รูปแบบของการถ่ายเทความร้อน

                การถ่ายเทความร้อนในเครื่องยนต์เผาไหม้ภายในมีทั้ง 3 รูปแบบคือ (Conduction Heat Transfer ) การพาความร้อน
( Convection Heat Transfer ) และการแผ่รังสีความร้อน (Radiation Heat Transfer)
 
การนำความร้อน
                การนำความร้อนเป็นการถ่ายเทความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลผ่านของแข็งหรือผ่านของไหลที่อยู่กับที่  อันเป็นผลมาจากอุณหภูมิที่แตกต่างกัน การนำความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ ต่อหน่วยเวลา  ในสภาวะคงตัวคำนวณได้จากกฏของฟูเรียร์ (Fourier s Law )  คือ
 
 
 

                                                                              

 ………… ( 6.1 )

 

 

                            รูป 6.2 แสดงการนำความร้อน

 

โดย k เป็นค่าสภาพนำความร้อน (Thermai Conductivity ) และสำหรับการเปลี่ยนอุณหภูมิในทิศทางเดียว(ทิศทาง x )   ภายใต้สภาวะคงตัวจะได้

……………………… ( 6.2 )

              ในเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน ความร้อนจะถูกถ่ายเทโดยการนำความร้อนผ่านฝาสูบ ผนังกระบอกสูบ และลูกสูบ ผ่านแหวนลูกสูบไปยังผนังกระบอกสูบ ผ่านเสื้อสูบและท่อร่วมไอเสีย

 

การพาความร้อน

              การพาความร้อนเป็นการถ่ายเทความร้อนผ่านของไหลที่เคลื่อนที่ หรือระหว่างของไหลและผิวของของแข็งที่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ เมื่อการเคลื่อนที่ของของไหลนั้นเกิดโดยแรงกระทำนอกเหนือ ไปจากแรงดึงดูดของโลกก็จะเรียกว่าการพาความร้อนแบบบังคับ (Forced Convection) ในเครื่องยนต์เผาไหม้ภายในการเคลื่อนที่ของของไหลเป็นแบบปั่นป่วน  ความร้อนถูกถ่ายเทโดยการพาความร้อนแบบบังคับระหว่างแก๊สในกระบอกสูบกับฝาสูบ วาล์ว ผนังกระบอกสูบ และ ลูกสูบ ในระหว่างกระบวนการดูด การอัด การขยายตัว และการคาย  ความร้อนถูกถ่ายเทโดยการพาความร้อนแบบบังคับจากผนังกระบอกสูบ และฝาสูบไปสู่สารหล่อเย็น (ซึ่งอาจเป็นของเหลวหรือแก๊สก็ได้ ) และนอกจากลูกสูบไปสู่สารหล่อลื่นหรือสารหล่อเย็นลูกสูบอื่น การพาความร้อนปริมาณมากยังเกิดขึ้นกับวาล์วไอเสีย ช่องไอเสีย และท่อไอเสียในระหว่างกระบวนการคายอีกด้วย และในระบบไอดี การพาความร้อนจะถูกใช้เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของไอดีที่เข้ามา นอกจากนี้ ความร้อนยังถูกถ่ายเทจากเครื่องยนต์ไปสู่สิ่งแวดล้อมโดยการพาความร้อนนั่นเอง

รูป 6.3 แสดงการพาความร้อน

                    ในสภาวะคงตัว  สำหรับการพาความร้อนแบบบังคับ ฟลักซ์ความร้อน  ที่ถ่ายเทไปยังผิวของแข็งที่อุณหภูมิ  TW จากของไหลที่ไหลที่อุณหภูมิ  T สามารถหาได้จากสมการ คือ

 ……………………… ( 6.3 )

โดย hc  เป็นสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (Heat –Transfer Coefficient) สำหรับรูปแบบของการไหลจำนวนมาก (ได้แก่ การไหลผ่านท่อ หรือการไหลบนแผ่นราบ ) hc จะถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์คือ

 =  ค่าคงตัว  ……………………… ( 6.4 )

โดย L และ v เป็นความยาวลักษณะเฉพาะ (characteristic length )และความเร็ว ตามลำดับ , พจน์ เป็นเลขนัสเซลท์ (Nusselt number ), พจน์   เป็นเลขเรย์โนลดส์ (Reynolds number ) และพจน์

  เป็นเลขแพรนด์เทิล (Prandtl number)

การแผ่รังสีความร้อน

               การถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสีเกิดขึ้นโดยการปล่อยและการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากผิวตัวกลางหนึ่งไปสู่อีกผิวตัวกลางหนึ่งที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน ในเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน การถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสีเกิดขึ้นจากแก๊สที่ได้จากการเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงและที่บริเวณเปลวไฟไปยังผนังห้องเผาไหม้  ซึ่งในเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ การแผ่รังสีความร้อนจะมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับการถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน แต่จะมีค่ามากพอควรในเครื่องยนต์ดีเซล นอกจากนี้ยังมีการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รัวสีไปสู่สิ่งแวดล้อมจากผิวด้านนอกของเครื่องยนต์ที่ร้อนอีกด้วย

รูป 6.4 แสดงการแผ่รังสี

                    ทฤษฏีของการแผ่รังสีความร้อนเริ่มต้นจากหลักการของวัตถุดำ (black body )ซึ่งก็คือวัตถุที่มีผิวที่ปล่อยและดูดกลืนรังสีของทุกความยาวคลื่นได้ดีพอๆกัน และไม่สะท้อนรังสีกลับออกไป ฟลักซ์ความร้อนจากวัตถุดำระนาบเดียวที่อุณหภูมิ T1 กับวัตถุดำอีกชิ้นหนึ่งที่อุณหภูมิ T2 ซึ่งอยู่ขนานกัน ผ่านบริเวณที่ไม่มีวัตถุดูดกลืนรังสี จะได้เป็น

  ……………………… ( 6.5 )

โดย  s  เป็นค่าคงตัวของซเตฟาน – โบลต์ซมันน์ มีค่าเท่ากับ  5.67 ´ 10-8 W/(m2.K4) สำหรับผิวจริงจะมีการสะท้อนรังสีปริมาณหนึ่งซึ่งขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ส่วนแก๊สจะมีคุณสมบัติที่ต่างไปจากวัตถุดำมาก ความแตกต่างจากวัตถุดำนี้จะกำหนดโดยสภาพเปล่งรังสี (emissivity, e) จากสมการด้านบน จะเขียนได้เป็นฟลักซ์ความร้อนของการแผ่รังสีของผิวจริง คือ

 ……………………… ( 6.6 )

กระบวนการถ่ายเทความร้อนทั้งหมด

              กระบวนการถ่ายเทความร้อนทั้งหมด จากแก๊สภายในกระบอกสูบผ่านผนังห้องเผาไหม้ไปสู่สารหล่อเย็นที่ไหลแสดงในภาพด้านล่างฟลักซ์ความร้อนที่ไปสู่ผนังห้องเผาไหม้จะเป็นทั้งโดยการพาความร้อนและการแผ่รังสี หลังจากนั้นฟลักซ์ความร้อนก็จะถูกนำผ่านผนังแล้วถูกพาจากผนังไปสู่สารหล่อเย็น

 

รูป 6.5 แสดงผังของการกระจายอุณหภูมิและการไหลของความร้อนผ่านผนังห้องเผาไหม้

สำหรับการไหลของความร้อนในทิศทางเดียวภายใต้สภาวะคงตัวผ่านผนัง ดังแสดงในภาพ 6.1  จะได้เป็น

ด้านแก๊ส  :                           ……………………… ( 6.7 )

สำหรับเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟโดยทั่วไป การแผ่รังสีความร้อนจะไม่ถูกนำมาคิดเพราะมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับการพาความร้อน

ผนัง :                                             ……………………… ( 6.8 )

ด้านสารหล่อเย็น :                        ……………………… ( 6.9 )