Содержание к диссертации
Введение
1. Методы исследования локального периодического теплообмена в поршневых двигателях 14
1.1. Роль и значение моделирования процессов теплообмена при доводке существующих и проектировании поршневых двигателей 14
1.2. Математическое моделирование процессов локального теплообмена на основе теории пограничного слоя 15
1.2 1. Методы моделирования конвективного теплообмена... 16
1.2.2. Методы моделирования радиационного теплообмена... 25
1.3. Задание граничных условий теплообмена при определении теплового состояния деталей поршневого двигателя 31
1.4. Экспериментальные методы исследования локального нестационарного теплообмена в поршневых двигателях 34
1.4.1. Оптические методы исследования 34
1.4.2. Экспериментальные методы исследования сложного теплообмена 37
1.4.3. Экспериментальные методы исследования лучистого тепл ообмена 43
1.5. Особенности процесса периодического теплообмена в цилиндрах поршневых двигателей 44
2. Математическое моделирование процессов периодических тепловых воздействий на детали камеры сгорания поршневого двигателя .. 52
2.1. Разработка алгоритма и программы расчёта локального неста-ционарного теплообмена в поршневых двигателях 52
2.1.1. Определение теплофизических свойств рабочего тела.. 52
2.1.2. Расчёт процесса тепловыделения в камере сгорания дизеля 53
2.1.3. Рабочее тело как излучающая и поглощающая тепловую энергию среда 63
2.1.4. Математическая модель сложного теплообмена в камере сгорания дизеля 68
2.1.5. Определение скорости перетекания в полуразделённой камере сгорания 73
2.1.6. Обобщённое интегральное соотношение гидродинамического пограничного слоя 79
2.1.7. Обобщённое интегральное соотношение теплового по граничного слоя 86
2.2. Исследование взаимосвязи между процессами тепловыделения и теплообмена в камере сгорания поршневых двигателей .. 95
2.3. Выводы к главе 2 101
3. Исследование фазовых сдвигов между тепловым потоком и разностью температур рабочего тела и поверхности в периодических процессах теплообмена в поршневых двигателях . 102
3.1. Моделирование фазовых сдвигов при сжатии-расширении в случае малых амплитуд колебаний параметров рабочего тела в цилиндрах поршневых двигателей 102
3.1.1. Использование метода разделения переменных Фурье. Однородные граничные условия 102
3.1.2. Использование метода разделения переменных Фурье. Неоднородные граничные условия 106
3.1.3. Использование метода интегрального преобразования Лапласа 108
3.1.4. Сравнение решений уравнения энергии в случае действительного и комплексного представлений изменения давления в цилиндре 113
3.1.5. Решение уравнения энергии для пограничного слоя 117
3.2. Моделирование фазовых сдвигов в случае произвольных изменений параметров рабочего тела в цилиндрах поршневых двигателей 119
3.3. Использование комплексных значений коэффициента теплоотдачи в практике расчётов периодического теплообмена в камерах сгорания поршневых двигателей 123
3.4. Влияние частоты процесса и рода рабочего тела на величину фазового сдвига 125
3.5. Выводы к главе 3 126
4. Экспериментальное исследование нестационарного локального теплообмена в поршневых двигателях 128
4.1. Описание экспериментальной установки, метода и точности измерений 128
4.2. Особенности обработки экспериментальных данных по локальному теплообмену в поршневых двигателях 133
4.3. Результаты расчётно-экспериментальных исследований 140
4.3.1. Исследование процессов периодического теплообмена в цилиндрах поршневых машин 140
4.3.2. Исследование локальных нестационарных тепловых нагрузок в камере сгорания быстроходного дизеля... 143
4.4. Выводы к главе 4 149
Общие выводы по диссертационной работе 150
Список литературы 152
- Математическое моделирование процессов локального теплообмена на основе теории пограничного слоя
- Экспериментальные методы исследования локального нестационарного теплообмена в поршневых двигателях
- Исследование взаимосвязи между процессами тепловыделения и теплообмена в камере сгорания поршневых двигателей
- Моделирование фазовых сдвигов в случае произвольных изменений параметров рабочего тела в цилиндрах поршневых двигателей
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проектирование поршневых двигателей с прогрессивными технико-экономическими характеристиками, диктуемыми ужесточающимися требованиями к токсичности отработавших газов, топливной экономичности, сроку безотказной работы, связано с форсированием ДВС по среднему эффективному давлению и скоростному режиму, что приводит к росту основных параметров рабочего цикла и, как следствие, к интенсификации процессов теплопереноса во внутрицилиндровом пространстве. В свою очередь, интенсификация теплопереноса влечёт за собой значительное повышение температур и температурных градиентов в деталях, образующих камеру сгорания двигателя.
Таким образом, процесс теплообмена между рабочим телом в цилиндре двигателя и поверхностями камеры сгорания, обусловливающий уровень тепловой напряжённости деталей цилиндро-поршневой группы, является превалирующим фактором, определяющим надёжность, долговечность, условия охлаждения узлов двигателя и степень его возможного форсирования.
Решающую роль в разработке практических рекомендаций по конструкционному исполнению основных деталей, ограничивающих объём камеры сгорания, играет достоверность определения граничных условий теплообмена между рабочим телом и тепловоспринимающими поверхностями.
Поэтому анализ и углубление существующих и развитие новых расчётных методов определения локальных нестационарных тепловых нагрузок в камерах сгорания перспективных двигателей в ходе их проектирования, модернизации и доводки является актуальной проблемой современного двига-телестроения.
Цель работы: Разработка расчётно-экспериментального метода определения локальных периодических граничных условий теплообмена между рабочим телом и поверхностями камеры сгорания поршневого двигателя.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
разработка метода, алгоритма и программы расчёта процесса тепловыделения в камере сгорания дизеля на основе экспериментальной индикаторной диаграммы с использованием экспериментально проверенных зависимостей для газовой постоянной, удельных внутренней энергии, энтальпии и теплоёмкости рабочего тела в зависимости от его параметров состояния и состава;
разработка метода, алгоритма и программы расчёта динамического и теплового пограничных слоев и локальных тепловых нагрузок на поверхности огневого днища крышки цилиндра быстроходного дизеля с полуразделённой камерой сгорания;
разработка математической модели периодического теплообмена в цилиндре поршневого двигателя;
создание экспериментальной установки для моделирования периодических тепловых нагрузок в поршневых двигателях, позволяющей проверить основные теоретические положения, использованные при разработке математической модели периодического теплообмена в камере сгорания;
разработка алгоритма и программы расчёта, осуществляющей решение обратной задачи теплопроводности для неоднородной двухслойной пластины и позволяющей обрабатывать экспериментальные данные, полученные с помощью датчика теплового потока, работающего на принципе вспомогательной пластины;
проверка достоверности разработанных алгоритмов и программ по экспериментальным данным, полученным непосредственно на дизеле 8ЧН 12/12 (КамАЗ 740.50) в условиях стендовых испытаний.
Научная новизна:
модифицирован метод расчёта динамического и теплового пограничных слоев и локальных нестационарных тепловых нагрузок на поверхности камеры сгорания быстроходного дизеля в условиях радиационно-конвективного теплообмена; в частности, учтён реальный закон тепловыделения в цилиндре двигателя;
предложен метод определения и уточнены значения эмпирических коэффициентов в а-формуле, полученной в МГТУ им. Н.Э. Баумана с учётом взаимосвязи процессов тепловыделения и теплообмена в камере сгорания двигателя;
разработан и экспериментально проверен метод прогнозирования фазового сдвига между плотностью теплового потока на поверхности стенки камеры сгорания и разностью температур рабочего тела и стенки в процессах периодического теплообмена в цилиндрах поршневых двигателей;
получено выражение, распространяющее область применения закона
теплоотдачи Ньютона на промежутки времени в цикле, когда тепловой
поток в цилиндре меняет своё направление, а коэффициент теплоотда
чи терпит разрыв.
Достоверность и обоснованность научных положений обусловлены:
применением общих систем уравнений и фундаментальных законов
гидро- и термодинамики, теории тепломассообмена, современных ана
литических и численных методов реализации математических моде
лей;
применением при обосновании и оценке адекватности математических моделей и построенных на их основе алгоритмов достоверных опытных данных, полученных в МТУ им. Н.Э. Баумана с использованием современных средств и методов измерений на специальной экспериментальной установке и на полноразмерном двигателе;
экспериментальным подтверждением приемлемой точности основных положений, лежащих в основе математических моделей, хорошим качественным и количественным согласованием расчётных и экспериментальных результатов.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
создан пакет прикладных программ, позволяюпщи прогнозировать нестационарные локальные тепловые нагрузки в камерах сгорания перспективных двигателей на стадии проектирования, а также оценить уровень интенсификации теплообмена при модернизации и доводке существующих дизелей;
создана моделирующая экспериментальная установка, позволяющая проверить адекватность математической модели периодического теплообмена в цилиндре поршневого двигателя;
разработана программа для обработки опытных данных, позволяющая определить значения нестационарной плотности теплового потока по измеренным значениям нестационарных температур, полученных с помощью датчика теплового потока, действующего на принципе вспомогательной пластины.
Апробация работы
Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана 22 июня 2004 г.
По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады на:
Юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок, Санкт-Петербург, СПбГМТУ, 20 сентября 2000 г.;
Научно-технической конференции «Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса», Москва, МАЛИ (ГТУ), 4-5 февраля 2003 г.;
XIV Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Рыбинск, РГАТА, 26-30 мая 2003 г.;
Международной научно-технической конференции «Гидравлика (наука
и дисциплина)», Санкт-Петербург, СПбГПУ, 11-12 марта 2004 г.;
Заседаниях кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2000-2004 г. г.
Публикации. Основные положения диссертационной работы представлены в 6 печатных работах.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Она содержит 151 страницу основного текста, 65 рисунков, 1 таблицу, 10 страниц со списком литературы из 105 наименований.
Математическое моделирование процессов локального теплообмена на основе теории пограничного слоя
В основу своей модели Г.Б. Розенблит [50] положил полученное экспериментальным путём поле скоростей в цилиндре двигателя. Анализируя газодинамическую обстановку в КС, автор пришёл к выводу, что средняя скорость поршня не может рассматриваться в качестве универсального показателя интенсивности движения газа, хотя в известной мере она определяет осевую составляющую скорости движения газов в цилиндре. Поэтому наиболее правильным было бы принимать в качестве определяющей скорости суммарную скорость газа в цилиндре w J + + nJ, где wT, wf и wy — соответственно тангенциальная, радиальная и осевая составляющие.
Однако, как указывает Г.Б. Розенблит, существующие на сегодняшний день сложности в определении суммарной скорости движения газа и имеющиеся достаточно надёжные экспериментальные данные о тангенциальной составляющей скорости, которая значительно меняется в течение рабочего цикла и вдоль радиуса цилиндра, позволяют принимать эту скорость в качестве определяющей.
Для ориентировочного расчёта тангенциальной скорости wT в четырёхтактном дизеле автором рекомендована серия критериальных зависимостей для разных фаз рабочего процесса.
Для процесса наполнения где wrnwo — тангенциальная составляющая скорости газа и средняя скорость истечения воздуха через впускные органы; R0 — радиус цилиндра; т и т0 — текущее время и время протекания рабочего цикла соответственно; С=1,53-10 2 — константа для дизелей автотракторного типа.
Зависимость от текущего радиуса цилиндра определяется выражениями процессов сжатия и расширения
Однако, как отмечает автор, локальность коэффициента теплоотдачи определяется не только одним параметром — тангенциальной скоростью газа. В связи с тем, что тангенциальная составляющая скорости убывает до нуля по направлению к оси цилиндра, рекомендуется рассчитывать местные значения коэффициента конвективной теплоотдачи по формуле только при текущем радиусе г не менее 0,25- /. Значение а, соответствующее указанному значению текущего радиуса цилиндра, следует принимать неиз-. менным до г=0.
Для решения задачи Г.Б. Розенблит использовал известное выражение для теплоотдачи вращающегося диска в неподвижном газе. Однако задача о вращении газа около неподвижных поверхностей приводит к обратному результату [5, 11, 46]. Вращающийся газ как бы экранирует теплоотдающую поверхность. Таким образом, решение, полученное в [50, 51] следует рассматривать как некую гипотетическую модель, во многом не соответствующую действительному механизму явления.
Б.С. Стефановский в качестве определяющего параметра, характеризующего локальное тепловое нагружение деталей камеры сгорания, принял локальные квазистационарные (осреднённые во времени) тепловые потоки [59]. Автор объясняет это, в частности, тем, что вызываемые мгновенными локальными тепловыми потоками переменные термические напряжения гораздо меньше напряжений, связанных с неравномерностью полей постоянных во времени температур деталей. Поэтому для суждения о работоспособности теп-лонапряжёных деталей ДВС необходимы параметры, непосредственно связанные с постоянными во времени температурами, и, следовательно, в случае моделирования локальных нестационарных тепловых нагрузок всё равно требуется их дальнейшее осреднение.
Неравномерность тепловых нагрузок, по мнению Б.С. Стефановского, определяется совместным действием следующих факторов: неодинаковой продолжительностью воздействия повышенных температур рабочего тела, локальной неоднородностью температуры газов, влиянием конструкционных особенностей теплонапряжённых деталей, газодинамических факторов.
Полагая, что абсолютная величина тепловых потоков qw в основном зависит от режима работы двигателя, а форма их полей — от конструкционных особенностей выполнения камеры сгорания, автор [59] искусственно разделяет эти факторы, т. е. gw= / f2, где/і и/г — функции, характеризующие соот ветственно абсолютную величину тепловых потоков и форму их поля. Далее, в качестве характеристики абсолютной величины тепловой нагрузки принимаются осреднённые по соответствующим поверхностям тепловые потоки 72, определить которые можно с использованием известных зависимостей В. Нус-сельта, Г. Эйхельберга, Г. Вошни и др. [24], полученных без учёта принципа локальности. Факторы, влияющие на неравномерность тепловых нагрузок, предлагается при этом определять в ходе эксперимента, т. к. использование теоретических зависимостей затруднено вследствие недостаточной изученности процессов движения газов и переноса тепла в замкнутых объёмах цилиндров.
Экспериментальные методы исследования локального нестационарного теплообмена в поршневых двигателях
Анализ существующих методов исследования внутрицилиндровых процессов в ДВС показывает, что наибольшей перспективой с точки зрения относительной простоты при высокой надёжности и достоверности результатов обладают оптические методы. Значительные преимущества перед другими методами обусловили их широкое распространение для исследования динамики сажевыделения, излучательной способности дизельного пламени, локальных температур и скоростей рабочего тела в объёме КС двигателя.
Как показано в работах С.А. Батурина [3, 4], применительно к условиям рабочего процесса в дизелях основные преимущества спектральных методов заключаются в следующем: возможность применения для исследования нестационарных кратковременных явлений в циклических процессах, обусловленная высокой методической надёжностью получаемых результатов, полной безинерционностью и высокой чувствительностью применяемой аппаратуры; возможность размещения всей измерительной аппаратуры вне исследуемого двигателя и благоприятные условия работы с ней; отсутствие непосредственного контакта изучаемой среды с чувствительным элементом измерительной системы; отсутствие методических возмущений исследуемой среды, способных изменить её химико-физические свойства, тем самым влияя на изучаемый процесс.
Несмотря на очевидные преимущества и большие возможности спектральных методов исследования, они долгое время не находили широкого применения в экспериментальной практике двигателестроения. Первой методической разработкой спектрального метода применительно к исследованию излучательных характеристик дизельного пламени стала широко известная работа Л.М. Белинкого [58]. Результаты этой работы с методической точки зрения имели большое значение для дальнейшего развития теории и практики применения оптических методов исследования в ДВС.
Спустя несколько лет данная методика в более развитом и усовершенствованном виде была применена в МАДИ В.З. Маховым [41]. В этой работе разработаны теоретические основы оптических методов и научно обоснована их применимость в условиях камеры сгорания ДВС. В дальнейшем метод получил развитие на основе последних достижений науки и техники в работах С.А. Батурина, В.Н. Ложкина, А.С. Лоскутова, Н.А. Баранова, В.А. Вагнера, А.В. Гладышева и др.
Н.А. Барановым [52] в ЦНИДИ были выполнены исследования неоднородности концентрации сажи в надпоршневом объёме дизеля с призматической КС по поглощению излучения лазера в 10 точках. Кроме того, изучалось температурное поле в плоскости продольной оси цилиндра. Температура определялась цветовым методом путём скоростной кинорегистрации свечения пламени на спектрозональную плёнку с последующим фотометрированием.
В.А. Синицыным [58] было осуществлено многоканальное оптическое зондирование объёма КС дизеля 44 10,5/12 с целью исследования локальных полей концентрации сажи и температуры газа в цилиндре. L.J. Lyford-Pike и J.B. Heywood [95] измерили толщину теплового пограничного слоя в цилиндре двигателя с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом, используя метод шлирен-фотографии. Были получены данные в нескольких точках поверхности камеры сгорания практически на протяжении всего цикла двигателя. J.H. Bechtel и R.J. В lint [80] исследовали ламинарный тепловой пограничный слой, образующийся на охлаждаемой криволинейной поверхности при её продольном обтекании продуктами сгорания метано-воздушной смеси. Применяя оптический метод, основанный на использовании явления широкополосного когерентного рассеяния Рэмана (CARS-метод), авторы зафиксировали изменение температуры и концентрации основных химических веществ в поперечном направлении пограничного слоя.
CARS-метод был успешно использован R. Lucht и М. Maris [94] для изучения профилей температуры в непосредственной близости от поверхности огневого днища головки цилиндра ДВС. Исследовался экспериментальный двигатель Sandia с искровым зажиганием, работающий на предварительно подготовленной смеси пропана и воздуха. Свежий заряд подавался в цилиндр через впускной клапан небольшого диаметра, оснащённый ширмой, что приводило к сильной завихренности потока и значительному уровню турбулентности в камере сгорания. Двигатель был оснащён четырьмя свечами зажигания, расположенными через 90 по окружности цилиндра. Газовая смесь подавалась во впускной коллектор под давлением 1,27 бар и подогревалась до 100 С. Двигатель работал с пропусками воспламенения: напряжение на электроды свечей подавалось только один раз за три полных цикла двигателя. За счёт этого вследствие полной очистки цилиндра от остаточных газов была получена хорошая повторяемость измеренных в ходе нескольких экспериментов значений температуры в соответствующих точках поверхности. Частота вращения коленчатого вала двигателя составляла 600 мин" . Для беспрепятственного проникновения излучения лазера с длиной волны 532 нм в объём камеры сгорания гильза цилиндра имела два диаметрально расположенных окна диаметром 10 мм, выполненных из кварцевого стекла толщиной 10 мм. Диаметр цилиндра составлял 75 мм. Стальная головка цилиндра имела выпуклую поверхность днища с радиусом кривизны 69,8 мм.
Исследование взаимосвязи между процессами тепловыделения и теплообмена в камере сгорания поршневых двигателей
Согласно выражению (2.66), коэффициент теплоотдачи рассматривается как функция тепловыделения в КС двигателя. Это позволяет исследовать взаимосвязь процессов выделения тепла и теплоотдачи в цилиндре.
При выводе (2.66) учтено, что в течение малого промежутка времени Д г температура рабочего тела 7 изменяется незначительно. Это позволяет считать теплофизические свойства рабочего тела в пограничном слое в данном интервале Дг постоянными величинами. Таким образом, выражение (2.66) позволяет определить значение коэффициента теплоотдачи в интервале времени [гу, г/+1 = Ті + AT J. Подставляя в (2.66) значение г = Ат несложно вычислить конечные значения а,, соответствующие каждому интервалу Дгу. Кроме того, с целью учёта допущений, принятых при выводе «-формулы, следует ввести в оба характерных слагаемых (2.66) опытные коэффициенты, в результате чего формула окончательно обретёт следующий вид [17]:
Теплофизические свойства рабочего тела в каждом интервале времени рассчитывались по средней температуре пограничного слоя 7 р = 0,5( Т + Tw).
Подбор эмпирических коэффициентов в формуле (2.67) осуществлялся следующим образом. В качестве «эталонных» принимались значения коэффициента теплоотдачи а, определённые по формуле Вошни (2.20)-(2.21), хорошо зарекомендовавшей себя с точки зрения совпадения с экспериментальными данными по эффективным показателям двигателей. Величины Сх и С2 из (2.67) в каждом случае подбирались из условия обеспечения попарного равенства средних по углу поворота и максимальных значений а, определённых соответственно по (2.67) и (2.20)-(2-21) (рис. 2.33). где ак и aw —соответственно значения коэффициента теплоотдачи, определённые по (2.67) и (2.20)-(2.21); г3 вп и говьш — моменты времени, соответствующие закрытию впускных и открытию выпускных органов.
Принимая во внимание, что до момента начала горения топлива т = тнг второй член в (2.67) равен нулю (Дл"=0), можно определить значение коэффициента С[:
Далее, используя найденные значения С и С2, по выражению (2.67) вычисляем значения осреднённого по поверхности коэффициента теплоотдачи. Корректировка коэффициентов С, и С2 осуществляется путём сравнения максимальных величин, определённых по формулам (2.67) и Вошни (2.20)-(2.21).
ЕСЛИ #Kmax afWmax Коэффициент С, Следует умеНЬШИТЬ На ВЄЛИЧИНу 6 (в случае arKmax orWmax — увеличить на б\ после чего пересчитать коэффициент С2 по выражению (2.70), а затем определить по формуле (2.67) новое зна чение аКтях. Процедура повторяется до достижения заданной точности впервые предложенный в работе [17], является критерием взаимодействия тепловыделения и теплоотдачи в КС двигателя. Число KR представляет собой отношение количества теплоты, выделяемого в КС за промежуток времени Аг в результате сгорания единицы массы топлива, к количеству теплоты, отводимому от единицы массы рабочего тела при его охлаждении от , до Tw.
На рис. 2.34-2.36 приводятся диаграммы изменения критерия взаимодействия тепловыделения и теплоотдачи в рабочем цикле дизеля КамАЗ. Видно, что абсолютные величины критерия KR практически одинаковы для различных скоростных и нагрузочных режимов двигателя, однако характер его изменения, определяемый процессом тепловыделения в КС, различен. 1. Составлены алгоритм и программа расчёта процесса тепловыделения в КС дизеля на основе экспериментального закона изменения давления в цилиндре. Использовано предложенное F. Zacharias аналитическое представление удельных внутренней энергии, энтальпии и теплоёмкости рабочего тела в виде функций его параметров состояния и состава смеси газов. Сравнение с известными эмпирическими зависимостями и табличными данными для и, h, ср свидетельствуют о высокой достоверности предложенных Zacharias выражений при большей их приспособленности для включения в общую расчётную модель цикла двигателя, что позволяет рекомендовать их для дальнейшего использования. С помощью разработанной программы исследован характер процесса тепловыделения в КС дизеля КамАЗ для трёх различных режимов работы, отличающихся нагрузкой и частотой вращения KB двигателя, а также интенсивностью впускного вихря; 2. Разработаны алгоритм и программа расчёта локальных нестационарных значений интегральных характеристик пограничного слоя и тепловых нагрузок на поверхность огневого днища крышки цилиндра быстроходного дизеля с полуразделённой КС. Расчётные результаты хорошо согласуются с представлениями о физической природе процесса внутрицилиндро-вого теплообмена в ДВС. Получены ярко выраженная нестационарность и локальность распределения плотности теплового потока по поверхности; 3. Предложен способ расчёта коэффициентов в а-формуле, представленной профессором Р.З. Кавтарадзе и полученной с учётом закономерностей нестационарного теплообмена и тепловыделения в КС двигателя. Получены уточнённые значения этих коэффициентов применительно к дизелю КамАЗ. Вычислены значения критерия взаимодействия тепловыделения и теплоотдачи в КС для указанных выше режимов работы.
Моделирование фазовых сдвигов в случае произвольных изменений параметров рабочего тела в цилиндрах поршневых двигателей
Для исследования влияния частоты рабочего процесса и других факторов на величину фазового сдвига между плотностью теплового потока в стенку КС поршневого двигателя и разностью температур среды и стенки была создана моделирующая экспериментальная установка, состоящая из поршневой машины, работающей по циклу Стирлинга 1, электродвигателя 2 переменного тока, комплекса измерительной и регистрирующей аппаратуры (рис. 4.1).
Электродвигатель соединён с поршневой машиной посредством ременной передачи 3. Изменением передаточного отношения можно устанавливать частоту вращения коленчатого вала поршневой машины равной соответственно 200 и 400 мин".
Поршневая машина Стирлинга простого (одностороннего) действия вы-теснительного типа (рис. 4.2), с рабочим 1 и дополнительным 7 цилиндрами, расположенными относительно друг друга под углом 90. Цилиндры крепятся к станине 11, в которой на подшипниках качения установлен одноколейный кривошип 12 с маховиком 13 и шкивом 14 для запуска и отбора мощности.
В рабочем цилиндре помещён поршень 3, соединённый шатуном 2 с кривошипом 12, а в дополнительном цилиндре — вытеснитель 8, связанный с тем же кривошипом посредством штока 6 и шатуна 5. Вытеснитель разделяет внутреннее пространство цилиндра 7 на две полости: горячую 9 и холодную 10. Направляющей для вытеснителя является шток 6, а между стенками вытеснителя и цилиндра имеется радиальный зазор, по которому горячая и холодная полости сообщены между собой. Со стороны горячей полости 9 цилиндр 7 подогревается снаружи электрической спиралью, а со стороны холодной полости охлаждается воздухом, для чего снаружи цилиндра выполнены 6 кольцевых рёбер. Холодная полость 10 сообщена с рабочим цилиндром трубкой 4. Рабочий объём заполнен воздухом.
Вытеснитель выполняет также роль элементарного регенератора. При перетекании нагретого воздуха из горячей полости в холодную вытеснитель нагревается, а при обратном движении охлаждённого воздуха из холодной полости в горячую отдаёт ему часть тепла.
В торцевой части гильзы цилиндра горячей полости на расстоянии 20 мм от продольной оси цилиндра установлен датчик 5 (рис. 4.1) теплового потока ДТП-1-5 5 конструкции ИТТФ АН Украины. Электрический сигнал от датчика проходит через усилитель 6 (коэффициент усиления 120) и поступает на входной разъём платы аналого-цифрового преобразователя LA—2M5PCI 8, после чего записывается в последовательный текстовый файл на жёстком диске ПЭВМ 9 для дальнейшей обработки.
Давление во внутреннем контуре поршневой машины измеряется с помощью пьезоэлектрического кремниевого датчика Motorola MPX5700D 10, установленного в головке рабочего цилиндра (в холодной полости).
Текущий угол поворота коленчатого вала и ВМТ поршня горячей полости фиксируются с помощью оптического устройства 11, состоящего из валика, одним концом соосно соединённого с KB машины. На противоположном конце валика закреплён диск с 40 прорезями, через которые проходит поток инфракрасного излучения от соответствующего источника (ИК-излучающего диода). При вращении диска поток излучения периодически прерывается, что регистрируется фотодатчиком, выдающим прерывистые электрические импульсы, поступающие на вход АЦП и записываемые в файл данных совместно с сигналами от датчиков теплового потока и давления.
Средняя за цикл температура рабочего тела во внутреннем контуре контролируется с помощью выведенной во объём горячей полости стандартной термопары типа "К" 12, электрический сигнал которой подаётся на цифровой вольтметр 13, где он переводится в единицы температуры (С) и отображается на ЖК-дисплее.
Датчик теплового потока ДТП-1-55 (рис. 4.3) представляет собой плоскую дифференциальную термопару типа медь-константан с теплоизолированной боковой поверхностью. Основными элементами датчика являются медный корпус 3, константановая пластина (теплометрический элемент) 2, медная плёнка 1, нанесённая на поверхность электролитическим осаждением. Корпус, константановая пластина и защитная плёнка соединены с электродами 4, 5 и 6 из соответствующего материала. Для электрической изоляции медного электрода 4 от корпуса 3 и пластины 2, а константанового электрода 5 — от корпуса 3 внутренняя поверхность отверстий, по которым выводятся эти электроды, покрывается эмалью. С этой же целью внутренняя полость датчика заполнена диэлектрическим наполнителем 7. Схема подключения датчика к измерительной аппаратуре подробно описана в работе [38].
При определении плотности теплового потока измеряются температуры на торцах теплометрического элемента 2, затем в предположении отсутствия боковых растечек тепла решается нестационарная одномерная задача теплопроводности.
