РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЗОТА КАК РАБОЧЕГО ТЕЛА ПОРШНЕВОГО КРИОДВИГАТЕЛЯ. ВЫЧИСЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

image_print
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 0131-2928 (Print), 2411-0779 (Online)
Выпуск Том 22, № 1, 2019 (Март)
Страницы 76–83

 

Авторы

А. М. Левтеров, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: dppp@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0001-5308-1375

К. Р. Умеренкова, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10)

 

Аннотация

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.

 

Ключевые слова: поршневой криодвигатель, азот, кинетические характеристики, рабочее тело, теплопроводность, математическая модель.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  1. Plummer M. C., Koehler C. P., Flanders D. R. Cryogenic heat engine experiment. Proc. of 1997 Cryogenic Eng. Conf., Portland, July 1997, USA. P. 7.
  2. Туренко А. Н., Пятак А. И., Кудрявцев И. Н. Экологически чистый криогенный транспорт: современное состояние проблемы. Вестн. Харьк. автомоб.-дор. техн. ун-та. 2000. Вып. 12–13. С. 42–47.
  3. Левтеров А. М., Умеренкова К. Р. Расчетная оценка теплофизических свойств азота, как рабочего тела поршневого криодвигателя. Ч I. Математическая модель фазовых равновесий. Пром. теплотехника. 2013. Т. 35. № 4. С. 90–95.
  4. Левтеров А. М., Умеренкова К. Р. Расчетная оценка теплофизических свойств азота, как рабочего тела поршневого криодвигателя. Ч II. Вычисление теплоемкости. Пром. теплотехника. 2014. Т. 36. № 2. С. 93–100.
  5. Левтеров А. М., Умеренкова К. Р. Расчетная оценка теплофизических свойств азота, как рабочего тела поршневого криодвигателя. Ч. III. Вычисление энтальпии и энтропии. Пром. теплотехника. 2015. Т. 37. № 2. С. 32–38.
  6. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 930 с.
  7. Маринин В. С. Теплофизика альтернативных энергоносителей. Харьков: Форт, 1999. 212 с.
  8. Умеренкова К. Р, Маринин В. С. Термодинамические свойства и фазовые равновесия предельных углеводородов и их смесей. I. Физическая модель и метод расчета. Вiсн. НТУ “ХПI”. Сер. Хiмiя, хiмiчна технологiя та екологiя. 2002. Т. 2. № 2. С. 3–9.
  9. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982. 592 с.
  10. Малков М. П., Данилов И. Б. Справочник по физико-техническим основам криогеники. 3-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1985. 432 с.
  11. Варгафтик Н. Б., Филиппов Л. П. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.
  12. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

 

Поступила в редакцию 24 октября 2018 г.

Принята в печать