Билет № 11 14.01.07

Билет № 11

Вопрос № 2

Теплопередача конвекцией. Коэффициент теплопередачи и число Нуссельта. Теплоперенос излучением. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (или газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например, в случае перемешивания ее мешалкой.

Перенос тепла тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости и чем энергичнее осуществляется перемешивание ее частиц. Таким образом, конвекция связана с механическим переносом тепла и сильно зависит от гидродинамических условий течения жидкости.

В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией, причем совместный перенос тепла этими способами называется конвективным теплообменом (конвективной теплоотдачей). По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой.

За пределами внешней границы теплового пограничного слоя преобладающее влияние на теплообмен оказывает турбулентный перенос, то в самом слое, по мере приближения к стенке, все большее значение приобретает теплопроводность, а в непосредственной близости от стенки (в весьма тонком тепловом подслое) перенос тепла по нормали к стенке осуществляется только теплопроводностью.

Для расчета теплообменных аппаратов широко используется кинетическое уравнение, которое выражает связь между тепловым потоком Q и поверхностью F теплопередачи, называемое основным уравнением теплопередачи:

Q = KF∆t_срτ

K – коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость переноса тепла

∆t_ср – средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор), по поверхности теплопередачи F,

τ – время.

Для непрерывного процесса теплопередачи:

Q = KF∆t_ср

Коэффициент теплопередачи K показывает, какое количество теплоты (в Дж) передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через 1 м² стенки при разности температур между теплоносителями, равной 1°.

Критерий Nu (величина безразмерная) характеризует отношение суммарного переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью (то есть теплоотдачей) к теплоте, передаваемой теплопроводностью (l – определяющий геометрический размер: например, для потоков, движущихся в трубе, - диаметр трубы).

Nu = α l / λ

Nu является мерой соотношения толщины пограничного слоя δ и определяющего геометрического размера.

В критерий Nu входит обычно определяемая в задачах по конвективному теплоомену величина α.

α – коэффициент теплоотдачи (показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м² поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м² к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1°).Характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе. Зависит от многих факторов: режима движения, физических свойств теплоносителя (вязкость, плотность, теплопроводность), геометрических параметров каналов, состояния поверхности стенки.

λ – коэффициент теплопроводности (показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1° на единицу длины нормали к изотермической поверхности), физическая характеристика вещества, определяющая способность тела проводить теплоту, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

Тепловое излучение – это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

Возникновение потока лучей в результате превращения тепловой энергии в лучистую называют излучением. По физической сущности тепловое излучение аналогично излучению света и следует одним и тем же законам отражения, преломления и поглощения, отличаясь лишь длиной волны.

Твердые тела обладают сплошным спектром излучения, поэтому они испускают волны всех длин при любой температуре.

Полное количество энергии, излучаемое в единицу единицей поверхности тела, называют излучательной способностью Е данного тела.

Е = Q_И/Fτ

F – поверхность тела

τ – время

Q_И – энергия, излучаемая телом.

Лучеиспускательная способность, отнесенная к длинам волн от λ до λ+ dλ, то есть к интервалу длин волн dλ, называется интенсивностью излучения и выражается отношением

I = dЕ / dλ

Закон Стефана-Больцмана – лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности:

Е₀ = С₀Т⁴

Т – абсолютная температура поверхности тела

С₀ – константа лучеиспускания абсолютно черного тела (С₀ = 5,67∙10^-8Вт/(м²°К⁴)

В технических расчетах применяют в другой форме:

Е₀ = С₀(Т/100)⁴

Закон Стефана-Больцмана для серых тел:

Е₀ = εС₀(Т/100)⁴

ε = С/С₀ – относительный коэффициент лучеиспускания, или степень черноты серого тела, С – коэффициент лучеиспускания серого тела.

ε всегда меньше 1.

Закон Кирхгофа – отношение лучеиспускательной способности любого тела к его лучепоглощательной способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.

Е/А = Е₁/А₁ = Е₂/А₂ =…=. Е₀ = f(Т)

Тепловые лучи, попадая на шероховатую поверхность, многократно отражаются от нее, что приводит к лучшему поглощению лучистой энергии по сравнению с поглощением гладкой поверхностью. Тогда в соответствии с законом Кирхгофа, шероховатые поверхности должны обладать также большей лучеиспускательной способностью, чем гладкие. Наоборот, лучеиспускательная способность полированных поверхностей, хорошо отражающих падающие лучи, в соответствии с законом Кирхгофа, должна быть низкой.

Смотри:

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, том 1, Айнштейн В.Г, Москва, 2003, стр. 475-476,485-487,509,512

Процессы и аппараты химической технологии, Дытнерский Ю.И. том 1, Москва, Химия, 2002, стр. 273-274

Основные процессы и аппараты химической технологии, Касаткин А.Г. ,Москва, Альянс, 2005, 260-261, 270-273

Билет № 11

Вопрос № 3

Эксплуатационные свойства масел. Понятие об индексе вязкости. Классификации моторных масел: отечественная, SAE, ASEA.

СМАЗОЧНЫЕ МАСЛА

Смазочные масла, применяемые практически во всех областях техники, в зависимости от назначения выполняют следующие основные функции: уменьшают коэффициент трения между трущимися поверхностями, снижают интенсивность изнашивания, защищают металлы от коррозии, охлаждают трущиеся детали, уплотняют зазоры между сопряженными деталями, удаляют с трущихся поверхностей загрязнения и продукты изнашивания. Масла служат рабочими жидкостями в гидравлических переда­чах, электроизоляционной средой в трансформаторах, конденсаторах, кабелях, масляных выключателях, используются для приготовления смазок, присадок и т. п.

По области применения масла разделяют на моторные (для карбюраторных, дизельных и авиационных двигателей), трансмиссионные, турбинные, компрессорные (для воздушных и холодильных компрессоров), электроизоляционные, индустриальные (общего назначения, для гидросистем, зубчатых передач, направляющих скольжения, специальные), приборные.

В товарном ассортименте более 400 марок масел различного назначения, однако широко распространено ограниченное их количество.

По источнику сырья масла подразделяют на минеральные (нефтяного происхождения), синтетические, а по способу получения — на дистиллятные, остаточные (получаемые из остатка перегонки нефти — гудрона) и компаундированные (смешанные из дистиллятного и остаточного компонентов).

По способу очистки различают неочищенные масла (продукты прямой перегонки нефти), масла кислотно-щелочной, кислотно-контактной, селективной и адсорбционной очистки, гидрокрекинга. Основное количество масел производят с использованием процессов селективной очистки (очистки избирательными растворителями).

Качество масел различного назначения определяется показателями физико-химических и эксплуатационных свойств. К ним относятся вязкость и вязкостно-температурные свойства, температура застывания; коксуемость (для остаточных масел), цвет, фракционный состав и температура вспышки. Среди эксплуатационных свойств для большинства масел наиболее важны стабильность к окислению, смазочная способность; защитные и антикоррозионные свойства. Кроме того, к различным группам масел предъявляются и специфические требования в зависимости от назначения и условий применения масел.

Вязкость масел определяет надежность режима смазывания в условиях жидкостного трения. От вязкостно-температурных свойств наряду с температурой застывания, зависит тот интервал температур, в котором работоспособно масло. Кроме того, такой показатель, как индекс вязкости (ИВ), одновременно (наряду с цветом и коксуемостью) характеризует глубину очистки масел. Чем выше ИВ (и чем ниже показатели цвета и коксуемости), тем больше глубина очистки масел, лучше его химический состав и, следовательно, выше эксплуатационные свойства.

Фракционный состав и температура вспышки характеризуют испаряемость в условиях эксплуатации при высокой температуре. Чем ниже испаряемость, тем стабильнее свойства масла.

Стабильность к окислению, высокие моющие свойства особенно важны для моторных и других масел, многократно прокачиваемых при высокой температуре через узлы трения или предназначенных для длительного применения без замены и дозаправки.

Противоизносные свойства характеризуют способность масел обеспечивать малое сопротивление граничных пленок тангенциальным перемещениям и высокое сопротивление контакту поверхностей под действием нормальной нагрузки, снижение их износа.

Для улучшения вязкостных, моющих, противоизносных, антиокислительных и других свойств масел к ним добавляют присадки или композиции различных присадок.

Моторные масла

Принятая система обозначения моторных масел (кроме авиационных) основана на вязкости и эксплуатационных свойствах масел (ГОСТ 17479.1—85).

В зависимости от значения кинематической вязкости моторные масла делят на классы.

Значения кинематической вязкости указывают в марке масел. Для загущенных масел предусмотрена двойная маркировка: в числителе класс вязкости при —18 °С и буква «з», указываю­щая на наличие загущающей присадки, в знаменателе — средняя вязкость при 100 °С.

По эксплуатационным свойствам предусмотрено деление масел на 6 групп в зависимости от эффективности и концентрации введенных присадок (табл. 4.9).

Маслам для карбюраторных двигателей присваивается индекс 1, для дизелей — 2. Универсальные масла, пригодные для использования в дизелях и карбюраторных двигателях, индекса не имеют.

В мировой практике широкое распространение получили классификации по вязкости SАЕ (Американского общества автомобильных инженеров) и эксплуатационным свойствам АРI (Американского нефтяного института)

Моторные масла получают компаундированием базовых масел с комплексом присадок: моющих, диспергирующих, антиокислительных, депрессорных, вязкостных и др. Все указанные масла получают с использованием процессов се­лективной очистки. Кроме базовых масел селективной очистки, некоторое количество масел вырабатывается кислотно-контактной и кислотно-щелочной очисткой. Специальных технических условий на них нет, их изготавливают в соответствии с требованиями на товарные масла с присадками.

Масла для карбюраторных двигателей

Выпускаются масла шести классов вязкости (6, 8, 10, 12, 4з/6, 6 з/10) и трех групп по условиям эксплуатации (А, В₁, Г₁). Масла группы А содержат незначительное количество присадок, улучшающих моющие и антиокислительные свойства, понижающих температуру застывания. Для всесезонной эксплуатации среднефорсированных автомобильных двигателей предназначено масло М-8В₁ с комплексом эффективных присадок. Масла группы Г₁ используют в высокофорсированных двигателях современных легковых автомобилей.

Дизельные масла

Масла, вырабатываемые как без присадок, так и с композициями присадок различной эффективности, применяют в зависимости от степени форсирования двигателей, их конструкции, качества топлива. В соответствии с классификацией моторных масел вырабатывают дизельные масла всех групп.

Авиационные масла

Авиационные смазочные масла делят на масла для поршневых двигателей, для газотурбинных двигателей и для вертолетов.

С целью обеспечения работы поршневых двигателей винтомоторных самолетов и вертолетов, характеризующейся высокими рабочими температурами, давлениями, скоростями, применяют высоковязкие масла специальной очистки (табл. 4.13) без присадок. Эти масла должны иметь высокие смазывающую способность, стойкость к окислению при высокой температуре и в условиях хранения, не должны вызывать коррозии конструкционных материалов. Кроме основного назначения, эти масла могут быть использованы в составе маслосмесей для турбовинтовых двигателей, в шарнирах винтов, редукторах и других узлах вертолетов; находят применение они и в регуляторах частоты вращения дизелей с автономными маслосистемами и картерах газомото-компрессоров (МС-20).

Газотурбинные двигатели делят на два типа -.— турбореактивные и турбовинтовые. Для турбореактивных, в отличие от поршневых двигателей применяют масла меньшей вязкости. Здесь масла смазывают подшипники турбины и компрессоров, коробки приводов, вспомогательные и другие механизмы. При работе и остановке двигателя развивается высокая температура, особенно в области подшипников турбины и компрессора. Прокачка масла в газотурбинных двигателях в 2—3 раза меньше, чем в поршнвых, а кратность циркуляции в 5 раз и более выше.

Основные требования к маслам: обеспечение запуска при низкой температуре, высокая термоокислительная стабильность, достаточные смазывающие свойства и стабильность при хранении, малая летучесть при высокой температуре, низкая корро-зионность.

Характеристика минеральных масел для турбореактивных двигателей приведена в табл. 4.14, а синтетических — в табл. 4.15.

В турбовинтовых двигателях применяют нефтяные и синтетические масла. Широко используют в них маслосмеси, приготовляемые из стандартных масел МК-8 и МС-20 или МС-20с. Применяют также нефтяное (МН-7,5у) и синтетическое (ВНИИ НП-7) масла, содержащие загущающую, противоизносную и антиокислительную присадки.

В вертолетах масла смазывают двигатели, редукторы, шарниры винтов. В зависимости от типа двигателя применяют масла МС-20, МК-22, Б-ЗВ. В редукторах применяют, кроме перечисленных, гипоидное масло или его смесь с жидкостью АМГ-10. В шарнирах винтов употребляют масла МС-20, МК-22, МС-14, гипоидное масло и его смесь с АМГ-10, а также масло ВНИИ НП-25 — нефтяное низкозастывающее, загущенное высоковязким компонентом и содержащее антиокислительную присадку.

Трансмиссионные масла

Трансмиссионные масла предназначены для предотвращения или снижения износа используемых в редукторах и трансмиссиях элементов пар трения, для снижения потерь энергии на трение, отвода тепла от пар трения, уменьшения вибрации и шума шестерен, защиты их от ударных нагрузок, удаления из зоны трения продуктов износа и других загрязняющих масло примесей.

Согласно ГОСТ 17479.2—85, в зависимости от напряженности работы передач, трансмиссионные масла можно разделить на группы, а по величине кинематической вязкости при 100 °С — на классы.

Осевые масла

Предназначены эти масла для смазывания осей колесных пар железнодорожных вагонов и тепловозов, тендеров парово­зов с подшипниками скольжения, подшипников электровозов и других узлов трения подвижного состава железнодорожного транспорта и некоторых промышленных механизмов. Представ­ляют собой неочищенные мазуты эмбенских, ярегских и некоторых других нефтей. Изготовляют масла без присадок следующих марок: летнее «Л», зимнее «3» с температурой застывания не выше —40 °С и северное «С» с температурой застывания не выше —55 °С. На базе масла «С» путем добавления трикрезил-фосфата приготавливают масло осевое «Сп».

Рабочие жидкости для гидравлических систем (гидравлические масла)

Жидкости для гидравлических систем в зависимости от экс плуатационных свойств делят на группы (по ГОСТ 174793— 85У

1) не имеющие присадок или содержащие только загущающие присадки, область применения - малонапряженные гидравлические системы с давлением 15 МПа и рабочей температурой до 70ºС

2) содержащие ингибиторы коррозии и окисления и применяемые в гидросистемах средней напряженности (до 25 МГЫ при температуре до 90 °С; '

3) содержащие, кроме ингибиторов коррозии и окисления противоизносные и другие присадки и применяемые в гидросистемах высокой напряженности (свыше 25 МПа) при температуре 90ºС

По назначению рабочие жидкости подразделяются на жидкости Для гидросистем летательных аппаратов, подвижной наземной и корабельной техники, гидротормозные и амортизаторные жидкости на нефтяной и синтетической основе. Эти жидкости содержат в качестве основы, главным образом, дистиллятные масла.

Энергетические масла

К группе энергетических относятся турбинные, компрессорные, электроизоляционные масла. ^Р

Турбинные масла применяют для смазывания и охлаждения подшипников турбоагрегатов, в системах регулирования турбоагрегатов, маслонапорных установках гидротурбин, механизмах судовых паротурбинных установок и др.

Турбинные масла должны обладать хорошей стабильностью против окисления при рабочей температуре (60—100 °С и выше)-обеспечивать длительную бессменную (несколько лет) работу без выделения продуктов окисления (осадков и агрессивных соединении); иметь низкую стойкость эмульсии с водой, проникающей в систему смазки при эксплуатации, не образовывать пены Такие свойства турбинных масел могут быть обеспечены глубокой селективной или кислотно-земельной очисткой, а также введением композиции присадок, улучшающих антиокислительные антикоррозионные, деэмульгирующие, антипенные и прочие свойств.

Основной ассортимент турбинных масел составляют (табл 4 20) масла селективной очистки из сернистых нефтей с антикоррозионными, антиокислительными (антикоррозионной и противоизноснои) присадками, деэмульгатором. К маслам с присадками относится и масло для судовых газовых турбин на базе трансформаторного масла с противозадирной и антиокислительной присадками. Аналогичные свойства и область применения имеют масла Т₂₂, Т₃₀, Т₄₆, Т₅₇ кислотно-земельной очистки из малосернистых беспарафинистых нефтей. Однако область их использования сокращается в связи с неперспективностью сырья.

Компрессорные масла используют для смазывания деталей (цилиндров, клапанов) компрессорных машин, а также в качестве уплотняющей среды для герметизации камеры сжатия. Детали механизма движения обычно смазывают индустриальными маслами. В компрессорах с единой системой смазки цилиндров и кривошипно-шатунного механизма применяют только компрессорные масла. Компрессорные масла можно разделить на две группы: для поршневых и ротационных компрессоров и для компрессоров холодильных машин.

Электроизоляционные масла, являясь жидкими диэлектриками, должны обеспечивать изоляцию токонесущих частей электрооборудования, служить теплоотводящей средой, способство­вать быстрому гашению дуги в выключателях.

Цилиндровые масла

Предназначены, в основном, для смазывания горячих деталей паровых машин. Масла -представляют собой дистилляты щелочной очистки или остаточные масла сернокислотной или селективной очистки без присадок. Легкие масла цилиндровые 11, 24 (цифра показывает значение вязкости при 100 °С) предназначены для смазывания цилиндров и золотников паровых машин, работающих насыщенным паром. Они могут быть использованы и в тяжелонагруженных зубчатых передачах. Тяжелые цилиндровые масла 38 и 52 используют для машин, работающих перегретым паром (первое до 350 °С, второе — выше 350 °С).

Вакуумные масла

Это хорошо очищенные минеральные масла, применяемые в качестве рабочего тела вакуумных насосов. Отличаются узким фракционным составом, малой испаряемостью, высокой стабильностью против окисления; присадок не содержат. Вырабатывают следующие марки вакуумных масел: ВМ-1, ВМ-3, ВМ-4, ВМ-5, ВМ-6 и масло для вспомогательных пароструйных насосов. По­лучают их разгонкой очищенных масел в вакуумных дистилля-ционных аппаратах. Масла разных марок отличаются друг от друга вязкостью (от 10 у масла ВМ-3 до 70 мм²/с при 50 °С у масла ВМ-5), температурой вспышки (180 и 230 °С соответственно). От масел всех других типов вакуумные отличаются низким дав­лением насыщенных паров: от 5-10~⁵ до 2-10~⁹ мм рт. ст. при 20 °С в зависимости от марки масла.

Масла для прокатных станов

Предназначены для смазывания тяжелых зубчатых передач прокатных станов, а также подшипников жидкостного трения. К их числу относятся: П-28 — остаточное масло сернокислотной очистки, П-28, ПС-28 — остаточные масла селективной очистки, П-8П — смесь дистиллятного и остаточного масел. Масло П-8П содержит комплекс присадок, улучшающих противозадирные и противоизносные свойства и депрессатор, понижающий его тем­пературу застывания до —25 °С. Остальные масла этой группы присадок не содержат.

Индустриальные масла

В зависимости от области применения индустриальные масла, предназначенные для смазывания различного промышленного оборудования, можно подразделить на две группы — общего и специального назначения. За последние годы в связи с разработкой легированных индустриальных масел объем производства и ассортимент индустриальных масел существенно возросли. Сейчас из группы масел общего назначения выделяют такие, как масла для высокоскоростных механизмов, гидравлических систем и зубчатых передач промышленного оборудования, направляю­щих скольжения станочного оборудования.

В марках всех индустриальных масел цифра показывает значение кинематической вязкости при 50 °С.

Индустриальные масла общего назначения служат для смазывания наиболее широко распространенных узлов и механизмов оборудования различных отраслей промышленности. Представляют собой очищенные дистиллятные и остаточные или смесь дистиллятных и остаточных масел без присадок.

Масла И-5А, И-8А используют в малонагруженных высокоскоростных механизмах, контрольно-измерительных приборах, а также на различных технологических линиях (изготовления кремов, жирования кож и т. д.). Наибольшее распространение имеет масло И-12А: узлы трения текстильных машин, металлорежущих станков, работающих с частотой вращения до 5000 мин~\ подшипники электродвигателей, объемные гидро­приводы и т. д. Масла И-20А, И-ЗОА, И-40А, И-50А находят применение в гидросистемах различного станочного оборудования, мало- и средненагруженных зубчатых передач, гидросистемах промышленного оборудования, строительно-дорожных и других машин.

Масла для высокоскоростных механизмов (текстильных машин, металлорежущих станков, сепараторов и др.). Для этих целей используют маловязкие масла И-5А, И-8А общего назначения, а также масла ИГП-2, ИГП-4, ИГП-6, ИГП-8, ИГП-14, эксплуа­тационные свойства которых улучшены антиокислительной, противоизносной, антикоррозионной присадками.

Масла для гидравлических систем промышленного оборудова­ния. Гидравлический привод используется в промышленности чрезвычайно широко. В малонагруженных системах, не предъявляющих высоких требований к качеству масел, используют масла общего назначения требуемой вязкости. Значительно выше эксплуатационные свойства масел серии ИГП за счет антиокислительной, противоизносной, антиржавейной присадок.

Масла ИГП-18, ИГП-30, ИГП-38, ИГП-49 обеспечивают надежную работу гидросистем станков, автоматических линий, прессов, различного типа редукторов, вариаторов. Более вязкие масла ИГП-72, ИГП-91, ИГП-114 используют в гидросистемах тяжелого прессового оборудования, тяжелых зубчатых и червячных редукторах. Для гидросистем станков и автоматических линий могут быть также использованы масла ВНИИ НП-403 и ВНИИ НП-406 (аналоги масел ИГП-30 и ИГП-49).

Масла для зубчатых передач и червячных механизмов. Условия работы передач очень разнообразны, поэтому необходим широ­кий ассортимент масел. Здесь могут быть применены различной вязкости индустриальные масла общего назначения, серии ИГП. Кроме того, существуют специализированные масла ИРп-40, ИРп-75, ИРп-150 с присадками, улучшающими противозадирные, противоизносные, антиокислительные и антифрикционные свойства. Их используют в зубчатых передачах, работающих при высоких нагрузках, в том числе ударных, а также в циркуляционных системах.

Повышенной смазочной способностью обладают масла серии ИСП (ИСП-25, ИСП-40, ИСП-65, ИСП-110). Их применяют в ко­робках скоростей и подач, редукторах, моторредукторах и других механизмах станочного оборудования и автоматических линий. Аналогично назначение тяжелых масел ИГП-152, ИГП-182.

Для смазывания тяжелонагруженных зубчатых и червячных редукторов, коробок скоростей, подшипников узлов, работающих при высоких нагрузках и температуре, используют вязкие масла серии ИТП (ИТП-200, ИТП-300) с противозадирной, антифрикционной и антиокислительной присадками.

Для малонагруженных зубчатых передач, включая открытые, промышленного оборудования, подъемно-транспортных машин используют масло трансмиссионное (нигрол) летнее и зимнее с мини­мальной рабочей температурой соответственно —10 и —20 °С