Условие: Для теоретического цикла ДВС со смешанным подводом теплоты, смотри рисунок 1, определить количество подведенной теплоты q1 , количество отведенной теплоты q2, полезную работу цикла lц, и термический КПД цикла ηt,. Определить также, КПД цикла Карно, имеющего одинаковые с заданным циклом минимальную и максимальную температуры. Параметры рабочего тела в начале процесса сжатия: давление — р1=0,1 МПа; начальная температура — t1= -14º С. Заданы безразмерные характеристики цикла: степень сжатия — ε=v1/v2=22; степень повышения давления — λ=р3/р2=1,7; степень предварительного расширения — ρ=v3/v4=1,7. В одном килломоле рабочего тела содержится: 0, 73 кмоль N2; 0, 05 кмоль О2; 0, 04 кмоль CО2; остальное — h3О (т.е. состав смеси задан мольными долями). Указания (порядок выполнения расчетов): 1. Рассчитать молекулярную массу, газовую постоянную, теплоемкости Cp и Cv газовой смеси, а также показатель адиабаты к. Считать их постоянными для всего цикла. 2. Определить для характерных точек цикла значения давления р, температуры Т, удельного объема v, энтальпии h, и энтропии s. Результаты свести в таблицу. 3. Рассчитать количество подведенной q1 и отведенной q2 теплоты, работу цикла lц, изменение энтальпии, внутренней энергии и энтропии для всех процессов, образующих цикл. Результаты свести в таблицу. 4. Определить термический КПД заданного цикла ηt, а также КПД цикла Карно, имеющего одинаковые с заданным циклом минимальную и максимальную температуры. 5. По результатам расчетов изобразить цикл ДВС на миллиметровой бумаге в масштабе в координатах р-v и T-s. Величину энтропии определить относительно состояния при нормальных физических условиях (Т0=273 К, р0=0,101 МПа). При изображении процессов кривыми линиями определить параметры, по крайней мере, одной промежуточной точки.
Прочитать больше
x-term.ru
Рекомендуемая литература
Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980. – с.230-259.
Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике – М.:| Машиностроение, 1969. – с. 137-179.
Теплотехника/ М.М. Хазен, Г.А. Матвеев, М.Е. Грицевский, Ф.П.Казакевич/ Под ред. Г.А. Матвеева. – М.: Высшая школа, 1981. – с. 75-90.
Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. – М.: Высшая школа, 1988. – с. 126-142.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
Назовите основные характеристики циклов.
Что такое степень сжатия?
Что такое степень повышения давления?
Что такое степень предварительного расширения?
Опишите цикл двигателя с изобарным подводом теплоты.
Опишите цикл двигателя с изохорным подводом теплоты.
Опишите цикл двигателя со смешанным подводом теплоты.
Описать цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты.
В чем отличие циклов ГТУ от циклов ДВС?
Изобразить цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты в 
и
координатах.
Изобразить цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты и полной регенерацией в 
и
координатах.
Описать цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты и полной регенерацией.
Примеры решения задач
3,5 рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, ср=1,01Дж/кг∙К, сv = 0,72 Дж/кг∙К.Решение
| |
Рис.7. К задаче 5.1.
Определим параметры в характерных точках цикла.
Точка 1. Р1= 0,1 МПа, Т1= 17+273=290 К.
Удельный объем определим из уравнения состояния:
Точка 2. Степень сжатия определяется по формуле:
, (23)
тогда 
м3/кг
Из соотношения параметров в адиабатном процессе 1-2 определим абсолютное давление: 
=
МПа.
Температура из уравнения состояния:
м3/кг. Из соотношения параметров в изохорном процессе: 
, тогда 
К, 
МПа
Точка 4. 
=0,83 м3/кг.
В адиабатном процессе 3-4:
МПа. 
К.Подведенная теплота в процессе 2-3:
; (24)
отведенная теплота в процессе 4-1:
; (25)
работа цикла:
; (26)
термический КПД цикла:
тогда: 
кДж/кг,
=
540 кДж/кг.
921,6–540= 381,6 кДж/кг;
.
Ответ: Р1= 0,1 МПа, Т1= 17+273=290 К,
м3/кг; 
м3/кг,
=
МПа,
К;
м3/кг, 
К,
МПа;
= 0,83 м3/кг, 
МПа,
К;
кДж/кг;
540 кДж/кг;
381,6 кДж/кг; 
.
Задача 5.2. Для идеального цикла двигателя внутреннего сгорания с изобарным подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество подведенной и отведенной теплоты, полученную работу и термический КПД, если начальные параметры рабочего тела Р1= 0,16 МПа, t1= 27оС, степень сжатия =13,4 и степень предварительного расширения = 1,3, рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, ср=1,01Дж/кг∙К, сv = 0,72 Дж/кг∙К.
Решение
|
|
Рис.8. К задаче 5.2.
Определим параметры в характерных точках цикла.
Точка 1. Р1= 0,16 МПа, Т1= 27+273=300 К, 
м3/кг
Точка 2. 
м3/кг
=
МПа;
К.
Точка 3. Процесс 2-3 – изобарный. Соотношение параметров в изобарном процессе: 
6,05 МПа
.
К, 
м3/кг.
Точка 4. 
=0,54 м3/кг, 
МПа.
К.
Подведенная теплота:
кДж/кг
Отведенная теплота:
=
кДж/кг
Работа цикла:
255 - 93 = 162 кДж/кг
Термический КПД цикла: 
.
Ответ: Р1= 0,16 МПа, Т1= 300 К, 
м3/кг;
м3/кг,
МПа, 
К;
6,05 МПа,
К,
м3/кг;
=0,54 м3/кг, 
МПа,
К;
кДж/кг;
кДж/кг;
162 кДж/кг;
.
Задача 5.3. Для идеального цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, полезную работу, термический КПД, если начальные параметры рабочего тела р1= 0,1 МПа и t1= 15 оС, степень повышения давления в компрессоре = 6,0 и температура рабочего тела в конце подвода теплоты t3 = 600 оС. Рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, ср=1,01Дж/кг∙К
Решение. Точка 1. Р1= 0,1 МПа , Т1= 15+273=288 К, 
м3/кг.
Точка 2. 
МПа.
=
м3/кг.
К. Точка 3. Т3 = 600+273 = 873 К; 
0,6 МПа; 
м3/кг.
Точка 4. 
= 0,1МПа.
К; 
м3/кг.
Подведенная теплота:
=1,01(873-480) = 396,93 кДж/кг.
Отведенная теплота:
= кДж/кг.
Работа цикла:
396,93–237,35= 159,58 кДж/кг.
Термический КПД цикла: 
.
Рис. 9. К задачам 5.3. и 5.4.
Ответ: Р1= 0,1 МПа , Т1= 288 К, 
м3/кг; 
МПа;
=
м3/кг, 
К;Т3 = 873 К; 
0,6 МПа;
м3/кг;
= 0,1МПа, 
К;
м3/кг; 
396,93 кДж/кг;
кДж/кг;
159,58 кДж/кг; 
.
Задача 5.4. Решить предыдущую задачу при условии, что производится полная регенерация.
В цикле с регенерацией:
;
Подведенная теплота:
=1,01(873-523) = 353,5 кДж/кг.
Отведенная теплота:
= 1,01(480-288)=193,92 кДж/кг.
Работа цикла:
353,5 –193,92= 159,58 кДж/кг.
Термический КПД цикла: 
.
Ответ: 
= 353,5 кДж/кг; 
=193,92 кДж/кг;
= 159,58 кДж/кг;
.
задачи для самостоятельного решения
Задача 5.5. Для идеального цикла двигателя внутреннего сгорания с изобарным подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество подведенной и отведенной теплоты, полученную работу и термический КПД, если начальные параметры рабочего тела Р1= 0,15 МПа, t1= 25оС, степень сжатия =13,6 и степень предварительного расширения = 1,4, рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, ср=1,01Дж/кг∙К, сv = 0,72 Дж/кг∙К.
Ответ: 
кДж/кг;
=
кДж/кг;
210,6 кДж/кг;
.
Задача 5.6. Сравнить цикл задачи 4.1 с циклом с изобарным подводом теплоты при условии, что в сравниваемых циклах одинаковы отведенная теплота и степень сжатия.
Ответ: 
кДж/кг; 
.
Задача 5.7. Сравнить цикл задачи 4.2 с циклом с изохорным подводом теплоты при условии, что в сравниваемых циклах одинаковы отведенная теплота и максимальные параметры состояния рабочего тела.
Ответ: 
кДж/кг; 
.
Задача 5.8. Для идеального цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты и полной регенерацией определить параметры рабочего тела в характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, полезную работу, термический КПД, если начальные параметры рабочего тела р1= 0,15МПа и t1= 20 оС, степень повышения давления в компрессоре = 6,5 и температура рабочего тела в конце подвода теплоты t3 = 650 оС. Рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, ср=1,01Дж/кг∙К. Сравнить данный цикл с циклом ГТУ без регенерации.
Ответ:
=428,24 кДж/кг, 
кДж/кг,
178,77 кДж/кг, 
;
=386,83 кДж/кг,
=208,06 кДж/кг,
= 178,77 кДж/кг,
.
Задача 5.9. Для цикла газотурбинного двигателя с изобарным процессом подвода теплоты определить удельное количество подводимой теплоты, если начальное давление Р1 =0,1 МПа, начальная температура Т1 =300 К, степень повышения давления в компрессоре β = 6, максимальная температура цикла Т3 =1500 К. В качестве рабочего тела принять воздух R=287,3 
=1,4.
Ответ: 
=1009 кДж/кг.
Задача 5.10. Решить предыдущую задачу при условии, что цикл ГТУ проходит с полной регенерацией.
Ответ: 
=607 кДж/кг.
studfiles.net
Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)
Цикл со смешанным подводом теплоты – цикл Тринклера – характерен для так называемых бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива.
Особенности: механическое распыление горючего (с помощью плунжерного насоса), внутреннее смесеобразование, самовоспламенение от сжатого до высокой температуры воздуха.
Это теоретический цикл всех современных транспортных и стационарных дизелей.
Изобразим цикл на рабочей и тепловой диаграмме (рис.3).
Рис.3. Цикл Тринклера. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.
Рассмотрим термодинамические процессы цикла:
1-2 – адиабатное сжатие,
2-3 – изохорный подвод теплоты,
3-4 – изобарный подвод теплоты,
4-5 – адиабатное расширение,
5-1 – изохорный отвод теплоты.
Характеристики цикла:
- степень сжатия (отношение объемов в начале и конце процесса сжатия 1-2).
- степень повышения давления (отношение давлений в процессе изохорного подвода теплоты).
- степень предварительного расширения (отношение объемов в процессе изобарного подвода теплоты).
При анализе считают известными: состояние рабочего тела в т.1( Т1, p1) и характеристики цикла ε, λ, ρ. Вместо одной из характеристик может быть задана максимальная температура или максимальное давление.
Расчет цикла заключается в определении:
· параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла (p, T, v),
· энергетических характеристик цикла: подводимой удельной теплоты q1, отводимой удельной теплоты q2, цикловой работы lц и термического КПД цикла ηt .
Расчет параметров в характерных точках цикла
Для определения параметров состояния в точке 2 рассмотрим процесс 1-2 - адиабатное сжатие. Запишем уравнение адиабатного процесса в следующем виде:
pv k = const, или 
.
Выразим из уравнения давление в т.2:
.
Для определения температуры в т.2 запишем уравнение адиабатного процесса в виде:
Tvk-1=const, или T1v1k-1=T2v2k-1.
Отсюда:
.
Для определения параметров состояния в точке 3 рассмотрим процесс 2-3 - изохорный процесс с подводом теплоты, при этом давление возрастает пропорционально температуре:
.
Давление в т.3 можно рассчитать по формуле:
.
Температура в т.3:
.
Для определения параметров состояния в точке 4 рассмотрим процесс 3-4 – изобарное расширение с подводом теплоты, при этом удельный объем возрастает пропорционально температуре:
.
Давление в т.4: р4=р3.
Температура в т.4:
.
Определим параметры состояния в точке 5.
Рассмотрим процесс 4-5 - адиабатное расширение. Используя уравнение адиабатного процесса, получим выражение для абсолютного давления в т.5:
Для определения абсолютной температуры в т.5 рассмотрим изохорной процесс 5-1.
Для изохорного процесса:
.
Отсюда:
.
Определив таким образом давление и температуру в характерных точках,можно рассчитать удельный объем v в каждой точке, используя уравнение Клапейрона.
.
megaobuchalka.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Кафедра теплотехники
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Термодинамика и теплопередача»
тема: «РАСЧЁТ И АНАЛИЗ ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ»
Выполнил: студент 1 курса АКФ гр. АД-13бзу
Пыряев Данила Анатольевич
Проверил: доцент
Ошивалов Михаил Анатольевич
Пермь, 2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ………………………………………………………………………...4
Определение параметров рабочего тела …………………………………....5
Определение параметров состояния в характерных точках цикла.
Изменение в процессах внутренней энергии, энтальпии и энтропии ……8
Определение цикловой работы и термического коэффициента полезного действия ..........................................................................................................10
Изображение цикла на рабочей и тепловой диаграммах .................……..11
Заключение……………………………………………………………………..12
Список литературы…………………………………………………………….13
ВВЕДЕНИЕ
Курсовой работой по расчёту и анализу идеального цикла газотурбинных двигателей предусматривается выполнение следующих работ:
- проведение предварительных расчётов по определению параметров тела и цикла;
- определение параметров состояния P, ν и Т в характерных точках цикла, изменение в процессах внутренней энергии ∆u, энтальпии ∆i, энтропии ∆s;
- определение цикловой работы ℓц и термического коэффициента полезного действия (КПД) цикла ηt;
- изображение цикла в координатах P – ν и Т – s.
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА
Расчёты по определению параметров рабочего тела проводят методом последовательных приближений, так как для расчета коэффициента избытка воздуха α нужно знать значение πс, а также значение показателя адиабаты k, зависящее от состава продуктов сгорания, т.е. опять же от значения α.
Задаемся показателем адиабаты k и теплоемкостью сp , близкими к соответствующим значениям для воздуха.
Зададимся: k = 1,36, сp = 1000 
1. Теоретически количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива определим из условия полного сгорания углерода и водорода по формуле:
,
где С, Н, О – содержание соответственно углерода, водорода и кислорода в массовых долях.
2. Определим низшую теплоту сгорания топлива (по формуле Менделеева):
,
где С, Н, О – содержание соответственно углерода, водорода и кислорода, в процентах (%).
3. Определим степень повышения давления:
где М – скорость полета; М = 0
4. Тогда, общая степень повышения давления:
5. Определяем коэффициент избытка воздуха:
6. Найдем массовые доли продуктов сгорания:
- кислорода - 
;
- азота - 
;
- углекислого газа - 
;
- водяных паров - 
;
7. Рассчитаем значения теплоемкостей, показателя адиабаты и газовой постоянной при температурах t0 и t3 и находим среднюю.
При температуре t0 = 15 ºС:
для кислорода 
для азота 
для углекислого газа 
для воды 
При температуре t3 = 1077 ºС:
для кислорода 
для азота 
для углекислого газа 
для воды 
8. Найдем молекулярные массы компонентов газовой смеси (по таблице Менделеева):
9. Газовые постоянные компонентов смеси найдем по формуле: 
для кислорода 
для азота 
для углекислого газа 
для воды 
10. Определяем удельную газовую постоянную рабочего тела:
11. Оценим погрешность определения показателя адиабаты k:
Найденное значение показателя адиабаты отличается от заданного менее чем на 2%, поэтому найденные параметры рабочего тела считаем истинными:
| Усл.обозначение | Наименование | Значение |
| R | Удельная газовая постоянная | 288 |
| Ср | Удельная массовая изобарная теплоёмкость | 1077 |
| Сv | Удельная массовая изохорная теплоёмкость | 789 |
| k | Показатель адиабаты | 1,365 |
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ В ХАРАКТЕРНЫХ ТОЧКАХ ЦИКЛА. ИЗМЕНЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ, ЭНТАЛЬПИИ И ЭНТРОПИИ.
Параметры состояния рабочего тела в начальной точке цикла выбираются в зависимости от высоты полета h.
Давление после компрессора определяем по заданному или рассчитанному ранее значению степени повышения давления πс.
1. Удельный объем газа по найденным значениям давлений и температур находим из уравнения состояния:
точка «0»:
T0=223.2К; P0=101325Па
точка «2»:
точка «3»:
T3=1250К
P3 = P2 = 810600Па
точка «5»:
P5 = P0 = 101325Па
2. Изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в процессах:
процесс «0-2»:
процесс «2-3»:
процесс «3-5»:
процесс «5-0»:
3. Найдем начальное значение энтропии (при нормальных условиях)
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦИКЛОВОЙ РАБОТЫ И ТЕРМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
1. Количество подведенной теплоты:
2. Цикловая работа:
3. Термический КПД:
4. ИЗОБРАЖЕНИЕ ЦИКЛА НА РАБОЧЕЙ И ТЕПЛОВОЙ ДИАГРАММАХ
рабочая (P-ν) диаграмма
тепловая (Т-s) диаграмма
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе был проведён расчёт и анализ идеального цикла газотурбинного двигателя, результаты приведены в таблицах, построены рабочая и тепловая диаграммы и проведён расчёт энергетических характеристик цикла с политропным сжатием в диффузоре.
Параметры рабочего тела в точках цикла
| Р, Па | Т, К | | |
| 0 | 101325 | 223.2 | 8.186*10^-4 |
| 2 | 810600 | 499.397 | 1.774*10^-4 |
| 3 | 810600 | 1250 | 4.441*10^-4 |
| 5 | 101325 | 720.87 | 2.049*10^-3 |
Энергетические характеристики процессов цикла
| | | | |
| 0-2 | 166794 | 227677 | 0 |
| 2-3 | 592234 | 808408 | 988 |
| 3-5 | -417490 | -569879 | 0 |
| 5-0 | -341539 | -466206 | -988 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болгарский А.В. Сборник задач по термодинамике и теплопередаче / А.В. Болгарский. — М.: Высш. шк., 1972. — 304 с.
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача / В.В. Нащокин. — М.: Высш. шк., 1980. — 468 с.
3. Расчёт и анализ идеального цикла газотурбинных двигателей: Метод. Указания к выполнению курсовой работы / Сост. М.А. Ошивалов, Т.А. Ульрих; Перм. гос. техн. ун-т. — Пермь, 2006. — 15 с.
studfiles.net
Точка 1. Процесс 0-1 – адиабатное сжатие воздуха в диффузоре:
;
;
Точка 2. Процесс 1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре:
Точка 3. Процесс 2-3 – изобарный подвод тепла в камере сгорания, 
- задано;
- степень повышения температуры:
Точка 4. Процесс 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине:
K
Точка 5. Процесс 4-5 – адиабатное расширение в реактивном сопле двигателя до давления окружающей среды 
:
;
Определение калорических величин в процессах цикла
Внутренняя энергия в процессе:
;
Изменение энтальпии в процессе:
;
Изменение энтропии в процессе:
;
;
;
;
;
Расчёт теплоты процессов и тепла за цикл:
Теплота цикла
Расчет работы процессов и работы за цикл:
- работа сжатия газа в диффузоре;
- работа сжатия газа в компрессоре;
–работа подвода тепла к рабочему телу;
- работа расширения газа на турбине;
- работа реактивного сопла ГТД;
Работа цикла
Результаты расчета сводятся в таблицу 7:
Таблица 7 - Основные параметры состояния рабочего тела в узловых точках цикла, изменение калорических параметров в процессах и за весь цикл идеального ГТД
| Значения | Точки | Для цикла | |||||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||||||
|
| 61660 | 73195,4 | 1369730 | 1369730 | 555058 | 61600 | - | ||||||
|
| 1,23 | 1,09 | 0,13 | 0,31 | 0,602 | 2,88 | - | ||||||
|
| 262,7 | 276 | 643,7 | 1600 | 1232,3 | 653 | - | ||||||
| Значения | Процесс | Для цикла | |||||||||||
| 1-2 1-2 | 2-3 | 3-4 | 4-5 | 5-1 | |||||||||
|
| 25858 | 67258 | -25858 | -40749 | -26509 | - | |||||||
|
| 364869 223960 | 949030 | -364869 | -574977 | -374053 | - | |||||||
| | 0 | 903,6 | 0 | 0 | -903,6 | - | |||||||
| | 0 | 949031 | 0 | 0 | -374053 | 574977,4 | |||||||
|
| -260167,4 | 276446,8 | 259908 | 409246 | -108959,5 | 576474,2 | |||||||
Определение значений параметров p и v в промежуточных точках процессов 1-2 и 3-4, 4-5 позволяет построить достаточно точные графики. Поскольку процессы 1-2 и 3-4-5 адиабатные, то для любой пары точек на них справедливы соотношения:
Отсюда, задаваясь з начениями параметров 
и используя известные величины 
, найдем параметры промежуточных точек:
Расчетные значения промежуточных точек процессов, как и характерных, откладываем на графике p-v и через них проводим плавную кривую процесса (см. рисунок 3). Значения точек сводим в таблицу 8.
=1600-643.7=956.3 K
=653-276=377 K
Вычислим параметры промежуточных точек для построения графика цикла ГТД в TS координатах:
Точка а’:
Точка b’:
Точка c’:
Точка d’:
Полученные изменения энтропии откладываем в принятом масштабе на T-S диаграмме и по выбранным значениям Т находим координаты промежуточных точек процесса, через которые проводим плавную кривую (см. рисунок 4). Значения точек сводим в таблицу 8.
Таблица 8 – Значения параметров в промежуточных точках
| Параметр | Точка | |||
| a | b | c | d | |
|
| 119482.2 | 254815.3 | 216740 | 100107 |
|
| 0.77 | 0.45 | 1.172 | 2.027 |
| Параметр | Точка | |||
| a | b | c | d | |
| Ti,K | 962.5 | 1281.3 | 527.3 | 401.7 |
| Процесс | ||||
| 2- a | 2-b | 5-c | 5-d | |
|
| 399.2 | 623.2 | -612.2 | -482.2 |
studfiles.net
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Гидромеханика и транспортные машины»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
«Теплотехника»
Тема:
«Термодинамический расчет, анализ и оптимизация
идеализированного цикла поршневого ДВС»
Выполнил: студент Д.С Кураш,
Группы: МГ-317
подпись, дата
Шифр курсовой работы __________
Проверил: А.Х. Шамутдинов
Оценка подпись, дата
г. Омск, 2010
СОДЕРЖАНИЕ (пример)
1.1 Содержание задачи №1 3
1.2 Краткое описание цикла поршневого ДВС 3
1.3 Расчет цикла ДВС 5
1.3.1 Определение параметров характерных точек цикла 5
1.3.2 Расчет термодинамических процессов 7
1.3.3 Расчет характеристик цикла 12
1.3.4 Построение Т-s диаграммы цикла 15
1.4 Оптимизация цикла варьированием заданного параметра 20
Задача № 1
1.1 Содержание задачи (вариант 14)
Для цикла поршневого ДВС, заданного параметрами р1 =0.14 МПа; Т1 = 300 К; ε = 18; λ = 1,3; ρ = 1,48 кг/м3 ; n 1 = 1,34; n 2 = 1,28, определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исследовать влияние параметра n1 на величину термического КПД η t и максимальной температуры Т max при варьировании указанного параметра в пределах
20 %. По результатам расчетов построить графики зависимостей η t и Т ma x от варьируемого параметра, на основании которых сделать заключение об его оптимальном значении, принимая за предельно допустимое значение Т ma x величину Тпр = 1600 К. В качестве рабочего тела принимать сухой воздух. 1.2 Краткое описание цикла
Для анализа задан цикл поршневого ДВС со смешанным подводом теплоты, который реализуется в современных быстроходных дизельных двигателях. Подробное описание такого цикла приведено в учебниках [1,3] и др., ниже приведено краткое описание.
На рис. 1 приведена идеализированная p-v диаграмма, наглядно отображающая основные процессы такого цикла. Во время хода впуска (на диаграмме не показан) атмосферный воздух, проходя через систему фильтров и открытый впускной клапан, поступает в цилиндр двигателя. В конце впуска (точка 1 на диаграмме) впускной клапан закрывается, и по мере перемещения поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит политропное сжатие воздуха (процесс 1-2). Ввиду быстротечности этого процесса характер его близок к адиабатному, температура воздуха к концу сжатия (точка 2) сильно увеличивается, в этот момент под большим давлением производят впрыск топлива, в мелкодисперсном виде. Топливо при высокой температуре воздуха, в который оно попадает, очень быстро испаряется и самовоспламеняется. Первые порции при этом сгорают практически мгновенно (процесс 3-4).
Для интенсификации процессов топливо часто впрыскивают в специальную предкамеру из жаростойкой стали, имеющую очень высокую температуру. Последующие порции топлива сгорают по мере их попадания в цилиндр во время перемещения поршня от ВМТ к НМТ (нижней мертвой точке). При этом давление в цилиндре практически не изменяется (процесс 3-4). Далее совершается политропное расширение продуктов сгорания (процесс 4-5), по окончании которого, когда поршень приходит в НМТ, открывается выпускной клапан (точка 5) и во время хода выталкивания продукты сгорания выбрасывается в атмосферу. Поскольку суммарная работа процессов всасывания и выталкивания практически равна нулю, идеализируя картину, их заменяют одним изохорным процессом отвода теплоты (процесс 5-1).
1.3 Расчет цикла ДВС *
1.3.1 Определение параметров характерных точек цикла
Точка 1. По формуле (5) из расчёта ДВС находим:
Точка 2 . Из формулы (6) находим
. Используя уравнение (6), давление p2 найдем по формуле (8): 
. Величину Т2 находим из уравнения (4):
. Точка 3 . Из формулы (9) находим
Температуру Т3 находим из уравнения (4):
. Используя соотношения (12) находим Т3 :
. Практическое совпадение результатов (невязка около 0,1 % возникает из-за округлений) служит подтверждением безошибочности проведенных вычислений.
Точка 4.
Из выражения (10) 
. Температуру Т4 найдем по выражению (13):
. Точка 5.
. Давление в точке 5 найдем так же, как находили его для точки 2: 
. Температуру Т5 находим из формулы (4):
. Полученные результаты заносим в сводную таблицу (табл. 1).
1.3.2 Расчет термодинамических процессов
Рассчитываем теперь процесс 1-2. Это политропный процесс с показателем политропы n1 = 1,34. Чтобы реализовать формулы (14) – (18), сначала по формулам (19) и (20) рассчитываем значения средних теплоемкостей, предварительно рассчитав t1 и t2 :
. Теплоту процесса 1-2 находим по формуле (14):
, Работу процесса 1-2 находим по формуле (15):
Изменения внутренней энергии и энтальпии рассчитываем по формулам (16) и (17):
. По формуле (18) находим величину Δ s 1-2 :
Далее по формуле (21) находим:
Погрешность расчёта (22):
Расчет процесса 2-3 начинаем также с определения величин
Поскольку процесс 2-3 изохорный (у таких процессов значение n = ±
), формулы (14), (16), (17) и (18) существенно упрощаются, позволяя рассчитывать значения соответствующих величин: 
Для самопроверки воспользуемся соотношением (24):
Погрешность расчёта (24) составляет незначительную величину:
Процесс 3-4 изобарный и для него показатель политропы n = 0. Это тоже упрощает формулы (14) – (16). Расчеты начинаем с определения температуры t 4 и теплоемкостей:
mirznanii.com
| ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА (ТЕПЛОТЕХНИКА) Методические указания по выполнению контрольной работы для студентов специальностей 190702 и 190601 дневной и заочной форм обучения
Тамбов Издательство ТГТУ 2006
УДК 621.1.016 ББК з311я73-5 Л992
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
Рецензент Кандидат технических наук, доцент ТГТУ В. М. Мелисаров Составитель
В. И. Ляшков Л992 Транспортная энергетика (теплотехника): метод. указания / сост. В.И. Ляшков. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. - 32 с. -200 экз.
Методические указания составлены в соответствии с программой и учебным планом дисциплины «Транспортная энергетика» и «Теплотехника» и содержат контрольные задания по термодинамическому анализу наиболее характерных тепловых циклов и тепловому расчету теплообменных аппаратов. Приведены примеры расчета и оформления задач и рекомендуемая литература. Предназначены для студентов специальностей 190702 и 190601 дневной и заочной форм обучения. УДК 621.1.016 ББК з311я73-5
© ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» (ТГТУ), 2006 ВВЕДЕНИЕ
Для стабилизации и укрепления положительных тенденций в развитии экономики нашей страны необходимо направлять все усилия государства и общества на обновление средств и методов производства, использование высокопроизводительных энерго- и ресурсосберегающих технологий и оборудования, способных обеспечить выпуск конкурентоспособной на мировом рынке продукции. Как и прежде, решение перечисленных основных проблем во многом зависит от эффективной работы транспорта, где основными источниками энергии являются тепловые двигатели. В них теплота сжигаемого топлива трансформируется в механическую работу. Широкое распространение на транспорте и транспортных предприятиях нашли различные холодильные системы и газотурбинные установки для дожигания вредных отходов, а также многое другое теплотехническое оборудование, энергетическая эффективность и степень совершенства которого определяются тем, насколько широко и правильно были проведены различные тепловые расчеты еще на этапе проектирования и доводки такого оборудования, его основных частей и агрегатов. Методики теплоэнергетических расчетов разрабатываются в рамках двух отдельных наук: термодинамики, изучающей законы трансформации различных видов энергии друг в друга, и теплопередачи, вооружающей нас инженерными методиками расчета различных процессов теплообмена. Подходы, излагаемые в теории теплообмена, позволяют рассчитывать температурные поля и такие важнейшие характеристики процессов теплообмена, как передаваемый тепловой поток, плотность теплового потока, температурные градиенты, температурные напоры и др. Поэтому твердое знание основ термодинамики и теории теплообмена, умение применить эти знания для решения практических задач является совершенно необходимым для всех инженерно-технических работников, связанных с проектированием, эксплуатацией, ремонтом и автоматизацией современных транспортных коммуникаций, транспортных предприятий и транспортных машин ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Контрольная работа выполняется студентами с целью закрепления и углубления учебного материала. Выполнение работы прививает определенные навыки практического применения основных методик термодинамического анализа для расчетов термодинамических процессов, расширяет знания об идеализированных циклах реальных машин, позволяет на конкретных примерах усвоить методику энергетического анализа и расчета важнейших процессов и циклов. Работа прививает навыки практического применения основных методик анализа температурных полей и тепловых потоков при теплопроводности. Она знакомит студента с использованием различных критериальных уравнений для расчетов интенсивности теплоотдачи, позволяет на конкретном примере освоить методику теплового расчета самых распространенных теплотехнических устройств - рекуперативных теплообменников. Работа включает решение двух отдельных задач и выполняется в течение всего учебного семестра. Выполнение ее является обязательным условием положительной аттестации студента на зачетах. Индивидуальное задание выдается каждому студенту в начале семестра в виде алфавитно-цифрового кода. При этом буквы а и b указывают номер раздела, а стоящие рядом цифры - номера задач в этом разделе. Последние две цифры - это номер варианта каждой из задач. Например, шифр а3 b2-З2 означает, что студенту надлежит решить задачу 3 из раздела а и задачу 2 из раздела b и для обеих задач принимать вариант 32. Чтобы успешно подготовиться и выполнить контрольную работу необходимо: 1. Внимательно ознакомиться с содержанием задач, выписать их, вставляя в текст численные значения исходных данных из соответствующих таблиц. При этом учитывать, что первая часть исходных данных берется из таблицы по первой цифре варианта, а вторая - по второй. 2. По конспекту лекций изучить теоретический материал по соответствующим темам, обращая особое внимание на методики практических расчетов. Подобрать по списку рекомендованной литературы [1 - 6] и получить в библиотеке университета один из учебников или учебное пособие «Теоретические основы теплотехники», подробно ознакомиться с описанием цикла или процесса, предложенного для анализа. 3. Провести черновой расчет задач с помощью калькулятора и. если это необходимо, таблиц или h-s диаграммы, соблюдая последовательность расчетов и самопроверок такими же, как они даются в приведенных ниже примерах. 4. Оформить отчет по работе в соответствии с требованиями стандарта ТГТУ [7], ориентируясь при этом на приведенные в настоящей методической разработке примеры. Если в подготовительной работе или в процессе расчетов возникают вопросы или неясности, студенту необходимо обращаться к преподавателю за консультациями, которые организуются кафедрой еженедельно по специальному расписанию. Рекомендуется необходимые расчеты проводить на компьютере, используя для этого алгоритмы, модули и процедуры из [5]. Приведем краткий перечень основных требований к оформлению отчета о работе, вытекающих из [7]: 1. Отчет должен начинаться титульным листом, вторая страница -«Содержание», а завершаться списком использованной литературы. 2. Отчет должен быть написан черными, синими или фиолетовыми чернилами или пастой аккуратным, разборчивым почерком (или напечатан) на листах формата А4 (210 х 297). Допускаются написание текста с обеих сторон листа и небольшие отклонения от стандартных размеров листа. Как исключение, можно оформлять отчет в ученической тетради. 3. Графический материал (эскизы, диаграммы, графики) можно рисовать мягким карандашом на небольших листках миллиметровой или клетчатой бумаги, наклеивая их на страницы отчета. Каждый рисунок должен быть пронумерован и сопровождаться развернутой подписью. 4. Все расчеты оформляются в развернутом виде: сначала записывается формула, далее знак равенства и численные значения всех входящих в формулу параметров в той же последовательности, как они стоят в формуле, далее знак равенства, результат вычислений и его размерность, если это размерная величина. 5. Все расчеты проводятся в международной системе измерения физических величин (система СИ). Справочные данные из устаревших учебников или справочников выписываются так, как они приведены в первоисточнике и сразу же переводятся в систему СИ. 6. Расчетные формулы должны сопровождаться лаконичными пояснениями, включающими и полную расшифровку всех принятых условных обозначений. 7. Все справочные величины и отдельные важнейшие теоретические положения должны сопровождаться ссылками на использованные литературные источники. Такие ссылки оформляются по стандарту так: [1, с. 233, табл. 6] или [3, с. 37, формула (18)].
ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ Раздел а (термодинамические расчеты газовых циклов) Задача а1. Цикл поршневого ДВС задан параметрами: давление в конце процесса всасывания р1 - _____ МПа, температура в конце процесса всасывания Т1= К, степень сжатия ε = _______, степень увеличения давления λ = , степень предварительного расширения ρ =_ , показатель политропы сжатия n1 = ________, показатель политропы расширения п2 =_______ . Определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исходные данные принять по табл. 1. В качестве рабочего тела принимать сухой воздух.
1. Исходные данные к задаче а1
Задача а2.Для цикла проточной газотурбинной установки, заданного параметрами: давление воздуха на входе в установку р1 = ________МПа, температура воздуха на входе в установку Т1= ______К, степень повышения давления в компрессоре b= ______, степень предварительного расширения продуктов сгорания r = ______, показатель политропы сжатия n1= ______, показатель политропы расширения п2 = ______, определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исходные данные для расчетов принять по табл. 2. В качестве рабочего тела принимать сухой воздух.
2. Исходные данные к задаче а2
Задача аЗ.Для цикла холодильной газовой машины, заданного параметрами: давление воздуха на входе в компрессор р1= ______МПа, температура воздуха на входе в компрессор Т1= _______К, температура воздуха на выходе их охладителя Т3 = _____ К, степень повышения давления в компрессоре b= ______, степень расширения в детандере r= _____ , показатель политропы сжатия в компрессоре n1= _____, определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исходные данные для расчетов принять по табл. 3 3. Исходные данные к задаче а3.
4. Исходные данные к задаче a4
Раздел b (расчет теплообменных аппаратов)
Задача b1. Определить поверхность теплообмена, необходимую для охлаждения антифриза в автомобильном радиаторе от температуры t11= ___ °С до температуры t12= _____ °С, если известно, что расход его М= ___ кг/с, коэффициент теплоотдачи от воды к стенкам трубок α1 = _______ Вт/(м2·К), а коэффициент теплоотдачи от стенок трубок к воде α2 = _______ Вт/(м2·К). Теплоемкость антифриза принять ср = 3,85 кДж/(кг · К), температура охлаждающего воздуха на входе в аппарат t21= _____ °С, температура охлаждающего воздуха на выходе из аппарата t22= _____ °С, трубки латунные толщиной δ = 2мм, коэффициент теплопроводности латуни λ = 290 Вт/(м2·К). Схема движения теплоносителей - перекрестный ток. Исходные данные выбрать из табл. 5.
5. Исходные данные к задаче b1.
Задача b2. Определить поверхность теплообмена кожухотрубчато-го конденсатора, предназначенного для конденсации сухого насыщенного водяного пара при давлении р1= ____ МПа в количестве М1= ___ кг/ч. Охлаждение осуществляется водой, протекающей внутри латунных трубок с размерами _______ мм. Средняя скорость воды в трубках w2= _______м/с. Начальная температура воды t21 = ________ °С. Трубки в количестве Z = _____ штук размещены в цилиндрическом корпусе и расположены по сторонам и вершинам правильных шестиугольников. Положение аппарата горизонтальное. Исходные данные выбрать из табл. 6.
6. Исходные данные к задаче b2.
7. Исходные данные к задаче b3
8. Исходные данные к задаче b4
Далее приводится пример выполнения контрольной работы, который рекомендуется использовать при самостоятельном выполнении задания. В примере принята собственная последовательная нумерация формул, таблиц и рисунков, но сохранена сквозная (для всего печатного издания) нумерация страниц.
ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ al-24[*] Содержание задачи. Цикл поршневого ДВС задан параметрами: давление в конце процесса всасывания р1 = 0,14 МПа, температура в конце процесса всасывания Т1 = 300 К, степень сжатия ε = 18, степень увеличения давления λ = 1,4, степень предварительного расширения ρ = 1,3, показатель политропы сжатия п1 = 1,32, показатель политропы расширения п2= 1,25. Определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. В качестве рабочего тела принимать сухой воздух.
Краткое описание цикла. Для анализа задан цикл поршневого ДВС со смешанным подводом тепла, который реализуется в современных быстроходных дизельных двигателях. Подробное описание такого цикла приведено в учебниках [1,2] и др. Мы ограничимся самым кратким описанием. На рис. 1 приведена идеализированная p-v диаграмма, наглядно отображающая основные процессы такого цикла. Во время хода всасывания (на диаграмме не показан) атмосферный воздух, проходя через систему фильтров и открытый всасывающий клапан, засасывается в цилиндр двигателя. В конце всасывания (точка 1 на диаграмме) всасывающий клапан закрывается и по мере перемещения поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит политропное сжатие воздуха (процесс 1 - 2). Ввиду быстротечности этого процесса характер его близок к адиабатному, и температура воздуха к концу сжатия (точка 2)сильно увеличивается. Поэтому дизельное топливо, которое впрыскивается в цилиндр под большим давлением через специальную форсунку в мелкодисперсном виде, очень быстро испаряется и самовоспламеняется. Первые порции при этом сгорают практически мгновенно (процесс 2-3). Для интенсификации процессов топливо часто впрыскивают в специальную предкамеру из жаростойкой стали, имеющую очень высокую температуру. Последующие порции топлива сгорают по мере их попадания в цилиндр во время перемещения поршня от ВМТ. При этом давление в цилиндре практически не изменяется (процесс 3-4). Далее совершается политропное расширение продуктов сгорания (процесс 4-5), по окончании которого, когда поршень приходит в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан (точка 5) и во время хода выталкивания продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Поскольку суммарная работа процессов всасывания и выталкивания практически равна нулю, идеализируя картину, их заменяют одним изохорным процессом отвода тепла (процесс 5 - 1).
Рис. 1. p-v диаграмма цикла ДВС со смешанным подводом теплоты
Основными характеристиками цикла являются [2]: -степень сжатия ε =v1/v2; -степень повышения давления λ p3/p2; -степень предварительного расширения ρ = v4/v3; -показатели политроп сжатия и расширения n1и n2. Расчет цикла ДВС. Определение параметров характерных точек цикла Точка 1. Параметры р1 и T1 заданы, величину v1 находим, воспользовавшись уравнением состояния идеального газа (уравнением Клапейрона-Менделеева): pv=RT, (1) где R=287 Дж/(кг К) - газовая постоянная воздуха [3]. Для точки 1
Точка 2. Поскольку Давление p2 найдем, записав для политропного процесса 1-2 известное соотношение p1v откуда
Величину Т2 находим из уравнения (1):
Точка 3. Температуру Т3 находим из уравнения (1):
Поскольку для изохорного процесса известно соотношение (закон Шарля)
Практическое совпадение результатов (невязка около 0,1 % возникает из-за округлений) служит подтверждением безошибочности проведенных вычислений. Точка 4. Точка 5.
Температуру Т5 находим, воспользовавшись уравнением состояния:
Полученные результаты заносим в сводную таблицу (табл.1). |
stydopedia.ru
Задача а4.Для цикла идеального многоступенчатого центробежного компрессора, служащего для сжатия ________ и заданного параметрами: давление газа на входе в компрессор р1= ______ МПа, температура газа на входе в компрессор Т1= ______К, температура газа на выходе из каждой ступени компрессора Т3i= ______К, давление газа на выходе из компрессора рz =__________ МПа, показатель политропы сжатия n= _______, определить число ступеней давления Z, параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исходные данные для расчетов принять по табл. 4.
Задача b3.Определить поверхность теплообмена, необходимую для непрерывного нагревания ____________ в количестве М2= 800 кг/ч от температуры t21 = _____°С до температуры t22 = _____°С. Теплообменник представляет собою расположенный в круглой обечайке змеевик диаметром D = _____ мм из стальной трубы ________________. Нагревание осуществляется сетевой водой с начальной температурой t11 = 95 °С, которая охлаждается до t12 = ______ °С. При расчетах скоростью вынужденного движения воды в обечайке пренебрегать и считать, что теплообмен там происходит в результате свободной конвекции.
Задача b4. По горизонтальному стальному трубопроводу с размерами _________ мм, подвешенному в воздухе, течет вода со средней скоростью w1= _______м/с при температуре на входе t11 = ____ °С. На выходе из трубы температура воды t12 = ______ °С. Температура окружающего воздуха t21 = t22 = _____°С, средняя скорость ветра wвет= _______м/с. Определить длину трубопровода, на которой происходит указанное падение температуры, учитывая, что трубопровод покрыт слоем теплоизоляции из шлаковаты толщиной δ = ______мм.
м3/кг.
=v1/v2, то v2=v1/ 
=p2v 
,
МПа.
K.
МПа ; 
м3/кг.
К.
, то величину Т3 можно найти и по другому:
К.
МПа; 
м3/кг. Температуру Т4 найдем, воспользовавшись известным соотношением для изобарных процессов (закон Гей-Люсака): 
, откуда 
К.
м3/кг. Давление в точке 5 найдем также как, находили его для точки 2:
МПа.
К.
