Potrivit Agenției Internaționale pentru Energie, prioritatea pentru reducerea emisiilor de dioxid de carbon de la mașini este îmbunătățirea eficienței consumului de combustibil. Sarcina reducerii emisiilor de CO2 prin creșterea eficienței combustibilului a vehiculelor este una dintre prioritățile comunității mondiale, ținând cont de necesitatea utilizării raționale a surselor de energie neregenerabile. În acest scop, standardele internaționale sunt înăsprite în mod constant, limitând performanța de pornire și funcționare a motorului la temperaturi scăzute și chiar ridicate. mediu inconjurator. Articolul discută problema eficienței combustibilului a motoarelor cu ardere internă în funcție de temperatură, presiune și umiditate din aerul înconjurător. Sunt prezentate rezultatele unui studiu privind menținerea unei temperaturi constante în galeria de admisie a unui motor cu ardere internă pentru a economisi combustibil și a determina puterea optimă a elementului de încălzire.
puterea elementului de încălzire
temperatura ambientala
încălzire cu aer
economie de combustibil
temperatura optimă a aerului în galeria de admisie
1. Motoare auto. V.M. Arkhangelsky [și alții]; resp. ed. DOMNIȘOARĂ. Hovah. M.: Inginerie mecanică, 1977. 591 p.
2. Karnaukhov V.N., Karnaukhova I.V. Determinarea coeficientului de umplere la motoarele cu ardere internă // Transport și transport-sisteme tehnologice, materiale ale Conferinței Științifice și Tehnice Internaționale, Tyumen, 16 aprilie 2014. Tyumen: Editura Universității de Stat de Petrol și Gaze din Tyumen, 2014.
3. Lenin I.M. Teoria motoarelor de automobile și de tractoare. M.: facultate, 1976. 364 p.
4. Yutt V.E. Echipamente electrice ale autoturismelor. M: Editura Hot Line-Telecom, 2009. 440 p.
5. Yutt V.E., Ruzavin G.E. Sisteme electronice de control al motoarelor cu ardere internă și metode de diagnosticare a acestora. M.: Editura Hot Line-Telecom, 2007. 104 p.
Introducere
Dezvoltarea tehnologiei electronice și a microprocesoarelor a dus la introducerea pe scară largă a acesteia în mașini. În special, la crearea de sisteme electronice pentru controlul automat al motorului, transmisiei, șasiului și echipamentelor suplimentare. Utilizarea sistemelor electronice de control al motorului (ESC) face posibilă reducerea consumului de combustibil și a toxicității gazelor de eșapament, în timp ce crește puterea motorului, crește răspunsul la accelerație și fiabilitatea pornirii la rece. ECS modern combină funcțiile de control al injecției de combustibil și funcționarea sistemului de aprindere. Pentru a implementa controlul programului, unitatea de control înregistrează dependența duratei injecției (cantitatea de combustibil furnizată) de sarcină și turația motorului. Dependența este specificată sub forma unui tabel elaborat pe baza unor teste cuprinzătoare ale unui motor cu un model similar. Tabele similare sunt folosite pentru a determina unghiul de aprindere. Acest sistem de control al motorului este utilizat în întreaga lume, deoarece selectarea datelor din tabelele gata făcute este un proces mai rapid decât efectuarea calculelor folosind un computer. Valorile obținute din tabele sunt ajustate de computerele de bord ale mașinii în funcție de semnalele de la senzorii de poziție a accelerației, temperatura aerului, presiunea aerului și densitatea. Principala diferență între acest sistem, folosit la mașinile moderne, este absența unei conexiuni mecanice rigide între supapa de accelerație și pedala de accelerație care o controlează. În comparație cu sistemele tradiționale, ESU poate reduce consumul de combustibil pe diferite vehicule cu până la 20%.
Consumul redus de combustibil se realizează prin organizarea diferită a celor două moduri principale de funcționare ale motorului cu ardere internă: modul de sarcină scăzută și modul de sarcină mare. În acest caz, motorul în primul mod funcționează cu un amestec neuniform, un exces mare de aer și injecție târzie de combustibil, datorită căruia stratificarea sarcinii se realizează dintr-un amestec de aer, combustibil și gaze de eșapament rămase, ca rezultat din care operează pe un amestec slab. La modul de sarcină mare, motorul începe să funcționeze pe un amestec omogen, ceea ce duce la o reducere a emisiilor de substanțe nocive din gazele de eșapament. Toxicitatea emisiilor la utilizarea ESC-urilor la motoarele diesel la pornire poate fi redusă prin diferite bujii incandescente. ECU primește informații despre temperatura aerului de admisie, presiune, consumul de combustibil și poziția arborelui cotit. Unitatea de control prelucrează informațiile de la senzori și, folosind hărți caracteristice, produce valoarea unghiului de avans al alimentării cu combustibil. Pentru a ține cont de modificările densității aerului de intrare atunci când temperatura acestuia se schimbă, senzorul de debit este echipat cu un termistor. Dar, ca urmare a fluctuațiilor de temperatură și presiune a aerului în galeria de admisie, în ciuda senzorilor de mai sus, are loc o modificare instantanee a densității aerului și, ca urmare, o scădere sau o creștere a fluxului de oxigen în camera de ardere.
Scopul, obiectivele și metoda de cercetare
La Universitatea de Stat de Petrol și Gaze din Tyumen, au fost efectuate cercetări pentru a menține o temperatură constantă în galeria de admisie a motoarelor cu ardere internă ale KAMAZ-740, YaMZ-236 și D4FB (1.6 CRDi) ale Kia Sid, MZR2.3- L3T - Mazda CX7. În același timp, fluctuațiile de temperatură masa de aer luate în considerare de senzorii de temperatură. Asigurarea temperaturii normale (optime) a aerului în galeria de admisie trebuie efectuată în toate condițiile posibile de funcționare: pornirea unui motor rece, funcționarea la sarcini mici și mari, când funcționarea la temperaturi ambientale scăzute.
La motoarele moderne de mare viteză, cantitatea totală de transfer de căldură se dovedește a fi nesemnificativă și se ridică la aproximativ 1% din cantitatea totală de căldură eliberată în timpul arderii combustibilului. O creștere a temperaturii de încălzire a aerului în galeria de admisie la 67 ˚C duce la o scădere a intensității schimbului de căldură în motoare, adică o scădere a ΔT și o creștere a factorului de umplere. ηv (Fig. 1)
unde ΔT este diferența de temperatură a aerului din galeria de admisie (˚K), Tp este temperatura de încălzire a aerului din galeria de admisie, Tv este temperatura aerului din galeria de admisie.
Orez. 1. Graficul influenței temperaturii de încălzire a aerului asupra factorului de umplere (folosind exemplul motorului KAMAZ-740)
Cu toate acestea, încălzirea aerului la mai mult de 67 ˚С nu duce la o creștere a ηv datorită faptului că densitatea aerului scade. Datele experimentale obținute au arătat că aerul din motoarele diesel aspirate în timpul funcționării are un interval de temperatură ΔТ=23÷36˚С. Testele au confirmat că pentru motoarele cu ardere internă care funcționează cu combustibil lichid, diferența de coeficient de umplere ηv, calculată din condițiile în care încărcătura proaspătă este aer sau un amestec aer-combustibil, este nesemnificativă și se ridică la mai puțin de 0,5%, deci pentru toate tipurile de motoare ηv este determinată de aer.
Modificările de temperatură, presiune și umiditatea aerului afectează puterea oricărui motor și fluctuează în intervalul Ne=10÷15% (Ne - puterea efectivă a motorului).
Creșterea rezistenței aerodinamice a aerului în galeria de admisie este explicată de următorii parametri:
Densitate crescută a aerului.
Modificări ale vâscozității aerului.
Natura fluxului de aer în camera de ardere.
Numeroase studii au demonstrat că temperatura ridicată a aerului în galeria de admisie crește ușor consumul de combustibil. În același timp temperatura scazutaîși mărește consumul cu până la 15-20%, astfel că studiile au fost efectuate la o temperatură a aerului exterior de -40 ˚С și încălzirea acestuia la +70 ˚С în galeria de admisie. Temperatura optimă pentru consumul de combustibil este temperatura aerului din galeria de admisie 15÷67 ˚С.
Rezultatele cercetării și analizele
În timpul testelor, puterea elementului de încălzire a fost determinată pentru a asigura menținerea unei anumite temperaturi în galeria de admisie a motorului cu ardere internă. În prima etapă se determină cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea aerului cu greutatea de 1 kg la temperatură și presiune a aerului constante, pentru aceasta presupunem: 1. Temperatura aerului ambiant t1 = -40˚C. 2. Temperatura în galeria de admisie t2=+70˚С.
Găsim cantitatea de căldură necesară folosind ecuația:
(2)
unde CP este capacitatea de căldură în masă a aerului la presiune constantă, determinată din tabel și pentru aer la temperaturi de la 0 la 200 ˚С.
Cantitatea de căldură pentru o masă mai mare de aer este determinată de formula:
unde n este volumul de aer în kg necesar pentru încălzire în timpul funcționării motorului.
Când motorul cu ardere internă funcționează la turații de peste 5000 rpm, consumul de aer autoturisme de pasageri ajunge la 55-60 kg/oră, iar marfa - 100 kg/oră. Apoi:
Puterea încălzitorului este determinată de formula:
unde Q este cantitatea de căldură consumată pentru încălzirea aerului în J, N este puterea elementului de încălzire în W, τ este timpul în secunde.
Este necesar să se determine puterea elementului de încălzire pe secundă, astfel încât formula va lua forma:
N=1,7 kW - puterea elementului de încălzire pentru autoturisme și cu un debit de aer mai mare de 100 kg/oră pentru camioane - N=3,1 kW.
(5)
unde Ttr este temperatura în conducta de admisie, Ptr este presiunea în Pa în conducta de admisie, T0 - , ρ0 - densitatea aerului, Rv - constanta universală de gaz a aerului.
Înlocuind formula (5) în formula (2), obținem:
(6)
(7)
Puterea încălzitorului pe secundă este determinată de formula (4) luând în considerare formula (5):
(8)
Rezultatele calculelor cantității de căldură necesară pentru încălzirea aerului cu o greutate de 1 kg cu un debit mediu de aer pentru autoturismele mai mare de V = 55 kg/oră și pentru camioane - mai mult de V = 100 kg/oră sunt prezentate în Tabelul 1. .
tabelul 1
Tabel pentru determinarea cantității de căldură pentru încălzirea aerului din galeria de admisie în funcție de temperatura aerului exterior
|
V>55 kg/oră |
V>100 kg/oră |
|||
|
Q, kJ/sec |
Q, kJ/sec |
|||
Pe baza datelor din Tabelul 1, a fost construit un grafic (Fig. 2) pentru cantitatea de căldură Q pe secundă cheltuită pentru încălzirea aerului la temperatura optimă. Graficul arată că cu cât temperatura aerului este mai mare, cu atât este nevoie de mai puțină căldură pentru a menține temperatura optimă în galeria de admisie, indiferent de volumul de aer.
Orez. 2. Cantitatea de căldură Q pe secundă cheltuită pentru încălzirea aerului la temperatura optimă
masa 2
Calculul timpului de încălzire pentru diferite volume de aer
|
Q1, kJ/sec |
Q2, kJ/sec |
|||
Timpul este determinat de formula τsec=Q/N la temperatura aerului exterior >-40˚С, Q1 la debitul de aer V>55 kg/oră și Q2- V>100 kg/oră
În plus, conform tabelului 2, este trasat un grafic pentru timpul de încălzire a aerului la +70 ˚C în galeria motorului cu ardere internă la o putere diferită a încălzitorului. Graficul arată că, indiferent de timpul de încălzire, atunci când puterea încălzitorului crește, timpul de încălzire pentru diferite volume de aer se egalizează.
Orez. 3. Este timpul să încălziți aerul la o temperatură de +70 ˚С.
Concluzie
Pe baza calculelor și experimentelor, s-a stabilit că cea mai economică este utilizarea încălzitoarelor cu putere variabilă pentru a menține o anumită temperatură în galeria de admisie pentru a realiza economii de combustibil de până la 25-30%.
Recenzorii:
Reznik L.G., doctor în științe tehnice, profesor al Departamentului „Operarea transportului cu motor” al instituției de învățământ de stat federale a instituției de învățământ profesional superior „Universitatea de stat de petrol și gaze din Tyumen”, Tyumen.
Merdanov Sh.M., doctor în științe tehnice, profesor, șef al Departamentului de transport și sisteme tehnologice, Instituția de învățământ de stat federală a instituțiilor de învățământ superior, Universitatea de stat de petrol și gaze din Tyumen, Tyumen.
Zakharov N.S., doctor în științe tehnice, profesor, membru actual Academia Rusă transport, șef al departamentului „Serviciul de automobile și mașini tehnologice” al Instituției Federale de Învățământ de Stat a Instituției de Învățământ Superior „Universitatea de Stat de Petrol și Gaze din Tyumen”, Tyumen.
Link bibliografic
Karnaukhov V.N. OPTIMIZAREA PUTERII ELEMENTULUI DE ÎNCĂLZIRE PENTRU A MENȚINE TEMPERATURA OPTIMĂ A AERULUI ÎN COLECTORUL DE ADMISIE A GHEAZĂ // Probleme contemporaneștiință și educație. – 2014. – Nr 3.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=13575 (data acces: 02/01/2020). Vă aducem în atenție reviste apărute la editura „Academia de Științe ale Naturii”
Omenirea cunoaște puține tipuri de energie - energie mecanică (cinetică și potențială), energie interna(termică), energie de câmp (gravitațională, electromagnetică și nucleară), chimică. Merită subliniată energia exploziei...
Energia vidului și energia întunecată, care încă există doar în teorie. În acest articol, primul din secțiunea „Inginerie termică”, voi încerca într-un limbaj simplu și accesibil, folosind un exemplu practic, să vorbesc despre cea mai importantă formă energie în viața oamenilor – despre energie termalăși despre nașterea ei la timp putere termala.
Câteva cuvinte pentru a înțelege locul inginerii termice ca ramură a științei obținerii, transferului și utilizării energiei termice. Ingineria termică modernă a apărut din termodinamica generală, care, la rândul ei, este una dintre ramurile fizicii. Termodinamica este literalmente „caldă” plus „putere”. Astfel, termodinamica este știința „schimbării temperaturii” unui sistem.
O influență externă asupra unui sistem, care își modifică energia internă, poate fi rezultatul schimbului de căldură. Energie termală, care este dobândit sau pierdut de sistem ca urmare a unei astfel de interacțiuni cu mediul, se numește cantitatea de căldurăși se măsoară în unități SI în Jouli.
Dacă nu sunteți inginer termic și nu vă ocupați zilnic de probleme de inginerie termică, atunci când le întâlniți, uneori fără experiență poate fi foarte dificil să le înțelegeți rapid. Fără experiență, este dificil să ne imaginăm dimensiunile valorilor cerute ale cantității de căldură și puterii termice. Câți Jouli de energie sunt necesari pentru a încălzi 1000 de metri cubi de aer de la o temperatură de la -37˚С la +18˚С?.. Ce putere a sursei de căldură este necesară pentru a face acest lucru în 1 oră?.. Acestea nu sunt cel mai întrebări dificile Astăzi, nu toți inginerii sunt capabili să răspundă „imediat”. Uneori, specialiștii își amintesc chiar și formulele, dar doar câțiva le pot aplica în practică!
După ce ați citit până la sfârșit acest articol, veți putea rezolva cu ușurință problemele reale industriale și de zi cu zi legate de încălzirea și răcirea diferitelor materiale. Înțelegerea esenței fizice a proceselor de transfer de căldură și cunoașterea formulelor de bază simple sunt principalele blocuri în baza cunoștințelor în ingineria termică!
Cantitatea de căldură în timpul diferitelor procese fizice.
Cele mai multe substanțe cunoscute pot temperaturi diferite iar presiunea să fie în stare solidă, lichidă, gazoasă sau plasmă. Tranziție de la o stare de agregare la alta apare la temperatura constanta(cu condiția ca presiunea și alți parametri de mediu să nu se modifice) și este însoțită de absorbția sau eliberarea de energie termică. În ciuda faptului că 99% din materia din Univers este în stare de plasmă, nu vom lua în considerare această stare de agregare în acest articol.
Luați în considerare graficul prezentat în figură. Ea arată dependența de temperatură a unei substanțe T asupra cantității de căldură Q, adus într-un anumit sistem închis care conține o anumită masă a unei anumite substanțe.
1. Un solid care are o temperatură T1, se încălzește la temperatură Tmelt, cheltuind pe acest proces o cantitate de căldură egală cu Î1 .
2. În continuare, începe procesul de topire, care are loc la o temperatură constantă Tpl(punct de topire). Pentru a topi întreaga masă a unui solid, este necesar să cheltuiți energie termică în cantitate Q2 - Î1 .
3. Apoi, lichidul rezultat din topirea solidului este încălzit până la punctul de fierbere (formarea gazului) Tkp, cheltuind cu această cantitate de căldură egală cu Q3-Q2 .
4. Acum la un punct de fierbere constant Tkp lichidul fierbe și se evaporă transformându-se într-un gaz. Pentru a transforma întreaga masă de lichid în gaz, este necesar să cheltuiți energie termalăîn cantitate Î4-Q3.
5. În ultima etapă, gazul este încălzit de la temperatură Tkp până la o anumită temperatură T2. În acest caz, cantitatea de căldură consumată va fi Î5-Î4. (Dacă încălzim gazul la temperatura de ionizare, gazul se va transforma în plasmă.)
Astfel, încălzirea corpului solid original de la temperatură T1 până la temperatură T2 am cheltuit energie termică în cantitate Î5, transferând o substanță prin trei stări de agregare.
Mișcându-ne în direcția opusă, vom elimina aceeași cantitate de căldură din substanță Î5, trecând prin etapele de condensare, cristalizare și răcire de la temperatură T2 până la temperatură T1. Desigur, avem în vedere un sistem închis fără pierderi de energie către mediul extern.
Rețineți că o tranziție de la starea solidă la starea gazoasă este posibilă, ocolind faza lichidă. Acest proces se numește sublimare, iar procesul invers se numește desublimare.
Așadar, ne-am dat seama că procesele de tranziție între stările agregate ale materiei sunt caracterizate de consumul de energie la o temperatură constantă. La încălzirea unei substanțe care se află într-o stare de agregare neschimbată, temperatura crește și se consumă și energie termică.
Principalele formule de transfer de căldură.
Formulele sunt foarte simple.
Cantitatea de căldură Qîn J se calculează folosind formulele:
1. Din partea consumului de căldură, adică din partea încărcăturii:
1.1. La încălzire (răcire):
Q = m * c *(T2 -T1)
m – masa substanței în kg
Cu - capacitatea termică specifică a unei substanțe în J/(kg*K)
1.2. La topire (congelare):
Q = m * λ
λ – caldura specifica de topire si cristalizare a unei substante in J/kg
1.3. În timpul fierberii, evaporare (condens):
Q = m * r
r – căldura specifică de formare a gazului și condensare a unei substanțe în J/kg
2. Din partea producției de căldură, adică din partea sursei:
2.1. Când arde combustibilul:
Q = m * q
q – căldura specifică de ardere a combustibilului în J/kg
2.2. La transformarea energiei electrice în energie termică (legea Joule-Lenz):
Q =t *I *U =t *R *I ^2=(t /R)*U^2
t – timp în s
eu – valoarea curentă efectivă în A
U – valoarea tensiunii efective în V
R – Rezistența de sarcină în ohmi
Concluzionăm că cantitatea de căldură este direct proporțională cu masa substanței în timpul tuturor transformărilor de fază și, în timpul încălzirii, în plus direct proporțională cu diferența de temperatură. Coeficienți de proporționalitate ( c , λ , r , q ) pentru fiecare substanță au semnificații proprii și sunt determinate empiric (preluate din cărți de referință).
Putere termala N în W este cantitatea de căldură transferată sistemului într-un anumit timp:
N=Q/t
Cu cât dorim să încălzim corpul mai repede la o anumită temperatură, cu atât ar trebui să fie mai mare puterea sursei de energie termică - totul este logic.
Calculul unei probleme aplicate în Excel.
În viață, este adesea necesar să se facă un calcul rapid de evaluare pentru a înțelege dacă are sens să continui să studiezi un subiect, să faci un proiect și calcule detaliate, precise și consumatoare de timp. După ce ați făcut un calcul în câteva minute chiar și cu o precizie de ±30%, puteți lua o decizie importantă de management care va fi de 100 de ori mai ieftină și de 1000 de ori mai eficientă și în cele din urmă de 100.000 de ori mai eficientă decât efectuarea unui calcul precis într-o săptămână, altfel și luni de zile, de un grup de specialiști scumpi...
Condițiile problemei:
Aducem 3 tone de metal laminat dintr-un depozit stradal in sediul atelierului de pregatire metal laminat cu dimensiunile 24m x 15m x 7m. Există gheață cu o masă totală de 20 kg pe metalul laminat. Afară sunt -37˚С. Câtă căldură este necesară pentru a încălzi metalul la +18˚С; încălziți gheața, topiți-o și încălziți apa la +18˚С; încălziți întregul volum de aer din cameră, presupunând că încălzirea a fost complet oprită înainte? Ce putere ar trebui să aibă sistemul de încălzire dacă toate cele de mai sus trebuie finalizate în 1 oră? (Condiții foarte dure și aproape nerealiste - mai ales în ceea ce privește aerul!)
Vom efectua calculul în programMS Excel sau în programOOo Calc.
Verificați formatarea culorii celulelor și fonturilor pe pagina „”.
Date inițiale:
1. Scriem numele substanțelor:
la celula D3: Oţel
la celula E3: Gheaţă
la celula F3: Apa cu gheata
la celula G3: Apă
la celula G3: Aer
2. Introducem numele proceselor:
la celulele D4, E4, G4, G4: căldură
la celula F4: topire
3. Capacitatea termică specifică a substanțelor cîn J/(kg*K) scriem pentru oțel, gheață, apă și respectiv aer
la celula D5: 460
la celula E5: 2110
la celula G5: 4190
la celula H5: 1005
4. Căldura specifică gheață care se topește λ introduceți în J/kg
la celula F6: 330000
5. O mulțime de substanțe m Intram in kg respectiv pentru otel si gheata
la celula D7: 3000
la celula E7: 20
Deoarece masa nu se schimbă atunci când gheața se transformă în apă, atunci
în celulele F7 și G7: =E7 =20
Găsim masa aerului înmulțind volumul camerei cu greutatea specifică
în celula H7: =24*15*7*1,23 =3100
6. Timp de procesare t pe minut scriem o singură dată pentru oțel
la celula D8: 60
Valorile de timp pentru încălzirea gheții, topirea acesteia și încălzirea apei rezultate sunt calculate cu condiția ca toate aceste trei procese să fie finalizate în același timp ca cel alocat pentru încălzirea metalului. Citiți în consecință
în celula E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,7
în celula F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =41,0
în celula G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,4
Aerul ar trebui să se încălzească și în același timp alocat, citim
în celula H8: =D8 =60,0
7. Temperatura inițială a tuturor substanțelor T1 O punem la ˚C
la celula D9: -37
la celula E9: -37
la celula F9: 0
la celula G9: 0
la celula H9: -37
8. Temperatura finală a tuturor substanțelor T2 O punem la ˚C
la celula D10: 18
la celula E10: 0
la celula F10: 0
la celula G10: 18
la celula H10: 18
Cred că nu ar trebui să existe întrebări cu privire la punctele 7 și 8.
Rezultatele calculului:
9. Cantitatea de căldură Qîn KJ, necesar pentru fiecare dintre procese, calculăm
pentru încălzirea oțelului în celula D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000 =75900
pentru încălzirea gheții în celula E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000 = 1561
pentru topirea gheții în celula F12: =F7*F6/1000 = 6600
pentru încălzirea apei în celula G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000 = 1508
pentru încălzirea aerului în celula H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000 = 171330
Citim cantitatea totală de energie termică necesară pentru toate procesele
în celula îmbinată D13E13F13G13H13: =SUM(D12:H12) = 256900
În celulele D14, E14, F14, G14, H14 și celula combinată D15E15F15G15H15, cantitatea de căldură este dată într-o unitate de măsură arc - în Gcal (în gigacalorii).
10. Putere termala N se calculează în kW necesar pentru fiecare dintre procese
pentru încălzirea oțelului în celula D16: =D12/(D8*60) =21,083
pentru încălzirea gheții în celula E16: =E12/(E8*60) = 2,686
pentru topirea gheții în celula F16: =F12/(F8*60) = 2,686
pentru încălzirea apei în celula G16: =G12/(G8*60) = 2,686
pentru încălzirea aerului în celula H16: =H12/(H8*60) = 47,592
Puterea termică totală necesară pentru a finaliza toate procesele la timp t calculat
în celula îmbinată D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361
În celulele D18, E18, F18, G18, H18 și celula combinată D19E19F19G19H19, puterea termică este dată într-o unitate de măsură arc - în Gcal/oră.
Acest lucru completează calculul în Excel.
Concluzii:
Vă rugăm să rețineți că încălzirea aerului necesită mai mult de două ori mai multă energie decât încălzirea aceleiași mase de oțel.
Încălzirea apei costă de două ori mai multă energie decât încălzirea gheții. Procesul de topire consumă de multe ori mai multă energie decât procesul de încălzire (la o mică diferență de temperatură).
Încălzirea apei necesită de zece ori mai multă energie termică decât încălzirea oțelului și de patru ori mai mult decât încălzirea aerului.
Pentru primind informații despre lansarea de noi articole si pentru descărcarea fișierelor programului de lucru Vă rog să vă abonați la anunțuri în fereastra situată la sfârșitul articolului sau în fereastra din partea de sus a paginii.
După introducerea adresei dvs E-mailși făcând clic pe butonul „Primește anunțuri despre articole”. NU UITA A CONFIRMA ABONAMENT făcând clic pe link într-o scrisoare care vă va veni imediat la adresa de e-mail specificată (uneori în dosar « Spam » )!
Am amintit conceptele de „cantitate de căldură” și „putere termică”, am examinat formulele fundamentale ale transferului de căldură și am analizat un exemplu practic. Sper că limbajul meu a fost simplu, clar și interesant.
Astept intrebari si comentarii la articol!
implor RESPECTAREA fișierul de descărcare a lucrării autorului DUPĂ ABONAREA pentru anunţuri de articole.
Principalul proprietăți fizice aer: densitatea aerului, vâscozitatea sa dinamică și cinematică, capacitatea termică specifică, conductivitate termică, difuzivitate termică, numărul Prandtl și entropia. Proprietățile aerului sunt date în tabele în funcție de temperatura normală presiune atmosferică.
Densitatea aerului in functie de temperatura
Este prezentat un tabel detaliat al valorilor densității aerului uscat la diferite temperaturi și presiunea atmosferică normală. Care este densitatea aerului? Densitatea aerului poate fi determinată analitic prin împărțirea masei sale la volumul pe care îl ocupă.în condiții date (presiune, temperatură și umiditate). De asemenea, puteți calcula densitatea acestuia folosind formula ecuației de stare a gazului ideal. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți presiunea absolută și temperatura aerului, precum și constanta de gaz și volumul molar al acestuia. Această ecuație vă permite să calculați densitatea uscată a aerului.
La practica, pentru a afla care este densitatea aerului la diferite temperaturi, este convenabil să folosiți mese gata făcute. De exemplu, tabelul de mai jos arată densitatea aerului atmosferic în funcție de temperatura acestuia. Densitatea aerului din tabel este exprimată în kilograme pe metru cub și este dată în intervalul de temperatură de la minus 50 la 1200 de grade Celsius la presiunea atmosferică normală (101325 Pa).
| t, °С | ρ, kg/m 3 | t, °С | ρ, kg/m 3 | t, °С | ρ, kg/m 3 | t, °С | ρ, kg/m 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 |
La 25°C, aerul are o densitate de 1,185 kg/m3. Când este încălzit, densitatea aerului scade - aerul se extinde (volumul său specific crește). Odată cu creșterea temperaturii, de exemplu, la 1200°C, se obține o densitate foarte scăzută a aerului, egală cu 0,239 kg/m 3 , care este de 5 ori mai mică decât valoarea sa la temperatura camerei. ÎN caz general, reducerea la încălzire permite să aibă loc un proces precum convecția naturală și este utilizată, de exemplu, în aeronautică.
Dacă comparăm densitatea aerului în raport cu , atunci aerul este cu trei ordine de mărime mai ușor - la o temperatură de 4°C, densitatea apei este de 1000 kg/m3, iar densitatea aerului este de 1,27 kg/m3. De asemenea, este necesar să se noteze densitatea aerului la conditii normale. Condițiile normale pentru gaze sunt cele la care temperatura lor este de 0°C și presiunea este egală cu presiunea atmosferică normală. Astfel, conform tabelului, densitatea aerului în condiții normale (la NL) este de 1,293 kg/m 3.
Vâscozitatea dinamică și cinematică a aerului la diferite temperaturi
La efectuarea calculelor termice este necesar să se cunoască valoarea vâscozității aerului (coeficientul de vâscozitate) la diferite temperaturi. Această valoare este necesară pentru a calcula numerele Reynolds, Grashof și Rayleigh, ale căror valori determină regimul de curgere al acestui gaz. Tabelul prezintă valorile coeficienților dinamici μ și cinematice ν vâscozitatea aerului în intervalul de temperatură de la -50 la 1200°C la presiunea atmosferică.
Coeficientul de vâscozitate al aerului crește semnificativ odată cu creșterea temperaturii. De exemplu, vâscozitatea cinematică a aerului este egală cu 15,06 10 -6 m 2 /s la o temperatură de 20°C, iar cu o creștere a temperaturii la 1200°C, vâscozitatea aerului devine egală cu 233,7 10 -6 m. 2 /s, adică crește de 15,5 ori! Vâscozitatea dinamică a aerului la o temperatură de 20°C este de 18,1·10 -6 Pa·s.
Când aerul este încălzit, valorile vâscozității cinematice și dinamice cresc. Aceste două mărimi sunt legate între ele prin densitatea aerului, a cărei valoare scade atunci când acest gaz este încălzit. O creștere a vâscozității cinematice și dinamice a aerului (precum și a altor gaze) atunci când este încălzit este asociată cu o vibrație mai intensă a moleculelor de aer în jurul stării lor de echilibru (conform MKT).
| t, °С | μ·106, Pa·s | v·106, m2/s | t, °С | μ·106, Pa·s | v·106, m2/s | t, °С | μ·106, Pa·s | v·106, m2/s |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -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 |
Notă: Fii atent! Vâscozitatea aerului este dată puterii lui 10 6 .
Capacitate termică specifică a aerului la temperaturi de la -50 la 1200°C
Este prezentat un tabel cu capacitatea termică specifică a aerului la diferite temperaturi. Capacitatea termică din tabel este dată la presiune constantă (capacitatea termică izobară a aerului) în intervalul de temperatură de la minus 50 la 1200°C pentru aerul în stare uscată. Care este capacitatea termică specifică a aerului? Capacitatea termică specifică determină cantitatea de căldură care trebuie furnizată unui kilogram de aer la presiune constantă pentru a-i crește temperatura cu 1 grad. De exemplu, la 20°C, pentru a încălzi 1 kg din acest gaz cu 1°C într-un proces izobaric, sunt necesari 1005 J de căldură.
Capacitatea termică specifică a aerului crește odată cu creșterea temperaturii. Cu toate acestea, dependența capacității de căldură în masă a aerului de temperatură nu este liniară. În intervalul de la -50 la 120°C, valoarea sa practic nu se modifică - în aceste condiții, capacitatea medie de căldură a aerului este de 1010 J/(kg deg). Conform tabelului, se poate observa că temperatura începe să aibă un efect semnificativ de la o valoare de 130°C. Cu toate acestea, temperatura aerului îi afectează capacitatea termică specifică mult mai puțin decât vâscozitatea. Astfel, atunci când este încălzit de la 0 la 1200°C, capacitatea de căldură a aerului crește de numai 1,2 ori - de la 1005 la 1210 J/(kg grade).
Trebuie remarcat faptul că capacitatea termică aer umed mai mare decât uscată. Dacă comparăm aerul, este evident că apa are o valoare mai mare, iar conținutul de apă din aer duce la creșterea capacității termice specifice.
| t, °С | C p , J/(kg grade) | t, °С | C p , J/(kg grade) | t, °С | C p , J/(kg grade) | t, °С | C p , J/(kg grade) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -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 |
Conductivitate termică, difuzivitate termică, numărul Prandtl de aer
Tabelul prezintă proprietăți fizice ale aerului atmosferic precum conductivitatea termică, difuzibilitatea termică și numărul lui Prandtl în funcție de temperatură. Proprietățile termofizice ale aerului sunt date în intervalul de la -50 la 1200°C pentru aerul uscat. Conform tabelului, se poate observa că proprietățile indicate ale aerului depind în mod semnificativ de temperatură, iar dependența de temperatură a proprietăților considerate ale acestui gaz este diferită.
Trecând printr-o atmosferă transparentă fără a o încălzi, ajung suprafața pământului, încălziți-l, iar din el aerul este ulterior încălzit.
Gradul de încălzire a suprafeței, și deci a aerului, depinde, în primul rând, de latitudinea zonei.
Dar în fiecare punct specific acesta (t o) va fi determinat și de o serie de factori, printre care principalii sunt:
A: altitudinea deasupra nivelului mării;
B: suprafața subiacentă;
B: distanța față de coastele oceanelor și mărilor.
A – Deoarece încălzirea aerului are loc de la suprafața pământului, cu cât altitudinea absolută a zonei este mai mică, cu atât temperatura aerului este mai mare (la o latitudine). În condiții de aer nesaturat cu vapori de apă, se observă un model: la fiecare 100 de metri de altitudine, temperatura (t o) scade cu 0,6 o C.
B – Caracteristicile calitative ale suprafeței.
B 1 – suprafețe de culoare și structură diferite absorb și reflectă razele solare în mod diferit. Reflexivitatea maximă este caracteristică zăpezii și gheții, minimă pentru solurile și rocile de culoare închisă.
Iluminarea Pământului de către razele soarelui în zilele solstițiilor și echinocțiilor.
B 2 – diferite suprafețe au capacitate termică și transfer termic diferit. Astfel, masa de apă a Oceanului Mondial, care ocupă 2/3 din suprafața Pământului, se încălzește foarte lent și se răcește foarte lent datorită capacității sale mari de căldură. Terenul se încălzește rapid și se răcește rapid, adică pentru a încălzi 1 m2 de pământ și 1 m2 de suprafață de apă la aceeași t, este necesar să cheltuiți cantități diferite energie.
B – de la coastele spre interiorul continentelor, cantitatea de vapori de apă din aer scade. Cu cât atmosfera este mai transparentă, cu atât se împrăștie mai puțin razele de soare, iar toate razele soarelui ajung la suprafața Pământului. În prezența cantitate mare vaporii de apă din aer, picăturile de apă reflectă, împrăștie, absorb razele solare și nu toate ajung la suprafața planetei, încălzirea acesteia scade.
Cel mai temperaturi mari aerul înregistrat în zone deserturi tropicale. ÎN regiunile centraleÎn Sahara, timp de aproape 4 luni temperatura aerului la umbră este mai mare de 40 o C. În același timp, la ecuator, unde unghiul de incidență al razelor solare este cel mai mare, temperatura nu depășește + 26 o C.
Pe de altă parte, Pământul, ca corp încălzit, radiază energie în spațiu, în principal în spectrul infraroșu cu unde lungi. Dacă suprafața pământului este acoperită cu o „pătură” de nori, atunci nu toate razele infraroșii părăsesc planeta, deoarece norii le întârzie, reflectându-le înapoi la suprafața pământului.
Pe un cer senin, când există puțini vapori de apă în atmosferă, razele infraroșii emise de planetă merg liber în spațiu, iar suprafața pământului se răcește, ceea ce se răcește și, prin urmare, scade temperatura aerului.
Literatură
- Zubaschenko E.M. Geografia fizică regională. Clima Pământului: ajutor didactic. Partea 1. / E.M. Zubaschenko, V.I. Shmykov, A.Ya. Nemykin, N.V. Polyakova. – Voronej: VSPU, 2007. – 183 p.