- •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
4.3. Термический коэффициент полезного действия цикла
Удельная тепловая энергия, подведенная к рабочему телу из окружающей среды – qподв, определяется по уравнению 4.2, в котором следует оставить только лишь положительные слагаемые. Тогда, полная тепловая энергия, подведенная к рабочему телу, равна
Qподв = Nмол * qподв
Термический коэффициент полезного действия цикла рассчитывается на основании определения
η t= Wрез/Qподв 4.4
Это значение эффективности цикла можно оценить, сравнивая термические кпд рассчитываемого цикла и цикла Карно, реализованного в этом же диапазоне температур.
ηК = 1 –Ta/Tz
4.4. Среднее индикаторное давление рабочего тела и индикаторная мощность двигателя
Среднее индикаторное давление рабочего тела – это параметр, который показывает, насколько компактным может быть изготовлен двигатель. Для такой оценки следует учитывать и особенности термодинамического цикла, по которому работает двигатель, и заданные исходные данные для расчёта. По определению, среднее индикаторное давление равно
Pi = Wрез/(Va – Vc) = Wрез/Vh, 4.5
где Vh – это объём, описываемый поршнем двигателя за один ход.
В соответствии с определением 4.5: среднее индикаторное давление цикла Pi - это такое условное значение давления рабочего тела, произведение которого на описываемый поршнем объём за один ход, равно результирующей работе цикла.
Индикаторная мощность четырёхтактного двигателя может быть определена по уравнению
Ni = i*Wрез*(N/60/2)/1000 [кВт], 4.6
в которой
i – количество цилиндров двигателя;
N – частота вращения коленвала двигателя в об/мин;
N/60/2 – количество совершаемых циклов за 1 секунду в одном цилиндре двигателя (частота вращения коленвала N задана в об/мин).
4.5. Цикловой расход топлива, цикловой расход воздуха и коэффициент избытка воздуха
Принимая низшую теплотворную способность (теплоту горения) дизельного топлива равной 10400 ккал/кг и используя известные соотношения между единицами энергии, получим расход топлива в одном цилиндре двигателя за один цикл (цикловой расход топлива)
Gтц = Qподв/9.81/427/10400 [кг/цикл] 4.7
Количество воздуха, наполняющего один цилиндр двигателя за один цикл, определится из простейшего соотношения
Gвц = µ* Nмол /1000 [кг/цикл], 4.8
где µ = 28.96 кг/кмоль – молекулярная масса воздуха, а Nмол – количество молей воздуха в одном цилиндре двигателя.
Учитывая, что для полного сгорания 1 килограмма дизельного топлива необходимо 14.8 килограмм воздуха [2], запишем соотношение для коэффициента избытка воздуха
α= Gвц/Gтц/14.8 4.9
Коэффициент избытка воздуха чрезвычайно важный параметр двигателя, от которого в значительной мере зависят качество горения топлива, экологические характеристики двигателя и его компактность. Студенту предоставляется возможность самостоятельно прокомментировать полученное в его варианте проекта значение коэффициента избытка воздуха.