Процесс передачи тепла от газов к охлаждающей жидкости в цилиндре двигателя разбивается на три этапа: теплоотдача от газов к стенке цилиндра; теплопередача через стенки цилиндра и теплоотдача от наружной поверхности стенок цилиндра к охлаждающей среде. Теплоотдача от газов к стенке цилиндра происходит главным образом путем соприкосновения. Радиационная составляющая теплообмена принимается равной около 5% . Однако некоторые исследования последних лет показывают, что лучистый теплообмен в цилиндре дизеля достигает 15% от всего передаваемого тепла. При установившемся тепловом потоке, и если принять стенку цилиндра плоской, согласно закону Ньютона, количество теплоты, переданное от газов к 1 м 2 поверхности стенки в течение часа, будет равно
где ? г — коэффициент теплоотдачи от газов к стенке путем соприкосновения в ккал1м 2 град·ч;
Т Г — температура газов в цилиндре;
Т 1 — температура внутренней поверхности стенки цилиндра (рис. 106).
Количество теплоты, передаваемое лучеиспусканием от газов к стенке, согласно закону Стефана-Больцмана, будет равно
Здесь Т п — температура во фронте пламени, которая, по опытным данным, выше температуры газов примерно на 25% .
Суммарное количество теплоты, передаваемое от газов к стенке,
Обычно, ввиду малого значения, величиной q л пренебрегают, а потому
Количество теплоты, передаваемое через стенку цилиндра, согласно закону Фубье,
исключим температуру наружной поверхности стенки цилиндра Т 2 , определим тепловую нагрузку цилиндра в зависимости от температуры внутренней поверхности стенки цилиндра Т 1 и температуры охлаждающей воды Т в :
Последнее уравнение показывает, что чем больше тепловая нагрузка цилиндра, чем выше температура охлаждающей воды T в , и чем больше толщина стенки цилиндра s’, тем выше будет температура внутренней поверхности стенки цилиндра.
Температурный перепад по толщине стенки цилиндра равен
Возникающие тепловые напряжения в стенках цилиндра пропорциональны температурному перепаду и их толщине.
Отсюда следует, что с увеличением тепловой нагрузки и толщины стенок цилиндра тепловые напряжения в стенках его возрастают.
Подставляя в формулу (173) значение допустимой температуры внутренней поверхности стенок цилиндра t 1 °С, получим значение максимально допустимой тепловой нагрузки цилиндра (при данных значениях t в , ? в , s’ и ? 0 ):
Читайте также: Как собрать кубик рубик цилиндр новичку
Обозначим термическое сопротивление теплопередачи от внутренней поверхности стенок цилиндра к охлаждающей воде через
тогда уравнение тепловой нагрузки можно написать так:
Отсюда находится мгновенное значение температуры внутренней поверхности стенки цилиндра
Вследствие пульсирующего теплового потока в цилиндре двигателя температура внутренней поверхности стенок его колеблется. Опытные данные показывают, что эти колебания незначительны и ими можно пренебречь. Температура значительно изменяется вдоль поверхности цилиндра и поршня. На рис. 107 показаны типичные температурные кривые поршня без жидкостного охлаждения, а на рис. 108 — типичная кривая изменения температуры внутренней поверхности стенок цилиндра.
На рисунках также показаны значения температур поршня из алюминиевого сплава и втулки цилиндра на глубине 0,38 мм быстроходного двигателя п = 2 000 об/мин. ( D = 121 мм, S = 140 мм) при температуре охлаждающей воды 70° С и скорости ее потока в зарубашечном пространстве 0,152 м/сек. Рассмотрение температурных кривых показывает, что средняя температура направляющей .части поршня мало отличается от температуры внутренней поверхности стенки цилиндра, а следовательно, теплопередача от поршня через направляющую часть его является незначительной. Наибольшая разница температур имеет место между боковой поверхностью головки поршня (в районе верхних двух колец) и поверхностью втулки цилиндра, а отсюда можно сделать вывод, что наибольшее количество теплоты отводится от поршня через верхние поршневые кольца.
Как следует из формулы (161), тепловая нагрузка цилиндра возрастает пропорционально увеличению его диаметра:
В связи с этим конструкция головки поршня (особенно при больших диаметрах цилиндров) должна обеспечить наиболее равномерный отвод тепла и тем самым не допускать большого перепада температур в донышке поршня.
Увеличение тепловой нагрузки донышка поршня при наддуве мощных дизелей послужило причиной замены масляного охлаждения головки поршня водяным. Масляное охлаждение, вследствие малой теплоемкости масла, не всегда достигает требуемого снижения температуры поршня и поршневых колец.
На рис. 109 показано распределение температур в поршне с масляным охлаждением и верхней части рабочей втулки опытного цилиндра двухтактного дизеля фирмы «Зульцер» с диаметром цилиндра 760 мм и р е = 7 кГ/см 2 (цилиндровая мощность 1500 л. с.). Донышко поршня имеет одинаковую толщину, оно плоское с уклоном по периферии. Верхняя часть втулки цилиндра защищена от непосредственного воздействия пламени вставным кольцом, изготовленным из жаропрочной стали и, благодаря наличию ребер, имеет интенсивное охлаждение.
Как видно из рис. 109, температурный перепад для чугунной втулки цилиндра допустим, но все же довольно высок. Особенно высоким является перепад температур в донышке поршня.
Читайте также: Четвертый цилиндр субару где находится
На рис. 110 показано распределение температур в поршне и во втулке цилиндра этого же дизеля (РД-76) с водяным охлаждением при р е =10 кГ/см 2 . Наличие ребер внутри головки поршня позволило уменьшить толщину днища поршня. Уменьшение толщины днища поршня и применение водяного охлаждения позволили снизить температурный перепад в поршне, несмотря на повышенное значение среднего эффективного давления (р е = 10 кГ(см 2 ).
Среднее значение температуры внутренней поверхности стенки цилиндра (T 1 ) ср в соответствии с формулой (177) будет равно
где значения (? г Т г ) ср и (? г ) ср определяются путем планиметрирования площади под кривыми ? г = f (?) и ? г Т г = f(?) (? — угол поворота вала двигателя).
Мгновенное значение температуры газов Т г определяется из уравнения состояния
где значения р и V в зависимости от угла ? определяются по индикаторной диаграмме двигателя;
G — вес свежего заряда цилиндра с учетом остаточных газов.
Средняя результирующая температура газов по теплопередаче определяется из условия равенства передачи тепла стенке при пульсирующем потоке тепла за один цикл и в предположении стационарного потока:
Коэффициент теплопередачи от наружной поверхности втулки рабочего цилиндра к охлаждающей воде
Средняя температура стенки втулки цилиндра
Количество теплоты, выделяющееся в цилиндре в течение одного часа,
Доля тепла от выделяемого в цилиндре и передаваемая охлаждающей воде,
8 класс
Лабораторная работа №2
Измерение удельной теплоемкости твердого тела
Цель работы
Определить удельную теплоёмкость металлического цилиндра.
Приборы и материалы
Стакан с водой, калориметр, термометр, весы, гири, металлический цилиндр на нити, сосуд с горячей водой.
Указания к работе
1. Налейте в калориметр воду массой 100 — 150 г комнатной температуры. Измерьте температуру воды.
2. Нагрейте цилиндр в сосуде с горячей водой. Измерьте её температуру (эта температура и будет начальной температурой цилиндра). Затем опустите его в калориметр с водой.
3. Измерьте температуру воды в калориметре после опускания цилиндра.
4. С помощью весов определите массу металлического цилиндра, предварительно обсушив его.
5. Все данные измерений запишите в таблицу.
а) количество теплоты Q1, которое получила вода при нагревании:
Q1 = c1m1(t — t1),
c1 — удельная теплоёмкость воды;
б) количество теплоты Q2, отданное металлическим цилиндром при охлаждении:
Q2 = c2m2(t2 — t),
c2 — удельная теплоёмкость вещества цилиндра, значение которой надо определить.
Зная, что количество теплоты, полученное водой при нагревании, равно количеству теплоты, отданному цилиндром при охлаждении, можно записать:
Q1 = Q2 = c1m1(t — t1) = c2m2(t2 — t).
В полученном уравнении неизвестной величиной является удельная теплоемкость c2; . Подставив в уравнение значения величин, измеренных на опыте, вычислите c2 — удельную теплоёмкость вещества, из которого изготовлен цилиндр. Сравните её с табличным значением.
Решебник по физике 8 класс Перышкин: задания и параграфы, проверь себя 1-4, лабораторные работы 1-11
Лабораторная работа 2.
Измерение удельной теплоемкости твердого тела
Цель работы: определить удельную теплоемкость металлического цилиндра. Приборы и материалы, стакан с водой, калориметр, термометр, весы, гири, металлический цилиндр на нити, сосуд с горячей водой.
1. Нальем в калориметр воду массой 0,012 кг, и измерим ее температуру (20 градусов).
2. Нагреем цилиндр в сосуде с горячей водой. Измерим температуру воды (70 градусов) и отпустим цилиндр в колориметр с холодной водой.
3. Немного подождем и измерим температуру воды в калориметре (30 градусов).
4. Вытащим цилиндр из калориметра, обсушим его и измерим его массу на весах (0,140 кг).
5. Все результаты измерений занесем в таблицу и рассчитаем удельну теплоемкость металлического цилиндра.
| Масса воды в калориметре | Начальная температура воды | Масса цилиндра кг | Начальная температура цилиндра | Общая температура воды и цилиндра |
| 0,120 | 20 | 0,140 | 70 | 30 |
Вычислим удельную теплоемкость металлического цилиндра по формуле:
Где с2 – удельная теплоемкость металлического цилиндра: с1 = 4200 * Дж/кг 0 С – удельная теплоемкость воды; m1 – масса воды в калорифере; t – температура нагретой цилиндром воды в калорифере; t1 – температура холодной воды; m2 – масса металлического цилиндра; t2 – температура нагретого металлического цилиндра.
Выводы: Удельная теплоемкость металлического цилиндра равна 878 Дж/кг С, что близко к значению удельной теплоемкости для алюминия. Полученное значение несколько меньше табличного, что связано с невысокой точностью приборов и наличием теплообмена.
Шаблоны Инстаграм БЕСПЛАТНО
Хотите получить БЕСПЛАТНЫЙ набор шаблонов для красивого Инстаграма?
Напишите моему чат-помощнику в Telegram ниже ?
Вы получите: ? Бесплатные шаблоны «Bezh», «Akvarel», «Gold»
или пишите «Хочу бесплатные шаблоны» в директ Инстаграм @shablonoved.ru
Шаблоны Инстаграм БЕСПЛАТНО
Хотите получить БЕСПЛАТНЫЙ набор шаблонов для красивого Инстаграма?
Напишите моему чат-помощнику в Telegram ниже ?
Вы получите: ? Бесплатные шаблоны «Bezh», «Akvarel», «Gold»