Расчет и исследование идеального цикла двигателя внутреннего сгорания

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

И ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА

 

Методические указания

К выполнению контрольных работ

 

----------------------------------------------------------------------------------

Владимир 2012

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

 

«Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Кафедра “ Тепловые двигатели и энергетические установки”

 

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

И ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА

 

Методические указания

к выполнению контрольных работ

 

 

Составители:

В.М.Басуров

В.Ф.Гуськов

 

Владимир 2012

 

УДК 621.43 (07)

 

Рецензент

Доктор технических наук, профессор

Владимирского государственного университета имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Б.Г. Ким

Печатается по решению редакционно - издательского совета Владимирского государственного университета.

 

Техническая термодинамика и теория теплообмена: Метод, указания к выполнению контрольных работ / Владим. гос. ун-т; сост.: В.М. Басуров, В.Ф.Гуськов. Владимир, 2012. 28 с.

Включают задания и методические указания к контрольным работам по технической термодинамике и теории теплообмена.

Предназначены для студентов направлений 140100, 141100, 190100,190600, 190700, 270800. Контрольная работа № 1 написана профессором В.Ф. Гуськовым, работы № 2 и №3 - доцентом В.М. Басуровым.

В методических указаниях некоторые исходные данные были использованы из сле­дующих изданий:

- Техническая термодинамика: Метод, указания к самостоятельной работе сту­дентов / Владим. гос. ун-т; Сост.: А.Я. Шкарупило, Ю.Г. Горнушкин, А.И. Кольчугина. Владимир, 1997.

- Теория теплообмена: Метод, указания к самостоятельной работе студентов / Владим. гос. ун-т; Сост.: А.Я. Шкарупило, А.И. Кольчугина. Владимир, 1996.

Табл. 10. Ил. 5. Библиогр.: 6 назв.

УДК 621.43 (07)

ВВЕДЕНИЕ

Основой процесса обучения в вузе считается самостоятельная работа студентов над материалом, подлежащим усвоению. Важным видом само­стоятельной работы является выполнение расчетных, расчетно-графических и других контрольных работ.

В настоящем руководстве приведены исходные данные и методиче­ские указания для выполнения трех контрольных работ по дисциплинам ''Техническая термодинамика", "Теория теплообмена", "Теплотехника", “Тепломассообмен".

В первой работе рассчитывается идеальный цикл двигателя внутрен­него сгорания, во второй - теоретический цикл паросиловой установки. Третья работа посвящена расчету теплообменного аппарата. Каждая работа кроме элементов теории и методики расчета содержит ис­следовательскую часть, которая заключается в изучении зависимости по­казателей совершенства циклов от их важнейших параметров (работы № 1 и 2) и в определении влияния взаимного направления движения теп­лоносителей на эффективность теплообменного аппарата (работа № 3).

Отчет по каждой контрольной работе оформляется в виде пояснительной записки в соответствии со стандартом предприятия СТП 71.2-88, которая должна содержать: титульный лист, задание, расчетные формулы и резуль­таты выполненных расчетов, графическую часть и выводы.

Контрольная работа № 1

РАСЧЕТ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Под идеальным циклом двигателя внутреннего сгорания (ДВС) пони­мают замкнутый обратимый круговой процесс, совершаемый одной и той же несменяемой порцией рабочего тела. В цикле отсутствуют какие-либо потери энергии за исключением передачи теплоты холодному, источнику. Изучение идеальных циклов позволяет проводить анализ и сравнение ос­новных показателей работы двигателей и выявлять факторы, влияющие на их экономичность.

 

1. Задание

1.1. Рассчитать идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (см. рисунок), включающий следующие термодинамические процессы рабочего тела: адиабатное сжатие а - с, подвод теплоты по изохоре с – z′, под­вод теплоты по изобаре z′ - z, адиабатное расширение z - b, отвод теплоты по изохоре b - a.

Расчет цикла состоит из следующих этапов:

- определение газовой посто­янной рабочего тела;

- определение значений дав­ления, удельного объема, температуры, удельной энтропии во всех точках цикла;

- определение изменения внутренней энергии и энтальпии, значений теплоемкости, теплоты и работы для каждого из процессов.

шанным подводом теплоты

- определение характеристик цикла в целом: количества подведенной и отведенной теплоты, среднего давления и термического КПД.

1.2 Исследовать влияние степени сжатия, степени повышения давления и степени предварительного (изобарного) расширения на термический КПД цикла.

 

1.3 Исходные данные

 

Исходные данные выбираются из табл. 1 приложения в соответствии с порядковым номером в групповом журнале. Для студентов нечетных групп состав рабочего тела задан массовыми долями компонентов, для студентов четных групп - объемными долями. В число исходных дан­ных входят также степень сжатия рабочего тела ε = , степень повы­шения давления λ = ,степень пред­варительного расширения ρ = . Расчеты выполняются для рабочего тела массой 1 кг при исходных температуре = 293 К и давлении = 10⁵ Па. Теплоемкости рабочего тела считаются постоянными, не зависящими от температуры. Исходные данные записываются в табл.1.1.

 

Таблица 1.1

Исходные данные для расчета цикла ДВС

Доли компонентов рабочего тела, %			ε=	𝜆=	ρ=
						105

 

2. Методические указания к выполнению расчетов

 

2.1. Определение газовой постоянной и теплоемкостей рабочего тела. Газовая постоянная рабочего тела (смеси газов) R, вычисляется по формуле, ():

,

где μ - молярная масса смеси, .

В зависимости от способа задания состава смеси для вычисления μ используется одна из следующих формул:

или ,

где: μ_i - молярные массы компонентов смеси (из табл. 2 приложения), и - соответственно массовые и объемные доли компонентов, n -количество компонентов смеси.

Массовые теплоемкости смеси при постоянном объеме и при постоянном давлении рассчитываются по следующим уравнениям (): и ,

где и - молярные теплоемкости компонентов смеси (); (принимаются постоянными, зависящими только от атомности газов, и выбираются из табл. 1.2). Показатель адиабаты .

 

 

Таблица 1.2

Теплоемкость газов

 

Атомность газа	, кДж/(кмоль ∙К)	, кДж/(кмоль ∙ К)
Одноатомный	12.5	20,8
Двухатомный	20,8	29,1
Трехатомный	29,1	37,4

2.2. Определение параметров рабочего тела

Рассчитываются следующие параметры состояния рабочего тела во всех точках цикла: давление р, удельный объем υ, температура и энтропия . Например, в точке давление и температура известны ( и ), следовательно:

.

Полагаем для практического удобства, что численная величина удельной энтропии в состоянии, соответствующим нормальным физическим условиям, равна нулю. Тогда:

.

В точке → , , , и т.д.

Результаты расчетов сводятся в табл. 1.3 и используются в дальней­шем для построения цикла в координатах и .

 

 

Таблица 1.3

Параметры рабочего тела

Параметры рабочего тела	Единицы измерения	Точки цикла
	Па
	м3/кг
	К
	кДж/(кг ∙К)

 

 

2.3. Расчет процессов цикла

Определяются следующие характеристики процессов: теплоемкость с, изменение внутренней энергии Δu, изменение энтальпии Δh, количество подведенной или отведенной теплоты q, работа расширения или сжатия . Для расчета используются соответствующие каждому процессу уравнения термодинамики. Например, для процесса адиабатного сжатия

 

для процесса подвода тепла по изохоре

 

для процесса подвода теплоты по изобаре

 

Аналогично рассчитываются характеристики остальных процессов цикла. Результаты сводятся в табл. 1.4.

 

 

Таблица 1.4

Характеристики процессов	Единицы измерения	Процессы цикла
	кДж/(кг ∙К)
	кДж/кг
	кДж/кг
	кДж/кг
	кДж/кг

 

Характеристики процессов цикла

2.4. Расчет характеристик цикла

Определяются следующие характеристики цикла: количество подве­денной теплоты количество отведенной теплоты количество теплоты превращенной в полезную работу работа расширения работа сжатия полезная работа термический КПД среднее давление

Расчеты выполняются по следующим формулам:

,

, , ,

, .

В заключении, чтобы убедиться в отсутствии расчетных ошибок, следует вычислить значение термического КПД цикла по формуле:

 

. (∗)

Результаты расчетов свести в табл.1.5.

 

 

Таблица 1.5

Характеристики цикла

 

Характеристики цикла
Единицы измерения	кДж/кг	-	П
Результаты расчетов

 

2.5. Исследование цикла

Исследование цикла заключается в оценке влияния на термический КПД цикла степени сжатия степени повышения давления и степени изобарного расширения При этом по формуле (∗) вычисляются значения для при постоянных (заданных) и Далее выполняются расчеты для при постоянных (заданных) и , а затем для и при постоянных (заданных) и . Результаты расчетов заносятся в табл.1.6.

Таблица 1.6

Результаты исследования цикла ДВС

Характеристика цикла	Постоянные параметры (из табл.1.1)
Переменные параметры и их значения

 

2.6. Оформление работы

По данным табл.1.3 строится график цикла в координатах и (с соблюдением масштабов); по данным табл.1.6 – три графика зависимости соответственно от , и (с соблюдением масштабов). Все расчеты проводить в системе СИ.

Контрольная работа № 2

РАСЧЕТ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЦИКЛА ПАРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ (ПСУ)

За основной цикл паросиловой установки принят идеальный цикл Ренкина. В этом цикле осуществляется полная конденсация рабочего тела (пара) в конденсаторе. В цикле Ренкина может использоваться перегретый пар.

1.Задание

1.1. Рассчитать и построить цикл паросиловой установки (цикл Ренкина (рис. 2.1). Цикл включает в себя адиабатный процесс 1-2 расширения перегретого пара в турбине, изобарно - изотермический процесс 2-2' отвода теплоты в конденсаторе, изохорный про­цесс 2'-3 повышения давления воды питательным насосом, изо­барный процесс 3-4 подогрева воды в подогревателе воды до температуры кипения в котле, изобарно - изотермический процесс 4-5 подвода теплоты и парообразования в котле, изобарный процесс 5-1 получения перегретого ненасыщенного пара в пароперегревателе.

 

 

1.2. Исследовать влияние параметров пара на характеристики цикла.

Построить графики зависимостей , и в зависимости от и Сделать выводы о способах улучшения характеристик цикла.

1.3. Исходные данные

Исходные данные - начальное давление давление конца расшире­ния (давление конденсации) температуру перегретого пара вы­брать из табл. 3 приложения в соответствии с порядковым номером в групповом журнале. Выбранные исходные данные записать в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Исходные данные для расчета цикла ПСУ

№ варианта	,Па	, 0C	,Па

2.Методические указания к выполнению расчетов

2.1. Определение параметров в характерных точках цикла

В точке 1 цикла (см. рис. 2.1), соответствующей перегретому пару на входе в турбину, и в точке 2, соответствующей отработавшему (расши­рившемуся) пару на выходе из турбины, параметры состояния определя­ются по диаграмме водяного пара (рис. 2.2). Для этого по начальным па­раметрам пара и на диаграмме находится точка I (рис. 2.3.) и опре­деляются значения удельного объема энтальпии и энтропии перегретого пара. Затем от точки 1 проводится линия 1-2 адиабатного (изоэнтропного) процесса расширения перегретого пара в турбине до пересечения с изобарой, соответствующей заданному конечному давлению на выходе из турбины. По положению точки 2 определяются численные значения параметров отработавшего пара: и степени сухости В точках (см. рис. 2.1) параметры состояния воды и пара оп­ределяются по справочным таблицам воды и водяного пара (табл. 4 при­ложения).

 

 

 

 

Рис.2.2

 

 

 

 

Рис 2.3

 

При этом учитывается, что жидкая вода в насосе практически не сжимается, поэтому и, соответственно, а .

 

Указанные параметры воды в точках и 3 определяются как функции давления

 

 

Параметры кипящей воды в точке 4 и сухого насыщенного пара в точке 5 определяются как функции давления .

Результаты определения параметров состояния воды и пара сводятся

в табл. 2.2 и используются для построения в масштабе цикла ПСУ в T-s координатах.

.

 

Таблица 2.2

Параметры состояния воды и пара

Обозначение	Единицы измерения	Точки цикла
	Па
	0
	м3/кг
	кДж/кг
	кДж/(кг К)
	%

 

 

2.2.Расчет характеристик цикл

Рассчитываются следующие характеристики:

полезная работа:

, ;

термический КПД: ;

удельный расход пара на единицу работы: .

2.3. Исследование цикла

Исследовать влияние начального давления перегретого пара , тем­пературы перегретого пара t₁ \ и давления конца расширения
на основ­ные показатели цикла: ℓ₀, , d₀ и х₂.Для этого по изложенной в п. п. 2.1 и 2.2 методике дополнительно рассчитать перечисленные характеристики цикла при = 0,75 и = 1,25 при постоянных (исходных) значениях t₁ и , Затем про­вести аналогичные расчеты при t₁^′ = 0,75t₁ и t₁^′′ = 1,25 t₁ при постоянных значения и и, наконец, определить = 0,75 и = 1,25 при постоянных значениях и t₁. Результаты занести в табл. 2.3. Используя полученные данные, построить с соблюдением масштабов графики зависимостей ℓ₀, , d₀, x₂ от , t_1. Сделать выводы по результатам исследования.

Таблица 2.3

Результаты исследования цикла ПСУ

Характеристики цикла	Постоянные параметры (из табл.2.1)
t1 и	и	t1 ,и
Переменные параметры и их значения
			t1′	t1
ℓ0, кДж/кг	Па	0С	Па
, %
d0, кг/(кДж)
х2, %

Используя полученные данные, построить графики в зависимости от с соблюдением масштабов. Сделать выводы.

Контрольная работа № 3