Расчетная оценка теплофизических свойств азота как рабочего тела поршневого криодвигателя. Вычисление теплопроводности
Ключевые слова:
поршневой криодвигатель, азот, кинетические характеристики, рабочее тело, теплопроводность, математическая модельАннотация
Транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), используемые на многих предприятиях или объектах с повышенной пожароопасностью (аэропорты, доки, элеваторы, химические заводы, нефтеперерабатывающие предприятия), могут представлять собой источники воспламенения в силу особенности их технологического (рабочего) цикла. В последнее время внимание создателей транспортных средств привлекают альтернативные двигателям внутреннего сгорания силовые установки (электродвигатели, гибридные силовые установки, а также криодвигатели), которые могут обеспечить, в том числе, и более высокую пожарную безопасность транспорта. Криодвигатели в качестве силовых установок приобретают особое значение для специальных транспортных средств, эксплуатируемых в структуре вышеуказанных пожароопасных объектов. В качестве рабочего тела для криодвигателя может применяться сжиженный азот, а горячим источником для реализации рабочего цикла целесообразно использовать теплоту окружающей среды. Азот является наиболее доступным негорючим газом, поэтому по экономическим соображениям он наиболее приемлем как рабочее тело для поршневого криодвигателя, при этом не нарушается баланс содержания азота в атмосфере. Повышенный интерес к созданию криогенных силовых установок для транспортных средств обусловил актуальность детального исследования термодинамических и кинетических характеристик (коэффициенты переноса) молекулярного азота в широком диапазоне давлений и температур. В статье приведен оригинальный метод и результаты расчета теплопроводности азота, используемого в качестве рабочего тела для транспортных поршневых установок. Представлено описание разработанной математической модели кинетических характеристик плотных молекулярных сред (газов и жидкостей). Математическая модель и вычислительные процедуры основаны на формальной схеме Энскога и на статистико-механическом подходе в рамках термодинамической теории возмущений без привлечения эмпирических параметров. Особенностями метода являются: достаточный минимум исходной информации, высокая точность, применимость для любых практически важных диапазонов состояний. На примере газообразного и жидкого азота приведено сравнение расчетных значений теплопроводности с имеющимися в литературе экспериментальными данными для давлений до 5 МПа в интервале температур 80–300 K. Результаты расчетов, выполненных по предложенной методике, позволяют прогнозировать кинетические характеристики азота в неисследованных экспериментально диапазонах состояний вплоть до давлений 1000 МПа и температур до 5000 K. Погрешности расчетов теплопроводности азота находятся на уровне обычных экспериментальных ошибок.Библиографические ссылки
Plummer, M. C., Koehler, C. P., & Flanders, D. R. (1997). Cryogenic heat engine experiment. Proc. of 1997 Cryogenic Eng. Conf., Portland, July 1997, USA, 7 p.
Turenko, A. N., Pyatak, A. I., & Kudryavtsev, I.N. (2000). Ekologicheski chistyy kriogennyy transport: sovremennoye sostoyaniye problemy [Environmentally friendly cryogenic transport: Current state of the problem]. Vestn. Khark. avtomob.-dor. tekhn. un-ta. – Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University, iss. 12–13, pp. 42–47 (in Russian).
Levterov, A. M. & Umerenkova, K. R. (2013). Raschetnaya otsenka teplofizicheskikh svoystv azota, kak rabochego tela porshnevogo kriodvigatelya. Ch. I. Matematicheskaya model fazovykh ravnovesiy [Estimated assessment of the thermophysical properties of nitrogen as the working fluid of a piston cryo engine. Part I. Mathematical model of phase equilibria]. Prom. teplotekhnika − Industrial Heat Engineering, vol. 35, no. 4, pp. 90–95 (in Russian).
Levterov, A. M. & Umerenkova, K. R. (2014). Raschetnaya otsenka teplofizicheskikh svoystv azota, kak rabochego tela porshnevogo kriodvigatelya. Ch. II. Vychisleniye teployemkosti [Estimated estimate of the thermophysical properties of nitrogen as the working fluid of a piston cryo engine. Part II. Calculation of heat capacity]. Prom. teplotekhnika − Industrial Heat Engineering, vol. 36, no. 2, pp. 93–100 (in Russian).
Levterov, A. M. & Umerenkova, K. R. (2015). Raschetnaya otsenka teplofizicheskikh svoystv azota, kak rabochego tela porshnevogo kriodvigatelya. Ch. III. Vychisleniye entalpii i entropii [Estimated assessment of the thermophysical properties of nitrogen as the working fluid of a piston cryo-engine. Part III. Calculation of enthalpy and entropy]. Prom. teplotekhnika − Industrial Heat Engineering, vol. 37, no. 2, pp. 32–38 (in Russian).
Girshfelder, Dzh., Kertiss, Ch., & Berd, R. (1961). Molekulyarnaya teoriya gazov i zhidkostey [Molecular theory of gases and liquids].Moscow: Izd-vo inostr. lit., 930 p. (in Russian).
Marinin, V. S. (1999). Teplofizika alternativnykh energonositeley [Thermophysics of alternative energy carriers].Kharkov: Fort, 212 p. (in Russian).
Umerenkova, K. R. & Marinin, V. S. (2002). Termodinamicheskiye svoystva i fazovyye ravnovesiya predelnykh uglevodorodov i ikh smesey. I. Fizicheskaya model i metod rascheta [Thermodynamic properties and phase equilibria of saturated hydrocarbons and their mixtures. I. Physical model and calculation method]. Visn. NTU “KhPI”. Ser. Khimiia, khimichna tekhnolohiia ta ekolohiia – Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Chemistry, Chemical Technology and Ecology, vol. 2, no. 2, pp. 3–9 (in Russian).
Rid, R., Prausnits, Dzh., & Shervud, T. (1982). Svoystva gazov i zhidkostey [Properties of gases and liquids].Leningrad: Khimiya, 592 p. (in Russian).
Malkov, M. P. & Danilov, I.B. (1985). Spravochnik po fiziko-tekhnicheskim osnovam kriogeniki. 3-ye izd. [Handbook on physico-technical fundamentals of cryogenics (3 rd ed.)].Moscow: Energoatomizdat, 432 p. (in Russian).
Vargaftik, N. B. & Filippov, L. P. (1990). Spravochnik po teploprovodnosti zhidkostey i gazov [Handbook of thermal conductivity of liquids and gases].Moscow: Energoatomizdat, 352 p. (in Russian).
Vargaftik, N. B. (1972). Spravochnik po teplofizicheskim svoystvam gazov i zhidkostey [Handbook on thermophysical properties of gases and liquids].Moscow: Nauka, 720 p. (in Russian).
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2019 A. M. Levterov, K. R. Umerenkova
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NoDerivatives» («Атрибуция — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
Авторы, публикующиеся в этом журнале, соглашаются со следующими условиями:
- Авторы оставляют за собой право на авторство своей работы и передают журналу право первой публикации этой работы на условиях лицензионного договора (соглашения).
- Авторы имеют право заключать самостоятельно дополнительные договора (соглашения) о неэксклюзивном распространении работы в том виде, в котором она была опубликована этим журналом (например, размещать работу в электронном хранилище учреждения или публиковать в составе монографии), при условии сохранения ссылки на первую публикацию работы в этом журнале.
- Политика журнала позволяет размещение авторами в сети Интернет (например, в хранилищах учреждения или на персональных веб-сайтах) рукописи работы, как до подачи этой рукописи в редакцию, так и во время ее редакционной обработки, поскольку это способствует возникновению продуктивной научной дискуссии и позитивно отражается на оперативности и динамике цитирования опубликованной работы (см. The Effect of Open Access).
