1. Цель курсового проекта
Методическое пособие предназначено для студентов, знакомых с терминологией, основными определениями и положениями дисциплины “Рабочие процессы, конструкция и основы расчёта энергетических установок и транспортно-технологического оборудования”.
1. Закрепление теоретического материала по дисциплинам “Рабочие процессы, конструкция и основы расчёта энергетических установок и транспортно-технологического оборудования”, «Термодинамика» и «Теплотехника».
К наиболее значимым вопросам этих дисциплин, знание которых необходимо для выполнения работы, относятся:
основные газовые законы и первый закон термодинамики;
равновесные обратимые термодинамические процессы идеального газа;
теплоемкость газа в термодинамическом процессе;
второй закон термодинамики и термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС);
2. Приобретение практических навыков в выполнении расчётно-аналитических исследований поршневых ДВС.
3. Приобретение навыков в графическом построении индикаторных и тепловых диаграмм термодинамических циклов и индикаторных диаграмм двигателей.
4. Умение рассчитывать основные показатели двигателя и его внешнюю скоростную характеристику.
2. Основные допущения
В проекте необходимо выполнить термодинамический расчёт идеализированного цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания и проанализировать результаты расчёта.
В соответствии со вторым законом термодинамики рассматривается замкнутый цикл двигателя с неизменным рабочим телом во всех термодинамических процессах, составляющих цикл.
Рабочее тело – воздух, подчиняющийся уравнению состояния идеального газа.
Расчёт выполняется с использованием средних мольных теплоёмкостей рабочего тела (воздуха), которые зависят только от температуры.
Термодинамические процессы, составляющие цикл, равновесные и обратимые, процессы сжатия и расширения – политропные.
С целью расчёта параметров двигателя, в исходные данные дополнительно включены число цилиндров двигателя, частота вращения его коленчатого вала и тактность двигателя.
3. Требования к содержанию и оформлению пояснительной записки
Содержание пояснительной записки к проекту.
Описать цикл двигателя, расчёт которого предстоит выполнить. Описание следует строить на подробных комментариях термодинамических процессов, из которых образован цикл двигателя. В описании должны быть приведены различные формы уравнений связи между параметрами состояния рабочего тела в этих термодинамических процессах, а также необходимо показать, как можно рассчитать работу рабочего тела, подведенное (отведенное) тепло и изменение энтропии рабочего тела в термодинамических процессах. Кроме этого, в описании необходимо показать, каким образом можно контролировать точность расчётов.
В расчётной части необходимо:
а) определить параметры состояния и энтропию рабочего тела в характерных точках цикла;
б) определить параметры состояния и энтропию рабочего тела в дополнительных точках для построения индикаторной и тепловой диаграмм цикла;
в) рассчитать работу рабочего тела и подведенное (отведенное) к нему тепло во всех термодинамических процессах, составляющих цикл;
г) рассчитать результирующую работу рабочего тела, суммарное подведенное и отведенное тепло в цикле, среднее индикаторное давление рабочего тела и индикаторную мощность двигателя;
д) рассчитать термический коэффициент полезного действия цикла и сравнить его с термическим коэффициентом полезного действия цикла Карно, реализованного в этом же диапазоне температур;
е) рассчитать цикловые расходы топлива и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха;
з) построить индикаторную и тепловую диаграммы цикла;
и) построить индикаторную диаграмму двигателя;
к) рассчитать и построить внешнюю скоростную характеристику двигателя, включая зависимость удельного расхода топлива от частоты вращения коленвала двигателя.
Требования к оформлению пояснительной записки.
Пояснительную записку оформить на бумаге формата А4 в соответствии с требованиями к текстовым документам. Расчёты могут выполняться с помощью компьютера с использованием любого программного модуля BASIC, FORTRAN, MathCad и т.д. Графики выполняются тонкими линиями черным карандашом на миллиметровой бумаге формата А4 или же в любом графическом пакете - Нуреr Mesh, AGrapher, MathCad, AutoCAD и т.д..
При расчёте каждой искомой величины необходимо приводить расчётную зависимость, числовые значения входящих в неё величин и единицу измерения.
Изложение сопровождать таблицами, в которые заносить параметры необходимые для построения индикаторной и тепловой диаграмм цикла, индикаторной диаграммы и внешней скоростной характеристики двигателя.
В заключении привести таблицу всех значимых параметров цикла и двигателя.
Вычисления производить с точностью:
температуры—до 1.0 К;
давления— до 0.1 кПа (100Па);
объема — до 0.001 л (0.001 дм3);
энергии, теплоты и работы —до 1 Дж;
мощности — до 1 кВт;
момента – до 1Нм;
мольной теплоемкости — до 0.01 Дж/(моль*К);
энтропии рабочего тела – до 0.001 Дж/(К);
4. Математическое моделирование идеализированного цикла поршневого ДВС со смешанным процессом подвода тепловой энергии и с политропными процессами сжатия и расширения рабочего тела
Методика термодинамического расчета
4.1. Исходные данные
Рабочее тело — воздух, подчиняющийся законам идеального газа.
Давление рабочего тела в исходной точке “a” (начало процесса политропного сжатия) – Pа (рис. 1).
Температура рабочего тела в исходной точке - Tа.
Максимальный объем рабочего тела (полный объем цилиндра) -Vа.
Степень сжатия - ε — Vа/Vс (Vс –наименьший объём рабочего тела после политропного сжатия).
Степень повышения давления рабочего тела в изохорном процессе подвода тепловой энергии λ = Pу/Pс = Pz/Pc (Pс, Ру и Pz - давление рабочего тела в характерных точках цикла – см. рис.1).
Cтепень предварительного расширения рабочего тела в изобарном процессе подвода тепловой энергии к рабочему телу - ρ = Vz/Vс.
Показатель политропы сжатия рабочего тела (воздуха) –n1.
Показатель политропы расширения рабочего тела – n2.
Частота вращения коленчатого вала двигателя —N.
Число цилиндров в двигателе — i.
Тактность двигателя принять равной четырём.
Образец задания на курсовой проект приведен в приложении к методическому пособию.
Рис.1. Индикаторная
диаграмма термодинамического цикла с
изохорно – изобарным процессом подвода
энергии в тепловой форме