Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Целью настоящей курсовой работы по теплотехнике является рассмотрение процессов, связанных с работой двигателей внутреннего сгорания (ДВС). К этим процессам относятся следующие процессы расчет турбонагнетателя (предварительное сжатие воздуха в поршневом компрессоре); расчет теоретического обратимого замкнутого цикла ДВС (циклы Отто, Дизеля или Тринклера); расчет водяного радиатора (теплообменник, участвующий в системе охлаждения ДВС); расчет температурного поля в стенке цилиндра ДВС (без учета и с учетом отложений на стенке); расчет радиационного теплообмена (вычисление температуры удаляемых газов из рабочего цилиндра ДВС с помощью термопары и оценка погрешности ее измерений за счет теплового излучения). Решение рассматриваемых задач позволит закрепить полученные теоретические знания, разобраться с методикой их решения и приобрести практические навыки, которые могут быть использованы для исследования процессов различных теплотехнических устройств.

1. Расчет турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

1.1 Физическая постановка задачи

Атмосферный воздух при давлении р₀=0,09 МПа и температуре t₀=15^оС сжимается в турбонагнетателе по политропе с показателем политропы n=1,2._. Степень повышения давления в турбонагнетателе =p₁/p₀ =1,3. КПД турбонагнетателя = 0,85. Расход воздуха через турбонагнетатель составляет G₀=0,5 кг/с.

Определить термические и калорические параметры воздуха перед турбонагнетателем и за ним. Найти работу, техническую работу и теплоту в процессе сжатия.

Вычислить мощность привода турбонагнетателя и сравнить ее с мощностью, необходимой для привода турбонагнетателя при адиабатном и изотермическом сжатии воздуха в нем. Изобразить в масштабе процесс сжатия воздуха в турбонагнетателе в Р-v и Т-s диаграммах.

1.2 Решение задачи

Рабочее тело - воздух (воздух считается двухатомным газом; мольная масса =29 кг/кмоль; изобарная мольная теплоемкость С_р = 29,31 кДж/(кмольК); изохорная мольная теплоемкость С_v = 20,93 кДж/(кмольК) ([Приложение1]). Газовая постоянная для воздуха R рассчитывается по уравнению

R=R/=8314.4/29 = 287 Дж / (кг K).

Массовые удельные теплоемкости воздуха c_v и c_p определяются как

c_v = с_v / = 20,93 / 29 = 0,722 кДж/(кгК);

c_p = с_р / = 29,31 / 29 = 1,01 кДж/(кгК).

T₀ =t₀ +273=15+273 = 288 K.

Показатель адиабаты k = c_p/ c_v =1,01/0,722=1,4.

Находим удельный объём воздуха перед всасыванием его в турбонагнетатель из уравнения состояния

v₀ = RT₀ / p₀ = (287288) / (0,0910⁶) = 0,918 м³ / кг,

Находим температуру и удельный объём воздуха за турбонагнетателем

р₁₌р₀ =0,091,3=0,117 Мпа.

T₁ = T₀ ^{(n-1) /n} =2881,3^(1,3-1)/1,3= 305,994 К.

v₁ = RT₁ / p₁=287 305,994 / (1,17 10⁵) = 0,751 м³ / кг.

Рассчитываем калорические параметры (u, i, s) в начале и конце сжатия:

а) в начале сжатия:

u₀ = c_vT₀ = 0,722288 = 208 кДж / кг;

i₀ = c_p T₀ = 1.01 288 = 291 кДж / кг;

s₀ = c_р Ln (T₀ / 273) - Rln (р₀/0,1)=

=1,01 ln (288 / 273) - 0,287 ln ((0,09)/ 0.1) =0,0842 кДж/(кг К).

б) в конце такта сжатия:

u₁ = c_v T₁ = 0,722 305,994 = 220, 928 кДж / кг;

i₁ = c_p T₁ = 1,01 305,994 = 309,054 кДж / кг;

s₁ = c_p ln (T₁ / 273) - R ln (р₁/0,1) =

=1,01 ln (305,994 / 273) - 0,287 ln (1,17) = 0,07 кДж/(кгК).

Для вычисления промежуточных значений термодинамических параметров p_п и s_п для заданных значений удельного объема (v_п) и температуры (T_п), находим давление и энтропию по формулам:

(1)

s_п = c_p ln (T_п / 273) - R ln (р_п/0,1). (2)

Величина давления p_п в промежуточной точке при заданном значении температуры T_п определяется по формуле

(3)

Задавая значение v_п=0,82 м³ /кг по формуле (1), определим p_п

Составляем таблицу для построения p-v диаграммы

Точки (p-v диграммы)	0	1	п
p (МПа)	0,09	0,117	0,103
v (м3 /кг)	0,918	0,751	0,83



Результаты расчета процесса сжатия отражены на рабочей (p-v) диаграмме.

Для построения T-s диаграммы в промежуточной точке задаем значение T_п=295 K, затем по формуле (3) определяем p_п и наконец из (2) находим s_п.

Тогда

s_п = 1,01 ln (295 / 273) - 0,287 ln (0,104/0,1)=0,067 KДж/(кгK).

Составляем таблицу для построения T-s диаграммы

Точки (T-s диаграммы)	0	1	0-1
T (K)	288	305,994	300
s (КДж/(кгK)	0,0842	0,067	0,07



Отведенная теплота:

q _0-1 = c_n (T₁ - T₀) = c_v [(n - k) / (n - 1)](T₁ - T₀)

q _0-1 = 0,722 (1,3 - 1,4) / (1,3 - 1) (305,994 - 288) = - 4,33 кДж/кг.

Работа затраченная на сжатие воздуха

l_сж0-1 = (R / (n-1)) (Т₀ - Т₁) = (0,287/ (1,3 - 1))(288 - 306) = -17,22 кДж / кг.

Располагаемая (техническая) работа:

l_расп.0-1 = l_сж0-1 n = -17,22 1,3 = - 22,386 кДж / кг.

Правильность расчета: q = l_расп. + i = - 22,386 + 13,94 = - 8,446 кДж / кг.

Теоретическая и действительная мощности привода турбонагнетателя

N_tk= G₀ l_расп = 0,5 22,386 = 11,193 кВт,

N_д= N_tk / =11,193 /0,85 = 13,168 кВт.

Располагаемая (техническая) работа при изотермическом процессе сжатия в компрессоре и теоретическая мощность привода турбонагнетателя:

l_. = R T₀ ln(p₀/p₁) = 0,287 288 ln(0,09/1,17) = - 21,69кДж/кг;

N= G₀ l_{. .} = 0,5 21,69 = 10,85 кВт.

Располагаемая (техническая) работа при адиабатном процессе сжатия в турбонагнетателе и теоретическая мощность привода турбонагнетателя:

l_. = (кR Т₀/ (к-1)) (1- (p₁/p₀)^(к-1)/к).

l_. = (1,40,287288 / (1,4-1)) (1- (1,17/0,9)^(1,4-1)/1,4) = - 23,14кДж/кг

N= G₀ l_{. .} = 0,5 23,14 = 11,57 кВт.

Сравнивая мощности привода турбонагнетателя при политропном (n=1.2), изотермическом и адиабатном процессах сжатия воздуха видно, что выгодным процессом сжатия является изотермический, однако из-за небольшой поверхности теплообмена и быстроты протекания процесса сжатия осуществить изотермический процесс сжатия воздуха затруднительно, процесс сжатия осуществляется по политропе. Чем больше в процессе отводится теплоты, тем ближе он к изотермическому процессу сжатия воздуха в компрессоре.

Наддув двигателей является одним из наиболее эффективных методов улучшения удельных мощностей и весогабаритных показателей двигателей. Повышение плотности воздуха на впуске в двигатели увеличивает весовое наполнение цилиндров ДВС.

В дизелях повышение плотности воздуха позволяет одновременно увеличивать и подачу топлива. У карбюраторных двигателей увеличивается количество поступающей смеси.

2. Расчет теоретического цикла ДВС

2.1 Физическая постановка задачи

двигатель внутреннее сгорание теплотехнический

Воздух с параметрами р₁=0,117Мпа 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 - = 14; степень повышения давления - = 1,4; степень предварительного расширения = 1,6. Массовый расход газа G₀ =0,5 кг/с. Относительный внутренний КПД Ю_оi= 0,76; механический КПД Ю_м =0,85; число цилиндров = 8, а тактность ДВС ф_так =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 S_пор 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 b_е, кг/(кВт ч) и часовой В, кг/ч расход топлива.

2.2 Решение задачи

В соответствие с входными данными в данном варианте рассматривается цикл Тринклера.

Рабочее тело обладает свойствами воздуха

В точке 1 значения термических параметров (p, v, T) и калорических (u, i, s) задаются из первой задачи

р₁= 0,117 МПа, v₁ = 0,738 м³/ кг, Т₁=301 К.

Точка 2.

Так как степень сжатия = v₁ / v₂ =14, то удельный объем

v₂ = v₁ / = 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 ()^к = 0,117 14^1,4 = 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 = р₃ / р₂=1,4, то

р₃ = р₂ = 4,711,4 = 6,59 МПа.

Так как процесс 2 - 3 изохорный, то

Т₃ / T₂ = P₃ / Р₂ = , следовательно

Т₃ = T₂ = 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=0,05271,6= 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 р_5.

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.

Для вычисления промежуточных значений термодинамических параметров p_п и s_п для заданных значений удельного объема (v_п) и температуры (T_п), находим давление и энтропию по формулам:

 (4)

На участке 1-2 задаем v_п1=0,35 м³/ кг и по формуле (4) вычисляем р_п1

На участке 4-5 задаем v_п2=0,33 м³/ кг и вычисляем р_п2

Расчет изменения калорических параметров (u, i, s).

Изменение внутренней энергии производится по формуле, кДж/кг

u = c_vT,

u_1-2= u₂-u₁=0,722(865 - 301)= 407,

u_2-3 = 250,u_3-4=525, u_4-5= -812, u_5-1=.-370

Изменение энтальпии производится по формуле, кДж/кг

i = c_pT,

i_1-2= i₂-i₁=1,01(865 - 301)= 570

i_2-3 = 350, i _3-4=734, i _4-5=-1136, i _5-1=-518

Изменение энтропии производится по формуле, кДж/(кгК)

s = c_pln (T_i+1 / T_i) - R ln (p_i+1 / p_i).

s_1-2= s₂-s₁=0 т.к. процесс 1-2 - адиабатный.

s _2-3 = 0,249, s _3-4= 0,475, s _4-5=0, s _5-1=0,719.

Результаты расчета процесса сжатия отражены на рабочей (p-v) диаграмме.

Точки (p-v диаграмы)	1	2	п1	3	4	5	п2
p (МПа)	0,117	4,71	0,332	6,59	6,59	0,316	0,975
v (м3 /кг)	0,738	0,0527	0,35	0,0527	0,0843	0,738	0,33

Для построения Т-s диаграммы, найдем значения энтропии в узловых точках (KДж/(кгK)

s₁ = c_pln (T₁ /273) - R ln (p₁ /0.1) =

1,01ln (301/273) - 0,287 ln (0,117/0.1)=0,054.

Так как процесс 1-2 адиабатный, то s₂ = s₁ =0,054.

s₃ = c_pln (T₃ /273) - R ln (p₃ /0.1) =

1,01ln (1211/273) - 0,287 ln (6,59 /0.1) = 0,303.

s₄ = c_pln (T₄ /273) - R ln (p₄ /0.1) =

1,01ln (1938/273) - 0,287 ln (6,59/0.1) = 0,778.

На участке 4-5 s₅ = s ₄ = 0,778

На участках 2-3, 3-4, 5-1 для заданных значений температуры, найдем промежуточные значения энтропии.

В процессе изотермического сгорания 2-3, связь между давлением и температурой определяется формулой

Тогда

В изобарном процессе сгорания 3-4 и

Наконец, в изохорном процессе 5-4

По результатам расчетов построены таблица и T-s диаграмма.

Точки (T-s диаграммы)	1	2	3	п1	4	п2	5	п3
T (K)	301	865	1211	1100	1938	1400	814	600
s (КДж/(кгK)	0,054	0,054	0,303	0,233	0,778	0,450	0,778	0,552



Расчет работы l, располагаемой работы l_p и теплоты q для каждого процесса цикла

Процесс 1 - 2 (адиабатный процесс, dq = 0).

l_1-2 = -u_1-2= -407 кДж/ кг; l_р1-2 = -i₁ =-570 кДж/ кг; q _1-2= 0.

Процесс 2 - 3 (изохорный процесс, v₃ = v₂=0,0527 м³/кг)

l_2-3 = 0; l_р2-3= -v₂(р₃- р₂)=-0,0527(6,59-4,71)= 100 кДж/ кг;

q _2-3=u_2-3 = 250 кДж/ кг.

Процесс 3 - 4 (изобарный процесс, р₃ = р₄=6,59 МПа).

L_3-4 = р₃(v₄- v₃) =6,59 (0.0843-0,0527) 10³= 263кДж/ кг;

l_р3-4=0; Q_3-4=i_3-4 = 734 кДж/ кг

Процесс 4- 5 (адиабатный процесс, dq = 0).

l_4-5 = -u_4-5= 812 кДж/ кг; l_р4-5 = -i₁ =1136 кДж/ кг; q _4-5= 0.

Процесс 5 - 1 (изохорный процесс, v₅ = v₁=0,738 м³/кг).

L_5-1 = 0; l_р5-1= 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=q_2-3+q_3-4= 250+734=984 кДж/ кг.

Отведенная теплота в цикле определяется как сумма отрицательных теплот в отдельных процессах, взятых по модулю

q₂ =|q_5-1|= 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

l_ц = li = l_1-2 +l_2-3 + l_3-4 + l_4-5+ l_5-1= l_рi = l_р1-2 +l_р2-3 + l_р3-4 + l_р4-5+ l_р5-1, l_ц = -407 + 0 + 209 + 812 + 0 + =614 кДж/ кг,

или l_ц =q₁+q₂= 984+250=614 кДж/ кг.

Эффективность работы цикла оценивается термическим КПД, который рассчитывается по уравнению

_t= l_ц / 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

_t^к= 1- Т_мин / Т_мак; _t^к= 1- 301 / 1938 = 0,845,

где Т_мин и Т_мак минимальная и максимальная температура рабочего тела в рассматриваемом цикле.

Теоретическая мощность ДВС составляет, кВт

N_t = l_цG₀= 6140.5 =307

Индикаторная мощность, то есть мощность, которую развивают газы внутри цилиндров ДВС, составляет

N_0i = N_{t oi}= 3070.76 =233 кВт

Эффективная мощность, то есть мощность, которая снимается с вала двигателя, составляет

N_e = N_{t oiм} = 3070.760.85 =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

p_i=L_i / V_h = l_i /(v₁- v₂) = (l_{ц oi}) /(v₁- v₂);

p_i =(6140.76)/ (0.738 -0.0527) 10³=6.81 10⁵ Па.

Часовой расход топлива, кг/ч

В= 3600 q₁G₀/Q^p_н= 3600 9840,5 /42000 = 42,17

Эффективный удельный расход топлива- это расход топлива на единицу эффективной мощности двигателя

b_е=B / N_e= 42.17 / 198 = 0.213 кг/ кВт-ч

Диаметр цилиндра D (м) определяется из выражения [4]

Размещено на Allbest.ru

...