Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 9. Előadás Hőátadás alapjai, hűtés
Jelölés - Nem törzsanyag 2
Hőterjedés Ha egy test vagy rendszer két különböző pontjában eltérő hőmérsékletek vannak, akkor a két pont között hő kiegyenlítődés jön létre hőterjedés útján. 3
Hőterjedés A hő terjedésének több típusa is van: 1. Hővezetés: Szilárd testekben Folyadékban és gázokban is (de sokkal bonyolultabb, mint szilárd testek esetén, mivel a részecskék el tudnak mozdulni) 2. Hőátadás 4
Hővezetés Egy test különböző hőmérsékletű pontjai között, hő kiegyenlítés folyamán, hőáram jön létre. A hőáram létrejöttét és fenntartását a hővezetés biztosítja. Feltételezzük, hogy a közeg folytonos, a hőáram pedig arányos az egységnyi útra eső hőmérsékletkülönbséggel. 5
Hővezetés Ahol Q=az (A) keresztmetszeten t idő alatt átadott hőmennyiség, δ= a hővezetés úthossza (falvastagság), T1 és T2= hőmérséklet a hővezetési szakasz elején és végén (fal egyik oldala és másik oldala), λ= hővezetési együttható Ebből a fajlagos hőáram: 6
Hővezetési együttható A hővezetési együttható értéke minden anyagnál különbözik. Függ a nyomástól, az anyag nedvességtartalmától, hőmérsékletétől, stb. A λ együttható gázok esetén a hőmérséklet növekedésével nő, míg folyadékok esetén ez az együttható kissé csökken. A fémek általában jó hővezetők. 7
Hővezetési együttható Néhány anyag λ értéke: Vörösréz: 395 W/m K Alumínium: 230 W/m K Vas: 81 W/m K Acél: 45 55 W/m K A hőmérséklettől való függés a legtöbb anyagnál közel lineáris, ezért a következő összefüggés felírható rá: λ= λ0*(1+b*δ) ahol, λ0 - hővezetési együttható 0 C-on, b állandó szám. (1 [kcal/mh C]= 1.163 [W/m K]) 8
Hőátadás Kezdetben a motorok méretezésekor nem vették figyelembe a motorban zajló hőátadási folyamatokat, így csak a Nusselt féle összefüggésekkel számoltak. A hőátadás mechanizmusa (x) helyen, két módon: 9
Hőátadás Ahol λ= a közeg hővezetési tényezője, α x = lokális hőátadási tényező, T w = fal hőmérséklete, T = közeg hőmérséklete. Ebből a Nusselt egyenlet: 10
Hőátadás A Nusselt féle egyenletben nem számolnak a hősugárzással, ennek a következménye, hogy a termikusan igénybevett alkatrészek, mint például a dugattyú, hengerfej hő terhelését sem tudták meghatározni pontosan. Mára már ezeket az értékeket nagy pontossággal lehet számolni. 11
Konvekció: Hőátadás Ha a hőt mozgó folyadékkal vagy gázzal visszük el egyik pontból a másikba, azt konvektív hőcserének hívjuk, típusai: Kényszeres (például szivattyú) Természetes (például a helyi felmelegedésé) Video Hőáramlás irány szerint: Konvekció: a videóban is látott függőleges irányú áramlás Advekció: vízszintes irányú hőáramlás 12
Hősugárzás: Hőátadás Különböző testek képesek energiát kisugározni magukból, ami fénysebességgel terjed. Ugyanezek a testek képesek elnyelni a rájuk eső sugárzási energiát és hővé alakítani. Ha a testek hőfoka, melyek között a hőcsere létrejön különböző, akkor a sugárzási hőcserének köszönhetően hő adódik át az egyik testből a másikba. 13
Hővezetés sík falon Ha a közeg vezetési együtthatója nem függ a hőmérséklettől, akkor a hőmérséklet eloszlása lineáris. Azonban a valóságban az anyagok mindig hőmérséklet függők. Ebből kifolyólag a hőmérséklet az 1-es vagy 2-es görbe mentén fog változni Ezt az változást ebben az esetben az eredeti fajlagos hőáram egyenletből és a hővezetési együttható egyenletének kombinálásából számíthatjuk. 14
Hővezetés sík falon Ha b értéke pozitív, akkor a görbe domború (1), ha negatív, akkor a görbe homorú lesz (2) T1 T 1 2 T2 falvastagság(δ) 15
Hővezetés többrétegű sík falon A hétköznapokban többnyire több rétegű falon keresztül történik a hőátadás, mint pl. vízhűtéses motorok hűtőköpenyében a falon vízkő képződik. Vagy a léghűtéses motorok bordáira porréteg rakódik le. A fajlagos hőáram az egyes rétegekben azonos módon számítható, mint a síkfal esetén, csak az össztermikus ellenállást kell számításba venni. 16
Hővezetés többrétegű sík falon Vagy n réteg esetén: T δ₁ δ₂ δ₃ Egyes rétegek közötti hőmérséklet: T₁ T₂ T₃ T₄ falvastagság(δ) 17
Hővezetés hengeres falon Egy körhenger hossza: l Átmérői: d₁ és d₂ Hőmérséklet a belső oldalon: T₁ Hőmérséklet a külső oldalon: T₂ A hőmérséklet csak radiális irányban változik A Fourier-törvény értelmében óránként áthaladó hőmennyiség: F: henger palást területe 18
Hővezetés hengeres falon Az előző egyenlet az integrálás után: A hőmérséklet változása a falon keresztül: Tehát logaritmikus! Ha a fal többrétegű: Hőmérséklet eloszlás hengeres falban A képen a ϑ (téta) szimbólummal a T hőmérséklet látható 19
Hővezetés hengeres falon Egyes rétegek közötti hőmérséklet: Ha a falvastagság nagyon kicsi, tehát a külső és belső átmérők viszonya nem nagyobb 1,2~1,3 értéknél, akkor az előző képletektől el lehet tekinteni és helyettük a síkfalra jellemző összefüggéseket használni! 20
Konvektív hőcsere Azt a hőterjedési folyamatot, amikor szilárd test folyadékkal érintkezik konvektív hőcserének nevezzük. Ez a folyamat konvekció és hővezetés együttes hatása. Általában kényszerkonvekcióval találkozunk belsőégésű motoroknál Az áramlás lehet lamináris vagy turbulens 21
Konvektív hőcsere Lamináris: a folyadékban áramló részecskék iránya párhuzamos a fallal Turbulens: a folyadékban áramló részecskéknek az irányában vannak a falra merőleges irányú sebességkomponensek is Ilyenkor az áramló közeg rétegei keverednek, így gyorsabban viszik el a hőt a faltól, ezt Intenzív hőcserének nevezzük Turbulens áramlásnál a fal közelében mindig van olyan réteg, amiben az áramlás lamináris 22
Hőátadási tényező Ahogy a képen is látható, a hőmérséklet határrétegen, ahol még lamináris az áramlás, a hőmérséklet erősen változik Felírható a fajlagos hőáramra: T w - fal hőmérséklete T₀ - Közeg átlaghőmérséklete a vizsgált közegben A λ/δ=α α: hőátadási tényező 23
Természetes konvekció zárt térben Belsőégésű motoroknál a párologtató hűtők és a termoszifonok működnek ilyen módon, valamint kényszer konvekció esetén is fellép valamennyi természetes konvekció. Szabad mozgásról beszélünk, ha a mozgást a különböző hőmérsékletű részek fajsúly különbsége hozza létre. Ilyenkor a tér alakjától és méretétől függően természetes cirkuláció jön létre. 24
Folyadék forrásánál fellépő hőátadás Forráskor a folyadékban keletkező pára hőmérséklete a telítési hőmérséklet. A forrási hőmérséklet a nyomás függvénye. A gőz buborékok csak a hevített falnál keletkeznek, ahol a folyadék túlhevítése a legnagyobb. A buborékok intenzív mozgása turbulens mozgást eredményez így a hőátadás annál nagyobb lesz és az α hőátadási tényező is. 25
Folyadék forrásánál fellépő hőátadás A kis hőmérséklet különbség esetén a hőátadás is kicsi lesz. A film forrásnál a buborékok tömege egy filmet alkot így a folyadék nem érintkezik a fallal és a hőátadás lecsökken Szaggatott vonal: q hőáram Folytonos vonal: α hőátadási tényező 26
Kényszerkonvekció lamináris áramlásban Tiszta lamináris áramlásban az egyes rétegek nem keverednek, tehát elvileg a keveredés csak radiális irányban volna lehetséges. De a fellépő hőmérséklet különbség természetes konvekciót hoz létre. A természetes konvekció okozta turbulencia függőleges helyzetű csőben a legerősebb, amikor a természetes és kényszeráramlás ellenkező irányú Természetes konvekció iránya Kényszer konvekció iránya 27
Kényszerkonvekció turbulens áramlásban A turbulens áramlásban a rendezetlen gomolygó mozgás miatta igen erős a keveredés, ami hő továbbítását nagymértékben megnöveli. Emiatt a természetes konvekció nem játszik szerepet. Valamint megfigyelhető, hogy a folyadékon belül a hőmérséklet szinte állandó és csak a határrétegen figyelhető meg jelentős hőmérséklet átadás Ennek köszönhető, hogy turbulens áramlás esetén a hőátadást a határréteg hőellenállása korlátozza. 28
Kényszerkonvekció turbulens áramlásban Turbulens áramlásban a hőátadás mértéke legjobban a folyadék sebességétől függ, de befolyásolják még a folyadék fizikai tulajdonságai és a hőáram iránya. Azaz a folyadékot melegítjük vagy hűtjük. Ha a folyadék egy könyökön vagy csőkígyón halad keresztül, akkor a centrifugális hatás következtében egy másodlagos cirkuláció alakul ki és megnő a hőátadás mértéke 29
Hőátadás csöveken, keresztirányú áramlással A hőátadási folyamat keresztirányú áramlás esetén igen bonyolult, ami az áramlás jellegének köszönhető. A képen látható cső középvonalától hátrafelé az áramlás leválásos, bonyolult cirkulációk alakulnak ki. Ebből lehet következtetni, hogy a hőátadás a cső kerületén nem lesz mindenhol állandó. 30
Hőátadás csöveken, keresztirányú áramlással A képen láthatjuk a hőátadást a cső keresztmetszete mentén. Ahogy a képen is látszik a legjobb hőátadás a torló pontban és vele szembe lévő oldalon van, ahol a bonyolult cirkulációk kialakulnak. Az áramlásra merőleges keresztmetszetben lesz a legrosszabb a hőátadás. 31
Hőátadás csöveken, keresztirányú áramlással 32
Hőátadás csöveken, keresztirányú áramlással Az előző képen bemutatott elrendezéseken jól látható, hogy a négyzetesen vagy a rombusz alakban elrendezett csövek között más az áramlás jellege. Megfigyelhető, hogy az első sor után a két helyzetben az áramlások közel azonosak, majd a rombusz elrendezésű csöveknél a turbulens áramlások sokasodnak és a 3. sor után a mennyiségük állandósul vagy közel azonos. 33
Hőátadás csöveken, keresztirányú áramlással Mivel a hőátadási tényező nagysága a turbulens áramlások mennyiségétől függ így az egyes sorokban más lesz a hőátadás mértéke. Az első soron a legkisebb és utána növekedik, míg a 3-on és az utána következőkön a legnagyobb. Ha úgy tekintjük, hogy a hőátadási tényező a 3. soron 100%, akkor a második soron a négyzetes elrendezésnél 90%, míg a rombusz elrendezésnél 70%. 34
Hőátadás (T) Hőátadás csöveken, keresztirányú áramlással 1. Sor 2. Sor 3. Sor Négyzetes 60% 90% 100% Rombusz 40% 70% 100% 1. sor 2. sor 3. sor Áramlás iránya 35
Hősugárzás Testek melegítésekor a hőenergia egy része mindig átalakul sugárzási energiává, ami elektromágneses hullámként terjed. Hőátadás szempontjából csak azok a fontosak, amelyek elnyeléskor újra hőenergiává alakulnak. Ilyen tulajdonsággal a látható fénysugarak és az infravörös fénysugár rendelkezik. Minden test sugároz ki energiát, amit másik test elnyel. Tehát a testek nem csak sugároznak, de nyelnek is el energiát 36
Hősugárzás Ha egy test az összes ráeső fényt elnyeli, akkor abszolút feketetestnek, ha az összes fényt visszaveri, akkor abszolút fehértestnek nevezzük. Ha az összes fényt átereszti, optikailag átlátszó. Vannak olyan testek, amelyek valamilyen hullámokat átengednek, pl. a kvarc a hősugarakat nem de az ibolyántúli és fénysugarakat átengedi, még az üveg csak a hősugarakat engedi át. 37
Planck törvénye A test sugárzási képességét az az energiamennyiség jellemzi, amit a test egységnyi felületéről, egységnyi idő alatt az összes hullámhosszakon kisugároz. A diagramon jól látható, hogy a hullámhossz (λ) növekedésével a kisugárzott energia (E 0λ ) nő, eléri a maximumot egy bizonyos λ- nál, majd csökken. A hőm. növekedésével a maximum értékek kisebb λ-nál észlelhetők. 38
Testek közötti sugárzó hőcsere Ha két különböző hőmérsékletű testet egymás mellé teszünk, bizonyos távolságra, akkor köztük sugárzás útján hőcsere indul meg. Ennek az értéke: Ahol: C₀ - koefficiens érték: σ*10 8 σ: Stefan-Boltzmann állandó: 5,67*10-8 ε n - redukált feketeségi tényező, ε n pedig e módon számítható, ε₁ ; ε₂ a testek feketeségi tényezői: J 2 m s W 2 m K 4 39
Lángok sugárzása A lángok sugárzása nagyon bonyolult folyamat, függ az égésfolyamat fizikai-kémiai jellegétől. Két csoportra bonthatók: A világító lángok, optikailag láthatók, ezek a bennük izzó korom és szén részecskék miatt folyamatosan észlehetők. A másik csoport a nem világító lángok, optikailag átlátszó lángok. Ezek a lángok csak egyes hullámhosszokon sugároznak. 40
Lángok sugárzása Diesel-motorok lángja világító láng, míg a karburátoros motorok lángja optikailag átlátszó láng. A karburátoros motorok lángjának összenergiája elhanyagolható, míg a Diesel-motorok lángjának sugárzása koránt sem elhanyagolható és a számításoknál figyelembe kell venni! 41
Lánghőmérséklet Diesel-motorok lánghőmérséklete legmegbízhatóbban optikai módszerrel határozható meg. A legelterjedtebb módszer, amivel a színhőmérsékletet határozzák meg. Az ábrán egy Diesel-motor lánghőmérséklet változás- főtengely szögelfordulás diagramja Az 1,2,3 görbék különböző terhelések 1<2<3 42
Lánghőmérséklet A diagramon jól látható, hogy a terhelés változásával a láng hőmérséklete jelentősen nem változik, ellenben az égés ideje jelentősen megnő. 43
Hűtés A motorhűtés egy szükséges rossz a motor működésében. Szükséges, mert nélküle a motor túlmelegedne, nem lenne alkalmas a működésre. Rossz, mert a motor teljesítmény akár 30%-a ilyen veszteség formájában távozik a motorból. Energiaeloszlási diagramm 30% 9% 30% Súrlódás Felhasznált Energia 31% Kipufogógáz veszteség Hűtésveszteség 44
Qösszes Hűtés Qhűtés Qkip.cső Qkip.gáz Qsúrl Qkim Qsugárzás Qηégés korom, CH, CO Qmaradék Veszteségek (%) Pe Qfék Motorfajta Qfék Qhűtés Qkip.gáz Qηégés Qmaradék Benzin 21-40 12-27 30-55 0-40 3-10 Sz. Diesel 29-42 15-35 25-45 0-5 2-5 T. Diesel 35-46 10-25 25-40 0-5 2-5 45
Hűtés Hűtési rendszerek Folyadékhűtés Léghűtés Vízhűtés Egyéb nagyobb forráspontú folyadékos hűtés Szabad légárammal Irányított légárammal Friss vízhűtés Szivattyús hűtés Termoszifon hűtés Párologtató hűtés Ventilátorral Menet széllel Ventilátorral Menet széllel Zárt Nyitott 46
Hűtőborda kialakítások 47
Kialakítások Jó hővezető képességű megoldások Rossz hővezető képességű megoldások Felszín növelése Kis mélységgel Nagy mélységgel Nagy felület Kis felület Nagy légtér Sűrű kialakítású 48
Hűtés (túlnyomásos hűtőrendszer) 1 3 7 6 5 4 9 8 2 10 1. Motor 2. Hűtőtömb 3. Víz szivattyú 4. Termosztát 5. Kiegyenlítő tartály 6. Ejtő cső 7. Záró sapka (kettős szelep) 8. Légtelenítő csövek 9. Ventilátor 10. Zsalu szerkezet 49
Hűtés (túlnyomásos hűtőrendszer) Kialakításának feltételei: A rendszernek zártnak kell lennie A kiegyenlítő tartályban a vízszint felett légpárnának kell lennie 50
Hűtés (túlnyomásos hűtőrendszer) A rendszer előnyei: A tartályban kialakuló gőznyomás hatására a hűtőfolyadék a 100 C fok feletti hőmérsékletet is elérheti Jobb hatásfok, a súrlódás csökken Kisebb méretű hűtő alkalmazása 51
Hűtés (túlnyomásos hűtőrendszer) Szabályozása: Vízoldali szabályozás: - Termosztát, - Külső hajtású víz szivattyú Levegő oldali szabályzás: - Hűtőzsalu, - Ventilátor Hidegindítás Kiskör Kis és nagykör Nagy kör Zsalu nyit Ventilátor bekapcsol 52
Olajhűtő, olaj/víz hőcserélő Olaj/víz hőcserélő előnye, hogy a hűtővíz hamar felmelegszik, ez hideg indításnál jó, később pedig hűti az olajat. 53
Töltőlevegő hűtése (levegő-levegő) 54
Töltőlevegő hűtése (levegő-folyadék) 55
Töltőlevegő hűtése (különálló) 56
Felhasznált irodalom Dr. Sitkei György Hőátadás és hőterhelés belsőégésű motorokban Dr. Németh Huba Belsőégésű motorok effektív jellemzői, hőmérlege és jelleggörbéi Dr. Gál Péter Gépjármű motorok 2 Kullmann László - Áramlástechnikai gépek 57