Способ определения мгновенного коэффициента теплоотдачи к стенке рабочей камеры машины объемного действия

 

Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения мгновенного осредненного по поверхности значения коэффициента теплоотдачи к поверхности рабочей камеры машины объемного действия. Согласно заявленному способу значение мгновенного коэффициента теплоотдачи находят из отношения величины удельного теплового потока к разности мгновенной температуры газа и температуры стенок. При расчете величины удельного теплового потока используются величина объема рабочей камеры, площадь теплообменной поверхности, величины давления, температуры газа и температуры стенок, мгновенные значения которых измеряют в герметичной камере. Технический результат: повышение точности определения мгновенного коэффициента теплоотдачи. 1 ил.

Изобретение относится к экспериментальной теплофизике, а именно к способам определения коэффициента теплоотдачи, и может быть использовано для определения мгновенного осредненного по поверхности значения коэффициента теплоотдачи к поверхности рабочей камеры машины объемного действия.

Известен способ определения коэффициента теплоотдачи [1], заключающийся в том, что на определенном участке рабочего процесса компрессора объемного действия измеряют температуру стенок рабочей камеры Т_ст, площадь внутренней поверхности цилиндра F, участвующую в теплообмене, мгновенное давление газа в цилиндре Р и время протекания рабочего процесса τ. Далее по индикаторной диаграмме находят мгновенную температуру газа Т.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи α в предположении стационарности теплового потока находят по выражению

где ΔT=(Т-Тст) - изменение во времени средней разности температур газа и стенок;

F - поверхность, участвующая в теплообмене, м²;

τ - общее время протекания рассматриваемого процесса, с;

Q - количество теплоты в процессе теплообмена, Дж.

Однако этому способу присущ существенный недостаток, заключающийся в том, что полученный средний коэффициент теплоотдачи вследствие неоднородности условий теплообмена существенно отличается от действительного мгновенного [2], что не раскрывает действительной картины теплообмена.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ определения мгновенного коэффициента теплоотдачи в цилиндре [3], включающий измерение мгновенных значений давления Р, температуры стенок Т_ст, температуры газа Т, определение мгновенного значения удельного теплового потока q и вычисление коэффициента теплоотдачи по формуле

где q - мгновенное значение удельного теплового потока, Вт/м²;

Т - мгновенное значение температуры газа, К;

Т_ст - стационарная температура стенки, К.

Недостатком данного способа является то, что q определяется в какой-то локальной точке поверхности, а так как поле температур достаточно неравномерно [2], то этот метод подходит только для определения местного коэффициента теплоотдачи, который нельзя применять к другим участкам поверхности рабочей камеры, так как условия теплообмена на них могут существенно отличатся. Кроме того, данные эксперимента были получены на рабочих машинах и сопровождались массообменными потоками, что накладывает определенные особенности и не позволяет распространять полученные результаты на другие типоразмеры и конструктивные схемы машин объемного действия.

Задачей изобретения является определение мгновенного коэффициента теплоотдачи, осредненного для всей теплообменной поверхности, и повышение точности его определения.

Поставленная задача решается тем, что при изменении объема герметичной рабочей камеры (dm=0) и измерении в ней текущих значений мгновенных величин объема рабочей камеры V, площади теплообменной поверхности F, давления Р, мгновенной температуры газа Т и температуры стенок Т_ст значение мгновенного коэффициента теплоотдачи находят по зависимости

где q - величина удельного теплового потока, находится по выражению

где Δτ=1/N·ϑ - малый интервал времени, с;

N>360 - число измерений за цикл;

ϑ - частота цикла, с^-1;

p_I, V_I, T_I, F_I - соответственно давление (Па), объем (м³), температура газа (К) и площадь теплообменной поверхности (м²) рабочей камеры в момент времени τ_I;

T_I-1, V_I-1 - температура газа (К) и объем рабочей камеры (м³) в момент времени τ_I-1, причем τ_I-1=τ_I-Δτ;

С_V - изохорная теплоемкость, Дж/кг·К;

R - газовая постоянная, Дж/кг·К.

Предложенный способ определения мгновенного коэффициента теплоотдачи можно осуществить устройством, схема которого представлена на чертеже.

В герметичной рабочей камере 1 размещен с возможностью линейного перемещения поршень 2, соединенный через шатун 3 с коленчатым валом 4. На коленчатом валу 4 расположен датчик перемещения 5. Датчик измерения мгновенного давления газа 6, малоинерционный датчик температуры газа 7 и датчики измерения температуры стенок 8 связаны с входом усилителя 9, выход которого связан с аналого-цифровым преобразователем 10 и компьютером 11.

При вращении коленчатого вала 4 поршень 2 совершает возвратно-поступательные движения, периодически изменяя тем самым объем, температуру и давление газа в рабочей камере 1. Датчик мгновенного давления 6 и малоинерционный датчик температуры 7 регистрируют параметры газа при определенных углах поворота коленчатого вала в течение оборота. Температурные датчики 8 снимают показания значений температуры стенок в нескольких точках, которые затем осредняются компьютером по специально заложенной программе. Величину перемещения поршня S_I определяют датчиком перемещения 5. Объем рабочей камеры V_I в момент времени τ_I определяют исходя из значения площади поршня F_п и перемещения S_I по общеизвестной формуле

V_I=F_П·S_I (4)

Аналоговый сигнал с каждого из указанных датчиков через усилитель 9 поступает в блок аналого-цифрового преобразователя 10, после чего в цифровой форме его подают в компьютер 11, где формируют массив данных, в котором для каждого из N измерений создается массив значений Т_CT, Т, Р, F и перемещения поршня S_I. Далее с помощью специальных программ массив обрабатывают по зависимостям (2) и (3).

Выражение (3) получено в результате преобразования уравнения первого закона термодинамики [4]

Q=ΔU+L (5),

где Q - количество теплоты, сообщенное телу при нагревании за время Δτ;

ΔU - изменение внутренней энергии тела, равное разности внутренних энергий системы за время Δτ, которую находят по формуле [4]:

ΔU=m·c_v·(T_I-T_I-1), (6)

где m - масса газа в рабочей камере (кг), которая определяется в соответствии с уравнением состояния [4]

L - работа, совершаемая над телом за время Δτ [4]

L=P_I·(V_I-V_I-1), (8)

где V_I=F_П·S_I - объем рабочей камеры в момент времени τ_I;

V_I-1=F_П·S_I-1 - объем рабочей камеры в момент времени τ_I-1;

S_I - перемещение поршня в момент времени τ_I;

S_I-1 - перемещение поршня в момент времени τ_I-1.

Подставляя ΔU и L в (5), получим количество теплоты, сообщенное телу за время Δτ

Q=(P_I·V_I/R·T_I)·c_v·(T_I-T_I-1)+P_I·(V_I-V_I-1). (10)

Принимая во внимание [4], что величина удельного теплового потока

q=Q/Δτ·F_I (11)

и с учетом полученного выражения (10), значение удельного теплового потока можно представить в следующем виде:

Использование предложенного способа определения коэффициента теплоотдачи обеспечивает возможность получения мгновенного значения коэффициента теплоотдачи, осредненного по всей теплообменной поверхности, что позволяет оценить процесс теплообмена в рабочей камере, а не в какой-то локальной точке и существенно увеличить точность нахождения коэффициента теплоотдачи вследствие непосредственного измерения температуры и герметизации рабочей камеры.

Источники информации

1. Максимук Б.Я., Самойлович С.В. Коэффициент теплоотдачи при расширении природного газа в цилиндре поршневого компрессора // Газовая промышленность. - 1972. - №6. - С.16-18.

2. Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. - М.: ВО Агропромиздат. 1987. - 271 с.

3. Розенблит Г.Б. Исследование теплоотдачи от газа к стенке рабочего цилиндра дизеля // Вестник машиностроения. - 1962. - №2. - С.22-26.

4. Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика./ Сычев В.В., Шейдлин А.Е. - Изд. 2-е. М.: Энергия, 1974. - 448 с.

Формула изобретения

Способ определения мгновенного коэффициента теплоотдачи, включающий измерение мгновенных значений давления Р, температуры стенок Т_ст, температуры газа Т, определение мгновенного значения удельного теплового потока q и вычисление коэффициента теплоотдачи по зависимости

отличающийся тем, что дополнительно измеряют мгновенные значения текущих величин объема рабочей камеры V_I и площади теплообменной поверхности F_I, причем измерение мгновенных значений текущих величин объема рабочей камеры V_I, площади теплообменной поверхности F_I, давления Р_I, температуры стенок Т_ст, температуры газа Т производят в герметичной рабочей камере через малые равные промежутки времени Δτ,

где Δτ=1/N·ϑ;

N>360 - число измерений за цикл;

ϑ - частота цикла, с^-1;

q - удельный тепловой поток за промежуток времени Δτ, находят по выражению

,

где Р_I, V_I, T_I, F_I - соответственно давление (Па), объем рабочей камеры (м³), температура газа (К) и площадь теплообменной поверхности (м²) в момент времени τ_I;

Т_I-1, V_I-1 - температура газа (К) и объем рабочей камеры (м³) в момент времени τ_I-1, причем τ_I-1=τ_I-Δτ;

С_V - изохорная теплоемкость, Дж/(кг·К);

R - газовая постоянная, Дж/(кг·К),

причем температура газа Т определяется путем непосредственного измерения малоинерционным датчиком температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1