[科普中国]-热负荷

内燃机中的热负荷介绍

内燃机的热负荷包含两个方面的涵义,一是指受热零件的温度,二是指零件的温度差。

通常用热流量来表征零件的热负荷,其在不同的情况下,可用不同的参数来表述。在热流作用下,q=α(Tg-Tw)，取决于换热系数和热传导条件,在零件上会形成一定的温度场。零件上的每一点可由该点的温度及其周围的温度梯度来表征。热流量越大,零件受热壁面上的温度越高,以及热应力也越大。

通过对不同型式内燃机的受热零件的温度、温度分布和热流量进行测量,以及用实验求得内燃机运转因素和一些结构因素对零件温度,热流量的影响,可以从中找出它们之间的基本规律,预先估计内燃机零件的热负荷,判断内燃机的强化潜力,也为设计和改进零部件时,控制零件热负荷提供一定的依据。1

计算公式当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，输入系统的热量与离开系统的热量应平衡，由此可得出传热设备的热量平衡方程式为:

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

式中Q1—物料带入设备的热量，kJ；Q2—加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量，kJ；Q3—过程的热效应，kJ；Q4—物料带出设备的热量，kJ；Q5—加热或冷却设备所消耗的热量或冷量，kJ；Q6—设备向环境散失的热量，kJ。

在上式时，应注意除Q1和Q4外，其它Q值都有正负两种情况。例如，当反应放热时，Q3取“+”号；反之，当反应吸热时，Q3取“-”号，这与热力学中的规定正好相反。

由热量平衡方程式可求出Q2，即设备的热负荷。若Q2为正值，表明需要向设备及所处理的物料提供热量，即需要加热；反之，则表明需要从设备及所处理的物料移走热量，即需要冷却。此外，对于间歇操作，由于不同时间段内的操作情况可能不同，因此，应按不同的时间段分别计算Q2的值，并取其最大值作为设备热负荷的设计依据。

为求出Q2，必须求出式中其它各项热量的值。

供热系统中的热负荷城市集中供热系统原始资料。集中供热系统的热负荷主要有采暖、通风、热水供应和生产工艺等热负荷。其中采暖和通风用热是季节性热负荷，而热水供应和生产工艺用热则多是常年性热负荷。季节性热负荷随气候条件而变化,在一年中变化很大,但在一天内波动较小。常年性热负荷受气候条件影响较小，在一年中变化不大，但在一天内波动大，特别是对非全天需热的用户。2

采暖热负荷在冬季某一室外温度下，为达到要求的室内温度，供热系统在单位时间内向建筑物供给的热量。采暖设计热负荷是指当室外温度为采暖室外计算温度时，为了达到上述所要求的室内温度，供热系统在单位时间内向建筑物供给的热量。
在制订城市或区域供热规划或设计其供热系统时，往往缺乏确切的原始资料,一般只能用热指标法估算,即用单位建筑面积的热指标乘以建筑面积，得出采暖的设计热负荷Q(瓦)。用公式表示为：
Q=qfF
qf--单位建筑面积热指标(W/㎡)；
F--建筑面积(㎡)
如已知房屋体积，也可采用每立方米建筑体积在室内外温差为1°C时的热指标qv【W/(m3·°C)】计算：
Q=qvV(tn-tw)

qv--热流密度（W/(m3·°C)）；

V--建筑体积(m3)；
tn--室内计算温度（°C）；
tw--采暖室外计算温度（°C）。
采暖热指标qv和qf的大小与建筑物围护结构的传热系数、外围体积、密闭性或通风条件、建筑物的类型和外形以及墙窗面积比等许多因素有关，通常是依据实际工程统计分析而得，设计时可参考有关部门提供的资料，结合具体情况选用。

一、围护结构的耗热量
1.围护结构的基本耗热量
Qj=αAjKj(tR-tow)

Qj--j部分围护结构的基本耗热量，W；
Aj--j部分围护结构的表面积，m2；
Kj--j部分围护结构的传热系数，W/（m2*℃）；
tR--冬季室内计算温度，℃；
tow-- 采暖室外计算温度，℃；
α --围护结构的温差修正系数。
2.维护结构附加耗热量
（1）朝向修正率
不同朝向的围护结构，收到的太阳辐射热量是不同的；同时，不同的朝向，风的速度和频率也不 同。因此对不同的垂直外围护结构进行修正。修正率为：
北、东北、西北： 0~10%
东、西： -5%
东南、西南 -10%~-15%
南 -15%~-30%
选用修正率时应考虑当地冬季日照率及辐射强度的大小。冬季日照率小于35%的低区，东南、西 南、南向的修正率宜采用-10%~0，其他朝向可不修正。
（2）风力附加率
在不蔽风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物以及城镇、厂区内特别高的建筑，垂直的外护结构热负荷附加5%~10%。
（3）外门附加率
为加热开启外门时侵入的冷空气，对于短时间开启无热风幕的外门，可以用外门的基本耗热量乘上相应的附加率。阳台门不应该考虑外门附加率。
（4) 高度附加率
由于室内温度梯度的影响，往往使房间上部的传热量加大。因此当民用建筑物和工业企业辅助建筑物的房间净高超过4m时，每增加1m，附加率为2%，但最大附加率不超过15%。
二、门窗缝隙渗入冷空气的耗热量
Qi=0.278LρaoCp(tR-toh)
Qi--为加热门窗缝隙渗入的冷空气耗热量，W；
L--渗透冷空气量，m3/h；
ρao--采暖室外计算温度下空气密度，kg/m3；
Cp--空气定压比热，Cp=1kJ/（kg*℃）；

tR--冬季室内计算温度，℃；

toh--采暖室外计算温度，℃。

通风热负荷在某些民用建筑以及工厂车间中，经常排出污浊的空气，并引进室外新鲜空气。在采暖季节，为了加热新鲜空气而消耗的热量，称为通风热负荷。一般住宅只有排气通风，不采用有组织的进气通风，它的通风用热量包括在采暖热指标中，不另计算通风热负荷。通风热负荷可采用换气次数或通风热指标法估算。

热水供应热负荷日常生活用热水的用热量。一般根据用水人数、水温及用水定额估算。

生产工艺热负荷主要用于生产过程的加热、烘干、蒸煮、清洗等工艺,或用于拖动机械的动力设备(如汽锤、汽泵等)。由于用热设备和用热方式繁多,生产工艺热负荷一般按实测数据，或用单位产量的耗热概算指标估算。如无实测资料，可参考工厂以往的燃料耗量、锅炉效率等因素估算热负荷。

在确定供热系统的热负荷时，除综合上述各种用户的热负荷外，还应加上热网的热损失。由于用户一般并非同时满负荷、连续用热，因此，还需确定系统的平均热负荷值、最大热负荷值、设备的同时使用系数等，以便选择热源和设计供热系统。