aalto1 untyped-item.component.html
Mäntäpaineakun termisen aikavakion identifiointi
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Mcode
ENG25
Degree programme
Language
fi
Pages
7+48+5
Series
Abstract
Tämän työn tavoitteena oli selvittää hydraulisen mäntäpaineakun termiseen aikavakioon vaikuttavia tekijöitä ja määrittää vakio kokeellisesti. Terminen aikavakio kertoo lämpöhäviön nopeuden eli sen, kuinka nopeasti 63,2 prosenttia paineakun latauksen aikana syntyvästä lämmöstä menetetään ympäristöön.
Tässä työssä tutkittiin kolmea termiseen aikavakioon vaikuttavaa tekijää: latausnopeutta, puristussuhdetta ja esipainetta. Terminen aikavakio laskettiin seuraamalla paineakun varastointivaiheen aikana tapahtuvaa paineen laskua sekä optimoimalla käyttäen simulointimallia.
Tuloksista huomattiin, että yhdellä termisen aikavakion arvolla ei voida tarkasti kuvata mäntäpaineakun lämpökäyttäytymistä. Latausnopeuden vaikutus termiseen aikavakioon oli puristussuhdetta selvästi suurempi. Latausnopeuden kasvaessa terminen aikavakio pienenee eli lämmönsiirto nopeutuu. Latausnopeuden kasvaessa lämpötilaerot paineakun kaasun ja rungon välillä ovat suurempia, jolloin myös vapaa konvektio on voimakkaampaa, mikä edistää lämmönsiirtymistä rajapinnalla. Puristussuhteen vähäinen vaikutus lämmönsiirtymisnopeuteen johtuu todennäköisesti siitä, että puristussuhteen kasvaessa pienenevän lämmönsiirtopinta-alan vaikutusta kompensoi korkeammalle noussut kaasun paine. Korkeampi esipaine nosti termisen aikavakion arvoa lämpökapasiteetin kasvaessa.
Työssä selvitettiin myös, mikä neljästä yleisesti käytetystä tilanyhtälöistä kuvaa tarkimmin typpikaasun käyttäytymistä mittausolosuhteissa. Benedict-Webb-Rubin -tilanyhtälö osoittautui ideaalikaasun tilanyhtälöä sekä Van der Waals ja Soave-Redlich-Kwong - yhtälöitä tarkemmaksi, minkä takia sitä käytettiin tässä työssä.
Työn tuloksia voidaan käyttää hydraulisen mäntäpaineakun toiminnan simuloimiseen. Mallin avulla voidaan laskea esimerkiksi paineakun lataamiseen tarvittava puristustyö sekä saatava paisuntatyö. Termiseen aikavakioon perustuvat simulointimallit ovat perinteisiä malleja paljon tarkempia, koska terminen aikavakio huomioi syklin aikana tapahtuvan lämpöhäviön. Termisen aikavakion avulla voidaan laskea myös usein tuntematon lämmönsiirtymiskerroin. Termisen aikavakion identifioimisessa ongelmana on, että lämmönsiirto paineakussa riippuu useasta muuttujasta, joten pelkkä yksi aikavakio ei riitä kuvaamaan sen dynamiikkaa. Työssä paneuduttiin siihen, miten aikavakio voidaan määrittää mittauksista saatavaa rajallista informaatiota käyttäen.
The aim of this thesis was to analyze factors affecting thermal time constant and to evaluate a value for the thermal time constant in a hydraulic piston accumulator. The value of thermal time constant expresses speed of heat transfer. In other words, it is the time it takes for the gas temperature to drop by 63.2 percent.
In this thesis, three different factors affecting thermal time constant were analyzed: charging speed, compress ratio and pre-charge pressure. The value of thermal time constant was calculated by analyzing the pressure drop during storage phase and estimating with a simulation model.
It was found out that a single value of thermal time constant can’t represent heat transfer for the accumulator. Charging speed had a higher effect to the value of thermal time constant than compress ratio. When charging faster, the value of thermal time constant was found out to be lower (i.e., faster heat transfer). Faster charging resulted in higher temperatures which means that natural convection is also stronger and thus heat transfer is faster between gas and accumulator wall. The small influence of compress ratio was probably caused by the effects of higher pressure and smaller heat transfer area repealing each other. Higher pre-charge pressure increased the value of thermal time constant, because of higher heat capacity.
In this thesis, accuracy of four commonly used equations of state were analyzed within the scope of the measurements. It was found out that the Benedict-Webb-Rubin equation was more accurate than Van der Waals, Soave-Redlich-Kwong and ideal gas equations and thus it was also used in this thesis.
The results of this thesis can be used in simulation models of hydraulic piston accumulators to calculate work done by compression or work from expansion. Because of the thermal time constant, it is possible to model the behavior of gas more accurately compared to traditional models. With the thermal time constant it is possible to estimate values for often unknown heat transfer coefficient. The problem in identification of thermal time constant is that the heat transfer in hydraulic accumulator depends on many parameters and thus it can’t be expressed as a single value of time constant. The thesis focused on how the time constant can be determined using limited information from the measurements.