Расчет турбонагнетателя двс
Download 225,78 Kb.
|
ТЕРМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ТЕРМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ.ВведениеРасчет турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 1.1 Физическая постановка задачи 1.2 Решение задачи 2.Расчет теоретического цикла ДВС 2.1 Физическая постановка задачи 2.2 Решение задачи Заключение Список литературы 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. Расчет турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 1.1 Физическая постановка задачи Атмосферный воздух при давлении р0=0,09 МПа и температуре t0=15оС 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 Ср = 29,31 кДж/(кмольК); изохорная мольная теплоемкость Сv = 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 cv и cp определяются как cv = сv / = 20,93 / 29 = 0,722 кДж/(кгК); cp = ср / = 29,31 / 29 = 1,01 кДж/(кгК). T0 =t0 +273=15+273 = 288 K. Показатель адиабаты k = cp/ cv =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 = cvT0 = 0,722288 = 208 кДж / кг; i0 = cp T0 = 1.01 288 = 291 кДж / кг; s0 = cр 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 = cv T1 = 0,722 305,994 = 220, 928 кДж / кг; i1 = cp T1 = 1,01 305,994 = 309,054 кДж / кг; s1 = cp 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 pп и sп для заданных значений удельного объема (vп) и температуры (Tп), находим давление и энтропию по формулам: (1) sп = cp ln (Tп / 273) - R ln (рп/0,1). (2) Величина давления pп в промежуточной точке при заданном значении температуры Tп определяется по формуле (3) Задавая значение vп=0,82 м3 /кг по формуле (1), определим pп Составляем таблицу для построения p-v диаграммы
Для построения T-s диаграммы в промежуточной точке задаем значение Tп=295 K, затем по формуле (3) определяем pп и наконец из (2) находим sп. Тогда
sп = 1,01 ln (295 / 273) – 0,287 ln (0,104/0,1)=0,067 KДж/(кгK).
Составляем таблицу для построения T-s диаграммы
Отведенная теплота: q 0-1 = cn (T1 – T0) = cv [(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 lсж0-1 = (R / (n-1)) (Т0 – Т1) = (0,287/ (1,3 - 1))(288 – 306) = -17,22 кДж / кг. Располагаемая (техническая) работа: lрасп.0-1 = lсж0-1 n = -17,22 1,3 = - 22,386 кДж / кг. Правильность расчета: q = lрасп. + i = - 22,386 + 13,94 = - 8,446 кДж / кг. Теоретическая и действительная мощности привода турбонагнетателя Ntk= G0 lрасп = 0,5 22,386 = 11,193 кВт, Nд= Ntk / =11,193 /0,85 = 13,168 кВт. 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 ήоi= 0,76; механический КПД ήм =0,85; число цилиндров = 8, а тактность ДВС τтак =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 Sпор 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 bе, 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.
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 = 0,117 141,4 = 4,71 МПа; T2 = (р2 v2) / R = (4,71 106 0,0527) / 287 = 865 К. Точка3.
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.
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 4 – 5 адиабатный. Из уравнения адиабатного процесса находим давление р5. 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 pп и sп для заданных значений удельного объема (vп) и температуры (Tп), находим давление и энтропию по формулам: (4) На участке 1-2 задаем vп1=0,35 м3/ кг и по формуле (4) вычисляем рп1 На участке 4-5 задаем vп2=0,33 м3/ кг и вычисляем рп2 Расчет изменения калорических параметров ( u, i, s). Изменение внутренней энергии производится по формуле, кДж/кг u = cv T, u1-2= u2-u1=0,722(865 – 301)= 407, u2-3 = 250, u3-4=525, u4-5= -812, u5-1=.-370 Изменение энтальпии производится по формуле, кДж/кг i = cp T, i1-2= i2-i1=1,01(865 – 301)= 570 i2-3 = 350, i 3-4=734, i 4-5=-1136, i 5-1=-518 Изменение энтропии производится по формуле, кДж/(кгК) s = cpln (Ti+1 / Ti) - R ln (pi+1 / pi). s1-2= 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.
Для построения Т-s диаграммы, найдем значения энтропии в узловых точках (KДж/(кгK) s1 = cpln (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 = cpln (T3 /273) - R ln (p3 /0.1) = 1,01ln (1211/273) – 0,287 ln (6,59 /0.1) = 0,303. s4 = cpln (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.
Расчет работы l, располагаемой работы lp и теплоты q для каждого процесса цикла Процесс 1 - 2 (адиабатный процесс, dq = 0). l1-2 = - u1-2= -407 кДж/ кг; lр1-2 = - i1 =-570 кДж/ кг; q 1-2= 0. Процесс 2 - 3 (изохорный процесс, v3 = v2=0,0527 м3/кг) l2-3 = 0; lр2-3= -v2(р3- р2)=-0,0527(6,59-4,71)= 100 кДж/ кг; q 2-3= u2-3 = 250 кДж/ кг. Процесс 3 - 4 (изобарный процесс, р3 = р4=6,59 МПа). L3-4 = р3(v4- v3) =6,59 (0.0843-0,0527) 103= 263кДж/ кг; lр3-4=0; Q3-4= i3-4 = 734 кДж/ кг Процесс 4- 5 (адиабатный процесс, dq = 0). l4-5 = - u4-5= 812 кДж/ кг; lр4-5 = - i1 =1136 кДж/ кг; q 4-5= 0. Процесс 5 - 1 (изохорный процесс, v5 = v1=0,738 м3/кг). L5-1 = 0; lр5-1= 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=q2-3+q3-4= 250+734=984 кДж/ кг. Отведенная теплота в цикле определяется как сумма отрицательных теплот в отдельных процессах, взятых по модулю q2 =|q5-1|= 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 lц = li = l1-2 +l2-3 + l3-4 + l4-5+ l5-1= lрi = lр1-2 +lр2-3 + lр3-4 + lр4-5+ lр5-1, lц = -407 + 0 + 209 + 812 + 0 + =614 кДж/ кг, или lц =q1+q2= 984+250=614 кДж/ кг. Эффективность работы цикла оценивается термическим КПД, который рассчитывается по уравнению t= lц / 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 tк= 1- Тмин / Тмак; tк= 1- 301 / 1938 = 0,845, где Тмин и Тмак минимальная и максимальная температура рабочего тела в рассматриваемом цикле. Теоретическая мощность ДВС составляет, кВт Nt = lцG0= 6140.5 =307 Индикаторная мощность, то есть мощность, которую развивают газы внутри цилиндров ДВС, составляет N0i = Nt oi = 3070.76 =233 кВт Эффективная мощность, то есть мощность, которая снимается с вала двигателя, составляет Ne = Nt oi м = 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 pi=Li / Vh = li /(v1- v2) = (lц oi) /(v1- v2); pi =(6140.76)/ (0.738 -0.0527) 103=6.81 105 Па. Часовой расход топлива, кг/ч В= 3600 q1G0/Qpн= 3600 9840,5 /42000 = 42,17 Эффективный удельный расход топлива- это расход топлива на единицу эффективной мощности двигателя bе=B / Ne= 42.17 / 198 = 0.213 кг/ кВт-ч Диаметр цилиндра D (м) определяется из выражения [4] Размещено на Download 225,78 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|