Согласно оценкам Международного энергетического агентства, приоритетным направлением снижения выбросов диоксида углерода автомобилями является повышение их топливной экономичности. Задача снижения выбросов СО2 путем повышения топливной экономичности автотранспорта является для мирового сообщества одной из приоритетных, учитывая необходимость рационального использования не возобновляемых источников энергии. С этой целью постоянно ужесточаются международные стандарты, лимитирующие показатели пуска и эксплуатации двигателя в условиях низких и даже высоких температур окружающей среды. В статье рассмотрен вопрос топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания в зависимости от температуры, давления, влажности окружающего воздуха. Приведены результаты исследования по поддержанию постоянной температуры во впускном коллекторе ДВС с целью экономии топлива и определению оптимальной мощности нагревательного элемента.
мощность нагревательного элемента
температура окружающего воздуха
подогрев воздуха
экономия топлива
оптимальная температура воздуха во впускном коллекторе
1. Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский [и др.]; отв. ред. М.С. Ховах. М.: Машиностроение, 1977. 591 с.
2. Карнаухов В.Н., Карнаухова И.В. Определение коэффициента наполнения в ДВС // Транспортные и транспортно-технологические системы, материалы Международной научно-технической конференции, Тюмень, 16 апреля 2014г. Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2014.
3. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1976. 364 с.
4. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М: Изд-во Горячая линия-Телеком, 2009. 440 с.
5. Ютт В.Е., Рузавин Г.Е. Электронные системы управления ДВС и методы их диагностирования. М.: Изд-во Горячая линия-Телеком, 2007. 104 с.
Введение
Развитие электроники и микропроцессорной техники привело к широкому внедрению ее на автомобили. В частности, к созданию электронных систем автоматического управления двигателем, трансмиссией ходовой частью и дополнительным оборудованием. Применение электронных систем для управления (ЭСУ) двигателем позволяет снизить расход топлива и токсичности отработанных газов с одновременным повышением мощности двигателя, повысить приемистость и надежность холодного пуска. Современные ЭСУ объединяют в себе функции управления впрыском топлива и работой системы зажигания. Для реализации программного управления в блоке управления записывается зависимость длительности впрыска (количество подаваемого топлива) от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Зависимость задается в виде таблицы, разработанной на основе всесторонних испытаний двигателя аналогичной модели. Подобные таблицы используются и для определения угла зажигания. Эта система управления двигателем используется во всем мире, потому что выбор данных из готовых таблиц является наиболее быстрым процессом, чем выполнение вычислений при помощи ЭВМ. Полученные по таблицам значения корректируются бортовыми компьютерами автомобилей в зависимости от сигналов датчиков положения дроссельной заслонки, температуры воздуха, его давления и плотности. Основным отличием данной системы, применяемой в современных автомобилях, является отсутствие жесткой механической связи между дроссельной заслонкой и педалью акселератора, ею управляющей. В сравнении с традиционными системами, ЭСУ позволяет снизить расход топлива на различных автомобилях до 20 % .
Низкое потребление топлива достигается путем различной организации двух основных режимов работы ДВС: режима малой нагрузки и режима высокой нагрузки. При этом двигатель в первом режиме работает с неоднородной смесью, большим избытком воздуха и поздним впрыском топлива, благодаря чему достигается расслоение заряда из смеси воздуха, топлива и оставшихся отработанных газов, в результате чего он работает на бедной смеси. На режиме высокой нагрузки двигатель начинает работать на гомогенной смеси, что приводит к уменьшению выбросов вредных веществ в отработанных газах. Токсичность выброса при применении ЭСУ дизельными двигателями при пуске позволяют снизить различные свечи накаливания. ЭСУ получает информацию о температуре воздуха на впуске, давлении, расходе топлива и положении коленчатого вала. Блок управления обрабатывает информацию от датчиков и, используя характеристические карты, выдает значение угла опережения подачи топлива. С целью учета изменения плотности поступающего воздуха при изменении его температуры датчик расхода оснащен терморезистором. Но в результате колебаний температуры и давления воздуха во впускном коллекторе, несмотря на вышеперечисленные датчики, происходит мгновенное изменение плотности воздуха и, как следствие, уменьшение или увеличение поступления кислорода в камеру сгорания.
Цель, задачи и метод исследования
В Тюменском государственном нефтегазовом университете были проведены исследования с целью поддержания постоянной температуры во впускном коллекторе ДВС КАМАЗ-740, ЯМЗ-236 и D4FB (1.6 CRDi) автомобиля Киа Сид, MZR2.3-L3T - Мазда CX7. При этом температурные колебания воздушной массы учитывались температурными датчиками. Обеспечение нормальной (оптимальной) температуры воздуха во впускном коллекторе должно выполняться при всех возможных эксплуатационных режимах: пуске холодного двигателя, работе на малых и высоких нагрузках, при работе в условиях низких температур окружающей среды.
В современных быстроходных двигателях суммарная величина теплообмена оказывается незначительной и составляет около 1 % от всего количества тепла, выделенного при сгорании топлива. Увеличение температуры подогрева воздуха во впускном коллекторе до 67 ˚С приводит к уменьшению интенсивности теплообмена в двигателях, то есть уменьшению ΔТ и увеличению коэффициента наполнения. ηv (рис.1)
где ΔТ - разность температур воздуха во впускном коллекторе (˚К), Тп - температура нагрева воздуха во впускном коллекторе, Тв - температура воздуха во впускном коллекторе.
Рис. 1. График влияния температуры подогрева воздуха на коэффициент наполнения (на примере двигателя КАМАЗ-740)
Однако подогрев воздуха более 67 ˚С не приводит к росту ηv в связи с тем, что плотность воздуха при этом уменьшается. Полученные экспериментальные данные показали, что воздух у дизельных двигателей без наддува во время его работы имеет интервал температур ΔТ=23÷36˚С. Испытаниями было подтверждено, что для ДВС, работающих на жидком топливе, разница в величине коэффициента наполнения ηv, рассчитанного из условий, что свежим зарядом является воздух или топливовоздушная смесь, незначительна и составляет менее 0,5 % , поэтому для всех типов двигателей ηv определяется по воздуху.
Изменение температуры, давления и влажности воздуха сказывается на мощности любого двигателя и колеблется в интервале Ne=10÷15% (Ne - эффективная мощность двигателя).
Повышение аэродинамического сопротивления воздуха во впускном коллекторе объясняется следующими параметрами:
Повышенной плотностью воздуха.
Изменением вязкости воздуха.
Характером поступления воздуха в камеру сгорания.
Многочисленными исследованиями доказано, что высокая температура воздуха во впускном коллекторе увеличивает расход топлива незначительно. В то же время низкая температура увеличивает его расход до 15-20 %, поэтому исследования проводились при температуре наружного воздуха -40 ˚С и его нагреве до +70 ˚С во впускном коллекторе. Оптимальной по расходу топлива является температура воздуха во впускном коллекторе 15÷67 ˚С.
Результаты исследования и анализ
Во время испытаний была определена мощность нагревательного элемента для обеспечения подержания определенной температуры во впускном коллекторе ДВС. На первой стадии определено количество тепла, необходимого для нагрева воздуха массой 1 кг при постоянной температуре и давлении воздуха, для этого примем: 1. Температура окружающего воздуха t1=-40˚C. 2. Температура во впускном коллекторе t2=+70˚С.
Количество необходимого тепла находим по уравнению:
(2)
где СР - массовая теплоемкость воздуха при постоянном давлении, определяется по таблице и для воздуха при температуре от 0 до 200 ˚С.
Количество тепла для большей массы воздуха определяется по формуле:
где n - объем воздуха в кг, необходимого для нагрева при работе двигателя.
При работе ДВС на оборотах более 5000 об/мин расход воздуха легковых автомобилей достигает 55-60 кг/час, а грузовых - 100 кг/час. Тогда:
Мощность нагревателя определяем по формуле:
где Q - количество тепла, затраченное на нагревание воздуха в Дж, N - мощность нагревательного элемента в Вт, τ - время в сек.
Необходимо определить мощность нагревательного элемента в секунду, поэтому формула примет вид:
N=1,7 кВт - мощность нагревательного элемента для легковых автомобилей и при расходе воздуха более 100 кг/час для грузовых - N=3,1 кВт.
(5)
где Ттр - температура во впускном трубопроводе, Ртр - давление в Па во впускном трубопроводе, Т0 - , ρ0 - плотность воздуха, Rв - универсальная газовая постоянная воздуха.
Подставляя формулу (5) в формулу (2), получаем:
(6)
(7)
Мощность нагревателя в секунду определим по формуле (4) с учетом формулы (5):
(8)
Результаты расчетов количества тепла, необходимого для нагрева воздуха массой 1 кг со средним расходом воздуха для легковых автомобилей более V=55кг/час и для грузовых - более V=100кг/час, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Таблица определения количества тепла для нагрева воздуха во впускном коллекторе в зависимости от наружной температуры воздуха
|
V>55кг/час |
V>100кг/час |
|||
|
Q, кДж/сек |
Q, кДж/сек |
|||
На основании данных таблицы 1 построен график (рис. 2) количества тепла Q в секунду, затраченного на подогрев воздуха до оптимальной температуры. На графике видно, что чем выше температура воздуха, тем меньшее количество тепла необходимо для поддержания оптимальной температуры во впускном коллекторе, вне зависимости от объема воздуха.
Рис. 2. Количество тепла Q в секунду, затраченного на подогрев воздуха до оптимальной температуры
Таблица 2
Расчет времени нагрева различных объемов воздуха
|
Q1, кДж/сек |
Q2, кДж/сек |
|||
Время определено по формуле τсек=Q/N при температуре наружного воздуха >-40˚С,Q1 при расходе воздуха V>55 кг/час и Q2- V>100 кг/час
Далее по таблице 2 построен график времени нагрева воздуха до +70 ˚С в коллекторе ДВС при различной мощности нагревателя. На графике видно, что независимо от времени нагрева при повышении мощности нагревателя время нагрева разных объемов воздуха выравнивается.
Рис. 3. Время нагрева воздуха до температуры +70 ˚С.
Заключение
На основании расчетов и экспериментов установлено, что наиболее экономичным является использование нагревателей переменной мощности для поддержания заданной температуры во впускном коллекторе с целью получения экономии топлива до 25-30 %.
Рецензенты :
Резник Л.Г., д.т.н., профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта» ФГБО УВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.
Мерданов Ш.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Транспортные и технологические системы» ФГБО УВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.
Захаров Н.С., д.т.н., профессор, действующий член Российской академии транспорта, заведующий кафедрой «Сервис автомобилей и технологических машин» ФГБО УВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.
Библиографическая ссылка
Карнаухов В.Н. ОПТИМИЗАЦИЯ МОЩНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ВО ВПУСКНОМ КОЛЛЕКТОРЕ ДВС // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=13575 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва,...
Энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности .
Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.
Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия , которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.
Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С?.. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час?.. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!
Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов. Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!
Количество теплоты при различных физических процессах.
Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.
Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q , подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.
1. Твердое тело, имеющее температуру T1 , нагреваем до температуры Tпл , затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1 .
2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2— Q1 .
3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп , затрачивая на это количество теплоты равное Q3 -Q2 .
4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4 -Q3 .
5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2 . При этом затраты количества теплоты составят Q5 -Q4 . (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)
Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5 , переводя вещество через три агрегатных состояния.
Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5 , пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2 до температуры Т1 . Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.
Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.
Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.
Главные формулы теплопередачи.
Формулы очень просты.
Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:
1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:
1.1. При нагревании (охлаждении):
Q = m * c *(Т2 -Т1 )
m – масса вещества в кг
с – удельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)
1.2. При плавлении (замерзании):
Q = m * λ
λ – удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг
1.3. При кипении, испарении (конденсации):
Q = m * r
r – удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг
2. Со стороны производства тепла, то есть со стороны источника:
2.1. При сгорании топлива:
Q = m * q
q – удельная теплота сгорания топлива в Дж/кг
2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):
Q =t *I *U =t *R *I ^2=(t/ R) *U ^2
t – время в с
I – действующее значение тока в А
U – действующее значение напряжения в В
R – сопротивление нагрузки в Ом
Делаем вывод – количество теплоты прямо пропорционально массе вещества при всех фазовых превращениях и при нагреве дополнительно прямо пропорционально разности температур. Коэффициенты пропорциональности (c , λ , r , q ) для каждого вещества имеют свои значения и определены опытным путем (берутся из справочников).
Тепловая мощность N в Вт – это количество теплоты переданное системе за определенное время:
N =Q /t
Чем быстрее мы хотим нагреть тело до определенной температуры, тем большей мощности должен быть источник тепловой энергии – все логично.
Расчет в Excel прикладной задачи.
В жизни бывает часто необходимо сделать быстрый оценочный расчет, чтобы понять – имеет ли смысл продолжать изучение темы, делая проект и развернутые точные трудоемкие расчеты. Сделав за несколько минут расчет даже с точностью ±30%, можно принять важное управленческое решение, которое будет в 100 раз более дешевым и в 1000 раз более оперативным и в итоге в 100000 раз более эффективным, чем выполнение точного расчета в течение недели, а то и месяца, группой дорогостоящих специалистов…
Условия задачи:
В помещение цеха подготовки металлопроката размерами 24м х 15м х 7м завозим со склада на улице металлопрокат в количестве 3т. На металлопрокате есть лед общей массой 20кг. На улице -37˚С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть металл до +18˚С; нагреть лед, растопить его и нагреть воду до +18˚С; нагреть весь объем воздуха в помещении, если предположить, что до этого отопление было полностью отключено? Какую мощность должна иметь система отопления, если все вышесказанное необходимо выполнить за 1час? (Очень жесткие и почти не реальные условия – особенно касающиеся воздуха!)
Расчет выполним в программе MS Excel или в программе OOo Calc .
С цветовым форматированием ячеек и шрифтов ознакомьтесь на странице « ».
Исходные данные:
1. Названия веществ пишем:
в ячейку D3: Сталь
в ячейку E3: Лед
в ячейку F3: Лед/вода
в ячейку G3: Вода
в ячейку G3: Воздух
2. Названия процессов заносим:
в ячейки D4, E4, G4, G4: нагрев
в ячейку F4: таяние
3. Удельную теплоемкость веществ c в Дж/(кг*К) пишем для стали, льда, воды и воздуха соответственно
в ячейку D5: 460
в ячейку E5: 2110
в ячейку G5: 4190
в ячейку H5: 1005
4. Удельную теплоту плавления льда λ в Дж/кг вписываем
в ячейку F6: 330000
5. Массу веществ m в кг вписываем соответственно для стали и льда
в ячейку D7: 3000
в ячейку E7: 20
Так как при превращении льда в воду масса не изменяется, то
в ячейках F7 и G7: =E7 =20
Массу воздуха находим произведением объема помещения на удельный вес
в ячейке H7: =24*15*7*1,23 =3100
6. Время процессов t в мин пишем только один раз для стали
в ячейку D8: 60
Значения времени для нагрева льда, его плавления и нагрева получившейся воды рассчитываются из условия, что все эти три процесса должны уложиться в сумме за такое же время, какое отведено на нагрев металла. Считываем соответственно
в ячейке E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,7
в ячейке F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =41,0
в ячейке G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,4
Воздух также должен прогреться за это же самое отведенное время, читаем
в ячейке H8: =D8 =60,0
7. Начальную температуру всех веществ T 1 в ˚C заносим
в ячейку D9: -37
в ячейку E9: -37
в ячейку F9: 0
в ячейку G9: 0
в ячейку H9: -37
8. Конечную температуру всех веществ T 2 в ˚C заносим
в ячейку D10: 18
в ячейку E10: 0
в ячейку F10: 0
в ячейку G10: 18
в ячейку H10: 18
Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.
Результаты расчетов:
9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем
для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000 =75900
для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000 = 1561
для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000 = 6600
для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000 = 1508
для нагрева воздуха в ячейке H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000 = 171330
Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем
в объединенной ячейке D13E13F13G13H13: =СУММ(D12:H12) = 256900
В ячейках D14, E14, F14, G14, H14, и объединенной ячейке D15E15F15G15H15 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).
10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается
для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60) =21,083
для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60) = 2,686
для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60) = 2,686
для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60) = 2,686
для нагрева воздуха в ячейке H16: =H12/(H8*60) = 47,592
Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается
в объединенной ячейке D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361
В ячейках D18, E18, F18, G18, H18, и объединенной ячейке D19E19F19G19H19 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.
На этом расчет в Excel завершен.
Выводы:
Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.
При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).
Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.
Для получения информации о выходе новых статей и для скачивания рабочих файлов программ прошу вас подписаться на анонсы в окне, расположенном в конце статьи или в окне вверху страницы.
После ввода адреса своей электронной почты и нажатия на кнопку «Получать анонсы статей» НЕ ЗАБУДЬТЕ ПОДТВЕРДИТЬ ПОДПИСКУ кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (иногда - в папку « Спам» )!
Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост, понятен и интересен.
Жду вопросы и комментарии на статью!
Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.
Рассмотрены основные физические свойства воздуха: плотность воздуха, его динамическая и кинематическая вязкость, удельная теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля и энтропия. Свойства воздуха даны в таблицах в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении.
Плотность воздуха в зависимости от температуры
Представлена подробная таблица значений плотности воздуха в сухом состоянии при различных температурах и нормальном атмосферном давлении. Чему равна плотность воздуха? Аналитически определить плотность воздуха можно, если разделить его массу на объем, который он занимает при заданных условиях (давление, температура и влажность). Также можно вычислить его плотность по формуле уравнения состояния идеального газа . Для этого необходимо знать абсолютное давление и температуру воздуха, а также его газовую постоянную и молярный объем. Это уравнение позволяет вычислить плотность воздуха в сухом состоянии.
На практике, чтобы узнать какова плотность воздуха при различных температурах , удобно воспользоваться готовыми таблицами. Например, приведенной таблицей значений плотности атмосферного воздуха в зависимости от его температуры. Плотность воздуха в таблице выражена в килограммах на кубический метр и дана в интервале температуры от минус 50 до 1200 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении (101325 Па).
| t, °С | ρ, кг/м 3 | t, °С | ρ, кг/м 3 | t, °С | ρ, кг/м 3 | t, °С | ρ, кг/м 3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 1,584 | 20 | 1,205 | 150 | 0,835 | 600 | 0,404 |
| -45 | 1,549 | 30 | 1,165 | 160 | 0,815 | 650 | 0,383 |
| -40 | 1,515 | 40 | 1,128 | 170 | 0,797 | 700 | 0,362 |
| -35 | 1,484 | 50 | 1,093 | 180 | 0,779 | 750 | 0,346 |
| -30 | 1,453 | 60 | 1,06 | 190 | 0,763 | 800 | 0,329 |
| -25 | 1,424 | 70 | 1,029 | 200 | 0,746 | 850 | 0,315 |
| -20 | 1,395 | 80 | 1 | 250 | 0,674 | 900 | 0,301 |
| -15 | 1,369 | 90 | 0,972 | 300 | 0,615 | 950 | 0,289 |
| -10 | 1,342 | 100 | 0,946 | 350 | 0,566 | 1000 | 0,277 |
| -5 | 1,318 | 110 | 0,922 | 400 | 0,524 | 1050 | 0,267 |
| 0 | 1,293 | 120 | 0,898 | 450 | 0,49 | 1100 | 0,257 |
| 10 | 1,247 | 130 | 0,876 | 500 | 0,456 | 1150 | 0,248 |
| 15 | 1,226 | 140 | 0,854 | 550 | 0,43 | 1200 | 0,239 |
При 25°С воздух имеет плотность 1,185 кг/м 3 . При нагревании плотность воздуха снижается — воздух расширяется (его удельный объем увеличивается). С ростом температуры, например до 1200°С, достигается очень низкая плотность воздуха, равная 0,239 кг/м 3 , что в 5 раз меньше ее значения при комнатной температуре. В общем случае, снижение при нагреве позволяет проходить такому процессу, как естественная конвекция и применяется, например, в воздухоплавании.
Если сравнить плотность воздуха относительно , то воздух легче на три порядка — при температуре 4°С плотность воды равна 1000 кг/м 3 , а плотность воздуха составляет 1,27 кг/м 3 . Необходимо также отметить значение плотности воздуха при нормальных условиях. Нормальными условиями для газов являются такие, при которых их температура равна 0°С, а давление равно нормальному атмосферному. Таким образом, согласно таблице, плотность воздуха при нормальных условиях (при НУ) равна 1,293 кг/м 3 .
Динамическая и кинематическая вязкость воздуха при различных температурах
При выполнении тепловых расчетов необходимо знать значение вязкости воздуха (коэффициента вязкости) при различной температуре. Эта величина требуется для вычисления числа Рейнольдса, Грасгофа, Релея, значения которых определяют режим течения этого газа. В таблице даны значения коэффициентов динамической μ и кинематической ν вязкости воздуха в диапазоне температуры от -50 до 1200°С при атмосферном давлении.
Коэффициент вязкости воздуха с ростом его температуры значительно увеличивается. Например, кинематическая вязкость воздуха равна 15,06·10 -6 м 2 /с при температуре 20°С, а с ростом температуры до 1200°С вязкость воздуха становиться равной 233,7·10 -6 м 2 /с, то есть увеличивается в 15,5 раз! Динамическая вязкость воздуха при температуре 20°С равна 18,1·10 -6 Па·с.
При нагревании воздуха увеличиваются значения как кинематической, так и динамической вязкости. Эти две величины связаны между собой через величину плотности воздуха, значение которой уменьшается при нагревании этого газа. Увеличение кинематической и динамической вязкости воздуха (как и других газов) при нагреве связано с более интенсивным колебанием молекул воздуха вокруг их равновесного состояния (согласно МКТ).
| t, °С | μ·10 6 , Па·с | ν·10 6 , м 2 /с | t, °С | μ·10 6 , Па·с | ν·10 6 , м 2 /с | t, °С | μ·10 6 , Па·с | ν·10 6 , м 2 /с |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 14,6 | 9,23 | 70 | 20,6 | 20,02 | 350 | 31,4 | 55,46 |
| -45 | 14,9 | 9,64 | 80 | 21,1 | 21,09 | 400 | 33 | 63,09 |
| -40 | 15,2 | 10,04 | 90 | 21,5 | 22,1 | 450 | 34,6 | 69,28 |
| -35 | 15,5 | 10,42 | 100 | 21,9 | 23,13 | 500 | 36,2 | 79,38 |
| -30 | 15,7 | 10,8 | 110 | 22,4 | 24,3 | 550 | 37,7 | 88,14 |
| -25 | 16 | 11,21 | 120 | 22,8 | 25,45 | 600 | 39,1 | 96,89 |
| -20 | 16,2 | 11,61 | 130 | 23,3 | 26,63 | 650 | 40,5 | 106,15 |
| -15 | 16,5 | 12,02 | 140 | 23,7 | 27,8 | 700 | 41,8 | 115,4 |
| -10 | 16,7 | 12,43 | 150 | 24,1 | 28,95 | 750 | 43,1 | 125,1 |
| -5 | 17 | 12,86 | 160 | 24,5 | 30,09 | 800 | 44,3 | 134,8 |
| 0 | 17,2 | 13,28 | 170 | 24,9 | 31,29 | 850 | 45,5 | 145 |
| 10 | 17,6 | 14,16 | 180 | 25,3 | 32,49 | 900 | 46,7 | 155,1 |
| 15 | 17,9 | 14,61 | 190 | 25,7 | 33,67 | 950 | 47,9 | 166,1 |
| 20 | 18,1 | 15,06 | 200 | 26 | 34,85 | 1000 | 49 | 177,1 |
| 30 | 18,6 | 16 | 225 | 26,7 | 37,73 | 1050 | 50,1 | 188,2 |
| 40 | 19,1 | 16,96 | 250 | 27,4 | 40,61 | 1100 | 51,2 | 199,3 |
| 50 | 19,6 | 17,95 | 300 | 29,7 | 48,33 | 1150 | 52,4 | 216,5 |
| 60 | 20,1 | 18,97 | 325 | 30,6 | 51,9 | 1200 | 53,5 | 233,7 |
Примечание: Будьте внимательны! Вязкость воздуха дана в степени 10 6 .
Удельная теплоемкость воздуха при температуре от -50 до 1200°С
Представлена таблица удельной теплоемкости воздуха при различных температурах. Теплоемкость в таблице дана при постоянном давлении (изобарная теплоемкость воздуха) в интервале температуры от минус 50 до 1200°С для воздуха в сухом состоянии. Чему равна удельная теплоемкость воздуха? Величина удельной теплоемкости определяет количество тепла, которое необходимо подвести к одному килограмму воздуха при постоянном давлении для увеличения его температуры на 1 градус. Например, при 20°С для нагревания 1 кг этого газа на 1°С в изобарном процессе, требуется подвести 1005 Дж тепла.
Удельная теплоемкость воздуха увеличивается с ростом его температуры. Однако, зависимость массовой теплоемкости воздуха от температуры не линейная. В интервале от -50 до 120°С ее величина практически не меняется — в этих условиях средняя теплоемкость воздуха равна 1010 Дж/(кг·град). По данным таблицы видно, что значительное влияние температура начинает оказывать со значения 130°С. Однако, температура воздуха влияет на его удельную теплоемкость намного слабее, чем на вязкость. Так, при нагреве с 0 до 1200°С теплоемкость воздуха увеличивается лишь в 1,2 раза – с 1005 до 1210 Дж/(кг·град).
Следует отметить, что теплоемкость влажного воздуха выше, чем сухого. Если сравнить и воздуха, то очевидно, что вода обладает более высоким ее значением и содержание воды в воздухе приводит к увеличению удельной теплоемкости.
| t, °С | C p , Дж/(кг·град) | t, °С | C p , Дж/(кг·град) | t, °С | C p , Дж/(кг·град) | t, °С | C p , Дж/(кг·град) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 1013 | 20 | 1005 | 150 | 1015 | 600 | 1114 |
| -45 | 1013 | 30 | 1005 | 160 | 1017 | 650 | 1125 |
| -40 | 1013 | 40 | 1005 | 170 | 1020 | 700 | 1135 |
| -35 | 1013 | 50 | 1005 | 180 | 1022 | 750 | 1146 |
| -30 | 1013 | 60 | 1005 | 190 | 1024 | 800 | 1156 |
| -25 | 1011 | 70 | 1009 | 200 | 1026 | 850 | 1164 |
| -20 | 1009 | 80 | 1009 | 250 | 1037 | 900 | 1172 |
| -15 | 1009 | 90 | 1009 | 300 | 1047 | 950 | 1179 |
| -10 | 1009 | 100 | 1009 | 350 | 1058 | 1000 | 1185 |
| -5 | 1007 | 110 | 1009 | 400 | 1068 | 1050 | 1191 |
| 0 | 1005 | 120 | 1009 | 450 | 1081 | 1100 | 1197 |
| 10 | 1005 | 130 | 1011 | 500 | 1093 | 1150 | 1204 |
| 15 | 1005 | 140 | 1013 | 550 | 1104 | 1200 | 1210 |
Теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля воздуха
В таблице представлены такие физические свойства атмосферного воздуха, как теплопроводность, температуропроводность и его число Прандтля в зависимости от температуры. Теплофизические свойства воздуха даны в интервале от -50 до 1200°С для сухого воздуха. По данным таблицы видно, что указанные свойства воздуха существенно зависят от температуры и температурная зависимость рассмотренных свойств этого газа различна.
Проходят через прозрачную атмосферу, не нагревая ее, они достигают земной поверхности, нагревают ее, а от нее в последующем нагревается воздух.
Степень нагрева поверхности, а значит и воздуха, зависят, прежде всего, от широты местности.
Но в каждой конкретной точке она (t о) будет определяться также целым рядом факторов, среди которых основными являются:
А: высота над уровнем моря;
Б: подстилающая поверхность;
В: удаленность от побережий океанов и морей.
А – Поскольку нагревание воздуха происходит от земной поверхности, то чем меньше абсолютные высоты местности, тем выше температура воздуха (на одной широте). В условиях ненасыщенного водяными парами воздуха наблюдается закономерность: при подъеме на каждые 100 метров высоты температура (t о) уменьшается на 0,6 о С.
Б – Качественные характеристики поверхности.
Б 1 – разные по цвету и структуре поверхности по разному поглощают и отражают солнечные лучи. Максимальная отражательная способность характерна для снега и льда, минимальная для темно окрашенных почв и горных пород.
Освещение Земли солнечными лучами в дни солнцестояний и равноденствий.
Б 2 – разные поверхности имеют разную теплоемкость и теплоотдачу. Так водная масса Мирового океана, занимающего 2/3 поверхности Земли, из-за высокой теплоемкости очень медленно нагревается и очень медленно охлаждается. Суша быстро нагревается и быстро охлаждается т.е., чтобы нагреть до одинаковой t о 1 м 2 суши и 1 м 2 водной поверхности, надо затратить разное количество энергии.
В – от побережий в глубь материков количество водного пара в воздухе уменьшается. Чем более прозрачна атмосфера, тем меньше рассеивается в ней солнечных лучей, и все солнечные лучи достигают поверхности Земли. При наличии большого количества водяного пара в воздухе, капельки воды отражают, рассеивают, поглощают солнечные лучи и далеко не все они достигаются поверхности планеты, нагревание ее при этом уменьшается.
Самые высокие температуры воздуха зафиксированы в районах тропических пустынь. В центральных районах Сахары почти 4 месяца t о воздуха в тени составляет более 40 о С. В то же время на экваторе, где угол падения солнечных лучей самый большой, температура не бывает выше +26 о С.
С другой стороны, Земля как нагретое тело излучает энергию в космос в основном в длинноволновом инфракрасном спектре. Если земная поверхность укутана «одеялом» облаков, то не все инфракрасные лучи уходят с планеты, так как облака их задерживают, отражая обратно к земной поверхности.
При ясном небе, когда водяных паров в атмосфере мало, инфракрасные лучи, испускаемые планетой свободно уходят в космос, при этом происходит выхолаживание земной поверхности, которая остывает и тем самым снижается температура воздуха.
Литература
- Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. – Воронеж: ВГПУ, 2007. – 183 с.