4.Расчет температурного поля в стенке цилиндра двс

4.1 Физическая постановка задачи

Рассчитать тепловой поток, передаваемый через стенку цилиндра ДВС и температуры поверхностей стенки, толщина которой = 5мм, высота L=150мм, теплопроводность материала =42Вт/(м·град), внутренний диаметр цилиндра D₁=0,508м.

Стенка с одной стороны омывается охлаждающей водой со средней температурой t_ж2=80, коэффициент теплоотдачи ₂=3000Вт/(м² град) с другой стороны омывается раскаленными газами с температурой t_газ=1000 ⁰С и коэффициентом теплоотдачи ₁=200Вт/(м² град).

Во время работы двигателя на наружной поверхности стенки цилиндра образуется накипь толщиной = 4мм, теплопроводность которой λ_н=0,8 Вт/(м град)

Рассчитать температурное поле в стенке, т.е температуры на поверхностях накипи t_c3 , t_c2 и на внутренней стенке цилиндра t_c1, а также температуру газов t_газ при условии, что t_ж2, α_2, α₁ и тепловой поток остаются неизменными.

Изобразить температурное поле в стенке цилиндра ДВС без отложения накипи и с отложением накипи графически в масштабе.

4.2 Решение задачи

Для условий задачи определим диаметры D₂ и D₃ .

Рассчитываем тепловой поток, передаваемый через стенку цилиндра ДВС по уравнению

Q =( t_газ- t_ж2) L /(1/(D₁)+ln(D₂/D₁)+1/ (D₂))

Q =3,14(1000-80) 0,15/(1/(2000.508)+ln(0.516/0.508) + +1/(30000,516))=40593,8 Вт.

Тепловой поток, передаваемый от газа к охлаждающей жидкости, равен тепловому потоку отдаваемому от газа к стенке цилиндра

Q =D₁ ( t_ж1- t_с1) L_,

равен тепловому потоку, передаваемому через стенку цилиндра

Q = =( t_с1- t_с2) L /(ln(D₂/D₁))

и равен тепловому потоку, отдаваемому от поверхности стенки цилиндра к охлаждающей воде

Q =D₂ ( t_с2- t_ж2) L.

Используя данные уравнения, находим интересующие нас температуры:

температура на поверхности стенки цилиндра со стороны газа

t_с1= t_газ- Q/(D₁ l) = 1000 – 40593,8/(2000,5083,140,15) = 151,7 ⁰С;

температура на поверхности стенки цилиндра со стороны охлаждающей воды

t_с2= t_ж2 + Q/(D₂ l) = 80 + 40593,8/(30000,5163,140,15) = 135,6 ⁰С_.

Тепловой поток ,передаваемый от раскаленного газа к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра с отложенной на ней накипью описывается системой уравнении

Q =D₁ (t_газ- t_с1) L;

Q = =( t_с1- t_с2) L /(ln(D₂/D₁));

Q = =( t_с2- t_с3) L /(ln(D₃/D₂));

Q =D₃ (t_с3- t_ж2) L.

Используя данные уравнения, рассчитываем интересующие нас температуры:

температура на поверхности накипи со стороны охлаждающей воды

t_с3= t_ж2 + Q/(D₃ L) = 80 + 40593,8/(30000,5243,140,15) = 134,8 ⁰С:

температура на поверхности между накипью и стенкой цилиндра

t_с2= t_с3 + Q ln(D₃/D₂)/ (2_н L) = 134,8 + 40593,8  ln(0,524/0,516)/ (23,140,80,15) = 963,5 ⁰С;

температура на поверхности стенки цилиндра со стороны газа

t_с1= t_с2+ Q ln(D₂/D₁)/( 2 L) = 963,5 + 40593,8 ln(0,516/0,508)/ (23,14420,15) = 979.5 ⁰С;

температура газа внутри цилиндра при наличии накипи на стенках цилиндра двигателя внутреннего сгорания

t_газ= t_с1 + Q/(D₁ L) =979,5 +40593,8/(2000,5083,140,15) = 1827,8 ⁰С

t

t

tгаз_ст1

1500

1000

500

0

D₁

D₁

t_ст2

tгаз_ст1

1000

500

0

t_ст1

D₂

D₂

D₃

t_ж2

t_ст2

t_ст1

t_ст3

t_ж2

х

х

Температурное поле в стенке цилиндра:

а) без отложения накипи; б) с отложением накипи.

Образование накипи на стенках цилиндра вызывает повышение температуры сгорания горючей смеси, что ведет нарушению тепловых процессов протекающих в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Образование накипи на стенках цилиндра двигателя явление нежелательное.