2.3. Контрольные вопросы

1. Назовите три основные виды теплообмена.

2. Дайте определение теплового потока.

3. Объясните механизм обмена энергии в процессе теплопроводности.

4. Дайте определение конвективного теплообмена.

5. Объясните процесс теплового излучения.

6. Как определить тепловой поток через стенку?

7. Назовите виды процесса конвенции. Объясните их механизм действия.

8. Назовите основные критерии подобия. В чем их физический смысл?

9. Какая схема лежит в основе процесса лучистого теплообмена?

10. Объясните понятие «степень черноты тела».

11. Что такое теплопередача? Приведите пример сложного теплообмена.

12. Как определить сопротивление теплопередачи через многослойную стенку?

3. Занятие №3: Расчет процессов горения топлив в двс

Цель и задачи занятия - формирование у студентов знаний и умений применения теоретических основ теории горения для практического проведения расчетов сжигания топлив в двигателях внутреннего сгорания

Количество часов, отводимых на занятие – 2 часа.

1. Краткие теоретические сведения

Свойства жидких топлив

Топливо	Элементный (средний) состав 1 кг топлива			Молекулярная масса μТ, кг/кмоль	QH, кДж/кмоль
	С	О	N
Автомобильный бензин	0,855	0,145	-	110 – 120	44000
Дизельное	0,870	0,126	0,004	180 – 200	42500
Дизельное моторное	0,870	0,125	0,005	220 – 280	41800

Сгорание топлива представляет собой химическое соединение составных элементов топлива с кислородом:

С+О₂=СО₂, 2Н₂+О₂=2Н₂О, (3.1)

при неполном сгорании углерода:

2С+О₂= 2СО. (3.2)

Для полного сгорания 1 кг топлива (состав С+Н+О= 1) требуется количество кислорода:

в киломолях

(3.3)

в килограммах

(3.4)

В окружающем воздухе кислорода по массе содержится примерно 23 %, а по объему 21 %. Поэтому количество воздуха, которое теоретически необходимо для сгорания топлива массой 1 кг и состава С + Н + О= 1, выражают стехиометрическим соотношением, кмоль,

(3.5)

или, кг

(3.6)

Кажущаяся молекулярная масса воздуха μ_В= 29 кг/кмоль, следовательно,

m₀= μ_ВМ₀= 29М₀. (3.7)

Отношение количества воздуха m, действительно поступающего в цилиндр двигателя, к теоретически необходимому количествуm₀называется коэффициентом избытка воздуха α:

, или. (3.8)

Если α < 1 (недостаток кислорода), смесь называют богатой, при α > 1 (избыток кислорода) смесь называют бедной.

При полном сгорании 1 кг топлива в двигателях с искровым зажиганием общее количество горючей смеси, кмоль, состоящей из паров топлива и воздуха,

, (3.9)

где μ_Т- молекулярная масса топлива (см. табл.1).

В дизелях из-за малого объема, занимаемого жидким топливом, величиной 1/μ_Т можно пренебречь, поэтому

М_Т= αМ₀. (3.10)

При полном сгорании жидкого топлива (α > 1) продукты сгорания состоят из образовавшихся в результате реакции СО₂,Н₂О, избыточного кислорода и азота. Количество отдельных составляющих продуктов сгора­ния, кмоль, определяется по следующим формулам:

; (3.11)

; (3.12)

, (3.13)

где 0,21α М₀- количество поступившего кислорода, кмоль; 0,21М₀– количество кислорода, принявшего участие в реакции, кмоль.

M_N2= 0,79 αМ₀.

Общее количество продуктов сгорания М_ПС, кмоль, отнесенное к 1 кг топлива:

.

Подставляя в это выражение значения, , получим:

Для стехиометрического состава смеси (α = 1):

. (3.14)

Для значения α > 1 количество, кмоль, продуктов сгорания с учетом избыточного азота ΔΜ_N2 = 0,79(α – 1)M₀ и избыточного кислорода ΔΜ_О2 = 0,21(α – 1)M₀ в продуктах сгорания определится:

(3.15)

Масса продуктов сгорания G_ПС, кг, при сгорании 1 кг жидкого топлива

Тогда

(3.16)

При неполном сгорании жидкого топлива (α < 1) из-за недостатка кислорода часть углерода топлива сгорает в окись углерода, а часть водорода не реагирует с кислородом.

Эксперименты показывают, что отношение числа молей водорода к окиси углерода примерно постоянно для данного топлива и не зависит от величины α. Обозначим это отношение через К.

(3.17)

Согласно опытным данным для бензинов, у которых Н/С= 0,17 – 0,19,К= 0,45 – 0,50, а приН/С= 0,13,К= 0,30.

Вследствие неполноты сгорания топлива выделившееся количество теплоты уменьшается на доли не выделившейся теплоты находящихся в продуктах сгорания окиси углерода водорода (ΔQ^Н)_CO и (ΔQ^Н)_Н2. Суммарную долю не выделившейся теплоты (ΔQ^Н)_хим= (ΔQ^Н)_CO+ (ΔQ^Н)_Н2можно подсчитать по уравнению, Дж/кг

(ΔQ^Н)_хим= А(1 –α)М₀, (3.18)

где А =114· 10⁶приК= 0,5 – 0,45 и А = 116·10⁶приК= 0,3.

Опуская промежуточные выкладки, запишем выражение для компо­нентов, входящих в состав продуктов сгорания в случае α < 1. Количество каждого компонента, кмоль, определяется по следующим формулам:

(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

В то время как массы, кг, продуктов сгорания и горючей смеси до сгорания одинаковы (G_ПС=G_T), количество молей продуктов сгорания и количество молей горючей смеси до сгорания неравны. Изменение количества молей смеси (ΔМ) при сгорании происходит вследствие изменения числа молекул газообразных продуктов сгорания по сравнению с числом молекул горючей смеси до сгорания, т.е. ΔМ=М_ПС–М_Т.

Изменение количества молей принято выражать относительной ве­личиной - теоретическим коэффициентом молекулярного изменения

(3.24)

Для бензиновых двигателей с искровым зажиганием

(3.25)

(3.26)

Для дизелей (α > 1)

. (3.27)