Как определить температуру газа в цилиндре

Для расчета мощности турбины необходимо знать темпера­туру выпускных газов на входе в нее. Выпуск газов из цилиндра является сложным газодинамическим процессом, при котором давление, температура и скорость газов в трубопроводе непре­рывно изменяются. При шаговом расчете кругового процесса масса и температура газов, поступающих в выпуск­ной трубопровод, рассчитываются для каждого шага, причем посредством интегрирования может быть найдена средняя тем­пература выпускного газа. Рассмотрим теперь этот процесс в пред­положении, что давление в выпускном трубопроводе остается постоянным и что в конце хода выталкивания во всем выпускном коллекторе температура одинакова. Выпускные газы расши­ряются от давления, соответствующего точке 5ц, до давления р₃ перед турбиной (рис. 7.1).

Температура газов после перемешивания Т₃ (средняя темпера­тура), которую они имеют после окончания процесса выталкива­ния, будет ниже, чем температура газов в конце расширения в ци­линдре, но, под действием преобразования энергии завихрения потока, выше, чем температура изоэнтропийного расширения, начинающегося в точке 5ц.

С целью упрощения состояние, соответствующее концу расши­рения в цилиндре (5 ц), в последующем будем обозначать только индексом ц (цилиндр). В случае совершенного двигателя (при отсутствии потерь теплоты в стенки) процесс выпуска можно разбить на следующие частичные процессы (рис. 7.2 [7.1]).

1. При открытии выпускного клапана (в случае идеального двигателя это происходит бесконечно быстро при положении порш­ня в нижней мертвой точке) часть отработавшего газа устремляется из цилиндра в выпускной трубопровод. Заряд в цилиндре охлаж­дается при этом изоэнтропийно, высвобождающаяся вследствие этого работа затрачивается на придание потоку скорости в сече­нии выпускного клапана. В выпускном трубопроводе энергия скорости вследствие завихрений вновь преобразуется в теплоту. В качестве эквивалентного процесса представим себе, что перед открытием выпускного клапана в выпускном трубопроводе не­посредственно к клапану примыкает поршень K₂, нагруженный давлением р₃ (рис. 7.2, а).

2. При открытии выпускного клапана поршень K₂ при еще неподвижном рабочем поршне K₁ передвигается вправо до тех пор, пока в цилиндре не установится давление р₃ (рис. 7.2, б). Промежуточное положение поршня K₂ на рис. 7.2, б в данном случае нас не интересует.

3. Затем рабочий поршень К₁ перемещается из левой (ниж­ней) в правую (верхнюю) мертвую точку, а поршень K₂ еще дальше вправо (рис. 7.2, в). Все содержимое цилиндра теперь находится в выпускном трубопроводе и после перемешивания принимает состояние, характеризующееся параметрами р₃, V₃, Т₃. При перетекании и движении газа по трубопроводу поршень K₂ под воздействием газа совершает работу р₃V₃. Для выталкивания газа из цилиндра затрачивается работа, совершаемая поршнем К₁ она равна р₃V_ц. В соответствии с этим суммарная работа, произве­денная газом, составит р₃ (V₃—V_ц). Так как отсутствует преобра­зование теплоты, то согласно первому закону термодинамики можно записать

Читайте также: Что такое свод цилиндра

Если допустить, что в цилиндре нет остаточных газов, то массы газа в левой и правой частях уравнения равны, и, отнеся их к 1 кг, получим

в то время как для адиабатного расширения от температуры 1200 К получается

В реальном случае, однако, имеют место значительные потери теплоты выпускных газов в охлаждаемом выпускном канале крышки цилиндра (в связи с высокой скоростью потока) [7.2], а также потери теплоты в неохлаждаемом, но не полностью тепло­изолированном выпускном трубопроводе и в газоподводящем корпусе турбины. С учетом этих потерь теплоты можно прибли­женно определить температуру адиабатного расширения на входе в турбину [7.3 ] по выражению

Расчет температуры газов в цилиндре

Расчет температуры газов в цилиндре выполняем для тактов сжатия Тг.с. и сгорания – расширения Тг.р. (К) по уравнению:

кг/цикл-масса газа в цилиндре;

b_z = 1 – коэффициент молекулярного изменения на такте сжатия;

R – газовая постоянная, которую с достаточной точностью можно принять

равной 0,287 кДж/(кгК) на такте сжатия и 0,3 кДж/(кгК) – на такте сгорание – расширение. Результаты расчета записываем в таблицу 3.6.

Таблица 3.8 – Результаты расчета индикаторной диаграммы

Расчет системы наддува двигателя

Как определить температуру газа в цилиндре

Главное меню

Судовые двигатели

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;

Читайте также: Скорость хода поршня в цилиндре

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 ):

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.

Читайте также: Цилиндр тормозной урал механизм клиновой wabco ао аз урал 12739074

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.

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,