- •Е.Г. Жулина, а.Г. Китов, ф.Е. Кальницкий
- •Вариант №30
- •1. Основные допущения
- •2. Содержание контрольной работы и пояснительной записки
- •3.2. Краткое описание идеализированного цикла теплового двигателя
- •3.2.1. Термодинамический процесс политропного сжатия рабочего тела. Уравнения обмена механической и тепловой энергией между рабочим телом и окружающей средой. Энтропия рабочего тела
- •3.2.1.1. Уравнение термодинамического политропного процесса сжатия [1]
- •3.2.1.2. Энергия в механической форме, которой обмениваются рабочее тело и окружающая среда (в нашем случае это работа изменения объёма), описывается интегральным соотношением [1]
- •3.2.2. Термодинамический изохорный процесс подвода тепловой энергии
- •3.2.3. Термодинамический изобарный процесс подвода тепловой энергии
- •3.2.4. Термодинамический процесс политропного расширения рабочего тела
- •3.2.5. Термодинамический изохорный процесс отвода тепловой энергии
- •4. Определение параметров двигателя
- •4.1. Результирующая работа цикла
- •4.2. Суммарная тепловая энергия цикла
- •4.3. Термический коэффициент полезного действия цикла
- •4.4. Среднее индикаторное давление рабочего тела и индикаторная мощность двигателя
- •4.5. Цикловой расход топлива, цикловой расход воздуха и коэффициент избытка воздуха
- •4.6. Расход топлива двигателем, мощность двигателя и его удельный расход топлива
- •5. Индикаторная диаграмма цикла
- •6. Внешняя скоростная характеристика двигателя
- •Пример расчёта
- •7. Термодинамический расчет идеализированного цикла поршневого двс со смешанным процессом подвода тепловой энергии к рабочему телу
- •7.1. Исходные данные:
- •7.2. Определение количества рабочего тела, участвующего в осуществлении цикла
- •7.3. Определение значений параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла:
- •7.3.2. Значения параметров состояния рабочего тела в точке у (в конце изохорного процесса подвода тепловой энергии c-y)
- •7.3.3. Значения параметров состояния рабочего тела в точке z (в конце изобарного процесса подвода тепловой энергии y-z)
- •7.4. Проверка правильности вычислений параметров состояния рабочего тала в характерных точках цикла
- •7.5. Результирующая работа цикла, среднее индикаторное давление рабочего тела и индикаторная мощность двигателя
- •7.5.2. Среднее индикаторное давление рабочего тела в цикле
- •7.5.3. Индикаторная мощность двигателя
- •7.6. Расчёт тепловой энергии, которой рабочее тело обменивается с окружающей средой
- •7.6.1. Мольные теплоёмкости воздуха и обмен тепловой энергией между рабочим телом и окружающей средой в процессе политропного сжатия a-c
- •7.6.2. Мольные теплоёмкости воздуха и количество тепловой энергии, подведенной к рабочему телу из окружающей среды в изохорном термодинамическом процессе c-y
- •7.6.3. Мольные теплоёмкости воздуха и количество тепловой энергии, подведенной к рабочему телу из окружающей среды в изобарном термодинамическом процессе y z
- •7.6.4. Средние мольные теплоёмкости воздуха и обмен тепловой энергией между рабочим телом и окружающей средой в процессе политропного расширения z-b рабочего тела
- •7.6.5 Мольные теплоёмкости воздуха и количество тепловой энергии, отведенной от рабочего тела в окружающую среду в изохорном термодинамическом процессе b-a
- •7.6.6 Результирующие параметры обмена тепловой энергией между рабочим телом и окружающей средой в цикле
- •7.7. Расчёт параметров двигателя
- •7.7.1. Термический коэффициент полезного действия цикла
- •7.7.2. Цикловой расход топлива, цикловой расход воздуха и коэффициент избытка воздуха
- •7.7.3 Расход топлива двигателем, мощность двигателя и его удельный расход топлива.
- •7.8. Построение индикаторной диаграммы цикла
- •7.8.1. Назначение и значимость индикаторной диаграммы цикла
- •7.8.2. Последовательность построения индикаторной диаграммы цикла и результаты расчётов параметров для построения диаграммы
- •7.9. Внешняя скоростная характеристика двигателя
- •Внешняя скоростная характеристика двигателя
- •7.9. Выводы
- •Мощность двигателя в кВт,
- •Частота вращения коленвала в об/мин
- •Приложение
- •2. Обозначения и единицы измерения физических величин, используемых в контрольной работе
- •Литература
3.2.4. Термодинамический процесс политропного расширения рабочего тела
В термодинамическом процессе z-b происходит политропное расширение рабочего тела. Объём рабочего тела в конце процесса расширения принимает начальное значение (см. рис.1) - Vb = Va.
Политропный процесс сжатия достаточно подробно описан в разделе 3.2.1. Уравнения политропных процессов расширения и сжатия идентичны и поэтому вывод уравнений для политропного процесса расширения здесь не приводится.
Однако, следует иметь в виду, что в политропном процессе расширения рабочего тела последнее совершает механическую работу над окружающей средой, и эта работа, в соответствии с правилом знаков термодинамики, положительна.
Ещё одна особенность политропного расширения рабочего тела в ДВС состоит в следующем. В процессе расширения рабочее тело имеет более высокую температуру, нежели стенки цилиндра двигателя. Поэтому тепловая энергия отводится от рабочего тела в окружающую среду. Вместе с тем, в этом процессе догорает оставшееся топливо и к рабочему телу продолжает подводиться тепло. В общем случае знак тепловой энергии, которой рабочее тело обменивается с окружающей средой, может быть как положительным, так и отрицательным. Как было отмечено ранее, знак тепловой энергии в политропном процессе расширения зависит от соотношения между показателями политропы и адиабаты. Заданное в исходных данных к контрольной работе значение показателя политропы учитывает оба отмеченных явления.
3.2.5. Термодинамический изохорный процесс отвода тепловой энергии
от рабочего тела
В термодинамическом процессе b-a происходит изохорный отвод теплоты от рабочего тела. В поршневых двигателях внутреннего сгорания этот резкого уменьшения давления рабочего тела при открытии выпускных клапанов двигателя. Давление, температура и энтропия рабочего тела в конце этого процесса принимают те же значения, которые рабочее тело имело в начальной точке.
В целом, уравнения для изохорного процесса отвода тепла полностью аналогичны уравнениям изохорного процесса подвода тепла и поэтому для описания изохорного процесса b-a следует пользоваться уравнениями раздела 3.2.2.
4. Определение параметров двигателя
4.1. Результирующая работа цикла
Как было установлено ранее, механическая работа совершается в трёх термодинамических процессах цикла – в политропном сжатии рабочего тела, в процессе адиабатического расширения и в политропном расширении рабочего тела. Результирующая механическая работа цикла – это алгебраическая сумма указанных работ (работа сжатия отрицательна, т.к. она производится окружающей средой над рабочим телом).
Wрез = Wa-c + Wc-y+ Wy-z + Wz-b + Wb-a = Wa-c + Wy-z + Wz-b 4.1
4.2. Суммарная тепловая энергия цикла
Во всех термодинамических процессах, составляющих цикл, рабочее тело обменивается энергией в тепловой форме с окружающей средой. В изохорном процессе c-y и в изобарном процессе y-z теплота подводится к рабочему телу. В этих процессах тепловая энергия положительна. В изохорном процессе b-a теплота отводится от рабочего тела и эта теплота имеет отрицательный знак. В политропных процессах сжатия и расширения тепловая энергия, которой обмениваются рабочее тело и окружающая среда, может быть и положительной и отрицательной (знак тепловой энергии определяется соотношением показателей политроп и адиабат процессов). Суммарная удельная тепловая энергия, которой обмениваются рабочее тело и окружающая среда за цикл, равна алгебраической сумме значений удельной теплоты во всех термодинамических процессах
Σq = qa-c + qc-y + qy-z + qz-b + qb-a, 4.2
а суммарная полная тепловая энергия равна
ΣQ = Nмол*Σq, 4.3
где количество молей вещества “Nмол” в одном цилиндре двигателя определяется из уравнения состояния идеального газа 3.2.
Т.к. в контрольной работе рассчитывается замкнутый термодинамический цикл, то из первого закона термодинамики следует, что результирующая работа цикла равна суммарной тепловой энергии, которой обмениваются рабочее тело и окружающая среда. Это позволяет студенту проконтролировать точность выполненных расчётов!