Общие сведения из теории теплообмена

Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище

(военный институт) имени генерала армии В.Ф. Маргелова

ФАКУЛЬТЕТ КОММУНИКАЦИЙ И АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

Т Е П Л О Т Е Х Н И К А

Методические указания

Для выполнения контрольного задания

по дисциплине «Теплотехника»

«Расчет параметров термодинамических и теплотехнических систем»

Рязань 2011

В методических указаниях приведены сведения, необходимые для выполнения контрольного задания по дисциплине «Теплотехника».

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности 150200 (190601.65) «Автомобили и автомобильное хозяйство», специализация 150201 «Техническая эксплуатация автомобилей» по заочной форме обучения (программа ГОС ВПО 2009 г.).

Методические указания на выполнение контрольного задания по дисциплине «Теплотехника» на тему «Расчет параметров термодинамических систем» разработаны преподавателем факультета коммуникаций и автомобильного транспорта РВВДКУ имени генерала армии В.Ф. Маргелова

Чернышовым В.В.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение......................................................................................................... 4

1 Вводный раздел.......................................................................................... 4

1.1 Общие сведения из теории теплообмена......................................... 5

1.2 Общая характеристика циклов ДВС по способу подвода теплоты................................................................................................................ 9

2 Методические указания для выполнения контрольного задания............ 11

3 Контрольное задание................................................................................. 12

3.1 Условия задач.................................................................................. 13

3.2 Вопросы к контрольному заданию................................................. 20

4 Пример решения задачи ........................................................................... 23

5 Список литературы.................................................................................... 25

Приложение. Образец титульного листа пояснительной записки.............. 27

Введение

Целью настоящего контрольного задания является закрепление знаний, полученных студентами при изучении теоретических разделов теплотехники: политропных процессов, термодинамических циклов тепловых двигателей и компрессоров, первого и второго законов термодинамики, устройств для получения и преобразования тепловой энергии, основ теории теплообмена, в том числе сложного теплообмена (теплопередачи), а также приобретение практических навыков выполнения теплотехнических расчетов,

В результате выполнения работы студент должен освоить методику расчета термодинамических процессов и циклов, определения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, а также других необходимых показателей, характеризующих эффективность теплообмена в теплообменных устройствах, применяемых на автомобильной технике и в автомобильном хозяйстве.

В контрольное задание включены четыре задачи и четыре вопроса.

Вариант задачи и вопроса определяется по двум последним цифрам зачетной книжки студента.

Оформление выполненного контрольного задания должно осуществляться в рукописном или машинописном виде на листах формата А4 в соответствии с требованиями ГОСТ 2.105-95 «Общие требования к текстовым документам».

Вводный раздел

Теплотехника – научная дисциплина, изучающая методы получения, преобразования и использования теплоты. Теплотехника является также отраслью техники, охватывающей конструирование, производство и эксплуатацию теплового оборудования.

Теоретическим фундаментом теплотехники является техническая термодинамика. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Важнейшей базой технической термодинамики являются первое и второе начало (законы) термодинамики.

Теплотехника является одной из дисциплин, представляющих основы энергетики. Глубокие знания основных положений теплотехники современному инженеру, имеющему дело с автомобильной техникой и автомобильным хозяйством, необходимы не только в качестве общенаучной базы, но и для изучения специальных дисциплин, а также для решения ряда конкретных задач, связанных непосредственно с практическим использованием силовых тепловых установок на машинах и других объектах энергообеспечения предприятий.

Дисциплина «Теплотехника» изучается с преподавателем на установочном и итоговом сборах и самостоятельно в течении семестра. По дисциплине «Теплотехника» обучаемые выполняют контрольное задание и курсовую работу. Итоговой отчетностью является экзамен.

Ввиду многообразия теоретического и экспериментального материала, которым располагает в настоящее время теплотехника и ограниченностью времени, отводимого на обучение, невозможно освоить с одинаковой степенью все её разделы. Поэтому, руководствуясь требованиями общегосударственного стандарта и учебной программы по подготовке специалистов данного профиля, в изучаемом курсе поставлена задача наиболее полно и детально раскрыть лишь наиболее важные разделы.

Одним из важных разделов дисциплины является раздел «Основы теории теплообмена».

Общие сведения из теории теплообмена

В природе и технике часто протекают процессы передачи тепла от одних участков системы к другим.

Совокупность процессов переноса тепла от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой называется теплопередачей или теплообменом.

Изучение теплообмена в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) автомобильной техники представляет интерес с нескольких точек зрения. Во-первых, теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра ДВС снижает эффективность теплоиспользования в двигателе, а, во-вторых, изучение теплообмена даёт возможность оценить тепловое состояние деталей двигателя и правильно обеспечить его охлаждение.

Существуют три способа передачи тепла (вида теплообмена): теплопроводность, конвекция и излучение (радиация). Эти формы переноса теплоты глубоко различны по своей природе и характеризуются различными законами.

Теплопроводность – это перенос теплоты в среде (твёрдой или жидкой) посредством хаотического (теплового) движения микрочастиц (молекул, атомов).

Конвекция – это перенос тепла достаточно большими (макроскопическими) частицами жидкости или газа при взаимном перемещении этих частиц. В этом случае более нагретые частицы сталкиваются с менее нагретыми и отдают им часть своей энергии теплопроводностью. Большое практическое значение имеет конвективный теплообмен между движущейся жидкостью и твёрдой средой (например, между охлаждающей жидкостью и стенкой блока цилиндров). Такой конвективный теплообмен называется теплоотдачей.

Тепловое излучение - это процесс передачи тепла от одного тела к другому в виде лучистой энергии (электромагнитных волн), которая, попадая на другие тела, частично или полностью поглощается этими телами

Указанные виды теплообмена на практике встречаются редко. Как правило, в реальных условиях один способ теплопередачи, сопровождается другим, т.е. имеет место сложный теплообмен.

Для практических расчетов представляет интерес случай, когда при переносе тепла от горячего теплоносителя к холодному через твердую стенку в процесс сложного теплообмена включается еще и перенос посредством теплопроводности через разделяющую их стенку.

Количественной характеристикой такого сложного процесса служит коэффициент теплопередачи k, характеризующий ее интенсивность Эта величина равна плотности теплового потока на стенке, отнесенной к температурному напору между теплоносителями.

Для плоской однослойной стенки коэффициент теплопередачи определяется по формуле

где α₁, α₂– коэффициенты теплоотдачи горячего и холодного теплоносителей;

λ – коэффициент теплопроводности стенки;

δ – толщина стенки.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи представляет собой полное термическое сопротивление теплопередачи

Из этого выражения следует, что полное термическое сопротивление теплопередачи равно сумме частных термических сопротивлений процессов, из которых складывается теплопередача.

На этом основании можно записать формулу для коэффициента теплопередачи через плоскую многослойную стенку

где Σδ_i/λ_i- сумма термических сопротивлений слоев плоской стенки.

Таким образом, видно, что передача тепла через многослойную стенку за счет увеличения термического сопротивления, приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи и, к уменьшению количества передаваемого тепла.

Наиболее распространенным элементом теплообменных аппаратов являются трубки.

Для однослойной цилиндрической стенки (трубы) линейный коэффициент теплопередачи определяется по формуле

где d₁, d₂– внешний и внутренний диаметр трубы.

Для цилиндрической многослойной стенки линейный коэффициент теплопередачи уменьшается из-за увеличения термических сопротивлений слоев трубы и определяется по формуле:

В отопительной технике широкое применение нашли ребристые поверхности в виде ребристых труб, радиаторов и конвекторов. Оребрение поверхности используются и в компрессорах , двигателях внутреннего сгорания и других устройствах. Во всех перечисленных примерах ребристые поверхности расположены на стороне теплообменной поверхности с газовым теплоносителем, где коэффициент теплоотдачи меньше

Выражение для количества передаваемого тепла может через оребренную стенку может быть записано следующим образом:

где k_p– коэффициент теплопередачи оребренной стенки, равный

При расчете плотности теплового потока на единицу неоребренной поверхности стенки получим

где k₁– коэффициент теплопередачи, отнесенный к неоребренной поверхности стенки, Вт/(м·К).

Из этой формулы видно , что плотность теплового потока возрастает при увеличении отношения k_p= F₂/ F₁- называемого коэффициентом оребрения.

То есть, чтобы увеличить передачу тепла через стенку , можно увеличить площадь теплоотдающей поверхности за счет ее оребрения.

Из приведенных выше данных видно, что улучшить теплопередачу, т. е. интенсифицировать теплообмен, можно путем тщательного анализа частных условий теплопередачи. В том случае, например, когда частные сопротивления различны, для улучшения общей теплопередачи достаточно уменьшить наибольшее из них (например, взять более теплопроводный материал для стенки или интенсифицировать теплоотдачу от жидкости к стенке). При равенстве, или одном порядке, всех частных сопротивлений необходимо идти по линии уменьшения любого из них.

Ещё одной важной темой является «Термодинамические циклы ДВС»

1.2 Общая характеристика циклов ДВС
по способу подвода теплоты

Различные требования, предъявляемые к двигателям внутреннего сгорания, привели к созданию самых разнообразных типов этих двигателей. Однако с точки зрения осуществляемого в рабочем цилиндре термодинамического цикла они могут быть подразделены на три основных типа:

1) двигатели, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном объеме (двигатели с принудительным воспламенением (цикл Отто);

2) двигатели, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном давлении (компрессорные дизели) цикл Дизеля;

3) двигатели, работающие по смешанному циклу с подводом теплоты при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении (бескомпрессорные дизели) цикл Саббате-Тринклера.

Для уяснения основных особенностей поршневых двигателей, рассмотрим работу четырехтактного двигателя с принудительным воспламенением (работающего по циклу Н. Отто).

При ходе поршня вниз (первый такт) в цилиндр двигателя через впускной клапан поступает горючая смесь, представляющая собой смесь воздуха с парами топлива. При ходе поршня к крайнему верхнему положению в свече происходит искровой разряд, смесь поджигается и практически мгновенно сгорает с резким повышением давления и температуры. Под действием давления продуктов сгорания поршень совершает третий ход (сверху вниз), который является рабочим ходом.

Когда поршень подходит к крайнему нижнему положению, открывается выпускной клапан и последний, четвертый ход поршня, сопровождается выталкиванием отработавших газов из цилиндра двигателя в атмосферу при движении поршня вверх.

Из описания действительного цикла двигателя внутреннего сгорания с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме видно, что он не является замкнутым, протекает со сменой рабочего тела.

К тому же в нем имеются все признаки необратимых процессов: трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.п.

Анализ такого цикла с точки зрения теории тепловых процессов невозможен, а поэтому в термодинамике исследуют не реальные процессы ДВС, а обратимые идеальные циклы.

Термодинамический метод исследования состоит в том, что процессы, осуществляемые в двигателях, с той или иной степенью приближения заменяются обратимыми термодинамическими процессами и переходят к исследованию идеальных циклов, образуемых этими процессами. При этом вводят следующие допущения:

1) рабочим тело служит идеальный газ, неизменный по массе, химическому составу и с постоянной теплоемкостью;

2) процессы горения топлива рассматриваются как процессы подвода к газу тождественного количества теплоты от внешнего источника, выпуск газов – отвод тепла;

3) процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с окружающей средой (адиабатные процессы).

Изучение идеальных термодинамических циклов позволяет производить при принятых допущениях анализ и сравнение работы различных двигателей и выявлять факторы, влияющие на мощностные и экономические показатели двигателей.

При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых ДВС обычно определяются следующие величины:

1) основные параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла;

2) количество подведенной и отведенной теплоты;

3) термический КПД цикла и его анализ;

4) количество полезной работы за цикл.