Расчетная оценка теплофизических свойств азота как рабочего тела поршневого криодвигателя. Вычисление теплопроводности

Autor: Levterov, A. M., Umerenkova, K. R.
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Journal of Mechanical Engineering; Том 22, № 1 (2019); 76-83
Проблемы машиностроения; Том 22, № 1 (2019); 76-83
Проблеми машинобудування; Том 22, № 1 (2019); 76-83
ISSN: 0131-2928
2411-0779
Popis: Vehicles with internal combustion engines (ICEs) used by many enterprises or high fire hazard facilities (airports, docks, elevators, chemical plants, refineries) can be sources of ignition due to the peculiarity of their technological (work) cycle. Recently, vehicle designers have devoted much attention to power units that are alternatives of ICEs (electric engines, hybrid power units, and cryogenic engines), with the power units being capable of ensuring a higher fire safety in transport. Kreogenic engines as power plants in special vehicles used in the above-mentioned high fire hazard facilities are particularly important. In such engines, the working medium (WM) is liquid nitrogen, and the heat source to implement the work cycle is the warmth of the environment. Nitrogen is the most affordable non-flammable gas, which is why in terms of economic considerations, it is most acceptable for use as WM for a cryogenic piston engine without disturbing nitrogen content balance in the atmosphere. The increased interest in creating cryogenic power units for vehicles determined the relevance of a detailed study of thermodynamic and kinetic characteristics (transfer coefficients) of molecular nitrogen over a wide range of pressures and temperatures. The article presents an original method and the results of calculating the thermal conductivity of nitrogen used as a working fluid for transport piston units. A description of the developed mathematical model of kinetic characteristics in dense molecular media (dense gases and liquids) is presented. The mathematical model and computational procedures are based both on the formal scheme of Enskog and statistical-mechanical approach within the framework of the thermodynamic perturbation theory with no empirical parameters involved. The features of the method are sufficient minimum of initial information, high precision, and applicability for any practically important state ranges. Using gaseous and liquid nitrogen as an example, the calculated values of their thermal conductivity are compared with the available in the literature experimental data at pressures up to 5 MPa in the temperature range from 80 to 300 K. The results of calculations according to the proposed method allow us to predict the kinetic characteristics of nitrogen in experimentally unexplored state ranges up to pressures of 1000 MPa and temperatures up to 5000 K. Errors in the calculation of the thermal conductivity of nitrogen are at the level of ordinary experimental errors.
Транспортні засоби з двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ), що використовуються на багатьох підприємствах або об'єктах з підвищеною пожежонебезпекою (аеропорти, доки, елеватори, хімічні заводи, нафтопереробні підприємства), можуть являти собою джерела займання через особливості їхнього технологічного (робочого) циклу. Останнім часом увагу розробників транспортних засобів привертають альтернативні двигунам внутрішнього згоряння силові установки (електродвигуни, гібридні силові установки, а також кріодвигуни), які можуть забезпечити, в тому числі, і більш високу пожежну безпеку транспорту. Кріодвигуни як силові установки набувають особливого значення для спеціальних транспортних засобів, що експлуатуються в структурі вищевказаних пожежонебезпечних об'єктів. Як робоче тіло для кріодвигуна може застосовуватися скраплений азот, а гарячим джерелом для реалізації робочого циклу доцільно використовувати теплоту навколишнього середовища. Азот є найбільш доступним негорючим газом, тому з економічних міркувань він найбільш прийнятний як робоче тіло для поршневого кріодвигуна, за таких обставин не порушується баланс вмісту азоту в атмосфері. Підвищений інтерес до створення кріогенних силових установок для транспортних засобів зумовив актуальність детального дослідження термодинамічних і кінетичних характеристик (коефіцієнтів переносу) молекулярного азоту в широкому діапазоні тисків і температур. У статті наведено оригінальний метод і результати розрахунку теплопровідності азоту, використовуваного як робоче тіло для транспортних поршневих установок. Подано опис розробленої математичної моделі кінетичних характеристик щільних молекулярних середовищ (газів і рідин). Математична модель і обчислювальні процедури грунтуються на формальній схемі Енскога і на статистико-механічному підході в рамках термодинамічної теорії збурень без залучення емпіричних параметрів. Особливостями методу є: достатній мінімум вихідної інформації, висока точність, застосовність для будь-яких практично важливих діапазонів станів. На прикладі газоподібного і рідкого азоту наведено порівняння розрахункових значень теплопровідності з наявними в літературі експериментальними даними для тисків до 5 МПа в інтервалі температур 80–300 K. Результати розрахунків, виконаних за запропонованою методикою, дозволяють прогнозувати кінетичні характеристики азоту в недосліджених експериментально діапазонах станів аж до тиску 1000 МПа і температур до 5000 K. Похибки розрахунків теплопровідності азоту знаходяться на рівні звичайних експериментальних помилок.
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.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: