Расчета первого раздела задания

Для использования теплоты газов, являющихся продуктами сгорания топлива в котельном агрегате, в газоходах последних устанавливаются воздухоподогреватели воздуха, необходимого для горения топлива (рис. 1). Уходящие из котла газы поступают к воздухоподогревателю с температурой t₁^/ и охлаждаются, отдавая теплоту воздуху, до t₁^//. В газоходе котельного агрегата под влиянием работы дымососа устанавливается давление несколько ниже атмосферного. Воздух в воздухоподогревателе нагревается от температуры t₂^/ до температуры t₂^//.

Рис. 1

При испытании котельного агрегата были получены следующие данные:

1. Температура газов при входе в воздухоподогреватель, t₁^/ = 300 ⁰С.

2. Температура газов при выходе из воздухоподогревателя, t₁^// = 120 ⁰С.

3. Температура воздуха при входе в воздухоподогреватель, t₂^/ = 20 ⁰С.

4. Температура воздуха при выходе из воздухоподогревателя, t₂^// = 170 ⁰С.

5. Объемный состав дымовых газов – СО₂ =20,5%; Н₂О =5,4%; О₂ =17,3%; N₂ =56,8%.

6. Часовой расход газов при t₁^// составляет 50×10³ м³/ч.

7. Разряжение в газоходе – 15 мм вод. ст.

8. Барометрическое давление – 760 мм рт. ст.

Определить:

1. Кажущийся молекулярный вес дымовых газов.

2. Газовую постоянную дымовых газов.

3. Весовые (массовые) доли отдельных компонентов, входящих в состав дымовых газов.

4. Парциальные давления компонентов.

5. Часовой расход воздуха.

Принять, что все тепло, отданное газом, воспринято воздухом. Зависимость теплоемкости от температуры считать криволинейной.

Решение:

1. Кажущийся молекулярный вес дымовых газов:

2. Газовая постоянная дымовых газов:

Дж/(кг×К).

3. Массовые доли компонентов газов:

 

4. Парциальные давления компонентов:

Па.

Результаты расчета представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета примера задания к разделу 1

Параметры	СО2	Н2О	О2	N2	Газовая смесь
ri	0,14	0,09	0,162	0,608	1,000
m i, кг/кмоль					29,988
ri×mI, кг/кмоль	6,16	1,62	5,184	17,024	-
mi	0,205	0,054	0,173	0,568	1,000
рi ×10-5, Па	0,142	0,091	0,164	0,615	1,012

 

5. Часовой расход воздуха.

Расход воздуха определяется из уравнения теплового баланса воздухоподогревателя

.

Значения теплоемкостей компонентов дымовых газов и воздуха находим по приложению 1; значения теплоемкостей дымовых газов и воздуха рассчитываем по формулам. Средняя удельная теплоемкость компонентов при p =const в интервале температур 0…300 ⁰С:

· 29,290= 31,691 кДж/(кмоль×К);

 

в интервале температур 0…120 ⁰С:

0,14×38,5066+0,09×33,8214+0,162×29,6206+0,608×29,0686=

= 30,907 кДж/(кмоль×К);

в интервале температур 300…120 ⁰С:

кДж/(кмоль×К);

кДж/(Н·м³×К).

Средняя теплоемкость воздуха при p =const в интервале температур 20…170 ⁰С:

кДж/(кмоль×К);

кДж/(Н·м³×К).

Объем, занимаемый дымовыми газами, приведенный к нормальным условиям (н.у.):

нм³/ч.

Часовой расход воздуха:

нм³/ч.

 

 

II. ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

 

Для выполнения второго раздела задания необходимо изучить следующие вопросы: основные газовые процессы, второй закон термодинамики, круговые процессы, циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Циклом или круговым процессом называют совокупность термодинамических процессов, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в исходное состояние. Работа кругового процесса l₀ изображается в р-v диаграмме (рис. 2) площадью, заключенной внутри замкнутого контура цикла. В результате осуществления прямого цикла (направление по часовой стрелке) совершается положительная работа. При обратном цикле (против часовой стрелки) работа считается отрицательной. Прямой цикл характерен для тепловых двигателей (l₀ >0), обратный – для холодильных установок (l₀ <0).

Если обозначить через q₁ и q₂ соответственно количество подведенного и отведенного от рабочего тела теплоты, то полезно использованная в цикле теплота находится по формуле:

.

Это количество теплоты в диаграмме T-s изображается площадью, заключенной внутри замкнутого цикла (рис. 3). Эта же площадь представляет собой и величину работы за один цикл. Степень совершенства процесса превращения теплоты в работу в круговых процессах характеризуется термическим к.п.д.

Рис. 2 Рис. 3

В поршневых ДВС рабочим телом являются смесь воздуха и горючих газов или паров жидкого топлива (на начальном участке цикла) и газообразные продукты сгорания (на остальных участках цикла). Поршневые ДВС делятся на двухтактные, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, и четырехтактные с одним рабочим ходом на четыре хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяются на двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания), с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания) и двигатели, работающие по смешанному циклу.

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто). Принцип действия двигателей с подводом теплоты при v =const ясен из рис. 4, на котором изображены схема и индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя. Идеализированный рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных карбюраторных двигателей (двигателей быстрого сгорания) при v =const (при условии, что он осуществляется 1 кг рабочего тела) изображается на р-v и T-s диаграммах, как указано на рис. 5 и 6.

Рис. 4 Рис. 5

Рис. 6

 

Действительный разомкнутый цикл состоит из процессов: o-a – всасывание; a-b – сжатие рабочей смеси; b-c – горение топлива, воспламененного от электрической искры, и подвод теплоты; c-d – рабочий ход, осуществляемый при расширении продуктов сгорания; d-е-o – отвод теплоты, соответствующий в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных – выхлопу и продувке цилиндра.

На диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела; 2-3 – изохорный подвод теплоты; 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела; 4-1 – условный изохорный процесс отвода теплоты, эквивалентный выпуску отработанных газов.

Задаваемые параметры цикла Отто:

- степень сжатия (отношение всего объема цилиндра к объему камеры сжатия);

- степень повышения давления (температуры) при подводе теплоты;

р₁, Т₁ – начальные параметры.

Параметры рабочего тела для идеального газа, теплоемкость с_v которого считается постоянной, будут следующими:

В точке 1:

В точке 2:

В точке 3:

В точке 4:

Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:

Термический к.п.д. цикла находят по формуле:

Термический к.п.д. двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия e и с ее увеличением возрастает. Практически повышение степени сжатия ограничивается температурой самовоспламенения сжимаемой в цилиндре рабочей смеси и детонационной стойкостью топлива. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа не превышает 10.

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля). В отличие от цикла Отто, в ДВС с подводом теплоты при p =const сжимается не горючая смесь, а воздух, и затем, с получением высоких давления и температуры, обеспечивается самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается, и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении.

Цикл Дизеля изображен на рис. 7 и 8. Идеализированный цикл такого ДВС осуществляется следующим образом: рабочее тело (воздух) сжимается по адиабате 1-2; изобарный процесс 2-3 соответствует процессу горения топлива, т.е. подводу теплоты; рабочий ход выражен адиабатным расширением продуктов сгорания 3-4; изохора 4-1 характеризует отвод теплоты, заменяя для четырехтактных двигателей выхлоп продуктов сгорания и всасывание новой порции воздуха, а для двухтактных – выхлоп и продувку цилиндра.

Рис.7 Рис.8

Задаваемые параметры цикла Дизеля:

- степень сжатия;

- степень предварительного расширения при подводе теплоты;

р₁, Т₁ – начальные параметры.

Параметры рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:

В точке 1: р_{1 ,} Т₁,

В точке 2:

В точке 3:

В точке 4:

Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:

Термический к.п.д. цикла Дизеля находят по формуле:

Термический к.п.д. двигателей, работающих по циклу Дизеля, зависит: от степени сжатия e, с увеличением которой к.п.д. возрастает; степени предварительного расширения r, с увеличением которой к.п.д. уменьшается. Нижний предел e определен необходимостью получения в конце сжатия температуры, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива (e^к-1>Т_воспл/Т₁). Верхний предел e ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции и увеличению потерь на трение. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа достигает 20.

Цикл ДВС со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера). В ДВС со смешанным подводом теплоты сочетаются преимущества как цикла Отто, так и цикла Дизеля. Схема бескомпрессорного дизеля, работающего по циклу Тринклера, приведена на рис. 9. В таком дизеле распыл топлива производится топливным насосом высокого давления, а компрессор, применяемый при пневматическом распыле топлива, отсутствует. Идеализированный цикл такого ДВС изображен на рис. 10 и 11 и осуществляется по следующей схеме: адиабата 1-2 соответствует сжатию в цилиндре воздуха до температуры, превышающей температуру самовоспламенения топлива; изохора 2-3 соответствует процессу горения топлива, впрыскиваемого в цилиндр, а изобара 3-4 изображает процесс горения остальной части топлива по мере поступления его из форсунки; расширение продуктов сгорания идет по адиабате 4-5; изохора 5-1 соответствует выхлопу отработанных газов в атмосферу.

Рис. 9

Рис. 10 Рис. 11

 

Задаваемые параметры цикла Тринклера:

- степень сжатия;

- степень повышения давления;

- степень предварительного расширения;

р ₁, Т ₁ – начальные параметры.

Параметры рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:

В точке 1: р _1, T ₁,

В точке 2:

В точке 3:

В точке 4:

В точке 5:

 

Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:

Термический к.п.д. цикла находят по формуле:

Термический к.п.д двигателей, работающих по циклу Тринклера, как и термический к.п.д двигателей, работающих по циклам Отто и Дизеля, возрастает с увеличением степени сжатия e и, кроме того, зависит от l и r. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа достигает 18.

Функции состояния рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:

где Т_н, р_н – температура и давление при нормальных физических условиях (н.у.);

R – индивидуальная газовая постоянная воздуха.

При расчетах циклов ДВС необходимо знать зависимости между параметрами состояния в различных процессах. Эти зависимости приводятся в табл. 4.

Таблица 4

Основные зависимости термодинамических процессов

Процесс	Характеристика процесса	Зависимость между параметрами	Количество теплоты	Изменение энтропии
Изохорный	v =const
Изобарный	р =const

Изотер-мичес-кий	T =const
Адиабатный	s =const