Термодинамический расчет двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

АКАДЕМИЯ ВОЕННО-МОРСКИХ СИЛ ИМЕНИ П.С. НАХИМОВА

ФАКУЛЬТЕТ СУДОВОЖДЕНИЯ И ЭНЕРГЕТИКИ СУДОВ

КАФЕДРА СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Выполнил: студент гр. 643 Петров Д. А

Проверил: Романова Э. Ю.

Севастополь

2013



Содержание

Введение

Исходные данные

1 Определение состава продуктов сгорания

2 Процесс сжатия воздуха в надувочном компрессоре (адиабатный)

3 Процесс охлаждения воздуха в воздухоохладителе (изобарный)

4 Процесс сжатия воздуха в цилиндре двигателя (адиабатный)

5 Процесс подвода теплоты при постоянном объеме (изохорный)

6 Процесс подвода теплоты при постоянном давлении (изобарный)

7 Процесс адиабатного расширения газов в цилиндре двигателя

8 Процесс изохорного отвода теплоты

9 Расчет цикла ГТУ установки (цикла наддува)

10 Термодинамический анализ полного комбинированного цикла двигателя

11 Исследование влияния некоторых параметров цикла на термодинамический коэффициент полезного действия



Введение

Техническая термодинамика обычно рассматривает термодинамические системы, обладающие двумя степенями свободы. Такие системы называют простыми. Примером такой системы является газ, заключенный в цилиндре с подвижным поршнем. Перемещение поршня влево внешней механической силой увеличит энергию газа. В этом случае используется механическая или деформационная степень свободы. Вторая степень свободы - тепловая или термодинамическая.

Вся работа закрытой системы расходуется на перемещение поршня и отдается внешнему потребителю. Эта работа называется технической.

В термодинамике важную роль играет величина, равная сумме внутренней энергии системы U и произведения давления системы р на объем системы V.

Эта величина называется энтальпией Н. Энтальпия, рассчитанная на 1 кг рабочего тела, называется удельной.

H = U + pV; h = u + pv.

Работа L против сил внешнего давления, связанная с увеличением объема системы, называется работой расширения. Работа расширения совершается системой против сил ОС

dl =

Энтальпия измеряется в тех же единицах, что и теплота, работа, внутренняя энергия. Между «h» и «u» существует однозначная связь, поэтому начало отсчета энтальпии связано с началом отсчета внутренней энергии. Поскольку энтальпия определяется величинами p, V, U, которые являются функциями состояния системы, то энтальпия также является функцией состояния и определяется только состоянием системы. Также как и внутренняя энергия, энтальпия может быть выражена в виде функции двух любых параметров состояния.

Первым законом термодинамики (первым началом термодинамики) называют закон сохранения и превращения энергии, который формулируют так: энергия же исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Следовательно, для любой изолированной термодинамической системы количество энергии остается неизменным. Этот закон имеет всеобщий характер.

Первый закон термодинамики для обратных процессов можно сформулировать так: подведенная к телу теплота расходуется на изменение его внутренней энергии и на работу расширения, которая зависит от пути процесса. Изменение внутренней энергии рабочего тела в необратимом процессе будет больше, чем в обратимом, за счет теплоты трения.

Таким образом, согласно первому закону термодинамики для получения полезной работы с помощью теплового двигателя и рабочему телу необходимо подводить теплоту. В термодинамике двигатель, производящий работу без подвода энергии от внешней среды, называют двигателем первого рода. В связи с этим первый закон термодинамики можно сформулировать так: вечной двигатель первого рода осуществлять невозможно.

Цикл Тринклера (назван по имени русского инженера Г.В. Тринклера, 1942 г.) осуществляется также в двигателях, работающих на тяжелом топливе. В них так же как и в двигателях, работающих по циклу Дизеля, в цилиндре всасывается воздух. Это позволяет применить высокие степени сжатия. Топливо впрыскивается в цилиндр при помощи форсунки и воспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха. Система топливоподачи настроена так, что часть топлива впрыскивается в крайнем левом положении поршня (ВМТ) и сгорает практически при неподвижном поршне, то есть процесс сгорания можно считать изохорным. При этом возрастает давление и температура газов. Остальная часть топлива, подается постепенно в процессе хода поршня от ВМТ к НМТ. В реальных циклах рабочее тело отличается по своим свойствам от идеального газа, а процессы адиабатного сжатия и расширения вследствие потерь энергии отклоняются от изоэнтропных. Имеют место и механические потери в двигателе, поэтому при анализе реальных циклов вводят внутренний относительный КПД двигателя, величина которого на основании экспериментальных данных.



Исходные данные

Атмосферное давление воздуха бар (760 мм. рт. ст.)

Температура атмосферного воздуха t =

Молекулярная масса воздуха (смеси газов) µ = 29

Газовая постоянная воздуха R = 287

Теплотворная способность топлива

Таблица. Условия курсовой работы для варианта № 14

Вариант	Массовый состав топлива	Коэффициент избытка	Давление наддува	Степень сжатия воздуха в цилиндре	Макс. давление газов в цилиндре	Степень предвари- тельного расширения
	gc	gн	g0	б	P1 (бар)	е2	P4	с
17	0,86	0,13	0,01	1,9	1,42	13,5	76,0	1,5



1 Определение состава продуктов сгорания

Количество киломолей газов на 1 кг топлива

Киломольный состав воздуха:

Число киломолей каждого газа, образующихся при полном сгорании 1 кг топлива

где - атомная масса компонента топлива;

- число атомов данного компонента топлива в молекуле данного газа.

? число киломолей СО₂:

- число киломолей Н₂О:

- число киломолей О₂, полученное из топлива:

Число киломолей атмосферного кислорода, необходимое для сгорания 1 кг топлива:

- для получения СО₂

- для получения Н₂О

- всего необходимо атмосферного кислорода

Число киломолей воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива

Избыточное количество воздуха

Число киломолей избыточного кислорода и атмосферного азота при сгорании 1 кг топлива

Общее количество продуктов сгорания после полного сгорания 1 кг топлива

Киломольный состав продуктов сгорания.

Объемные (киломольные) доли газов в смеси после полного сгорания топлива

Киломольные доли найдем по общей формуле

Киломольные доли газов в смеси после сгорания части топлива при постоянном объеме

m_v =

Общее число киломолей смеси

Киломольные доли газов в смеси



Таблица 1. Состав смеси для всех трех случаев (таблица 1)

Характеристики семси	Газы Обознач.	СО2	Н2О	О2	N2	Сумма
Состав воздуха		-	-	0,21	0,79	1,0
После сгоран топл при V=const		0,0408	0,0374	0,2408	0,6808	0,9988
После полного сгорания топл.		0,12305	0,11265	0,0913	0,6763	1,0

2 Процесс сжатия воздуха в надувочном компрессоре (адиабатный)

Параметры воздуха на входе в компрессоре.

Удельный объем:

; ; ;

Параметры воздуха на выходе из компрессора

; К = 1,3

Характеристики процессов.

Степень повышения давления в компрессоре

Степень сжатия воздуха в компрессоре

Удельная располагаемая работа компрессора по абсолютной величине

;

3 Процесс охлаждения воздуха в воздухоохладителе (изобарный)

Параметры воздуха на выходе из охладителя

р₂ = р₁ = 1,42 бар; Т₂ = Т₀ = 288 К; t₂ = 15⁰ С

Средняя теплоемкость воздуха

Характеристики процесса.

Степень промежуточного охлаждения.

Теплота процесса

Изменение удельной энтропии в процессе

3 Процесс сжатия воздуха в цилиндре двигателя (адиабатный)

Параметры воздуха в конце сжатия

Удельный объем в конце сжатия

Характеристики процесса

4 Процесс подвода теплоты при постоянном объеме (изохорный)

Параметры смеси газов в конце процесса

Средняя теплоемкость смеси газов

Таблица 2

Газы	,	600	695	700	800	892	900
СО2	0,12305	37,44	38,43	38,44	39,45	40,23	40,3
H2O	0,11265	27,88	28,44	28,47	29.08	29,65	29,7
О2	0,0913	23,45	23,84	23,83	24.18	24,46	24,51
N2	0,6763	21,84	22,125	22,14	22.43	22,70	22,73
Смесь	1,0	-	25,06	-	-	25,87	-

СО₂:

Н₂О:

О₂:

N₂:

Смесь:

Характеристики процесса

Теплота процесса:

Изменение удельной энтропии

6 Процесс подвода теплоты при постоянном давлении (изобарный)

Параметры смеси газов в конце процесса.

Давление:

Степень предварительного расширения:

Температура: продукты сгорания термодинамический

Средняя теплоемкость смеси газов:

Таблица 3

Газы	,	1400	1474,5	1500
СО2	0,12305	43,54	44,91	44,04
Н2О	0,11265	32,66	33,06	30,21
О2	0,0913	25,76	25,999	25,96
N2	0,6763	23,98	24,13	24,19
Смесь	1,0	-	27,799	-

СО₂:

Н₂О:

О₂:

N₂:

Смесь:

Характеристики процесса.

Работа процесса:

Теплота процесса:

Изменение удельной энтропии:

Удельная энтропия:

7 Процесс адиабатного расширения газов в цилиндре двигателя

Параметры смеси газов

Удельный объем газов в конце расширения:

Давление газов в конце расширения:

Температура газов в конце расширения:

Удельная энтропия:

Характеристики процесса

Степень адиабатного расширения:

Работа процесса:

8 Процесс изохорного отвода теплоты

Параметры смеси газов в конце процесса:

Средняя теплоемкость смеси

Газы		900	901,33	1000	0	15	100
СО2	0,12305	40,3	40,31	41,07	27,75	27,55	29,79
Н2О	0,11265	29,08	20,09	30,31	25,19	25,19	25,43
О2	0,0913	24,51	24,513	24,8	20,95	20,95	21,22
N2	0,6763	22,73	22,73	23,01	20,80	20,8	20,81
Смесь	1,0	-	25,67	-	-	22,56	-

СО₂:

Н₂О:

О₂:

N₂:

Смесь:

Характеристики процесса.

Характеристика процесса отвода теплоты:

Работа процесса:

Теплота процесса:

Изменение удельной энтропии:

Расчет цикла газотурбинной установки (цикла наддува)

Изобарный подвод теплоты (процесс 7-8):

Изменение температуры в процессе 7-8:

Давление:

Удельный объем смеси газов:

Изменение удельной энтропии

Адиабатное расширение газов в турбине (процесс 8-9)

Давление газов на выходе из турбины:

Удельный объем:

Температура газов на выходе из турбины:

Располагаемая работа турбины:

9 Характеристики цикла ГТУ (цикла наддува)

Работа цикла:

Отведенная теплота:

Термический КПД наддува



10 Термодинамический анализ полного комбинированного цикла двигателя

10.1 Параметры цикла.

Обозначение	Название параметра	Числовое значение
	Степень сжатия воздуха в компрессоре	1,296
	Степень повышения давления в компрессоре	1,4014
	Степень сжатия воздуха в цилиндре двигателя	13,5
	Общая степень сжатия	17,415
	Степень промежуточного охлаждения	1,0799
	Степень повышения давления	2,0821
	Степень предварительного расширения	1,4
	Степень адиабатного расширения	9,0
	Характеристика процесса отвода теплоты	3,036

10.2 Теплота и работа цикла:

Теплота, подведенная в цикле:

Теплота, отведенная в цикле:

Полезная работа цикла:

Работа цикла как сумма работы в отдельных процессах:

Расхождение, полученное при определении работы цикла разными способами:

10.3 Термический КПД цикла. Удельные расходы теплоты и топлива.

Термический КПД цикла

Теоретический удельный расход теплоты:

Теоретический удельный расход топлива:

11 Исследование влияния некоторых параметров цикла на термический КПД

11.1 Постановка задачи

11.2 Исследование влияние степени сжатия воздуха в компрессоре

Величина № точки		А	С	G
1	1,26	1,0799	0,0081	2,5351	0,5	0,6037
2	1,2	1,0562	0,004	2,531	0,49	0,591
3	1,4	1,1062	0,015	2,542	0,501	0,618
4	1,6	1,151	0,031	2,55	0,504	0,647
5	1,8	1,192	0,05	2,575	0,508	0,663
6	2,0	1,231	0,071	2,596	0,512	0,684
7	2,2	1,266	0, 914	2,618	0,516	0,691
8	2,4	1,3	0,104	2,639	0,521	0,7043

11.3 Исследование влияния степени сжатия в цилиндре

Величина № точки		B
1	13	2,152	0,4495	0,5983
2	13,5	2,18	0,4431	0,6037
3	14	2,20718	0,4378	0,6051
4	15	2,2533	0,4289	0,6078
5	16	2,2973	0,4204	0,6089
6	17	2,3395	0,41288	0,611
7	18	2,3800	0,4056	0,6131
8	19	2,4189	0,3992	0,6148

11.4 Исследование степени повышения давления л

Величина № точки	л	E	F	H	G	N	M
1	1,4	2,372	1,372	0,4	1.381	0,9	1,3	0,4481	0,5981
2	1,6	2,711	1,711	0,6	1,781	1,01	1,62	0,4464	0,5997
3	1,8	3,05	2,05	0,8	2,06	1,15	1,96	0,4448	0,6022
4	2,0	3,39	2,39	1	2,402	1,27	2,26	0,4437	0,6033
5	2,0821	3,527	2,527	1,0821	2,5351	1,3534	2,435	0,4431	0,6037
6	2,2	3,727	2,727	1,2	2,747	1,41	2,41	0,4428	0,6046
7	2,4	4,065	3,065	1,4	3,074	1,53	2,92	0,4422	0,6054
8	2,6	4,404	3,404	1,6	3,423	1,64	3,28	0,4417	0,6061

11.5 Исследование влияния степени предварительного расширения с.

Величина № точки	с	E	F	G	N	M
1	1,3	3,2241	2,2241	2,2327	0,812	2,1701	0,4351	0,6149
2	1,4	3,2527	2,2527	2,5351	1,083	2,24355	0,4431	0,6037
3	1,5	3,851	2,851	2,8506	1,3534	2,711	0,4488	0,6012
4	1,6	4,147	3,147	3,1286	1,624	2,972	0,4523	0,5977
5	1,7	4,4612	3,4612	3,4742	1,8947	3,243	0,4568	0,5932
6	1,8	4,773	3,773	3,793	2,1654	3,519	0,4613	0,5887
7	1,9	4,1162	3,1162	4,135	2,436	3,784	0,4657	0,5843
8	2,0	5,464	4,464	4,501	2,707	4,016	0,479	0,5749

Размещено на Allbest.ru

...