第4章 发动机的传热(2003版)

1、l要求掌握热传递的基本理论；l三种传热方式的机理及分析计算方法；l内燃机中三种热传递形式的具体表现形式和应用。 热量传递过程概述热量传递过程概述4.1 导热过程导热过程4.2 辐射换热辐射换热4.4 对流换热对流换热4.3 发动机换热分析发动机换热分析4.5 当一个物体内部存在温差或两个物体当一个物体内部存在温差或两个物体之间存在温差时就会发生热量从物体某一之间存在温差时就会发生热量从物体某一部分传至另一部分或热量从一个物体传至部分传至另一部分或热量从一个物体传至另一个物体的现象，这就是另一个物体的现象，这就是热传递现象热传递现象。 内燃机是一种热动力装置，它是通过将燃内燃机是一种热动力装置，

2、它是通过将燃料燃烧的热能转变成机械能而获得动力的。料燃烧的热能转变成机械能而获得动力的。汽油机和柴油机缸内燃气的温度和压力随曲轴转角的变化汽油机和柴油机缸内燃气的温度和压力随曲轴转角的变化 图图4.14.1汽油机柴油机 由图可知：由图可知： 与燃气接触的各机件（燃烧室壁面、与燃气接触的各机件（燃烧室壁面、进排气门、活塞等）都要承受很大的热负进排气门、活塞等）都要承受很大的热负荷，那么这些零件的温度会升得很高。同荷，那么这些零件的温度会升得很高。同时，零部件内部还进行着热传递。时，零部件内部还进行着热传递。l严重后果：严重后果： （1 1）零件材料强度降低，长期的高温下工）零件材料强度降低，长期

3、的高温下工作零件会出现变形；作零件会出现变形； （2 2）由于高温使润滑条件变差，引起零件）由于高温使润滑条件变差，引起零件过度磨损；过度磨损； （3 3）零件各部分的温度不均会引起零件的）零件各部分的温度不均会引起零件的变形不均变形不均4.1.2 4.1.2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式热量传递的热量传递的三种基本方三种基本方式式导热导热对流对流辐射辐射 指温度不同的物体各部分或指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。热量传

4、递现象。4.2.1 4.2.1 导热现象分析导热现象分析 1) 1)定义：定义：指温度不同的物体各部分或温度不同指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象称为递现象称为。( ( 2)2)物质的属性物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生 3) 3)导热的特点：导热的特点：a a 必须有温差；必须有温差；b b 物体直接接触；物体直接接触；c c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运

5、动而传递热量。动而传递热量。4 4）内燃机中的导热现象）内燃机中的导热现象 在内燃机中，缸内燃烧的最高温度可达在内燃机中，缸内燃烧的最高温度可达2000K2000K左右，而内燃机启动时活塞、汽缸壁、缸盖、气左右，而内燃机启动时活塞、汽缸壁、缸盖、气阀等零件的温度为环境温度，则由于缸内高温燃阀等零件的温度为环境温度，则由于缸内高温燃气的传热，周围机件表面的温度必定高于内部的气的传热，周围机件表面的温度必定高于内部的温度，此时，各机件内部就存在导热过程。温度，此时，各机件内部就存在导热过程。：主要依靠晶格的振动，即原子、分主要依靠晶格的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。子在其平衡位

6、置附近的振动来实现的。：依靠自由电子的迁移和晶格的振依靠自由电子的迁移和晶格的振动动；：依靠自由电子的迁移和晶格的振动；依靠自由电子的迁移和晶格的振动； ：依靠晶格的振动传递热量，比较：依靠晶格的振动传递热量，比较小。小。4.2.2 4.2.2 导热机理导热机理 气体的导热气体的导热：由于分子的热运动和相互碰撞时发：由于分子的热运动和相互碰撞时发 生的能量传递。生的能量传递。稳态导热稳态导热：在导热过程中，物体内部各点：在导热过程中，物体内部各点温度不随时间而变。温度不随时间而变。非稳态导热非稳态导热：在导热过程中，物体内部：在导热过程中，物体内部各点温度随时间而变。各点温度随时间而变。瞬态物

7、体的温度场瞬态物体的温度场：物体内某瞬时的各点：物体内某瞬时的各点的温度分布情况。的温度分布情况。 平板稳态导热平板稳态导热，温度场可用一系列，温度场可用一系列等温线等温线描述，等温线上各点具有相同的温度。描述，等温线上各点具有相同的温度。图4.2 稳态导热一维稳态导热微分方程式一维稳态导热微分方程式 Q为单位时间的导热量为单位时间的导热量 直角坐标系直角坐标系 （导热热流量、热流量）（导热热流量、热流量） 园柱坐标系园柱坐标系 dt/dxdt/dx为温度变化率为温度变化率 导热系数导热系数，又称又称导热率导热率（ ）热流密度：热流密度： 或或q热流密度热流密度, ,通过单位面积的导热量（通过

8、单位面积的导热量（ ） dxdtFQdrdtFQCmWodxdtqdrdtq2mWFQq (4-1)(4-2)(4-3)：平壁厚度小于高度和宽度的平壁厚度小于高度和宽度的1/10.1/10.FttQww2121wwttq(4-5)(4-7)/(WCRoFRRtQRttww21(4-8)(4-8a)N N层多层平壁的计算公式层多层平壁的计算公式或或FttQiininww111iininwwttq111(4-15)(4-16)1 1）单层圆筒壁导热量）单层圆筒壁导热量 为长为长 L L 的圆筒壁的的圆筒壁的RttrrlttQwwww211221ln2112ln21rrlR(4-18)1221ln2

9、1rrttlQqwwbt101221ln21rrlttQmww当考虑温度对导热系数的影响时当考虑温度对导热系数的影响时 用线性函数表示用线性函数表示21210wwmttb(4-20)(4-21)第二版第二版7979页页 有几种材料紧密结合所构成的圆筒壁称有几种材料紧密结合所构成的圆筒壁称为为多层圆筒壁热流量多层圆筒壁热流量Q（书（书9999页公式（页公式（4-224-22）应该是）应该是三层三层圆筒壁）圆筒壁） ininwwRttQ111（4-22）iiiirrlR1ln214.3 4.3 对流换热对流换热 流体中（气体或液体）温度不同的各流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对

10、的部分之间，由于发生相对的宏观运动宏观运动而而把热量由一处传递到另一处的现象。把热量由一处传递到另一处的现象。(1)(1)对流定义：对流定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的分之间，由于发生相对的宏观运动宏观运动而把热量由一处而把热量由一处 传递到另一处的现象。传递到另一处的现象。(2)(2)对流换热：对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，它与单纯的对流不同，具有如下特传递过程，它与单纯的对流不同，具有如下特点：点： a a 导热导热与与热对流热对流同时存在的复杂热传递过程同时存在的复杂热传递过

11、程 b b 必须有直接必须有直接接触接触（流体与壁面）和宏观（流体与壁面）和宏观运动运动；也；也必须有必须有温差温差 c c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 与热对流不同，既有与热对流不同，既有热对流热对流，也有，也有导导热热；不是基本传热方式。；不是基本传热方式。1. 1.对流换热斜现象：对流换热斜现象： 当流体流过固体壁面时，当流体流过固体壁面时，若两者温度不同，在固体和流体之间产生热若两者温度不同，在固体和流体之间产生热量传递，这一过程称为量传递，这一过程称为对流传热。对流传热。2. 2. 牛顿冷却公式牛顿冷却公式 为单位时间换热量（为单位时间换热量（W

12、W）; ; 为对流换热系数为对流换热系数 为换热表面积为换热表面积 ； 流体与壁面之间的温差流体与壁面之间的温差 QCmW02FCt0(4-23)tFQ 对流换热量对流换热量Q Q至今仍采用至今仍采用牛顿冷却公式牛顿冷却公式计算，即计算，即Q= Ft式中：式中：Q Q为单位时间的换热量（为单位时间的换热量（W W） 为对流换热系数为对流换热系数W/(mW/(m2 2* * ) ) F F为换热表面积（为换热表面积（ m2 ） t t为流体与壁面之间的温差为流体与壁面之间的温差如图所示，温度为如图所示，温度为8080的水流过内壁温度为的水流过内壁温度为4040的圆管的圆管道，已知水与管道的换热系

13、数道，已知水与管道的换热系数 为为1500 W/1500 W/（m m2 2 ），且），且管内径为管内径为d=d=10 cm10 cm，试计算水与单位长度管壁间的换热量。，试计算水与单位长度管壁间的换热量。解：由题意可知，水与内壁间换热为对流换热，故换热量可解：由题意可知，水与内壁间换热为对流换热，故换热量可按牛顿冷却公式计算，则有按牛顿冷却公式计算，则有Q=Q=F F t t= = d d l l （t tf f t tw w）=1500 W/(m=1500 W/(m2 2 )3.143.1410101010-2-2m m1m1m(80(8040)40)=18.84 kW=18.84 kW(

14、3)(3)对流换热的影响因素对流换热的影响因素 对流换热对流换热是流体的是流体的导热导热和和对流对流两种基本传热方式两种基本传热方式的结果。其影响因素主要有以下四个方面：的结果。其影响因素主要有以下四个方面：(a)(a)流动起因流动起因; ; (b)(b)流动状态流动状态; ; (c)(c)换热表面的几何换热表面的几何因素因素; ; (d)(d)流体的热物理性质流体的热物理性质(a) 流动起因流动起因自然对流自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动异所产生的流动强制对流：强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用由外力（如：泵、风机、水压

15、头）作用所产生的流动所产生的流动自然强制 (b) 流动状态流动状态层流湍流hh：整个流场呈一簇互相平行的流线整个流场呈一簇互相平行的流线：流体质点做复杂无规则的运动流体质点做复杂无规则的运动(c) 换热表面的几何因素：换热表面的几何因素：内部流动对流换热：内部流动对流换热：管内或槽内管内或槽内外部流动对流换热：外部流动对流换热：外掠平板、圆管、外掠平板、圆管、管束管束(d) 流体的热物理性质流体的热物理性质：热导率热导率 C)(mW 密度密度 mkg 3比热容比热容 C)(kgJ c动力粘度动力粘度msN 2运动粘度运动粘度 sm 2 h)( 多能量单位体积流体能携带更、 hc)( 热对流有碍

16、流体流动、不利于 h)(间导热热阻小流体内部和流体与壁面由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量。由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量。(1) (1) 定义：定义：由热运动产生的，以电磁波形式传由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；递的能量；(2) (2) 特点：特点：a 任何物体任何物体, ,只要温度高于只要温度高于0 K0 K，就，就会不停地向周围空间发出热辐射；会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以可以在真空中传播；在真空中传播；c c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e e 辐射能与温度和波辐射能与温度和波长均有关长均有关。电磁波的波谱

17、电磁波的波谱l由于热的原因而产生的电磁波辐射，这种辐由于热的原因而产生的电磁波辐射，这种辐射称为射称为。l热辐射的热辐射的电磁波波长电磁波波长区域区域 范围内的范围内的和和范围内。范围内。m1001.0对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对投入辐射全部吸收的物体：对投入辐射全部吸收的物体 或或：1111, 01, 0：吸收率吸收率 反射率反射率 透射率透射率当热辐射投射到物体表面上时，当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即一般会发生三种现象，即吸收吸收、反射反射和和穿透穿透，如图所示。，如图所示。11QQQQQQQQQQ物体对热辐

18、射的物体对热辐射的吸收反射和穿透吸收反射和穿透图图4.154.15（1 1）气体辐射现象）气体辐射现象 在工程上，经常遇到气体辐射换热问题，在工程上，经常遇到气体辐射换热问题，如在内燃机汽缸中，燃料在燃烧时，发光的如在内燃机汽缸中，燃料在燃烧时，发光的火焰及炽热的多原子气体就具有很强的辐射。火焰及炽热的多原子气体就具有很强的辐射。 （2 2）气体辐射的特点：）气体辐射的特点： a、气体向外辐射的能量，取决于分子本气体向外辐射的能量，取决于分子本身的结构，如身的结构，如单原子单原子和和分子结构对称的双分子结构对称的双原子原子气体，可以认为它们是气体，可以认为它们是透明体透明体，既不既不向外辐射能

19、量也不吸收外来的辐射能量向外辐射能量也不吸收外来的辐射能量，如空气、如空气、H H2 2、O O2 2等。但对于等。但对于多原子气体多原子气体（COCO2 2、H H2 2O O）则有相当大的辐射力和吸收则有相当大的辐射力和吸收率；率； b b、气体只能辐射和吸收某一定波长间隔范气体只能辐射和吸收某一定波长间隔范围内的热射线，其他波长范围，它既不能辐围内的热射线，其他波长范围，它既不能辐射也不能吸收；例如射也不能吸收；例如COCO2 2的主要吸收光谱有的主要吸收光谱有三段：三段：2.65m-2.8m2.65m-2.8m、4.14m -4.45m 4.14m -4.45m 、13.0m -17.

20、0m13.0m -17.0m。 c c、固体、固体的辐射和吸收是在的辐射和吸收是在表面表面上进行的，上进行的，而而气体气体的辐射和吸收是在的辐射和吸收是在整个气体整个气体中进行。中进行。 火焰除了总是存在着三原子气体辐射成火焰除了总是存在着三原子气体辐射成分之外，还包含着具有强烈辐射能力的固体分之外，还包含着具有强烈辐射能力的固体颗粒。按颗粒。按颗粒的不同颗粒的不同，一般可区分为，一般可区分为不发光不发光火焰火焰、发光火焰发光火焰、半发光火焰半发光火焰三种类型。三种类型。 1)1)不发光火焰不发光火焰 当气体燃料或没有灰分的其他燃料燃烧当气体燃料或没有灰分的其他燃料燃烧时，得到时，得到略带蓝色

21、而近于无色的火焰略带蓝色而近于无色的火焰，通，通常称为常称为。这种火焰中没有固体。这种火焰中没有固体颗粒，其主要辐射成分是二氧化碳和水蒸颗粒，其主要辐射成分是二氧化碳和水蒸气。气。2) 2)发光火焰发光火焰 液体燃料及预先没有与空气充分混合液体燃料及预先没有与空气充分混合的气体燃料燃烧时，由于烃类物质在高温的气体燃料燃烧时，由于烃类物质在高温下裂解时产生下裂解时产生炭烟粒子炭烟粒子，在，在燃烧器根部火燃烧器根部火焰发光焰发光。这种火焰称为。这种火焰称为。 3) 3)半发光火焰半发光火焰 各种各种固体燃料燃烧固体燃料燃烧时形成时形成。这。这种火焰的主要辐射成分是种火焰的主要辐射成分是焦炭粒子焦炭粒子和和灰粒灰粒。l当发动机工作时，燃气对壁面的辐射换热当发动机工作时，燃气对壁面的辐射换热在数值上要比对流换热小很多，但在某些在数值上要比对流换热小很多，但在某些情况下，例如存在火焰辐射时，辐射换热情况下，例如存在火焰辐射时，辐射换热也将达到燃气对壁面总换热量的也将达到燃气对壁面总换热量的1/4-1/31/4-1/3；因此，辐射换热对零件热负荷的影响也不因此，辐射换热对零件热负荷的影响也不能忽略。能忽略。 发动机的燃气对周围壁面