- •Теплотехника
- •634003, Г. Томск, ул. Партизанская, 15. Общие методические указания
- •Литература
- •1.Программа дисциплины
- •1.1.Цель и задачи дисциплины
- •1.2.Основное содержание дисциплины
- •1.2.1.Введение
- •1.2.2. Основные понятия и определения термодинамики
- •Методические указания
- •1.2.3. Законы термодинамики
- •Методические указания
- •1.2.4. Термодинамические процессы
- •Методические указания
- •1.2.5. Реальные газы и пары
- •Методические указания
- •1.2.6. Влажный воздух
- •Методические указания
- •1.2.7. Термодинамика потока. Истечение и дросселирование газов я паров
- •Методические указания
- •1.2.8.Термодинамический анализ процессов в компрессорах
- •Методические указания
- •1.2.9.Циклы двигателей внутреннего сгорания
- •Методические указания
- •1.2.10.Циклы холодильных установок и термотрансформаторов
- •Методические указания
- •1.2.11 .Основные понятия и определения теплопередачи
- •Методические указания
- •1.2.12.Теплопроводность
- •Методические указания
- •1.2.13.Конвективный теплообмен
- •Методические указания
- •1.2.14. Теплообмен излучением
- •Методические указания
- •1.2.15.Основы расчета теплообменных аппаратов
- •Методические указания
- •1.2 1.2.16.Основы теплоснабжения
- •2.Курсовая работа
- •2.1Методические указания к курсовой работе
- •2.2 Задание к курсовой работе
- •2.2.1 Расчет турбонагнетателя двс
- •2.2.2. Расчет теоретического цикла двигателей внутреннего сгорания (двс)
- •2.2.3 Расчет водяного радиатора двс
- •Расчет температурного поля в стенке цилиндра двс
- •2.3 Контрольные вопросы
- •2.4 Примеры расчета задач
- •2.4.1. Расчет турбонагнетателя двс
- •2.4.2. Расчет теоретического цикла двигателя внутреннего сгорания
- •2.4.3. Расчет теплообменного аппарата ( водяного радиатора)
- •2.4.4. Расчет температурного поля в стенке цилиндра двс
- •2.4.5. Расчет радиационного теплообмена
- •Курсовая работа по « Теплотехнике»
2.4.2. Расчет теоретического цикла двигателя внутреннего сгорания
Задача 2. Воздух с параметрами р1=0,117 Мпа и Т1=301 К поступает в двигатель внутреннего сгорания (ДВС), где он является рабочим телом в теоретическом цикле ДВС со смешанным подводом теплоты. Степень сжатия в цикле e = 14; степень повышения давления - l = 1,4; степень предварительного расширения r = 1,6. Расход газа G0 =0,5 кг/с. Относительный внутренний КПД ήоi= 0,76; механический КПД ήм =0,85; число цилиндров = 8; а также тактность ДВС τтак =4.
Низшая теплота сгорания топлива составляет
Процессы сжатия и расширения газа принять адиабатными.
Определить: термические параметры газа в характерных точках цикла, изменение внутренней энергии, энтальпии, а так же работу, техническую работу и теплоту каждого процесса цикла; работу цикла; подведенную и отведенную в цикле теплоту; среднюю температуру подвода теплоты, среднеиндикаторное давление, термический КПД цикла и сравнить его с термический КПД обратимого цикла Карно для того же интервала температур.
Рассчитать теоретическую, индикаторную, эффективную мощности ДВС, удельный эффективный и часовой расходы топлива.
Вычислить диаметр цилиндра D двигателя, если принять, что ход поршня Sпор равен диаметру цилиндра.
Изобразить теоретический цикл ДВС в Р-V и Т-s диаграммах в масштабе. Показать на диаграммах подведенную и отведенную теплоту цикла, и техническую работу процессов сжатия и расширения.
Найти эффективный удельный bе, кг/(кВт ч) и часовой В, кг/ч расход топлива.
Решение
Двигатели внутреннего сгорания подразделяют на три группы двигателей.
Двигатели, работающие со смешанным подводом теплоты, т.е. часть топлива сгорает при постоянном объеме, а отставшая часть сгорает при постоянном давлении, цикл Тринклера, по этому циклу работают все безкомпрессорные дизеля. (рис. 2.3).
p T
3
q//1 4
q//1
4
q/1
dq=0 3
q/1
5
2
2
q2
5
dq=
0
q2 1
1
s v
Рис. 2.3. Термодинамический цикл двигателей внутреннего сгорания при смешанном подводе теплоты (цикл Тринклера):
а)- на pv- диаграмме; б)- на .Тs- диаграмме.
Двигатели, работающие с подводом теплоты при постоянном объеме, т.е. основная часть топлива сгорает при постоянном объеме, цикл Отто, по этому циклу работают все карбюраторные двигатели, т.е. двигатели с внешним смесеобразования горючей смеси;
3 p 3 T
q1
dq=0
q1
2
4 2 4
q2
q2
1
1p
v s
Рис. 2.4. Термодинамический цикл двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто):
а)- на pv- диаграмме; б)- на .Тs- диаграмме.
Д
P T
q1
3
dq=0
q1
4
q2
4
q2
v
s
1
Рис. 2.5.Термодинамический цикл двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля):
а)- на pv- диаграмме; б)- на Тs- диаграмме.
В данной задаче рассматривается цикл Тринклера.
Рабочее тело обладает свойствами воздуха (воздух считается двухатомным газом; мольная масса =29 кг/кмоль; газовая постоянная R=287 Дж/(кг×К); изобарная мольная теплоемкость mСр = 29,31 кДж/(кмоль×К); изохорная мольная теплоемкость mСv = 20,93 кДж/(кмоль×К); показатель адиабаты k = 1,4 [Приложение1]).
Расчет массовых теплоемкостей воздуха cp и cv
cv = mсv / m = 20,93 / 29 = 0,722кДж/(кг×К);
cp = mср / m = 29,31 / 29 = 1,01 кДж/(кг×К);
Расчет термических параметров (p, v, T) для точек цикла:
Точка 1.
р1= 0,117 МПа, Т1=301 К.
Расчет начального объема v1.
v1 = (R T1) / p1 = (287 × 301) / (0,117× 106) = 0,738 м3/ кг.
Точка 2.
Так как степень сжатия e = v1 / v2=14, то удельный объем
v2 = v1 / e = 0,738 /14 = 0,0527 м3/ кг.
Расчет давления р2.
Из уравнения адиабатного процесса 1 - 2 рассчитываем давления р2 и используя уравнения состояния идеального газа температуру Т2:
р2 = p1 (v1 / v2)к = p1 ( e )к = 0,117 × 141,4 = 4,71 МПа;
T2 = (р2 × v2) / R = (4,71× 106 × 0,0527) / 287 = 865 К.
Точка3.
Процесс 2-3 изохорный процесс т.е. v3 = v2 = 0,0527 м3/ кг.
Так как степень повышения давления l = р3 / р2=1,4, то
р3 = р2 × l = 4,71×1,4 = 6,59 МПа.
Так как процесс 2 - 3 изохорный, то Т3 / T2 = P3 / Р2 = l, следовательно
Т3 = T2 × l = 865 ×1,4 = 1211 К.
Точка 4.
Процесс 3-4 изобарный процесс, т.е. р3 = р4 = 6,59 МПа.
Степень предварительного расширения = v4 / v3=1,6, то
v4 = v3×=0,0527×1,6= 0,0843 м3/ кг.
Используя уравнения состояния идеального газа находим температуру Т4:
Т4= (р4 × v4) / R = (6,59 × 106 × 0,0843) / 287 = 1938К.
Точка 5.
Процесс 5 - 1 изохорный, т.е. v5 = v1 = 0,738 м3/ кг.
Процесс 4 – 5 адиабатный. Из уравнения адиабатного процесса находим давление р5.
р5 = р4 (v4 / v5) k = 6,59× ( 0,0843 / 0,738)1,4 = 0,316 МПа.
Температура Т5 находится из уравнения состояния
Т5 = (р5 × v5) / R = (0,316 × 106 × 0,738) / 287 = 814 К.
РРасчет изменения калорических параметров (u, i, s).
Изменение внутренней энергии производится по формуле, кДж/кг
u = cv×T,
u1-2= u2-u1=0,722×(865 – 301)= 407,
u2-3 = 250,u3-4=525, u4-5= -812, u5-1=.-370
Изменение энтальпии производится по формуле, кДж/кг
i = cp×T,
i1-2= i2-i1=1,01×(865 – 301)= 570
2-3 = 350, i 3-4=734, i 4-5=-1136, i 5-1=.-518
Изменение энтропии производится по формуле, кДж/(кг×К)
s = cp×ln (Ti+1 / Ti) - R ln (pi+1 / pi).
s1-2= s2-s1=1.01× ln (865 / 301) – 0.287× ln (4.71 / 0.117) =0,00,
s 2-3 = 0,25, s 3-4= 0,48, s 4-5=0,00, s 5-1=.-0,73.
По результатам расчетов построены рабочая и тепловая диаграммы
Расчет работы l, располагаемой работы lp и теплоты q для каждого процесса цикла
Процесс 1 - 2 (адиабатный процесс, dq = 0).
l1-2 = -u1-2= -407 кДж/ кг; lр1-2 = -i1 =-570 кДж/ кг; q 1-2= 0.
Процесс 2 - 3 (изохорный процесс, v3 = v2=0,0527 м3/кг)
l2-3 = 0; lр2-3= -v2×( р3- р2)=-0,0527×(6,59-4,71)= 100 кДж/ кг;
q 2-3=u2-3 = 250 кДж/ кг.
Процесс 3 - 4 (изобарный процесс, р3 = р4=6,59 МПа).
L3-4 = р3×( v4- v3) =6,59 ×(0.0843-0,0527) ×103= 263кДж/ кг;
lр3-4=0; Q3-4=i3-4 = 734 кДж/ кг
Процесс 4- 5 (адиабатный процесс, dq = 0).
l4-5 = -u4-5= 812 кДж/ кг; lр4-5 = -i1 =1136 кДж/ кг; q 4-5= 0.
Процесс 5 - 1 (изохорный процесс, v5 = v1=0,738 м3/кг).
L5-1 = 0; lр5-1= v5×( р5- р1)=0,738×(0,316-0,117)×103 = 148 кДж/ кг;
Расчет теплоты подведенной и отведенной в цилиндре ДВС.
Подведенная теплота в цикле определяется как сумма поло тельных теплот отдельных процессов цикла. О подводе или отводе теплоты в процессах можно судить так же по изменению энтропии. Если энтропия в процессе увеличивается, то теплота подводиться, если уменьшается, то теплота в процессе отводиться.
В данной задаче теплота подводиться в процессах 2-3 и 3-4
q1=q2-3+q3-4= 250+734=984 кДж/ кг.
Отведенная теплота в цикле определяется как сумма отрицательных теплот в отдельных процессах, взятых по модулю
q2 =|q5-1|= 370 кДж/ кг.
.Работа цикла можно рассчитать как сумму работ всех процессов цикла с учетом их знака, или как сумма располагаемых работ всех процессов цикла с учетом их знака или как разность подведенной и отведенной теплоты цикла
lц = S li = l1-2 +l2-3 + l3-4 + l4-5+ l5-1= S lрi = lр1-2 +lр2-3 + lр3-4 + lр4-5+ lр5-1, lц = -407 + 0 + 209 + 812 + 0 + =614 кДж/ кг,
или lц =q1+q2= 984+250=614 кДж/ кг.
Эффективность работы цикла оценивается термическим КПД, который рассчитывается по уравнению
t= lц / q1=1- q2 / q1; t= 1- 250 / 984 = 0,624,
или t=1-=
= 1-=0,624.
Термический КПД цикла Карно, работающего в том же интервал температур, что и основной цикл
tк= 1- Тмин / Тмак; tк= 1- 301 / 1938 = 0,845,
где Тмин и Тмак минимальная и максимальная температура рабочего тела в рассматриваемом цикле.
Теоретическая мощность ДВС составляет, кВт
Nt = lц×G0= 614×0.5 =307
Индикаторная мощность, то есть мощность, которую развивают газы внутри цилиндров ДВС, составляет
Nш = Nt× oi= 307×0.76 =233 кВт
Эффективная мощность, то есть мощность, которая снимается с вала двигателя, составляет
Ne = Nt× oi×м = 307×0.76×0.85 =198 кВт.
Среднеиндикаторное давление представляет собой такое условно- постоянное давление, которое, действуя на поршень ДВС, в течении одного хода совершает работу равную работе газов за весь цикл
Рi=Li / Vh = li /(v1- v2) = ( lц × oi ) /(v1- v2);
Рi =(614×0.76)/ (0.738 -0.0527) ×103=6.81 ×105 Па.
Часовой расход топлива, кг/ч
В= 3600 q1×G0×/Qpн= 3600× 984×0,5 /42000 = 42,17
Эффективный удельный расход топлива- это расход топлива на единицу эффективной мощности двигателя
bе=B / Ne= 42.17 / 198 = 0.213 кг/ кВт-ч
Для различных типов двигателей эффективный удельный расход топлива bе= 0,50…0,20 кг/ кВт-ч, причем наименьшие показатели эффективного удельного расхода топлива имеют четырехтактные дизеля.