Методы расчета элементов топливной аппратуры при низких температурах

Анализ данных таблицы показывает, что при увеличении длины активной части, площадь теплоотдачи возрастает. Так, при объеме V=1,53×10-4 м3 площадь поверхности экспериментального подогревателя отличается более чем на 15% по сравнению с поверхностью подогревателя с оптимальными размерами.

Анализ физико-химических свойств топлива (см. табл. 2.12) показывает, что при любой температуре окружающей среды, в топливе имеются две фракции: жидкая и кристаллическая. С понижением температуры объем жидкой фракции уменьшается, а кристаллической — возрастает. Основная цель подогрева — разрушение кристаллических структур, т.е. превращения кристаллической фракции в жидкую. Условно процесс превращения кристаллической фракции можно разделить на два этапа:

1) подогрев и плавление кристаллов от температуры окружающей среды до температуры помутнения топлива;

2)подогрев жидкой фракции от температуры помутнения до требуемой температуры на выходе из подогревателя.

Соответственно и тепловая энергия подогревателя будет расходоваться на плавление кристаллов и подогрев топлива до требуемой температуры

Q=QП+QH, (4.111)

где QП — требуемое количество тепла на подогрев и плавление кристаллов, Дж;

QH — количество тепла, необходимое для подогрева жидкой фракции до требуемой температуры, Дж.

Каждый из отмеченных подогревов топлива будет протекать по различным термодинамическим законам.

При охлаждении дизельного топлива ниже определенной температуры в его отдельных микроскопических объемах начинается возникновение и рост кристаллов гибких молекул. Соединяясь между собой, они образуют гибкие нити длиной до 60 мм [84,85], которые могут принимать различные конфигурации с различными минимумами потенциальной энергии. При понижении температуры ниже критической на 3 .40С (критическая — температура начала кристаллизации гомологического ряда углеводородов) только полностью вытянутые углеводородные нити упаковываются в кристаллическую решетку. В таком виде кристаллическая решетка углеводородных нитей имеет минимум потенциальной энергии [85].

При отрицательных температурах окружающей среды резко возрастает кристаллическая фракция и убывает жидкая. Процесс плавления можно представить состоящим из двух стадий: большая часть теплоты плавления расходуется на отделение молекул от кристаллических нитей. Вторая стадия состоит в превращении одной конфигурации, соответствующей кристаллу, в несколько, соответствующих расплаву, что ведет, в конечном итоге, к образованию смеси углеводородов [85]. Во всех этих теориях рассматриваются вопросы разрушения кристаллических решеток на уровне атомов, молекул или ионов [85]. Целью нашей работы является определение усредненных затрат тепла на плавление кристаллов дизельного топлива при различной температуре окружающей среды. Для решения этой задачи воспользуемся теорией плавления твердых тел [86,87], с учетом особенностей кристаллизации углеводородов и упрощений при расчетах.

Математическая модель расчета расхода тепловой энергии на плавление кристаллов углеводородов дизельного топлива

Рассмотрим решение простейшей задачи плавления кристаллов топлива, заключенных в объеме V (рис. 4.9) при нагревании его от температуры окружающей среды tC до температуры t1, при достижении которой 80 .90% топлива составит жидкая фаза.

При этом примем следующие упрощения:

1)систему координат V, T поместим в точку T0, где температура топлива равна температуре окружающей среды;

2)дизельное топливо представляет собой однородную смесь углеводородов со средней плотностью r кг/м3;

Рис. 4.9. Схема расчета затрат энергии на плавление кристаллов в элементарном объеме

3) плоскостями А-А и В-В выделим элементарный объем DVj, так, что в начальный момент слева от плоскости А-А топливо находится в жидком состоянии, а справа от плоскости В-В — кристаллическая фаза дизельного топлива при температуре T0;

4) в объеме DVj сосредоточены углеводороды в твердом состоянии с температурой плавления от Tj до Tj+1=Tj+Dt;

5) пусть TПj средняя температура плавления кристаллов углеводородов массой mj сосредоточенных в объеме DVj.