低调奢华有内“焓”,内燃机专业了解一下

文摘   2024-09-22 07:00   英国  
如切如磋,如琢如磨——这是一种精益求精的追求学问的精神。每当因此而有所精进,便觉得人间值得。
一隅
比方说,最近有位同道问起EES(Engineering Equation Solver)怎么求气(应作“汽”)态冷媒和液态冷媒的焓值,这个正好是我很清楚的,工作中经常调用EES中的物性函数得到饱和汽态和饱和液态的焓值(比焓),但为了偷懒,还是通过ChatGPT迅速生成了一个回答:
"定义状态参数,假设给定压力和温度"T = 25 [C]  "温度"P = 800 [kPa]  "压力"
"求液态冷媒的焓值"h_liquid = enthalpy(R134a, T=T, x=0) "液态,x=0表示饱和液体"
"求气态冷媒的焓值"h_vapor = enthalpy(R134a, T=T, x=1) "气态,x=1表示饱和蒸气"
"输出焓值"h_liquid "饱和液态冷媒焓值 [kJ/kg]"h_vapor "饱和气态冷媒焓值 [kJ/kg]"

简单审查了一下,函数调用语法正确,只是中文注释EES无法识别,最后的“输出焓值”部分有点狗尾续貂,也无法识别(因为不是方程)。

以上自动生成的代码发出去后,看到回复说“突然有种石破天惊,我怎么没想到的感觉”——没错,就是这样的一些瞬间,一种若有所悟的快感,传遍我们周身。

对于回答问题的人,当然并没有如此激动,“闻道有先后,术业有专攻”,如是而已。

然而切磋问题的意义不在于提供答案,而在于给予讨论参与者灵感与启发。孔子说,“举一隅不以三隅反,则不复也”,不要满足于得到一个答案,而是要打开思路,想到更多。

二隅

因为聊到“焓值”,我想到自己与之相关的一些困惑及其消解。

大家知道,做热相关的计算,常常需要用到不同软件,例如做散热器和冷却系统计算采用EES,而换热器的计算采用ASPEN EDR(做板翅式和板式换热器等)。做计算就少不了查询物性,这一般是集成在软件内的。

有一次,我惊奇地发现,同一个状态的物质,在EES和EDR中查到的比焓(单位质量物质的焓值)居然大相径庭:

EES查空气在40和50℃的比焓:

h2=Enthalpy(Air,T=50[C])h1=Enthalpy(Air,T=40[C])deltaH=h2-h1

得到答案:

再看看EDR的表现:

很明显,EDR的比焓在40℃时为0 kJ/kg,在50℃时为10.1 kJ/kg,这两个数值比起EES的可小多了……

这是咋回事?难道有一方错了不成?

记得那个时候我慌得一批,疯也似的检查哪里出了“差错”,一时间陷入了深深的怀疑。

问题症结在于,当时我还没有建立“焓值是相对数”的概念,这也暴露出我对热力学基础概念的掌握不够扎实。

焓值定义是H=U+pV,是热力学中表征物质系统能量的状态参量,它是相对数,根据选取的基准点不同其绝对值不同。

其实EES和EDR得到的不同状态之间的焓差是一致的,这就够了,在散热器、换热器或冷却系统的计算中,用到的也就是焓差的概念。例如在冷却系统中,一个泵前后的状态变化包含了温度和压力的变化,这个过程用方程表达出来就是:

"求入口和出口状态焓值"h_in = enthalpy(fluid$, T=T_in, P=P_in)  "入口焓值"h_out = enthalpy(fluid$, T=T_out, P=P_out)  "出口焓值"
"计算泵的功率"W = m * (h_out - h_in)  "泵做功"

三隅

真正再次勾起我这段记忆的,是最近读一篇讣告(王宏基的学生)时意外撞见的一本老古董——73年前出版的《内燃机》,王宏基编著。该书1951年由上海龙门联合书局出版发行。

纪念蔡元虎的文章
1951年内燃机
对内燃机我是有感情的,因为追根溯源,我们这个专业最早的名称就是“内燃机”。1958年,经国家高教部批准,浙江大学成立内燃机及汽车拖拉机专业,学制5年。但到我上学的2006年,专业名字已经是“能源动力类”、“能源与环境系统工程及其自动化”,华丽变身,高端大气上档次了~

翻开这本书,是满满的敬意。读这个书,有种古今对话的神秘感。

正是读到这一页所说的——“焓是相对数,因为其中的内能是相对的”,令我有一种“突然有种石破天惊,我怎么没想到的感觉”。仿佛之前关于EES和EDR得到的焓值绝对值不同的困惑,一下子烟消云散。

当然,对于热力学熟稔的方家,肯定要笑话我见识短浅了。

但这就是乐趣,《胡适谈读书》一文中曾经写道——“怕什么真理无穷,进一寸有一寸的欢喜”。

愿各位也能得到同样的乐趣。

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分享传热学新知,游于工业界与学术界,主要涉及相变传热、冷却系统、微通道、流热耦合快速计算、降阶热模型等领域,以及EES (Engineering Equation Solver)、COMSOL等软件应用,在工程设计人员之间建立高效连接