Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств
Предложена методика определения параметров фазовых равновесий и теплофизических свойств альтернативных энергоносителей ненефтяного происхождения, используемых в разнообразных теплотехнических устройствах. Особенностями метода являются: ограниченность исходной информации, высокая точность, применимос...
Saved in:
| Published in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81034 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств / А.М. Левтеров, К.Р. Умеренкова // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 1. — С. 11-14. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859791273616998400 |
|---|---|
| author | Левтеров, А.М. Умеренкова, К.Р. |
| author_facet | Левтеров, А.М. Умеренкова, К.Р. |
| citation_txt | Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств / А.М. Левтеров, К.Р. Умеренкова // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 1. — С. 11-14. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | Предложена методика определения параметров фазовых равновесий и теплофизических свойств альтернативных энергоносителей ненефтяного происхождения, используемых в разнообразных теплотехнических устройствах. Особенностями метода являются: ограниченность исходной информации, высокая точность, применимость для широкого класса веществ в любых практически важных диапазонах состояний. Погрешности расчетов прогнозируемых теплофизических характеристик многокомпонентных рабочих тел находятся на уровне обычных экспериментальных ошибок.
Запропоновано методику визначення параметрів фазових рівноваг та теплофізичних властивостей альтернативних енергоносіїв ненафтового походження, що використовуються у різноманітних теплотехнічних пристроях. Обчислювальні процедури грунтуються на оригінальній схемі термодинамічної теорії збурень. Особливостями методу є: обмеженість вихідної інформації, висока точність, можливість застосування для широкого класу речовин в будь-яких практично важливих діапазонах станів. Похибки розрахунків теплофізичних характеристик багатокомпонентних робочих тіл знаходяться на рівні звичайних експериментальних помилок.
The procedure of definition of parameters of phase equilibriums and thermal properties of the alternate nonpetroleum power supplies used in manifold heat engineering of devices is offered. Features of a method are the following: limited initial information for calculations, a hair accuracy, applicability for a wide class of substances in any practically important gamuts of states. Errors of calculations of predicted thermal performances of multicomponent working bodies are at a level of routine experimental errors.
|
| first_indexed | 2025-12-02T11:51:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 11
А. М. Левтеров,
канд. техн. наук
К. Р. Умеренкова,
канд. техн. наук
Институт проблем
машиностроения
им. А. Н. Подгорного
НАН Украины,
Харьков, e-mail:
dppp@ipmach.kharkov.ua
Ключові слова: теплофізичні вла-
стивості, фазові рівноваги, робоче
тіло, альтернативні енергоносії,
математична модель.
УДК 532+541.11
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧИХ ТЕЛ
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Запропоновано методику визначення параметрів фазових рівноваг та
теплофізичних властивостей альтернативних енергоносіїв ненафтово-
го походження, що використовуються у різноманітних теплотехнічних
пристроях. Обчислювальні процедури грунтуються на оригінальній схе-
мі термодинамічної теорії збурень. Особливостями методу є: обмеже-
ність вихідної інформації, висока точність, можливість застосування
для широкого класу речовин в будь-яких практично важливих діапазонах
станів. Похибки розрахунків теплофізичних характеристик багатоком-
понентних робочих тіл знаходяться на рівні звичайних експерименталь-
них помилок.
Введение
Совершенствование способов преобразования и хранения энергии, использование нетрадици-
онных видов топлива и сырья неизбежно вовлекают в сферу проектно-конструкторских разработок
большое количество новых веществ, материалов, тепло- и энергоносителей. Ввиду этого особую ак-
туальность приобретает обеспечение таких исследований достоверными данными о физико-
химических свойствах рабочих тел (РТ) различной природы с обширным фракционным составом.
Достаточно сказать, что информация о параметрах фазовых равновесий (ФР) и теплофизических
свойствах веществ составляет до 90% исходных данных в соответствующих научно-
исследовательских и конструкторских работах.
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов является одной из важней-
ших задач. Сложившийся в настоящее время ассортимент энергоносителей представлен главным об-
разом продуктами переработки нефти. Однако энергетическая ситуация, возникшая на планете к на-
чалу XXI века, характеризуется истощением основных запасов нефти и усилением монополии основ-
ных производителей нефтяных топлив. Это обстоятельство стимулирует постоянный поиск перспек-
тивных и внедрение альтернативных энергоносителей (АЭ) ненефтяного происхождения (как естест-
венных, так и синтетических).
К их числу относятся, прежде всего, природный газ, водород и водородсодержащие газы
(коксовый, доменный, генераторный, синтез-газ и др.), а также прочие перспективные нетрадицион-
ные топлива на основе углеводородов и водорода (топливный газ, получаемый газификацией угля,
биогаз, шахтный газ и др.). Несомненно, в рамках потенциально располагаемых энерго-сырьевых ре-
сурсов Украины будущее энергетики страны зависит от своевременного внедрения различных АЭ.
Очевидно, для практических целей предпочтительнее непосредственные экспериментальные
данные о свойствах РТ. Однако определение свойств опытным путем в широких диапазонах состоя-
ний затруднительно, а зачастую просто невозможно. Теплофизические характеристики РТ требуются
в интервалах состояний от параметров сгорания (или пиролиза компонентов) до параметров жидкого
состояния включительно, в том числе при криогенных температурах, и с учетом гигантского спектра
составов многокомпонентных РТ. Кроме того, информация о теплофизических свойствах должна
быть пригодна для использования в текущих расчетах, т.е. быть по необходимости оперативной.
Анализ исследований и публикаций
Обычно экспериментальные данные описываются эмпирическими уравнениями, которые с
той или иной точностью воспроизводят исходные результаты. Недостатки, присущие подобным ме-
тодикам [1], хорошо известны: это ограниченные области применимости, необходимость наличия
значительного количества исходной информации о свойствах компонентов и их смесей, существен-
ные искажения концентрационных зависимостей и т. д. Уточнение таких уравнений достигается вве-
© А. М. Левтеров, К. Р. Умеренкова, 2014
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 12
дением все большего числа параметров, однако возможности экстраполяции в области неисследован-
ных состояний всегда существенно ограничены.
Методика расчета
Перечисленные выше обстоятельства определяют актуальность проблемы прогнозирования и
описания свойств веществ, в частности многокомпонентных РТ, что предполагает расчет требуемых
характеристик при отсутствии экспериментальной информации или на основе минимального числа
доступных исходных параметров. Методики таких расчетов должны опираться на фундаментальные
представления статистической механики и молекулярной физики.
Определение термодинамических характеристик, фазовых равновесий РТ выполнено в рамках
универсального рабочего метода – оригинальной модифицированной схемы теории возмущений
(МТВ) [1].
Определяются свойства следующих компонентов и составленных из них смесей: предельные
углеводороды (СН4, С2Н6, С3Н8, n-С4Н10, i-С4Н10, n-С5Н12, i-С5Н12, С6Н14, С7Н16, С8Н18, С9Н20, С10Н22 ...);
инертные газы (Не, Ne, Ar, Kr, Xe); азот N2; двуокись углерода СО2; окись углерода СО; водород Н2;
кислород О2; вода Н2О; сероводород Н2S; бензол С6Н6 и др.
Данные наборы обеспечивают, в частности, описание природного газа, газового конденсата,
шахтного газа, энергоносителей на основе водорода, рабочих тел топливных элементов электрохими-
ческих генераторов и других смесей.
Определяемые свойства: уравнение состояния (р,V,T – соотношения, плотность); коэффици-
енты теплового расширения и изотермического сжатия; фазовые равновесия жидкость-пар; энергия
(Гиббса, внутренняя, свободная); энтальпия; энтропия; теплоемкости (Ср, Сv ); скорость звука и др.
Диапазоны состояний
Жидкое состояние: давление – от линий парожидкостного равновесия до 1000 МПа (или до
линий кристаллизации); температура – от тройной точки до критической точки.
Газообразное (флюидное) состояние: давление – до 1000 МПа; температура – до 5000 К (или
до температур пиролиза).
Метод МТВ представляет характеристики исследуемых систем в виде рядов по параметрам,
характеризующим отличия реального потенциала )(ruαβ от потенциала )()0( ruαβ системы нулевого
приближения, в качестве которого использована модель твердых сфер (ТС). Предложенная вычисли-
тельная процедура основана лишь на использовании полученных данных о потенциалах межмолеку-
лярных взаимодействий, не содержит подгоночных параметров и эмпирических корреляций, реали-
зуется при минимуме исходных данных и применима для широкого класса веществ и их смесей в
любых практически значимых диапазонах состояний.
Для описания межмолекулярных взаимодействий использован потенциал Леннард–Джонса
],)/()/[(4)( 612 rrru αβαβαβαβ σ−σε=
где σαβ, εαβ – параметры потенциала взаимодействия молекул α и β смеси.
Моделирование фазовых равновесий в РТ при заданных температуре, давлении и составе ос-
новано на вычислении термодинамического потенциала – свободной энергии Гельмгольца.
Удельная (на одну частицу) свободная энергия n-компонентной смеси имеет вид
,)(
2)2()1(
1,
)0( ∗
αβαβ
∗
αβ
∗
αβαβ
∗
αβ
=βα
βα ρ+ρ+β=β ∑ TITIxxff
n
mm (1)
где β=1/kT; )0(
mf – свободная энергия n-компонентной смеси ТС; NNx αα = – молярная концентра-
ция α-го компонента ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=∑
α
α NN ; ;3
αβ
∗
αβ ρσ=ρ ρ – плотность числа частиц смеси; αβαβ ε= kTT * ;
)2()1( , αβαβ II – групповые интегралы первого и второго порядков МТВ для смесей [1]. Быстрая сходи-
мость рядов МТВ типа (1) позволяет ограничиться малым количеством членов в дополнение к нуле-
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 13
вому: для термических величин – первого порядка (групповой интеграл, зависящий от функции рас-
пределения ТС go(r/d)), для калорических и смешанных – второго порядка.
Основная задача исследования равновесного процесса состоит в определении фазового со-
стояния смеси (жидкость, газ или двухфазная парожидкостная система) и нахождении составов со-
существующих фаз, которые образовались из исходной смеси состава }{ 0
ix (набор мольных концен-
траций) при заданных температуре Т и давлении p.
Математическая модель равновесия жидкой и паровой фаз гетерогенной системы формализо-
вана в виде совокупности уравнений, характеризующих равенство давлений pm и химических потен-
циалов компонентов μi (i = 1, 2, …, n) сосуществующих фаз смеси
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
=μ−μ
=μ−μ
=−
=−
.0}){,,(}){,,(
................................................
;0}){,,(}){,,(
;0}){,,(
;0}){,,(
11
V
i
V
mn
L
i
L
mn
V
i
V
m
L
i
L
m
V
i
V
mm
L
i
L
mm
xTvxTv
xTvxTv
pxTvp
pxTvp
(2)
Если сосуществующие фазы образуются из исходной брутто-смеси, то система (2) дополняет-
ся уравнениями материального баланса для фаз и распределения компонентов смеси между фазами.
Начальным этапом расчетов фазовых равновесий n-компонентной смеси является определе-
ние ее числовой плотности ρ = NA/vm (или молярного объема vm).
При моделировании ФР получены многочисленные новые данные о фазовых диаграммах сме-
сей, типичных для РТ, в частности различных базовых бинарных смесей. Термодинамические свой-
ства для них определены на основе выражения МТВ (1).
Расчет параметров ФР и теплофизических свойств выполнен для широкого набора модельных
РТ углеводородного типа. Сравнение полученных расчетных значений с опытными данными, имею-
щимися в литературе, и с расчетными значениями, определенными по другим методикам, позволяет
сделать вывод, что предложенная модель лучше идентифицирует существующие экспериментальные
результаты.
На рисунке изображена фазовая диаграмма
базовой бинарной смеси метан–этан для набора
изотерм. Сравнение с экспериментальными дан-
ными (значки) позволяет оценить погрешности
описания составов жидкой и паровой фаз около 4–
5 мол. %. Как правило, экспериментальные данные
при приближении к критическим точкам отсутст-
вуют, так что полученные расчетные величины
прогнозируют фазовое поведение смесей в этих
областях.
В табл. 1 полученное расчетным путем зна-
чение молярного объема углеводородной смеси,
соответствующей возможному составу природного
газа, сравнивается с экспериментальными данны-
ми, приведенными в литературе [2]. Погрешность
расчета показывает хорошее согласие эксперимен-
тальных и расчетных значений.
В результате решения задачи равновесия
фаз жидкость–пар для углеводородных РТ различ-
ных фракционных составов определены плотность,
энтальпия и энтропия вдоль линии насыщения
(табл. 2).
0.25 0.750.00 0.50 1.00
2
6
0
4
8
x CH
4
, МПа
1
2
3
4
p
1 – 160 K
2 – 180 K
3 – 203.15 K
4 – 233.15 K
Диаграммы ФР жидкость-пар смесей
метан–этан при указанных температурах
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 14
Таблица 1. Сравнение экспериментального и расчетного значения молярного объема углеводородной смеси
Расчет по МТВ Состав смеси.
Мольные доли компонентов, % Т, K р, МПа Vэксп, м3/кмоль
[2] Vрасч, м3/кмоль погрешность, %
CH4 = 77,43
C2H6 = 5,74
C3H8 = 2,99n–C5H12 = 4,66
C7H16 = 3,59
C10H22 = 2,63
H2S = 2,96
338,71
21,75
0,1003
0,1004
0,09
Таблица 2. Термодинамические свойства смесей РТ в равновесии с паровой фазой
Состав смеси.
Мольные доли компонентов, %
T,
K
Dm,
кг/м3
–Hm,
кДж/кг
Sm,
кДж/(кг K)
105 431,37 308,60 4,729
CH4 112 422,07 285,46 4,942
120 410,27 257,62 5,181
CH4=99,5 105 448,18 310,16 4,688
C2H6=3 112 438,71 288,05 4,891
N2=1 120 426,86 261,37 5,120
CO2=0,5
CH4=95
C2H6=3 105 450,78 311,04 4,675
C3H8=0,5 112 441,32 289,11 4,876
N2=1 120 429,50 262,66 5,103
CO2=0,5
CH4=94
C2H6=3 105 453,80 306,18 4,676
C3H8=0,5 112 444,19 284,27 4,877
N2=2 120 432,19 257,91 5,104
CO2=0,5
Здесь Dm – плотность смеси, Hm – энтальпия смеси, Sm – энтропия смеси.
Выводы
Разработанные методы описания параметров ФР и теплофизических характеристик рабочих
тел теплотехнических устройств представляют практическую ценность при решении опытно-
конструкторских и инженерных задач в областях энергетики, машиностроения, теплофизики, крио-
генной физики и техники. Практическое значение имеют также эффективность и универсальность
развитых методов определения технически важных свойств разнообразных рабочих тел.
Разработанное программное обеспечение позволяет оперативно использовать получаемую
информацию для расчетов характеристик процессов, идущих в реальном времени. Применение эф-
фективных методов расчета свойств РТ позволяет ограничить или исключить проведение дорого-
стоящих и длительных экспериментальных исследований.
Литература
1. Маринин В. С. Теплофизика альтернативных энергоносителей / В. С. Маринин. – Харьков: Форт, 1999. –
212 с.
2. Калашников О. В. Моделирование фазового поведения углеводородов: выбор уравнения состояния /
О. В. Калашников // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2003. – № 1. – С. 22–29.
Поступила в редакцию 16.02.15
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81034 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T11:51:04Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Левтеров, А.М. Умеренкова, К.Р. 2015-04-30T15:29:55Z 2015-04-30T15:29:55Z 2015 Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств / А.М. Левтеров, К.Р. Умеренкова // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 1. — С. 11-14. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81034 532+541.11 Предложена методика определения параметров фазовых равновесий и теплофизических свойств альтернативных энергоносителей ненефтяного происхождения, используемых в разнообразных теплотехнических устройствах. Особенностями метода являются: ограниченность исходной информации, высокая точность, применимость для широкого класса веществ в любых практически важных диапазонах состояний. Погрешности расчетов прогнозируемых теплофизических характеристик многокомпонентных рабочих тел находятся на уровне обычных экспериментальных ошибок. Запропоновано методику визначення параметрів фазових рівноваг та теплофізичних властивостей альтернативних енергоносіїв ненафтового походження, що використовуються у різноманітних теплотехнічних пристроях. Обчислювальні процедури грунтуються на оригінальній схемі термодинамічної теорії збурень. Особливостями методу є: обмеженість вихідної інформації, висока точність, можливість застосування для широкого класу речовин в будь-яких практично важливих діапазонах станів. Похибки розрахунків теплофізичних характеристик багатокомпонентних робочих тіл знаходяться на рівні звичайних експериментальних помилок. The procedure of definition of parameters of phase equilibriums and thermal properties of the alternate nonpetroleum power supplies used in manifold heat engineering of devices is offered. Features of a method are the following: limited initial information for calculations, a hair accuracy, applicability for a wide class of substances in any practically important gamuts of states. Errors of calculations of predicted thermal performances of multicomponent working bodies are at a level of routine experimental errors. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Теплопередача в машиностроительных конструкциях Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств Forecasting of thermal performances of working bodies heat engineering of devices Article published earlier |
| spellingShingle | Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств Левтеров, А.М. Умеренкова, К.Р. Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| title | Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств |
| title_alt | Forecasting of thermal performances of working bodies heat engineering of devices |
| title_full | Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств |
| title_fullStr | Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств |
| title_full_unstemmed | Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств |
| title_short | Прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств |
| title_sort | прогнозирование теплофизических характеристик рабочих тел теплотехнических устройств |
| topic | Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| topic_facet | Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81034 |
| work_keys_str_mv | AT levterovam prognozirovanieteplofizičeskihharakteristikrabočihtelteplotehničeskihustroistv AT umerenkovakr prognozirovanieteplofizičeskihharakteristikrabočihtelteplotehničeskihustroistv AT levterovam forecastingofthermalperformancesofworkingbodiesheatengineeringofdevices AT umerenkovakr forecastingofthermalperformancesofworkingbodiesheatengineeringofdevices |