним диаметром сажи будет внутренний диаметр трубки.

 

;

;

 

Коэффициент теплопередачи.

 

;

;

 

Плотность теплового потока.

;

.

2. Сведем все тепловые потоки в таблицу 1 и проанализируем.

Таблица 1

 

№ случая	Значение q, Вт/м2
а	62095,7
б	54794,5
в	36418,8
г	19851,1
д	6743,46

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Методом пропорций мы рассчитаем процентное отношение всех значений q для все случаев, относительно случая а).

Чтобы найти процент для случая б), нам необходимо:

62095,7 – 100%

54794,5 – Х%

Тогда: .

Таким же образом и для других случаев. Полученные результаты представим в таблице 2.

Таблица 2

Номер случая	Значение q,	%
а	62095,7
б	54794,5	88,24
в	36418,8	58,6
г	19851,1	31,96
д	6743,46	10,8

 

3. Температуры всех слоев стенки для случая д), мы определим по формуле: ,

где - температура рассчитываемой стенки;

- температура среды, с которой контактирует первый слой;

- тепловой поток для случая д) ;

- сумма термических сопротивлений рассматриваемых слоев.

 

Температура слоя сажи.

 

;

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Температура слоя стали.

 

;

;

 

Температура слоя накипи.

 

;

;

 

Температура внутреннего слоя масла.

 

;

;

Температура наружного слоя масла.

;

;

Температура слоя воды.

 

;

;

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

4. Определяем температуры слоев графически:

 

 

 

Рисунок 4. Графическое определение температур

 

Температура слоя сажи: t = 932,56⁰C;

Температура слоя стали: t = 298,68⁰С;

Температура слоя накипи: t = 266,9⁰С;

Температура слоя масла: t = 45,12⁰С;

Температура слоя воды: t = 40⁰С;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Расчет теплообмена при естественной конвекции.

 

Рассчитать локальные значения коэффициентов теплоотдачи и значения толщин пограничного слоя на нагретой вертикальной стенке теплового двигателя высотой h, среднее значение коэффициентов теплоотдачи в зонах ламинарного и турбулентного режимов течения потока воздуха, среднее значение коэффициента теплоотдачи по всей высоте стенки.

Построить в масштабе графики изменения коэффициентов теплоотдачи и толщины пограничного слоя по высоте стенки.

Исходные данные: средняя температура поверхности стенки t_ст = 41⁰С и температура воздуха t_в = 15⁰С, высота стенки h – 1,1 м.

 

1. Определяем на какой высоте от низа стенки произойдет переход от ламинарного к турбулентному режиму теплообмена.

 

 

 

2. В зоне ламинарного движения потока определяем толщины пограничного слоя δ и локальные значения коэффициента теплоотдачи α по соотношениям.

Значения х принимаем равными 0,01 м; 0,25l_кр; 0,5l_кр; 0,75l_кр; l_кр.

м;

м;

м;

м;

м;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

Вт/м²К;

Вт/м²К;

Вт/м²К;

Вт/м²К;

Вт/м²К;

 

Полученные значения сводим в таблицу 3.

Таблица 3

Значения x	0,01	0,149	0,298	0,446	0,60
Значения δ	0,675*10-2	1,35*10-2	1,60*10-2	1,78*10-2	1,91*10-2
Значения α	7,43	3,72	3,12	2,82	2,63

3. Определяем средний коэффициент теплоотдачи в зоне ламинарного режима течения потока:

 

, ;

 

 

4. Определяем средний коэффициент теплоотдачи в зоне турбулентного режима течения потока:

, ;

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 2068029.190603.031 ПЗ

5. Определяем средний коэффициент теплоотдачи по всей стенке:

 

;

;