دانلود مقاله انتقال حرارت گذار

word قابل ویرایش
16 صفحه
4700 تومان

انتقال حرارت گذار

مقدمه
انتقال حرارت گذرا از گاز به دیواره های محفظه احتراق و دیوارهای دریچه تأثیر قابل ملاحظه ای روی تعویض گاز و عملکرد موتور IC می گذارد . به علاوه ، درستی اطلاعات انتقال حرارت در این قسمتها ، برای اعمال شرایط مرزی به منظور آنالیز ساختاری امری ضروری است.

در تئوری ، بازده حجمی که در طول شبیه سازی فرایند تعویض گاز محاسبه می شود براساس برنامه های یک بعدی اغلب کار مشکلی می باشد . شکل ۱ مثالی از وابستگی بازده حجمی به شرایط انتقال حرارت در طول مرحله تعویض گاز می باشد . شکل نشان دهنده تأثیر انتقال حرارت در دریچه ورودی هم و تأثیر انتقال حرارت در محفظه احتراق در طول مرحله ورود گاز می باشد . بر اساس معادلات انتقال حرارت با توجه به روابط Woschni و Zapf ، انتقال حرارت با ضرایب ۷/۰ تا ۸/۱ در محفظه احتراق و دریچه ورودی کاهش یا افزایش پیدا کرده است . محاسبات بر روی یک موتور تک سیلندر آزمایشی ( DI دیزل ، قطر mm 124 ، طول کورس mm 165 ) در دور موتورrpm 1080 و بار %۵۰ انجام شده است .
شکل ۱

اگر چه تأثیر انتقال حرارت در دریچه ورودی برای این نوع موتور در شرایط اشاره شده در بالا ، پایین است ، بازده حجمی به مقدار زیادی به انتقال حرارت در محفظه احتراق وابسته است . ( بیشتر %۳ در افزایش ۸۰ درصدی انتقال حرارت ) این مسأله در مورد تشکیل NOX نیز صادق است . ( افزایش %۱۱ ) به سبب سطح دمای تغییر یافته در محفظه احتراق . محاسبه NOX خروجی به طور قابل ملاحظه ای تحت تأثیر انتقال حرارت آنی در طول مرحله فشار زیاد می باشد . شکل ۲ تأثیر این امر را با مقایسه مقادیرNOX در زاویه میل لنگ های مختلف و با دو پیشروی متفاوت انتقال حرارت ، در دور ۱۴۷۰ rpm و بار کامل را نشان می دهد . از یک سمت محاسبات انتقال حرارت از معادلات Woshchni انجام شده و در سمت دیگر

محاسبات براساس شبیه سازی CFD سه بعدی انجام شده است . محاسبه نرخ تشکیل NOX بر طبق مکانیزم توسعه یافته Zeldovich در دو منطقه دمایی ( سوخته و غیر سوخته ) ، برنامه شبیه سازی عملکرد موتور در دو منطقه دمایی انجام می شود . بنابراین نرخ آزاد سازی حرارت ثابت نگه داشته شده . مقایسه مقادیر پیوسته NOX نشان دهنده کاهش % ۱۴ درصدی براساس نتایج CFD می باشد . بنابراین تطابق بیشتری با نتایج اندازه گیری داشته .

شکل ۲ ( a و b )
اصول پایه در روش دمای سطح :
حوزه دما در دیواره محفظه احتراق می تواند توسط معادلات دیفرانسیلی فوریه در مورد هدایت حرارت بیان شود . با فرض یک جریان حرارت یک بعدی در دیواره های محفظه احتراق ، فقط گرادیان دمایی در جهت x ، عمود بر سطح دیواره وجود دارد . معادله کلی به صورت معادله زیر در می آید که t زمان و ‏Tw دمای دیواره است :
۱)
در این رابطه ضریب نفوذ حرارتی دیواره می باشد . که از سه پارامتر تشکیل شده است .
ضریب هدایت حرارتی =
ظرفیت حرارتی = C چگالی =

انتقال حرارت گذرا از گرادیان دما و ضریب هدایت حرارتی مشخص می شود .
۲)
معادله بالا می توانند برای عملکرد سیکل با بسط دادن آن به صورت سری حل شوند . با فرض اینکه دیواره به صورت یک صفحه نامحدود است . حل مناسب به صورت زیر می باشد :
۳ )
و
۴)
به علاوه ، انتقال حرارت یک فاکتور قطعی برای تنش های حرارتی در قسمتهای نزدیک محفظه احتراق تشکیل می دهد . نقش مهم در اینجا توسط میانگین زمانی و تحلیل فضایی چگالی شارحرارتی بازی می شود . در (۲) نشان داده شده که افزایش %۱۰ درصدی شار حرارتی دیواره سمت گاز باعث افزایش ›۸۰ دما در valve bridge بین سرپاپ ورود و خروج گاز می شود . چنین تغییرات درجه حرارتی باعث کاهش قابل ملاحظه مقاومت اجزاء در مقابل تنش های زیاد می شود . بنابراین لازم است که شرایط مرزی حرارتی را برای بهینه سازی اجزاء ، مشخص کنیم .

اندازه گیری شار حرارتی : ( توسط سنسورها )
استانداردها برای سنسورهای اندازه گیری شار حرارتی در سمت گاز در موتورهای احتراق داخلی خیلی بالا هستند . این امر مخصوصا برای اندازه گیری در محفظه احتراق درست است ، علاوه بر اینکه سنسورها باید در زمان کوتاهی شرایط را تحلیل کنند ، و دقت بالایی داشته باشند می بایست در مقابل دما و شار حرارتی خیلی کم آسیب پذیر باشند و می بایست در کوچکترین اندازه ممکن باشند و مقاومت کافی داشته باشند . در اصل دو روش اندازه گیری مختلف برای اندازه گیری شار حرارتی لحظه ای درموتورهای IC وجود دارد .
۱- سنسور براساس روش دمای سطح قرار داده می شوند .

۲- سنسورها براساس اندازه گیری دما در لایه مقاومت حرارتی قرار گرفته اند .

جدول ۱ خلاصه ارزیابی انواع مختلف سنسورها :

+good
o …limitations
…… poor
TRL S T M
HFM LCRTS RTS B A
o o o + +
+ + + o o
+ + + o _
+ + + o O خروجی
_ + o + + ابعاد خارجی
_ + o + o مقاومت دربار کامل

جدول ۲ : کاربرد روش مختلف اندازه گیری :
‏TRL STM
o + فشار زیاد – محفظه احتراق
o o فشار پائین – محفظه احتراق
+ _ ورودی گاز
+ + خروجی گاز

انتقال حرارت داخل سیلندر در مرحله تراکم و احتراق :
معادلات انتقال حرارت که به کار برده می شوند بر مبنای اصول نیوتونی می باشند ، بر این اساس چگالی شار حرارتی دیواره از ضریب انتقال حرارت و اختلاف دمای مؤثر بین گاز و دیواره سرچشمه می گیرد . این معادلات که ضرایب انتقال حرارت را بیان می کنند می توانند به دو گروه بی بعد و بعد دار تقسیم شوند .

روشهای بهتری برای بیان ضرایب انتقال حرارت با در نظر گرفتن آنالوژی رینولدز پیشنهاد شده اند . این روابط شامل ترکیب تمام پارامترهای که هرکدام اثر طبیعی چیزی را بر روی اعداد بی بعد مشخص می کنند ، تشکیل شده است . این چنین معادلاتی روابط بالا دمای گذرا و جریان حرارت گذرا را در هر مکن از دیواره محفظه احتراق مشخص می کنند . قسمت متغیر دما و شار حرارتی سریعاً به صورت اکسپونانشیلی با میزان عمق دیواره (X) کاهش پیدا می کنند .

ثابتهای Ai و Bi و C2 ؟؟؟ می توانند شرایط مرزی مشخص شوند . برای x = o ، معادله ۳ منحنی دما را در سطح دیواره محفظه احتراق می دهد . در نتیجه ضرایب Ai و Bi با داشتن شرایط مرزی از روی اندازه گیری از طریق سنسور مشخص می شوند .

ثابت C ، در نهایت ، مطابق با قسمت ثابت جریان حرارت از میان دیواره محفظه احتراق می باشد . و می تواند از طریق تکنیک های اندازه گیری مشخص شود ، مثلاً از طریق سنسور جریان حرارتی ، یا با اندازه گیری دما در محلی که فاصله آن از سطح محفظه احتراق معلوم می باشد . اما جریان حرارتی غیر گذرا ، از طریق دمای گاز که توسط تحلیل منحنی فشار قبلاً محاسبه شده بود ، مشخص می شود ، با این فرض که جریان حرارتی در جایی که دمای دیواره و گاز یکسان است نداریم .
دو نوع سنسور برای اندازه گیری دما استفاده می شوند :

۱ = سنسورهای اندازه گیرنده دما سطح
۲ = سنسورهای فیلم مقاومت حرارتی نازک .
شکل ۹ نتایج آزمایشات از طریق سنسورها را نشان می دهد . به سبب نشان دادن تأثیرات دینامیکی ، اندازه گیری در دور rpm100 تا rpm1000 انجام شده است . که مطابق با دور ۴۰۰ تا ۴۰۰۰ در موتورهای ۴ زمانه است . سنسورها نتایج بسیار خوبی را در تطابق با مقادیر مطلق نشان می دهند .
مقایسه روابط انتقال حرارتی :

مطالب زیر آزمایشات انتقال حرارت بر روی دو موتور مختلف را ( موتور SI و DI دیزل ) بیان می کند . تست ها شامل اندازه گیری شار حرارتی دیواره در چند موقعیت اندازه گیری بر روی سر سیلندر می باشد ، که از روش دمای سطح استفاده شده :
موتور آزمایشی : تست ها بر روی موتورهای زیر انجام شده است :
• موتور بنزینی ۴ سوپاپه ( موتور – Ford Zetec 8/1 )
• موتور دیزل تزریق مستقیم ، خنک شونده با هوا ( MWM )
جدول زیر اطلاعات تکنیکی دو موتور را لیست کرده است .

جدول ۳ ) مشخصات تکنیکی موتورهای مورد آزمایش :
جدول
موقعیت سنسور فشار و موقعیت های اندازه گیرنده ها در موتور SI در شکل ۱۰ و آنهایی که مربوط به موتور دیزل هستند در شکل ۱۱ نشان داده شده است . از سنسورهای فیلم مقاومت دمایی برای مشخص کردن شار حرارتی در دیواره استفاده کرده اند .

بر مبنای روش ارائه شده توسط NuBelt می باشد . برای مثال Huber/ woschni ، Hohenberg ، Bargende ، در این معادلات سرعت متوسط پیستون به عنوان سرعت مؤثر برای مشخص کردن Rc استفاده شده . رابطه زیر مربوط به Woskhri/huber ؟؟؟ می باشد .
( فرمول )

مدل های محاسبه انتقال حرارت در سمت گاز در موتور IC بر اساس اصول فیزیکی ، به عنوان چاره ای برای روشهای نیوتونی پیشنهاد شده بود . مانند مدلهایی که توسط pfriem و elser در ارائه شده و بر اساس محاسبات سیکل موتور واقعی می باشد . در سال ۱۹۹۳ Kleinschmidt روشنی را ارائه داد که بر مبنای حل معادلات دیفرانسیل جزعی بود . و بیان کننده فرایندهای فیزیکی بود .

حل زمانی انتقال حرارت : شکل ۱۲ چگالی شار حرارتی دیوار را که از طریق اندازه گیری بدست آمده با نتایج دیگر که از محاسبات سیکل موتور بدست آمده مقایسه می کند.
شکل ۱۳ نتایج را برای موتور دیزل نشان می دهد . در اینجا منحنی اطلاعات آزمایشی مربوط به چگالی شار حرارتی دیواره است که از اندازه گیری در موقعیت های خاص بدست آمده است . روابط انتقال حرارت ارائه شده توسط Woschni/Huber و Hohenberg و Bargende و Kleinschmidt در اینجا برای مقایسه به کار برده شده است . شکل (۱۲)

این امر واضح است که اندازه گیری ها در هنگام عملکرد موتور انتقال حرارت نامتقارن را در نقطه مرگ بالا برای هر دو نوع موتور نشان می دهد . این نتایج می تواند با استفاده از رابطه انتقال حرارت ارائه شده توسط kleinschmidt نیز بدست آید . رابطه Bargende نیز منحنی نامتقارن در درجات پائین تر ایجاد می کند . به سبب اصولی که روابط woschni و Hohenberg بر مبنای آنها است . این روابط منحنی های متقارنی ایجاد می کنند . میدان نوسانات فشارهای حرارتی به طور قابل ملاحظه ای تغییر می کند .

عملیات انفجار در محفظه احتراق نتایج مختلفی را ایجاد می کند که وابسته به سرعت ، بار و نوع موتور می باشد و رسم منحنی نتایج را غیر ممکن می سازد .
فقط می توان به این نکته اشاره کرد که به نظر می رسد رابطه Kleinschmidt نرخ پائین تری از احتراق راتولید می کند وقتی که در مورد موتور دیزل استفاده می شود .
میانگین زمانی انتقال حرارت و حرارت کل آزاد شده :

میانگین زمانی انتقال حرارت : میانگین زمانی انتقال حرارت به دیواره محفظه احتراق به عنوان مقدار ورودی برای محاسبات ( FEM ) مقاومت اجزاء امری مهم است . تفاوت در میانگین انتقال حرارت از روابط انتقال حرارتی مختلف نتیجه می شود برای موتور SI در شکل ۱۴ نشان داده شده است . و برای موتور دیزل در شکل ۱۵ نشان داده شده است . اشکال خاص نشان دهنده مقادیر مبنی برای روابط Bargende , Hohenberg و Kleinschmidt هستند که به صورت درصد نسبت به محاسبات بر مبنای روابط woschin می باشند . این امر باعث می شود که تفاوت حقیقی بین روابط انتقال حرارت را بدون اینکه نتایج تحت تأثیر اندازه گیری مجهولات باشد ، نشان داد . شکل ۱۴-۱۵-۱۶٫

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 4700 تومان در 16 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد