Właściwości fizyczne powietrza: gęstość, lepkość, ciepło właściwe. Lepkość dynamiczna i kinematyczna powietrza w różnych temperaturach
1. Zużycie ciepła do ogrzewania powietrza nawiewanego
Q t \u003d L ∙ ρ powietrze. ∙ powietrzem. ∙(t wewn. - t zewn.),
gdzie:
ρ powietrza. to gęstość powietrza. Gęstość suchego powietrza w temperaturze 15°C na poziomie morza wynosi 1,225 kg/m³;
z powietrzem – ciepło właściwe powietrza równe 1 kJ/(kg∙K)=0,24 kcal/(kg∙°С);
t wewn. – temperatura powietrza na wylocie z nagrzewnicy, °С;
nie. - temperatura powietrza na zewnątrz, °С (temperatura powietrza w najzimniejszym pięciodniowym okresie z zabezpieczeniem 0,92 wg Klimatologii Budowlanej).
2. Szybkość przepływu chłodziwa dla grzałki
G \u003d (3,6 ∙ Q t) / (s w ∙ (t pr -t arr)),
gdzie:
3,6 - przelicznik W na kJ/h (aby uzyskać przepływ w kg/h);
G - zużycie wody do ogrzewania nagrzewnicy, kg / h;
Q t - moc cieplna grzałki, W;
c c - właściwa pojemność cieplna wody równa 4,187 kJ / (kg ∙ K) \u003d 1 kcal / (kg ∙ ° С);
t pr. - temperatura płynu chłodzącego (linia prosta), ° С;
nie. – temperatura nośnika ciepła (linia powrotna), °C.
3. Dobór średnicy rury do ogrzewania nagrzewnicy
Zużycie wody na grzałkę , kg/h4. Schemat I-d procesu ogrzewania powietrza
Proces nagrzewania powietrza w nagrzewnicy przebiega przy d=const (przy stałej wilgotności).
1Międzynarodowa Agencja Energetyczna szacuje, że priorytetem redukcji emisji dwutlenku węgla w samochodach jest poprawa efektywności paliwowej. Zadanie redukcji emisji CO2 poprzez zwiększenie efektywności paliwowej pojazdów jest jednym z priorytetów społeczności światowej, biorąc pod uwagę potrzebę racjonalnego wykorzystania nieodnawialnych źródeł energii. W tym celu stale zaostrzane są międzynarodowe standardy, ograniczające wydajność rozruchu i pracy silnika w niskich, a nawet wysokich temperaturach otoczenia. W artykule poruszono problematykę efektywności paliwowej silników spalinowych w zależności od temperatury, ciśnienia, wilgotności otaczającego powietrza. Przedstawiono wyniki badań nad utrzymaniem stałej temperatury w kolektorze dolotowym silnika spalinowego w celu oszczędzania paliwa i określenia optymalnej mocy elementu grzejnego.
moc elementu grzejnego
temperatura otoczenia
ogrzewanie powietrzne
oszczędność paliwa
optymalna temperatura powietrza w kolektorze dolotowym
1. Silniki samochodowe. W.M. Archangielski [i inni]; ew. wyd. SM. Howa. M.: Mashinostroenie, 1977. 591 s.
2. Karnaukhov V.N., Karnaukhova I.V. Określenie współczynnika wypełnienia w silniku spalinowym // Systemy transportowe i transportowo-technologiczne, materiały Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej, Tiumeń, 16.04.2014. Tiumeń: Wydawnictwo Uniwersytetu Stanowego w Tiumeniu, 2014.
3. Lenin I.M. Teoria silników samochodowych i ciągników. M.: Szkoła Wyższa, 1976. 364 s.
4. Yutt V.E. Wyposażenie elektryczne samochodów. M: Wydawnictwo Hot Line-Telecom, 2009. 440 s.
5. Yutt V.E., Ruzavin G.E. Elektroniczne układy sterowania silników spalinowych i metody ich diagnostyki. M.: Wydawnictwo Hot Line-Telecom, 2007. 104 s.
Wstęp
Rozwój elektroniki i technologii mikroprocesorowej doprowadził do jej szerokiego wprowadzenia do samochodów. W szczególności do tworzenia elektronicznych systemów automatycznego sterowania silnikiem, skrzynią biegów, podwoziem i wyposażeniem dodatkowym. Zastosowanie elektronicznych układów sterowania (ECS) silnika pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa i toksyczności spalin przy jednoczesnym wzroście mocy silnika, zwiększeniu przyspieszenia i niezawodności zimnego rozruchu. Nowoczesne ESU łączą w sobie funkcje sterowania wtryskiem paliwa i obsługi układu zapłonowego. W celu realizacji sterowania programowego jednostka sterująca rejestruje zależność czasu trwania wtrysku (ilość dostarczanego paliwa) od obciążenia i prędkości obrotowej silnika. Zależność podana jest w formie tabeli opracowanej na podstawie kompleksowych testów silnika o podobnym modelu. Podobne tabele służą do określenia kąta zapłonu. Ten system zarządzania silnikiem jest używany na całym świecie, ponieważ selekcja danych z gotowych tabel jest procesem szybszym niż wykonywanie obliczeń za pomocą komputera. Wartości uzyskiwane z tabel są korygowane przez komputery pokładowe pojazdów w zależności od sygnałów z czujników położenia przepustnicy, temperatury powietrza, ciśnienia i gęstości powietrza. Główną różnicą tego systemu, stosowanego w nowoczesnych samochodach, jest brak sztywnego połączenia mechanicznego między zaworem przepustnicy a sterującym nim pedałem przyspieszenia. W porównaniu z tradycyjnymi systemami, ESU może zmniejszyć zużycie paliwa w różnych pojazdach nawet o 20%.
Niskie zużycie paliwa osiągnięto dzięki innej organizacji dwóch głównych trybów pracy silnika spalinowego: trybu niskiego obciążenia i trybu wysokiego obciążenia. W tym przypadku silnik w pierwszym trybie pracuje z mieszanką niejednorodną, dużym nadmiarem powietrza i późnym wtryskiem paliwa, przez co wsad rozwarstwia się z mieszanki powietrza, paliwa i pozostałych spalin, w wyniku który działa na ubogiej mieszance. W trybie dużego obciążenia silnik zaczyna pracować na jednorodnej mieszance, co prowadzi do zmniejszenia emisji szkodliwych substancji w spalinach. Toksyczność emisji silników wysokoprężnych ESA podczas rozruchu można zmniejszyć za pomocą różnych świec żarowych. ESU otrzymuje informacje o temperaturze powietrza dolotowego, ciśnieniu, zużyciu paliwa i położeniu wału korbowego. Sterownik przetwarza informacje z czujników i na podstawie map charakterystycznych podaje wartość kąta wyprzedzenia podawania paliwa. Aby uwzględnić zmianę gęstości napływającego powietrza przy zmianach jego temperatury, czujnik przepływu wyposażony jest w termistor. Jednak w wyniku wahań temperatury i ciśnienia powietrza w kolektorze dolotowym, pomimo powyższych czujników, następuje chwilowa zmiana gęstości powietrza i w efekcie zmniejszenie lub zwiększenie dopływu tlenu do komory spalania.
Cel, cele i metoda badawcza
Badania przeprowadzono na Państwowej Wyższej Szkole Nafty i Gazu w Tiumeniu w celu utrzymania stałej temperatury w kolektorze dolotowym silnika spalinowego KAMAZ-740, YaMZ-236 i D4FB (1,6 CRDi) Kia Sid, MZR2.3- L3T - Mazda CX7. Jednocześnie czujniki temperatury uwzględniały wahania temperatury masy powietrza. Zapewnienie normalnej (optymalnej) temperatury powietrza w kolektorze dolotowym musi odbywać się we wszystkich możliwych warunkach pracy: uruchamianie zimnego silnika, praca przy niskich i wysokich obciążeniach, praca w niskich temperaturach otoczenia.
W nowoczesnych silnikach szybkoobrotowych całkowita wartość wymiany ciepła okazuje się nieznaczna i wynosi około 1% całkowitej ilości ciepła wydzielanego podczas spalania paliwa. Wzrost temperatury nagrzewania powietrza w kolektorze dolotowym do 67 ˚С prowadzi do zmniejszenia intensywności wymiany ciepła w silnikach, czyli spadku ΔТ i wzrostu współczynnika wypełnienia. v (ryc. 1)
gdzie ΔT to różnica temperatur powietrza w kolektorze ssącym (˚K), Tp to temperatura nagrzewania powietrza w kolektorze ssącym, Tv to temperatura powietrza w kolektorze ssącym.
Ryż. 1. Wykres wpływu temperatury ogrzewania powietrza na współczynnik wypełnienia (na przykładzie silnika KAMAZ-740)
Jednak ogrzewanie powietrza powyżej 67 ˚С nie prowadzi do wzrostu ηv ze względu na zmniejszenie gęstości powietrza. Uzyskane dane doświadczalne wykazały, że powietrze w wolnossących silnikach wysokoprężnych podczas ich eksploatacji ma zakres temperatur ΔТ=23÷36˚С. Badania potwierdziły, że dla silników spalinowych pracujących na paliwie ciekłym różnica wartości współczynnika napełnienia ηv obliczonego z warunków, w których świeży wsad jest powietrzem lub mieszanką powietrzno-paliwową jest nieznaczna i wynosi mniej niż 0,5%, dlatego dla wszystkich typów silników ηv jest określane przez powietrze.
Zmiany temperatury, ciśnienia i wilgotności powietrza wpływają na moc dowolnego silnika i wahają się w zakresie Ne=10÷15% (Ne to efektywna moc silnika).
Wzrost oporów aerodynamicznych powietrza w kolektorze dolotowym tłumaczą następujące parametry:
Zwiększona gęstość powietrza.
Zmiana lepkości powietrza.
Charakter powietrza wchodzącego do komory spalania.
Liczne badania wykazały, że wysoka temperatura powietrza w kolektorze dolotowym nieznacznie zwiększa zużycie paliwa. Jednocześnie niska temperatura zwiększa jego zużycie nawet o 15-20%, dlatego badania prowadzono przy temperaturze powietrza zewnętrznego -40 ˚С i jego podgrzaniu do +70 ˚С w kolektorze dolotowym. Optymalne zużycie paliwa to temperatura powietrza w kolektorze dolotowym 15÷67 ˚С.
Wyniki badań i analizy
Podczas badań określono moc elementu grzejnego, aby zapewnić utrzymanie określonej temperatury w kolektorze dolotowym silnika spalinowego. W pierwszym etapie określa się ilość ciepła potrzebną do ogrzania 1 kg powietrza o stałej temperaturze i ciśnieniu powietrza, do tego przyjmiemy: 1. Temperatura powietrza otoczenia t1=-40˚C. 2. Temperatura w kolektorze dolotowym t2=+70˚С.
Wymaganą ilość ciepła określa równanie:
(2)
gdzie СР jest masową pojemnością cieplną powietrza przy stałym ciśnieniu, określoną zgodnie z tabelą i dla powietrza o temperaturze od 0 do 200 ˚С.
Ilość ciepła dla większej masy powietrza określa wzór:
gdzie n jest objętością powietrza w kg potrzebną do ogrzewania podczas pracy silnika.
Gdy silnik spalinowy pracuje z prędkością powyżej 5000 obr/min, zużycie powietrza w samochodach osobowych sięga 55-60 kg/h, a ciężarowych - 100 kg/h. Następnie:
Moc grzałki określa wzór:
gdzie Q to ilość ciepła zużyta na ogrzewanie powietrza w J, N to moc elementu grzejnego w W, τ to czas w sek.
Konieczne jest określenie mocy elementu grzejnego na sekundę, więc formuła przyjmie postać:
N=1,7 kW - moc elementu grzejnego dla samochodów osobowych i przy natężeniu przepływu powietrza powyżej 100 kg/h dla samochodów ciężarowych - N=3,1 kW.
(5)
gdzie Ttr jest temperaturą w rurociągu dolotowym, Ptr jest ciśnieniem w rurociągu dolotowym w Pa, Т0 - , ρ0 jest gęstością powietrza, Rv jest uniwersalną stałą gazową powietrza.
Podstawiając wzór (5) do wzoru (2) otrzymujemy:
(6)
(7)
Moc grzałki na sekundę określa wzór (4) uwzględniający wzór (5):
(8)
Wyniki obliczeń ilości ciepła potrzebnego do ogrzania powietrza o masie 1 kg przy średnim zużyciu powietrza dla samochodów osobowych powyżej V=55kg/h oraz dla samochodów ciężarowych powyżej V=100kg/h przedstawia tabela 1.
Tabela 1
Tabela do określenia ilości ciepła do podgrzania powietrza w kolektorze dolotowym w zależności od temperatury powietrza na zewnątrz
|
V>55kg/godzinę |
V>100kg/godzinę |
|||
|
Q, kJ/s |
Q, kJ/s |
|||
Na podstawie danych zawartych w tabeli 1 sporządzono wykres (rys. 2) ilości ciepła Q na sekundę zużywanego na ogrzanie powietrza do optymalnej temperatury. Z wykresu wynika, że im wyższa temperatura powietrza, tym mniej ciepła jest potrzebne do utrzymania optymalnej temperatury w kolektorze dolotowym, niezależnie od objętości powietrza.
Ryż. 2. Ilość ciepła Q na sekundę zużyta na rozgrzanie powietrza do optymalnej temperatury
Tabela 2
Obliczanie czasu ogrzewania dla różnych objętości powietrza
|
Q1, kJ/s |
Q2, kJ/s |
|||
Czas określony jest wzorem τsec=Q/N przy temperaturze zewnętrznej >-40˚С, Q1 przy natężeniu przepływu powietrza V>55 kg/h oraz Q2- V>100 kg/h
Ponadto, zgodnie z Tabelą 2, wykreślono wykres czasu ogrzewania powietrza do +70 ˚С w kolektorze ICE przy różnej mocy grzejnika. Z wykresu wynika, że niezależnie od czasu nagrzewania, przy zwiększeniu mocy nagrzewnicy czas nagrzewania dla różnych objętości powietrza wyrównuje się.
Ryż. 3. Czas nagrzewania powietrza do +70 ˚С.
Wniosek
Na podstawie obliczeń i eksperymentów ustalono, że najbardziej ekonomiczne jest zastosowanie grzałek o zmiennej mocy do utrzymania określonej temperatury w kolektorze dolotowym w celu uzyskania oszczędności paliwa nawet do 25-30%.
Recenzenci:
Reznik L.G., doktor nauk technicznych, profesor katedry „Eksploatacja transportu drogowego” FGBO UVPO „Tiumeń Państwowa Wyższa Szkoła Nafty i Gazu”, Tiumeń.
Merdanov Sh.M., doktor nauk technicznych, profesor, kierownik katedry „Systemy transportowe i technologiczne” FGBO UVPO „Tiumeń Państwowy Uniwersytet Nafty i Gazu”, Tiumeń.
Zakharov N.S., doktor nauk technicznych, profesor, obecny członek Rosyjskiej Akademii Transportu, kierownik wydziału „Serwis samochodów i maszyn technologicznych” FGBO UVPO „Tiumeń Państwowy Uniwersytet Nafty i Gazu”, Tiumeń.
Link bibliograficzny
Karnauchow V.N. OPTYMALIZACJA MOCY ELEMENTU GRZEWCZEGO W CELU UTRZYMANIA OPTYMALNEJ TEMPERATURY POWIETRZA W KOLEKTORZE WLOTOWYM LODU // Współczesne Problemy Nauki i Edukacji. - 2014r. - nr 3.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=13575 (data dostępu: 01.02.2020). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez wydawnictwo „Akademia Historii Naturalnej”
Rozważane są główne właściwości fizyczne powietrza: gęstość powietrza, jego lepkość dynamiczna i kinematyczna, ciepło właściwe, przewodność cieplna, dyfuzyjność cieplna, liczba Prandtla i entropia. Właściwości powietrza podano w tabelach w zależności od temperatury przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym.
Gęstość powietrza a temperatura
Przedstawiono szczegółową tabelę wartości gęstości suchego powietrza w różnych temperaturach i normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Jaka jest gęstość powietrza? Gęstość powietrza można wyznaczyć analitycznie, dzieląc jego masę przez zajmowaną przez nie objętość. w danych warunkach (ciśnienie, temperatura i wilgotność). Możliwe jest również obliczenie jego gęstości za pomocą równania gazu doskonałego o wzorze stanu. Aby to zrobić, musisz znać ciśnienie bezwzględne i temperaturę powietrza, a także jego stałą gazową i objętość molową. To równanie pozwala obliczyć gęstość powietrza w stanie suchym.
Na praktyce, dowiedzieć się, jaka jest gęstość powietrza w różnych temperaturach, wygodnie jest korzystać z gotowych stołów. Na przykład podana tabela wartości gęstości powietrza atmosferycznego w zależności od jego temperatury. Gęstość powietrza w tabeli wyrażona jest w kilogramach na metr sześcienny i podana w zakresie temperatur od minus 50 do 1200 stopni Celsjusza przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym (101325 Pa).
| t, °С | ρ, kg / m3 | t, °С | ρ, kg / m3 | t, °С | ρ, kg / m3 | t, °С | ρ, kg / m3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -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 |
W temperaturze 25°C powietrze ma gęstość 1,185 kg/m3. Po podgrzaniu gęstość powietrza maleje - powietrze rozszerza się (wzrasta jego objętość właściwa). Wraz ze wzrostem temperatury np. do 1200°C uzyskuje się bardzo niską gęstość powietrza, równą 0,239 kg/m 3 , czyli 5 razy mniejszą od jej wartości w temperaturze pokojowej. Ogólnie rzecz biorąc, zmniejszenie ogrzewania umożliwia zachodzenie takiego procesu, jak konwekcja naturalna i jest stosowane na przykład w lotnictwie.
Jeśli porównamy gęstość powietrza względem, to powietrze jest lżejsze o trzy rzędy wielkości - w temperaturze 4 ° C gęstość wody wynosi 1000 kg / m 3, a gęstość powietrza 1,27 kg / m 3. Należy również zanotować wartość gęstości powietrza w normalnych warunkach. Normalne warunki dla gazów to takie, w których ich temperatura wynosi 0 ° C, a ciśnienie jest równe normalnemu ciśnieniu atmosferycznemu. Tak więc, zgodnie z tabelą, gęstość powietrza w normalnych warunkach (przy NU) wynosi 1,293 kg/m 3.
Lepkość dynamiczna i kinematyczna powietrza w różnych temperaturach
Przy wykonywaniu obliczeń termicznych konieczna jest znajomość wartości lepkości powietrza (współczynnika lepkości) w różnych temperaturach. Wartość ta jest wymagana do obliczenia liczb Reynoldsa, Grashofa, Rayleigha, których wartości określają reżim przepływu tego gazu. Tabela pokazuje wartości współczynników dynamiki μ i kinematyczny ν lepkość powietrza w zakresie temperatur od -50 do 1200°C przy ciśnieniu atmosferycznym.
Lepkość powietrza znacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Na przykład lepkość kinematyczna powietrza wynosi 15,06 10 -6 m 2 / s w temperaturze 20 ° C, a wraz ze wzrostem temperatury do 1200 ° C lepkość powietrza staje się równa 233,7 10 -6 m 2 / s, czyli wzrasta 15,5 razy! Lepkość dynamiczna powietrza w temperaturze 20°C wynosi 18,1·10 -6 Pa·s.
Po podgrzaniu powietrza wzrastają zarówno wartości lepkości kinematycznej, jak i dynamicznej. Te dwie wielkości są ze sobą powiązane wartością gęstości powietrza, której wartość maleje po podgrzaniu tego gazu. Wzrost lepkości kinematycznej i dynamicznej powietrza (a także innych gazów) podczas ogrzewania wiąże się z intensywniejszymi drganiami cząsteczek powietrza wokół ich stanu równowagi (wg MKT).
| t, °С | μ 10 6 , Pa s | ν 10 6, m 2 / s | t, °С | μ 10 6 , Pa s | ν 10 6, m 2 / s | t, °С | μ 10 6 , Pa s | ν 10 6, m 2 / 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 |
Uwaga: bądź ostrożny! Lepkość powietrza podaje się do potęgi 10 6 .
Ciepło właściwe powietrza w temperaturach od -50 do 1200°С
Przedstawiono tabelę pojemności cieplnej właściwej powietrza w różnych temperaturach. Pojemność cieplna w tabeli podana jest przy stałym ciśnieniu (izobaryczna pojemność cieplna powietrza) w zakresie temperatur od minus 50 do 1200°C dla powietrza suchego. Jaka jest właściwa pojemność cieplna powietrza? Wartość ciepła właściwego określa ilość ciepła, jaka musi być doprowadzona do jednego kilograma powietrza pod stałym ciśnieniem, aby podnieść jego temperaturę o 1 stopień. Na przykład, w temperaturze 20°C, aby ogrzać 1 kg tego gazu o 1°C w procesie izobarycznym, potrzebne jest 1005 J ciepła.
Ciepło właściwe powietrza wzrasta wraz ze wzrostem jego temperatury. Jednak zależność masowej pojemności cieplnej powietrza od temperatury nie jest liniowa. W zakresie od -50 do 120°C jego wartość praktycznie się nie zmienia - w tych warunkach średnia pojemność cieplna powietrza wynosi 1010 J/(kg st.). Zgodnie z tabelą widać, że temperatura zaczyna mieć znaczący wpływ od wartości 130°C. Jednak temperatura powietrza wpływa na jego ciepło właściwe znacznie słabiej niż jego lepkość. Tak więc po podgrzaniu od 0 do 1200°C pojemność cieplna powietrza wzrasta tylko 1,2 razy - ze 1005 do 1210 J/(kg st.).
Należy zauważyć, że pojemność cieplna powietrza wilgotnego jest wyższa niż powietrza suchego. Jeśli porównamy powietrze, to widać, że woda ma wyższą wartość, a zawartość wody w powietrzu prowadzi do wzrostu ciepła właściwego.
| t, °С | C p , J/(kg st.) | t, °С | C p , J/(kg st.) | t, °С | C p , J/(kg st.) | t, °С | C p , J/(kg st.) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -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 |
Przewodność cieplna, dyfuzyjność cieplna, liczba Prandtla powietrza
W tabeli przedstawiono takie właściwości fizyczne powietrza atmosferycznego jak przewodność cieplna, dyfuzyjność cieplna oraz jego liczba Prandtla w zależności od temperatury. Właściwości termofizyczne powietrza podano w zakresie od -50 do 1200°C dla powietrza suchego. Zgodnie z tabelą można zauważyć, że wskazane właściwości powietrza istotnie zależą od temperatury, a zależność temperaturowa rozważanych właściwości tego gazu jest różna.
Temperatura spalin za kotłem zależy od rodzaju spalanego paliwa, temperatury wody zasilającej t n v, szacunkowego kosztu paliwa С t , jego obniżona wilgotność
gdzie 
Na podstawie optymalizacji techniczno-ekonomicznej, w zależności od warunku efektywności wykorzystania paliwa i metalu powierzchni grzewczej ogona, a także innych warunków uzyskano następujące zalecenia dla doboru wartości 
podane w tabeli 2.4.
Z tabeli. 2.4 mniejsze wartości optymalnej temperatury spalin wybierane są dla paliw tanich, a większe dla paliw drogich.
Do kotłów niskociśnieniowych (R ne .≤ 3,0 MPa) przy tylnych powierzchniach grzewczych temperatura spalin nie może być niższa niż wartości podane w tabeli. 2.5, a jego optymalna wartość dobierana jest na podstawie obliczeń techniczno-ekonomicznych.
Tabela 2.4 - Optymalna temperatura spalin dla kotłów
o wydajności ponad 50 t/h (14 kg/s) po spaleniu
paliwa o niskiej zawartości siarki
|
Temperatura wody zasilającej t n cal, 0 C |
Zmniejszona wilgotność paliwa |
||
|
|
|
|
|
Tabela 2.5 - Temperatura spalin dla kotłów niskociśnieniowych
wydajność poniżej 50 t/h (14 kg/s)
|
|
|
|
Węgle o adiustacji wilgoci i gaz ziemny | |
|
węgle z | |
|
Olej opałowy o wysokiej zawartości siarki | |
|
Odpady torfowe i drzewne |
, 0 С
Dla kotłów typu KE i DE temperatura spalin silnie zależy od t n c. W temperaturze wody zasilającej t n w =100°C, 
, a przy t n in = 80 ÷ 90 0 С maleje do wartości 
.
Przy spalaniu paliw siarkowych, zwłaszcza wysokosiarkowego oleju opałowego, istnieje niebezpieczeństwo korozji niskotemperaturowej nagrzewnicy powietrza przy minimalnej temperaturze metalowej ścianki t st poniżej punktu rosy tp spalin. Wartość t p zależy od temperatury kondensacji pary wodnej t k przy jej ciśnieniu cząstkowym w spalinach P H 2 O, obniżonej zawartości siarki S n i popiołu An w paliwie roboczym
,
(2.3)
gdzie 
- wartość opałowa paliwa, mJ/kg lub mJ/m 3 .
Ciśnienie cząstkowe pary wodnej wynosi
(2.4)
gdzie: Р=0,1 MPa – ciśnienie spalin na wylocie kotła, MPa;
r H 2 O to ułamek objętościowy pary wodnej w spalinach.
Aby całkowicie wyeliminować korozję w przypadku braku specjalnych środków ochronnych, t st powinien być o 5 - 10 ° C wyższy
tp ,
doprowadzi to jednak do znacznego wzrostu 
nad jego znaczeniem gospodarczym. Dlatego w tym samym czasie zwiększ 
i temperatura powietrza na wlocie do nagrzewnicy 
.
Minimalna temperatura ściany, w zależności od wcześniej wybranych wartości 
oraz 
określone wzorami: dla regeneracyjnych nagrzewnic powietrza (RAH)
(2.5)
do rurowych nagrzewnic powietrza (TVP)
(2.6)
Podczas spalania stałych paliw siarkowych temperatura powietrza na wlocie do nagrzewnicy powietrza musi być 
przyjmować nie mniej niż k, określane w zależności od P H 2 O.
W przypadku stosowania wysokosiarkowych olejów opałowych skutecznym sposobem walki z korozją niskotemperaturową jest spalanie oleju opałowego z niewielkimi nadmiarami powietrza ( 
= 1,02 ÷ 1,03). Ta metoda spalania praktycznie całkowicie eliminuje korozję niskotemperaturową i jest uznawana za najbardziej obiecującą, wymaga jednak starannej regulacji palników i poprawy pracy zespołu kotłowego.
Podczas instalowania wymiennych kostek TVP lub wymiennych zimnych opakowań (RVP) w zimnych stopniach nagrzewnicy powietrza, dopuszczalne są następujące wartości temperatury powietrza wlotowego: 
w regeneracyjnych nagrzewnicach powietrza 60 - 70°С iw rurowych nagrzewnicach powietrza 80 - 90°С.
Przeprowadzić wstępne podgrzanie powietrza do wartości 
, przed wejściem do nagrzewnicy zwykle instaluje się nagrzewnice parowe, ogrzewane wybraną parą z turbiny. Stosowane są również inne metody ogrzewania powietrza na wlocie do nagrzewnicy oraz środki do walki z korozją niskotemperaturową, a mianowicie: zawracanie gorącego powietrza do ssania wentylatora, montaż nagrzewnic powietrza z pośrednim nośnikiem ciepła, parowniki gazu itp. Do neutralizacji oparów H 2 SO 4 stosuje się różnego rodzaju dodatki, zarówno w kanałach gazowych kotła, jak iw paliwie.
Temperatura ogrzewania powietrza zależy od rodzaju paliwa i charakterystyki paleniska. Jeżeli ze względu na warunki suszenia lub spalania paliwa nie jest wymagane wysokie ogrzewanie powietrza, wskazane jest zainstalowanie jednostopniowej nagrzewnicy powietrza. W tym przypadku optymalna temperatura powietrza kotłów energetycznych w zależności od temperatury wody zasilającej i spalin jest w przybliżeniu określona wzorem
Przy dwustopniowym układzie nagrzewnicy zgodnie ze wzorem (2.7) wyznaczana jest temperatura powietrza za pierwszym stopniem, a w drugim stopniu nagrzewnicy powietrze z tej temperatury jest nagrzewane do gorącego powietrza temperatura przyjęta zgodnie z tabelą. 2.6.
Zazwyczaj stosuje się dwustopniowy układ nagrzewnicy powietrza w „cięcie” ze stopniami oszczędzania wody przy wartości t hw > 300°C. W takim przypadku temperatura gazów przed „gorącym” stopniem nagrzewnicy powietrza nie powinna przekraczać 500°C.
Tabela 2.6 - Temperatura ogrzewania powietrza dla jednostek kotłowych
wydajność powyżej 75 t/h (21,2 kg/s)
|
Charakterystyka paleniska |
Klasa paliwa |
„Temperatura powietrza. °С |
|
1 Piece z odżużlaniem stałym z zamkniętym obiegiem odpylania |
Węgiel kamienny i chudy Przecinarki do węgla brunatnego. | |
|
2 Piece z płynnym odżużlaniem, m.in. z cyklonami poziomymi i przedpalnikami pionowymi przy suszeniu paliwa powietrzem i nawożeniu do pyłu gorącym powietrzem lub środkiem suszącym |
Węgle brunatne popiołów, PA Węgle kamienne i chudy Donieck | |
|
3 Przy suszeniu paliwa gazami w zamkniętym obiegu odpylania, z odżużlaniem stałym to samo z płynnym usuwaniem żużla |
węgle brunatne |
300 - 350 x x 350 - 400 x x |
|
4 Podczas suszenia paliwa gazami w otwartym obiegu odpylania z odżużlaniem stałym Z płynnym usuwaniem żużla |
Dla wszystkich |
350 - 400 x x |
|
5. Piece komorowe |
Olej opałowy i gaz ziemny |
250 – 300 x x x |
x Z torfem wilgotnym/W p > 50%/ weź 400°C;
хх Wyższa wartość przy dużej wilgotności paliwa;
xxx Wartość t gw jest sprawdzana według wzoru .
Przechodzą przez przezroczystą atmosferę bez jej ogrzewania, docierają do powierzchni ziemi, ogrzewają ją, a następnie nagrzewa się od niej powietrze.
Stopień nagrzania powierzchni, a co za tym idzie powietrza, zależy przede wszystkim od szerokości geograficznej obszaru.
Ale w każdym konkretnym punkcie będzie to (t o) również określone przez szereg czynników, wśród których główne to:
A: wysokość nad poziomem morza;
B: powierzchnia pod spodem;
B: odległość od wybrzeży oceanów i mórz.
A - Ponieważ powietrze jest ogrzewane z powierzchni ziemi, im niższa bezwzględna wysokość obszaru, tym wyższa temperatura powietrza (na tej samej szerokości geograficznej). W warunkach powietrza nienasyconego parą wodną obserwuje się prawidłowość: na każde 100 metrów wysokości temperatura (t o) spada o 0,6 o C.
B - Cechy jakościowe powierzchni.
B 1 - powierzchnie różniące się kolorem i strukturą w różny sposób pochłaniają i odbijają promienie słoneczne. Maksymalny współczynnik odbicia jest typowy dla śniegu i lodu, minimalny dla ciemnych gleb i skał.
Oświetlenie Ziemi promieniami słonecznymi w dniach przesileń i równonocy.
B 2 - różne powierzchnie mają różną pojemność cieplną i wymianę ciepła. Tak więc masa wodna Oceanu Światowego, która zajmuje 2/3 powierzchni Ziemi, ze względu na dużą pojemność cieplną nagrzewa się bardzo wolno i bardzo wolno ochładza. Grunt szybko się nagrzewa i szybko ochładza, tzn. aby ogrzać do tego samego t ok. 1 m2 gruntu i 1 m2 lustra wody, należy wydać inną ilość energii.
B - od wybrzeży do wnętrza kontynentów zmniejsza się ilość pary wodnej w powietrzu. Im bardziej przejrzysta atmosfera, tym mniej światła słonecznego jest w niej rozpraszane, a wszystkie promienie słoneczne docierają do powierzchni Ziemi. W obecności dużej ilości pary wodnej w powietrzu kropelki wody odbijają, rozpraszają, pochłaniają promienie słoneczne i nie wszystkie docierają do powierzchni planety, podczas gdy jej nagrzewanie spada.
Najwyższe temperatury powietrza notowane są na obszarach pustyń tropikalnych. W centralnych rejonach Sahary przez prawie 4 miesiące t o powietrzu w cieniu przekracza 40°C. Jednocześnie na równiku, gdzie kąt padania promieni słonecznych jest największy, temperatura nie przekracza +26°C.
Z drugiej strony Ziemia, jako ogrzane ciało, emituje energię w kosmos głównie w zakresie długofalowego widma podczerwonego. Jeśli powierzchnia Ziemi jest owinięta „kocem” chmur, to nie wszystkie promienie podczerwone opuszczają planetę, ponieważ chmury je opóźniają, odbijając się z powrotem na powierzchnię Ziemi.
Przy bezchmurnym niebie, gdy w atmosferze jest mało pary wodnej, promienie podczerwone emitowane przez planetę swobodnie wędrują w kosmos, podczas gdy powierzchnia ziemi schładza się, co powoduje ochłodzenie i tym samym obniża temperaturę powietrza.
Literatura
- Zubashchenko E.M. Regionalna geografia fizyczna. Klimaty Ziemi: pomoc dydaktyczna. Część 1. / E.M. Zubashchenko, V.I. Szmykow, A.Ya. Nemykin, N.V. Poliakow. - Woroneż: VGPU, 2007. - 183 s.