Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы и задачи исследования
1.1. Влияние режима теплоотдачи на температурное состояние стенок цилиндра двигателей внутреннего сгорания 13
1.2. Особенности теплообмена в полости охлаждения ДВС. 23
1.3. Анализ формул и методов расчета для задания граничных условий теплообмена при поверхностном кипении в полости охлаждения ндзшндровой втулки ДВС 26
1.4. Общий анализ механизма теплообмена при кипении охлаждающей жидкости 34
1.5. Основные выводы по обзору существующих работ о теплообмене при поверхностном кипении в полости охлаждения ДВС 56
1.6. Постановка задачи исследования. 57
Глава 2. Теоретический анализ теплообмена при поверхностном кипении в полости охлаждения цилиндровой втулки ДВС. 59
2.1. Анализ условий образования паровых пузырьков при поверхностном кипении охлаждающей жидкости
2.2. Физическая модель процесса теплообмена при поверхностном кипении в полости охлаждения цилиндровой втулки ДВС 65
Глава 3. Экспериментальное исследование теплообмена при поверхностном кипении на физической модели рабочего цилиндра ДВС с помощью скоростной кинокамеры СКС-ІМ
3.1. Описание модельной экспериментальной установки 71
3.2. Порядок проведения эксперимента 77
3.3. Особенность киносъемки при поверхностном кипении 78
3.4. Обработка пленок 79
3.5. Механизм образования и роста пузырей 81
3.6. Статистика пузырей, кривая распределения диаметра и периодов возникновения пузырей 82
3.7. Распределение числа центров парообразования
как статистическая величина 87
3.8,. Влияние режимных параметров на интенсивность теплообмена при поверхностном
кипении 90
3.9. Методика обработки экспериментальных данных 95
3.10. Выводы 98
Глава 4. Исследование теплообмена в полости охлаждения цилиндровой втулки дизелей
4.1. Система охлаждения дизеля 6 ЧСП 18/22 в экспериментальной установке и методика проведения эксперимента . 100
4.2. Порядок проведения эксперимента
4.3. Влияние основных параметров (температура охлаждения, нагрузки) на тепловое состояние цилиндровой втулки дизеля б ЧСП 18/22 109
4.4. Влияние температуры охлаждающей воды на интенсивность и характер теплообмена в полости охлаждения дизеля 6 ЧСП 18/22
4.5. Аналитическое определение температурного поля цилиндровой втулки дизеля б ЧСП 18/22
4.6. Экспериментальная установка с дизелем и порядок проведения эксперимента
4.7. Влияние основных параметров (температура охлаждения, нагрузки) на тепловое состояние цилиндровой втулки дизеля
4.8. Обработка результатов эксперт на дизелях 120
Выводы 124
Список использованных источников
Приложения
- Влияние режима теплоотдачи на температурное состояние стенок цилиндра двигателей внутреннего сгорания
- Анализ условий образования паровых пузырьков при поверхностном кипении охлаждающей жидкости
- Описание модельной экспериментальной установки
- Система охлаждения дизеля 6 ЧСП 18/22 в экспериментальной установке и методика проведения эксперимента
Введение к работе
Современный уровень развития дизелестроения характеризуется неуклонным ростом удельной мощности за счет применения высокого наддува. Повышение степени наддува дизелей приводит к уменьшению разрыва между предельными и рабочими характеристиками теплонапряженности деталей /16, 22, 24, 48, 52, 111. Поэтому вопрос снижения теплонапряженности дешлей двигателя приобретает особую остроту, что требует углубленного знания о закономерностях происходящих в деталях двигателя. В частности это относится к цилиндровой втулке.
Цилиндровая втулка во время работы двигателя подвергается значительным механическим и тепловым воздействиям от давления газа/и от неоднородного температурного поля по высоте, по толщине и по окружности. Это приводит к неравномерной деформации цилиндровой втулки, что в конечном счете отрицательно сказывается на моторесурс дизеля /22/.
Опыт проектирования и эксплуатации современных форсированных дизелей показывает, что средняя интегральная температура охлаждаемой поверхности цилиндровой втулки превышает температуру насыщения охлаждающей жидкости в системе охлаждения. Температура теплового пограничного слоя при этом также оказывается выше температуры насыщения, в то время как основная масса остается недогретой. Разделяющая их некоторая изотермическая поверхность разделит охлаждающую жидкость на очень тоншій кипящий пограничный слой и относительно холодное ядро потока. В первом происходит зарождение, рост и отрыв микро- пузырьков, а во втором их конденсация. Теплообмен при этом рассматривается как специфическая форма массообмена обусловленного фазовым превращением, причем новая фаза (пар) возникает и взаимодействует основной фазой (жидкость), в виде мелкодиспергированной среды, что приводит к интенсивному разрушению пограничного слоя ж интенсивному перемешиванию охлаждающей жидкости, при этом коэффициент теплоотдачи значительно увеличивается. В результате этого интенсивность повышения температуры стенки уменьшается /23, 24, 38, 52, 14J. Создаются благоприятные условия для дальнейшей форсировки дизелей го среднему эффективному давлению или по частоте вращения без опасений перегрева и ухудшения условий смазіш трущихся поверхностей.
Наряду с этим, охлаждение цилиндровых втулок дизелей, в режиме поверхностного кипения, позволяет: выравнивать температурные градиенты деталей ЩГ /22, 24, 45, mj. уменьшить теплонапряженность деталей ЦПГ ./22, 24, 49, 56, Ы]. уменьшить кавитационнуто эррозию втулок цилиндра, так как образующиеся пузырьки пара при поверхностном кипении препятствуют смыканию кавитационных пузырей /5/.
Вопросами теплообмена при поверхностном кипении в полости охлаждения дизелей посвящены работы Чиркова А.А., Стефановско-го Б. С, Щебланова Б. Г., Новенникова А. Л., Дьяченко H.I., Петриченко P.M., Кузнецова Д.Б. и ряда других исследователей. Однако анализ состояния вопроса показывает разноречивость получения результатов. Среди исследователей нет единства взглядов на то как влияет на интенсивность теплообмена даже один и тот же параметр.
В некоторых работах установлено, что скорость циркуляции охлаждающей жидкости незаметно влияет на интенсивность теплоотдачи при поверхностном кипении /23, 52, 73/, а геометрические размеры полости охлаждения оказывают влияние /52/. Однако, в других работах получены диаметрально-противоположные результаты /55, 61, Q9/. Кроме того, в существующих работах (в дизелестроении), не изучен механизм зарождения, роста и отрыва пузырьков пара, не изучены внутренние физические характеристики процесса поверхностного кипения* Поэтому тема работы, посвященная исследованию теплообмена в полости охлажд-дения цилиндровой втулки при поверхностном кипении является актуальной, а исследование физических процессов, происходящих при фазовом переходе на охлаждаемой поверхности цилиндровой втулки позволит обоснованно оценить влияние основных параметров на интенсивность теплоотдачи.
Цель работы
Экспериментально-теоретическое исследование механизма зарождения, роста и отрыва микролузырьков пара на поверхности цилиндровой втулки в полости охлаждения и получение зависимости для задания граничных условии теплоотдачи между цилиндровой втулкой и охлаждающей жидкостью.
Для достижения указанной цели в ходе выполнения работы необходимо было решить ряд задач: исследовать условия возникновения поверхностного кипения; с помощью динамического и статического фотографирования изучить характерные особенности внутренних физических параметров процесса поверхностного кипения ( d0 - отрывной диаметр, / - частота отрыва и Z число центров паро- образования); на основе теоретического анализа и экспериментального исследования на модельной установке и статистического метода обработки экспериментальных данных получить зависимости для задания граничных условий теплоотдачи в полости охлаждения цилиндровой втулки дизелей; по опытам на полноразмерном дизеле провести проверку применимости полученных результатов к реальным условиям теплообмена.
Методика исследования
Основывалась на методах физического моделирования с сочетанием теоретических анализов, экспериментальных на полноразмерных дизелях и статистической обработки материалов результатов.
Экспериментальные исследования выполнены в лаборатории тепловых двигателей кафедры Судовые силовые установки Астраханского технического института рыбной промышленности и хозяйства. Опыты проводились на модельной установке и дизелях типа 1Ш0,5/13 и 6 ЧСП 18/22. научная новизна
Изучены основные физические особенности теплообмена при поверхностном кипении в полости охлаждения цилиндровой втулки дизелей.
На основании экспериментально-теоретических исследований и математической статистики определены функции распределения внутренних физических параметров процесса С d0 - отрывной диаметр, У" - частоты отрыва и j? - число центров парообразования) , изучены их характерные особенности и получена новая критериальная зависимость для задания граничных условий теплообмена при поверхностном кипении в полости охлаждения цилиндровой втулки дизелей. Для изучения механизма зарождения, роста и отрыва пузырей использована скоростная киносъемка.
Практическая ценность работы
Разработана модельная экспериментальная установка для выявления основных физических особенностей теплообмена при поверхностном кипении в полости охлаждения цилиндровой втулки дизелей. Предложена новая критериальная зависішость для задания граничных условии теплообмена в полости охлаждения цилиндровой втулки дизелей при поверхностном юшешж. Смысл ее заішочается в том, что она связана с развитыми физическими представлениями о механизме теплообмена при поверхностном кипении и служит экс-периментальным подтверждением правильности этих представлений.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: заседании кафедры "Судовые силовые установки" Астраханского технического института рыбной промышленности и хозяйства (г. Астрахань, 1984 г.); научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Астраханского технического института рыбной промышленности и хозяйства (г.Астрахань, І981-1983 гг.); заседании межкафедральной секции Астраханского технического института рыбной промьшленности и хозяйства (кафедры теоретические основы теплотехники, холодильные компрессорные машины и установки и судовые силовые установки (г.Астрахань, 1982 г.); заседании совета Астраханского технического института рыбной промышленности и хозяйства (г.Астрахань, 1984 г.); областной выставке научно-технического творчества молодежи, посвященной 60-летию образования СССР (г.Астрахань, 1982 г.); всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре "Тепловыделение, теплообмен и теплонапряженность ДВС и работа их на неустановившихся режимах" (Ленинград, 1982 г.); на заседании кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" Ленинградского ордена Ленина кораблестроительного института (Ленинград, 1984 г.).
Объем работы
Диссертация состоит из четырех глав, введения и приложения, списка использованных источников 108 наименований. Работа изложена на 82 страницах и содержит 43 рисунка-и ' ІО таблиц .
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность выбранной темы сформулированы основные положения диссертационной работы, вынесенные на защиту и их научная новизна.
В первой главе диссертации даны анализ и оценка современного состояния вопроса о теплообмене при поверхностном кипении охлаждающей жидкости. Дан анализ работ различных исследователей. Сформулированы цели и задачи диссертации.
Во второй главе анализированы условия образования паровых пузырей на теплоотдающей поверхности цилиндровой втулки и описана физическая модель процесса теплообмена при поверхностном кипении в полости ее охлаждения.
В третьей главе рассмотрен вопрос об основных физических особенностях процесса теплообмена при поверхностном кипении на модельной установке. С помощью кино и фотосъемки изучены характерные особенности внутренних физических параметров ( dQ отрывной диаметр,, / - частоты отрыва, Z - число центра парообразования) процесса. Основное внимание уделялось экспериментальному определению характеристик теплообмена и статистическому их обобщению.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса теплообмена при поверхностном кипении в полости охлаждения цилиндровой втулки дизелей, I Ш -10,5/13 и 6 ЧСП 18/22. Также рассмотрен вопрос о расчетно-аналитическом методе определения температурного поля цилиндровой втулки дизелей.
Реализация работы - результаты полученные в работе могут быть использованы для лрогнозированрія температурного поля цилиндровой втулки и расчета теплоотвода в охлаждающую среду.
Влияние режима теплоотдачи на температурное состояние стенок цилиндра двигателей внутреннего сгорания
Неуклонный рост удельной мощности ДВС за счет форсирования по среднему эффективному давлению, приводит к значительному повышению температурного уровня деталей ЦЕЛ? двигателей. В результате температура тешюрассеивающей поверхности цилиндровой втулки превышает температуру насыщения охлаждающей жидкости. При этом условии повышение температуры охлаждающей жидкости и соответственно сокращение температурного напора между охлаждающей жидкостью и ее температурой насыщения при неизменном давлении в полости охлаждения определяют возможность возникновения кипения в пристенном пограничном слое потока охлаждающей жидкости, недогретой до температуры насыщения.
В этом случае процесс теплообмена в полости охлаждения цилиндровой втулки значительно отличается от теплообмена без фазового перехода. Теплоотдача от стенок цилиндровой втулки в охлаждающую жидкость при поверхностном кипении определяется в основном турбулизалией пристанного слоя, вызванной возникновением, ростом и отрывом микро пузырьков пара в тонком пограничном слое. Это должно привести к резкому увеличению интенсивности теплоотдачи и снижению температуры цилиндровой втулки.
На рис.1.1 показано изменение температуры to цилиндровой втулки двигателя 6 ЧИ 18/22 для двух характерных точек /38/. Первая точка, расположенная на расстоянии 43 мл от верхней кромки втулки, находится в зоне максимальных тепловых потоков. Точка, расположенная на расстоянии 250 мм от верхней кромки втулки, характеризует тепловое состояние втулки в зоне тепловых потоков малой плотности.
Анализируя работы по исследованию теплообмена в полости охлаждения ДВС /23, 24, 38/ можно констатировать единый характер изменения зависимости температуры деталей ЩГ от температуры охлаждающей жидкости и величины удельной тепловой нагрузки.
Анализ условий образования паровых пузырьков при поверхностном кипении охлаждающей жидкости
В настоящее время можно считать установленным, что кипение возникает в микро впадинах поверхности теплообмена, которые являются концентраторами термических напряжений. Зарождение и рост пузыря в пограничном слое зависит от ряда факторов, в том числе и от случайных и относится к величинам, определяемым теорией вероятности. При наличии в микро впадинах паровых зародышей действующими центрами парообразования могут стать впадины определенных размеров /"44, 46, 58, 59, 60, 64/.
Сю /58/ провел исследования предельных размеров на поверх ности теплообмена, являющимися активными центрами парообразования. Для определения зависимости размеров активных центров парообразования от температуры поверхности теплообмена (или от полости теплового потока) Сю предложил модель, согласно которой паровой зародыш, возникающий во впадине, окруженной горя чей жидкостью, перерастает в пузырь лишь в том случае, если окружающая его жидкость перегрета выше температуры насыщения на высоте, равной удвоенному радиусу устья впадины 2Ъс .На основании этой модели получено аналитическое выражение для оценки максимального tc , и минимального 2См-л » радиусов впадин, которые могут служить центрами парообразования при заданных температурных условиях (см.рис.2.1).
С ростом перегрева поверхности теплообмена расширяется интервал геометрических размеров активных центров парообразования, вследствие чего неактивные впадины становятся активными, и число действующих центров увеличивается (рис.2.2).
Кроме того, Сингх, Мнкич, Розеноу /59/ установили, что радиус и глубина впадины, краевой угол смачивания жидкостью, ее начальная скорость проникновения во впадину являются существен параметрами определяющими устойчивость впадины приглашений.
Описание модельной экспериментальной установки
Определение внутренних физических характеристик процесса поверхностного кипения в условиях теплообмена в полости охлаждения реального двигателя затруднено. Поэтому первый этап эксперимента был проведен на физической модели, іж йтиругощеі полость охлаждения цилиндровой втулки двигателя.
Возможность распространения результатов эксперимента, полученных на модели и на реальном двигателе определяется подобием физической модел и всех физических явлений, происходящих при теплообмене в полости охлаждения двигателя. Поэтому при проектировании модельной экспериментальной установки было соблюдено условие идентичности с реальным двигателем.
Обработка наружной поверхности опытного цилиндра произведена в соответствии с техническими условиями на изготовление цилиндровых втулок двигателей типа I Ч 10,5/13. Материал - сталь 50 Г. Эскиз опытного цилиндра представлен на рис.3.1.
Исходя из количества охлаждающей жидкости, прокачиваемой через полость охлаждения ДВС на номинальном режиме, средние скорости потока, отнесенные к площади проходного сечения коль
Система охлаждения дизеля 6 ЧСП 18/22 в экспериментальной установке и методика проведения эксперимента
Для обеспечения работы дизеля 6 ЧСП 18/22 с температурами воды 70-80 С при замкнутом циркуляционном охлаждении и с температурами воды выше 100 С при охлаждении с парообразованием внутри охлаждающих пространств схема системы охлаждения подверглась значительному изменению,(рис.4.I). Совмещенный водомасляный холодильник разделен на два отдельных холодильника масла и воды; изменено место расположения водяного холодильника относительно высоты цилиндровых крышек, который при работе дизеля с парообразованием внутри охлаждающих пространств выполняет роль конденсатора пара с возвратом конденсата в систему охлаждения самотеком; добавлена обводная магистраль 17 для циркуляции воды в системе, минуя конденсатор пара (водяной холодильник); при охлаждении с парообразно ваші ем внутри охлаждающих пространств, когда, циркуляция воды в системе осуществляется за счет естественной конвекции при ее кипении.
Работа системы при замкнутом циркуляционном охлаждении происходит следующим образом. Система охлаждения заполняется водой полностью из расходного бака I, который одновременно является и расширительным, через открытый клапан 14. Воздух из системы при заполнении ее водой удаляется через спускной краник 16. При работе дизеля клапаны 14 и 15 остаются открытыми, клапан 13 на обводной магистрали закрыт, поэтому вся вода, под действием циркуляционного насоса 9 поступает на охлаждение дизеля, а затем из цилиндровых крышек через коллектор и сепаратор пара вода поступает в водяной холодильник, клапан 12 у циркуляционного насоса 9 при этом открыт, а клапан II на обводной магистрали насоса закрыт.
Работа системы при охлаждении дизеля с парообразованием внутри охлаждающих пространств происходит следующим образом. Система заполняется водой из расходного бака через открытый клапан 14. Количество воды в системе охлаждения контролируется по уровню в водомерном стекле, соответствующему половине диаметра по высоте коллектора воды и пара. После заполнения системі клапаны 14 и 15 закрываются; а краник 16 остается открыться для удаления воздуха из системы до возникновения кипения в объеме и образования пара, а затем закрывается, клапан 13 на обводной магистрали 17 открыт. Циркуляция воды с помощью циркуляционного насоса 9 осуществляется по замкнутому контуру - дизель, коллектор воды и пара, через обводную магистраль 17 и открытый клапан 13, к циркуляционному насосу 9. Клапан у насоса 12 открыт, а клапан Закрыт.
