Методика определения тепловых потерь в цилиндропоршневой группе двигателя внешнего подвода теплоты Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

3. Забавников, H.A. Основы теории транспортных гусеничных машин [Текст] / H.A. Забавников,— М.: Машиностроение, 1975.

4. Шеломов, В.Б. Мощности двигателя и буксования фрикционного элемента управления поворотом гусеничной машины [Текст] / В.Б. Шеломов, Р.Ю. Добрецов // Научно-технические ведомости СПбГПУ, серия «Наука и образование»,- 2010. Т. 2. № 2,- С. 87—91.

5. Теория и конструкция танка. Т. 8: Параметры

внешней среды, используемые при расчете танков [Текст].— М.: Машиностроение, 1987.

6. Добрецов, Р.Ю. Комплексная оценка потерь мощности в шасси гусеничной машины на этапе проектирования [Текст] / Р.Ю. Добрецов // Научно-технические ведомости СПбГПУ, серия «Наука и образование»,— 2009. N° 3,— С. 163-168.

7. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский, — М.: Наука, 1976.

УДК 621.436

В.П. Бреусов

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО ПОДВОДА ТЕПЛОТЫ

Создание двигателей Стирлинга связано с проблемой совершенствования его внутреннего контура (ВК), в котором протекает термодинамический цикл рабочего тела двигателя. Этим определяется необходимость углубленного экспериментального исследования В К, отработки методов его расчета.

Разработан ряд моделей В К, отличающихся как по принципам построения, так и степенью сложности. Уточнение моделей производится двумя путями — учетом дополнительных факторов, влияющих на работу В К, и уточнением применяемых расчетных зависимостей.

В К включает в себя полости сжатия, расширения (полость горячего цилиндра), соединяющие их нагреватель, регенератор и охладитель. Полость расширения конструктивно образована узлом горячего цилиндра (рис. 1). В процессе термодинамического цикла двигателя внешнего подвода теплоты (ДВПТ) [1] происходитнатекание рабочего тела в полость цилиндра, его расширение и вытеснение из полости [3]. Движение газа в цилиндре сопровождается теплообменом со стенками, а также перетечками в зазоре (5) горячего цилиндра и колпака вытеснителя. Охлаждение рабочего тела в полости цилиндра и в зазоре приводит к снижению индикаторных показателей рабочего процесса. «Горячая» зона ДВПТ соединена с «холодной» зоной стенками цилиндра и колпака вытеснителя (их называют «тепловым

мостом»). Такая конструкция приводит к неизбежным потерям теплоты и соответственно к снижению эффективных показателей ДВПТ.

Цель предлагаемой методики — определение влияния теплообмена рабочего тела в полости расширения и перетечек в зазоре горячего цилиндра и колпака вытеснителя на индикаторные показатели цикла ДВПТ, а также определение тепловых потерь в цилиндропоршневой группе (ЦПГ).

Методика основывается на базе параметриче ской математической модели В К. Такая модель устанавливает взаимосвязь параметров элементов В К, текущих параметров рабочего тела в выделенных полостях и индикаторных показателей

Параметры элементов В К характеризуют их влияние на рабочий процесс ДВПТ. Узел горячего цилиндра образует полость расширения В К.

Функциональные характеристики узла ЦП Г определяются следующими величинами: относительной индикаторной мощностью ТУ,- / Ит и относительным индикаторным КПД и / Л/о > а также относительной долей тепловых потерь ао / Ох - где Оц — количество теплоты, воспринимаемое рабочим телом в процессе термодинамического цикла, — тепловые потери узла горячего цилиндра к контуру охлаждения. Мощность N1 и КПД л,- рассчитаны по параметрической математической модели с учетом тепловых потерь в узле горячего цилиндра, а и л,о — без учета этих потерь.

Для нахождения указанных характеристик рассмотрены следующие вопросы:

1. Определение параметров полости расширения В К.

2. Зависимости индикаторных показателей от параметров полости расширения.

3. Методы расчета параметров полости расширения.

4. Расчет тепловых потерь к контуру охлаждения.

5. Экспериментальное исследование узла ЦП Г.

6. Определение индикаторных и тепловых потерь на этапе проектирования Д В ПТ.

Определение параметров полости расширения ВК. Кроме величины относительного внутреннего объема для полости расширения как элемента В К определяются [3] еще ряд параметров.

Эффективность теплообмена рабочего тела со стенками полости расширения принята рав-

ной £ =-

¿0

¿Он.

числяется по формуле сЦ2 г

, где текущии тепловой поток вы-

с1Х

= а(^Усл-т;)- (1)

Здесь X — время цикла; а — коэффициент теплоотдачи (КТО) от газа к стенке; Г— площадь поверхности полости; Тст,Тг — температура стенки и газа.

Максимально возможное по условиям теплопередачи количество теплоты

ёХ ёХ

^>((тусл Тг (2)

(Кг

где —1--расход газа, натекающего в полость;

сIX

С, —теплоемкость.

Условная температура стенки определена в соответствии с уравнением (1):

Т -Т +—=,

стусл 1 г „ 1

Р- аср

где аср — средний за цикл КТО.

Относительная доля перетечек рабочего тела в зазоре горячего цилиндра и колпака поршня-вытеснителя

Рис. 1. Конструкция узла горячего цилиндра:

В — диаметр рабочей части; / — высота рабочей части; с! — отверстие, через которое подается тепловой поток; // — расстояние от днища цилиндра до головки поршня-вытеснителя; 8 — расстояние между поршнем-вытеснителем и стенкой цилиндра; 8

Р

Стр

где Ск — количество газа, натекающее из зазора (5); (7тр — количество газа, натекающее в полость расширения по трубкам нагревателя. Определяется также температура Гкгаза, на-

5

Зависимости индикаторных показателей ДВПТ от параметров полости расширения — е,

^стусл > Р и Тк представлены на рис. 2, 3, 4 в [3].

е

Методы расчета параметров полости расширения. Для конструкции горячего цилиндра с со-осным коллектором рабочего тела

е =

1,6У

СрТ^рД'

(3)

где Хг, р, ц — теплопроводность, плотность и динамическая вязкость рабочего тела; юп — скорость поршня-вытеснителя; А — высадка (расстояние от днища поршня до днища цилиндра (рис. 1)).

Л/Ло 1,0

0,5

0,8

Гст = 900 К

800 К1 700 К-

500 К

0,01

0,02 0,03 0,04

Рис. 2. Зависимость КПД цикла от эффективности конвективного теплообмена в цилиндре ДВПТ

Л/Ло 1,0

0,9

0,8

700 К

-7= 650 К

600 К

500 К

\400 К

0,05

0,10

0,15

Рис. 3. Зависимость КПД цикла от доли перетечек газа в зазоре цилиндра и вытеснителя ДВПТ

Данная зависимость получена из критериального уравнения для среднего по поверхности полости коэффициента теплоотдачи (КТО):

а.

ср

= 0,4^,

юпХ> рг п

где к = —-——, V — диаметр цилиндра.

Условная температура днища цилиндра равна

4-3 К

0 6-4 К После аппроксимации получено

а(г) = ап

1 -к.

Тт = Т0-АТ

а

Г

V тах

Г

1,00

0,95

0,90

1\ = 700 К 630 К—.

. 600 к/ 500 К

40 УУ4^

\

0

0,05

0,10

0,15

Рис. 4. Зависимость мощности цикла от доли перетечек газа в зазоре цилиндра и вытеснителя ДВПТ

Зависимости КТО от радиуса днища цилиндра представлены на рис. 5.

Определение теплообмена конвекцией в цилиндре ДВПТ рассмотрено в работе [4].

Температура днища колпака поршня-вытеснителя принимается равной адиабатической температуре газа в цилиндре.

Тогда

*

Определение величины перетечек газа в зазоре 8. Двоение газа в кольцевом зазоре 5 горячего цилиндра и колпака поршня-вытеснителя вызывается двумя причинами: изменением плотности газа в течение цикла и его перетечками по уплотнению поршня-вытеснителя.

срусл

,Цт + тп

^ ^ г уел

(4)

сЮ,

К ар сК,

с/т ЯТк с/т с/т

где Ук — объем кольцевой щели; Я — газовая постоянная; Р — текущее давление газа в полости; Тк — среднемассовая температура газа.

В случае, когда утечки по уплотнительным кольцам вытеснителя отсутствуют, будет

й(Р) =

У^(Р -Р )

к \ тах пил !

ят,

Утечки за счет неплотности колец поршня-вытеснителя (7, составляют

су = кл

9 Р№\

_У_

УЪ

где К% — коэффициент, учитывающий долю

1

цикла, когда происходит натекание газа, К%= — ;

АР — средний перепад давления на кольцах; Ь — высота колец.

Определение температуры газа Тг. При математическом моделировании тепловые потери за счет теплообмена газа, натекающего в зазор, рассчитываются так:

йС,

dx dx м г к'

Здесь Тк — температура газа, вытекающего из зазора. Она принимается равной температуре стенок на выходе в полость горячего цилиндра (в точке С, соответствующей среднему положению вытеснителя в цилиндре на рис. 1).

е

е

рабочего тела в полости цилиндра, перепадов давления на уплотнении поршня-вытеснителя и поля температур горячего цилиндра.

Расчет тепловых потерь к контуру охлаждения. Для модели узла горячего цилиндра принято, что осевая теплопроводность вытеснителя пренебрежимо мала. Тепловой баланс устанавливается для горячего цилиндра. Алгебраическая сумма количеств теплоты, исходящей от контура нагрева 0КН, рабочего тела 0рт, контура охлаждения 0КО считается равной нулю.

Тепловые потери 0КО включают в себя следующие составляющие:

0Х — из-за теплопроводности стенок «теплового моста»;

(1Т а!

где/— поперечное сечение стенки горячего цилиндра на расстоянии 1/2 от открытого торца, Уст — теплопроводность материала цилиндра. Тепловой поток по оси поршня-вытеснителя может учитываться соответствующим увеличением сечения/;

0Ч — за счет движения поршня-вытеснителя (челночные потери) которые вычисляются по следующей формуле [5]:

а, Вт/м 1250

1000

750

500

250

\ \\ 0,25 dl 0,20 dl 0,17 D

\ АЧ\ - D D

\ \\

\ \ \ к\

Ч\ •V

0,2

0,4

0,6

п: i\

Рис. 5. Распределение КТО по радиусу днища цилиндра

In с2 yr dTCT

5 dl

(5)

где S — ход поршня,

dTcl dl

— среднии по длине

градиент температуры стенки цилиндра;

бвозд ~~ потери теплоты в окружающий воздух. При их расчете учитывается теплопроводность наружной теплоизоляции Уи и ее толщина (гх и г2 на рис. 1):

Т -Т

_ Р возд ст

*4озд — ги „ „ „ •

К п

а

ск 2

Здесь Гп — площадь наружной поверхности цилиндра, аск — КТО свободной конвекции.

Тепловые потери 0КО учитываются дополнительно к индикаторным потерям в случае, если еКн+еРт>о.

Результаты расчета поля температур цилиндра позволяют определить параметры полости расширения — Гстусл, Ть а также тепловые потери узла горячего цилиндра 0Х, 0Ч, 0ВОЗД.

Предложенная методика может применяться как при экспериментальном исследовании, так и при проектировании ДВПТ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бреусов, В.П. Двигатель внешнего подвода тепла — Стерлинг (вчера, сегодня, завтра) |Текст| / В.П. Бреусов.^ СПб.: Нестор, 2007.

2. Иванченко, H.H. Математическая модель двигателя с внешним подводом теплоты на основе комплексных характеристик теплообменных аппаратов |Текст| / H.H. Иванченко, Ю.В. Красовский, М.С. Се-

гель // Экспериментальные и теоретические исследования по созданию новых дизелей и агрегатов: Науч. тр. ЦНИИДИ.^Л., 1980 -С. 53-61.

3. Ткаченко, М.М. Особенности расчета поля температур «горячего» цилиндра ДВПТ |Текст| / М.М. Ткаченко, H.H. Иванченко //Двигатслсстроснис.— 1985. № П.- С. 8—10.