Задача

Задача Термодинамический расчет, анализ и оптимизация идеализированного цикла поршневого ДВС

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-29

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 4.4.2025





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 ηt и максимальной температуры Тmax при варьировании указанного параметра в пределах 20 %. По результатам расчетов построить графики зависимостей ηt и Тmax от варьируемого параметра, на основании которых сделать заключение об его оптимальном значении, принимая за предельно допустимое значение Тmax 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 Δs
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 t4 и теплоемкостей:

 



 



.

Определяем теперь характеристики процесса 3-4:

 




 






Проверку проведем обоими способами, воспользовавшись формулами (21 ‑ 22):



По выражению (23):

 и по формуле(24):



Чтобы рассчитать процесс 4-5, определим температуру t5, cνm
и c
pm
по формулам (19) и (20):



 





 .
Далее рассчитываем характеристики процесса 4-5 по формулам (14 – 18):
 





 


Проверка:


 


.
Производим расчет последнего процесса 5-1. Это процесс изохорный и расчет его аналогичен расчету процесса 2-3. Начинаем, как обычно, с расчета теплоемкостей:




 



Основные характеристики процесса:

 




 


Проверку проведем по формуле (23):




Погрешность расчета определим по формуле (24):

 

Прежде чем перейти к расчетам характеристик цикла, рассчитываем сначала значения энтропии в каждой характерной точке цикла. Для точки 1 можно записать



где t0 = 0 °C (T0 = 273,15 К); p0 = 0,1013 МПа – параметры воздуха при нормальных условиях; при таком состоянии считается, что S = 0.
 


 

Далее находим

 

 

 


 


или



.

Практическое совпадение значений s5, рассчитанных двумя способами, свидетельствует об отсутствии заметных погрешностей при расчетах величин .s. Все результаты заносим в табл. 1.











1.3.3 Расчет характеристик цикла



Теплоту за цикл, рассчитываем по выражению (25):



Работу за цикл определим по выражению (26):

.

Известно, что за цикл qц = lц. В наших расчетах несовпадение незначительно. Невязка объясняется округлениями в промежуточных расчетах (27):



Количество подведенной теплоты





Найдем изменения внутренней энергии, энтальпии и энтропии за цикл. Теоретически эти изменения должны быть равными нулю.
;

;




Некоторые отличия рассчитанных величин от нуля объясняются округлениями при расчетах. Естественно, что сопоставлять невязку, например, нужно не с нулем, а с любым слагаемым, входящим в сумму. И тогда видно, что невязка и здесь составляет доли процента.

Рассчитаем термический КПД цикла по формуле (28):


.


Рассчитаем термический КПД идеализированного цикла с адиабатными процессами сжатия и расширения по формуле (1), приведенной в [4] и принимая в среднем k = 1,39:
 .

Термический КПД цикла Карно для того же интервала температур, в котором реализуется реальный цикл по формуле (29), будет:





Результаты расчетов заносим в сводные: табл. 1 и табл. 2:

Таблица 1

Сводная таблица исходных данных и результатов расчета

Наименование


Значения параметров

 



р, МПа



ν, м3/кг



Т, К


S, кДж/кг·К

 

Параметры точек

1

2

3

4

5

0,14

6,9

8,97

8,97

0,64

0,61

0,037

0,037

0,048

0,61

300

895,2

1156,2

1477

1359

0,05

-0,2

-0,26

2,45

3,11

 

Наименование


Значения параметров

q, кДж/кг

l, кДж/кг

Δ
u
, кДж/кг

Δ
h
, кДж/кг

Δ
S
, кДж/кг

Характеристики процессов


1-2

2-3

3-4

4-5

5-1

-68

198,4

346,7

77,3

39,3

-400

0

92

1045

-,117,6

435,7

78,4

253.4

-92

-127,6

246,5

108,3

200,9

-296,7

-258,6

-0,35

0,13

0,28

0,4

-0,47

Суммы



593,7

415,4

496,5

8,4

0,01


Таблица 2

Результаты расчета



Термический КПД

ηt

0,9

Термический КПД идеализированного цикла Карно

ηtц

0,55

Термический КПД цикла Карно

ηtk

0,75

Коэффициент заполнения цикла

k

0,51


1.3.4 Построение T-s диаграммы цикла
Чтобы построить T-s диаграмму, выбираем масштабы по осям координат: Tt
= 10 К/мм; ss = 0,01 кДж/(кг·К) / мм. Изображаем оси T и s, наносим координатную сетку, а затем и характерные точки цикла. Точки 2 и 3, 3 и 4, 5 и 1 соединяем по лекалу кривыми, по характеру близкими к экспонентам, а политропные процессы 1-2 и 4-5 с достаточной точностью можно изображать прямыми линиями (рис. 1П). Чтобы определить коэффициент заполнения цикла, найдем площадь цикла 1-2-3-4-5-1 непосредственно на диаграмме, пересчитывая квадратные сантиметры (на рисунке пронумерованы): = 25,4 см2.

Площадь описанного цикла Карно рассчитываем, измерив, размеры прямоугольника в сантиметрах: Fк = 8,5·5,9 = 50,2 см2. Тогда коэффициент заполнения цикла будет

k = Fц / Fк = 25,4/ 50,2 = 0,51

Рис. 1П. Т-s- диаграмма цикла
ных слоев многослойной стенки
 





1.4 Оптимизация цикла варьированием параметра n1

Используя данные таблицы, строим графики зависимостей: Тmax= f(n1)

Рис. 2П. Зависимость Тmax от n1
ных слоев многослойной стенки
 





и ηt
=
f
(
n
1
):






Из рисунков видно, что наибольшую эффективность имеет цикл с n1 = 1,37. Это и понятно, поскольку при n1 = k процесс сжатия протекает адиабатно, а адиабатные процессы самые "экономичные". Вывод: оптимальным является значение n1 = 1,37. При этом T4 < Tпр.
Задача № 2
2.1 Содержание задачи № 2 (вариант 42)
Цикл Ренкина задан параметрами р1 = 10 МПа; t1 = 450°С; р2 = 0,07 МПа. Исследовать влияние параметра t1 на величину термического КПД цикла ηt  и удельный расход теплоты q, рассчитав эти величины при варьировании заданного параметра в пределах  20 %. Построить графики зависимостей ηt и q от варьируемого параметра, на основании которых сделать заключение об оптимальном его значении. Краткое описание цикла см. на стр. 13-15.
2.2 Расчет цикла *
Для определения параметров p, v, t, h и s каждой из характерных точек цикла воспользуемся таблицами состояний [5] и известной h-s диаграммой воды и пара.
Точка 1. Давление и температура здесь заданы: р1 = 3,494 МПа; t1 = 273°С. Тогда на пересечении изобары: р = 34,9 бар и изотермы t1 = 273 °С на h-s диаграмме находим положение точки 1 и по соответствующим изолиниям определяем значения остальных параметров: v1 = 0,0636 м3/кг; h1 = 2900,2 кДж/кг; s1 = 6,321 кДж/(кг·К). Эти же значения можно определить и по таблицам состояний перегретого пара, применяя двунаправленное линейное интерполирование, подробно описанное в [3] и [4].
Точка 2. Поскольку процесс 1-2 принимается адиабатным, положение точки 2 находим, проводя вертикальную линию вниз (s = const) до пересечения с изобарой р = р2 = 0,27 бар.
_ * В настоящем расчете все исходные параметры умножены на 0,91, чтобы вариант 42 оставался доступным для работы.
По соответствующим изолиниям находим: t2 = tнас = 66,9 °С, ν2 = 4,5157 м3/кг; h2 = 2117,6 кДж/кг; s2 = s1 = 6,321 кДж/(кг К); x2 = 0,78. Эти же значения можно рассчитать, пользуясь таблицами насыщенных состояний и определив сначала значение x2:
,

после чего и значения других параметров, например:


Параметры остальных точек находим по таблицам насыщенных состояний (по давлениям).
Точка 3. Давление р3 = р2 = 0,27 бар, остальные параметры – это параметры воды на линии насыщения при этом давлении. Из таблицы находим:

t3 = tнас = 66,9 °С; ν3 = 0,0010 м3/кг; h3 = 280,0 кДж/кг; s3 = 0,917 кДж/(кг К).
Точка 4. Давление р4 = р1 = 3,494 бар, температура: t4 = t3 = 242,4 °С. По этим значениям с помощью таблицы состояний воды следовало бы найти остальные параметры. Однако, учитывая, что величина параметров воды очень мало зависит от ее давления, обычно принимают ν4 = ν3 = 0,001 м3/кг; h4 = h3 = 280,0 кДж/кг; s4 = s3 = 0,917 кДж/(кг·К).
Точка 5. Здесь р5 = р1 = 3,494 бара, а остальные параметры этой точки – это параметры воды на линии насыщения при этом давлении: t5 = tнас = 242,4 °С; v5 = v'= 0,0012 м3/кг; h5 = h' = 1049,3 кДж/кг; s5 = s' = 2,724 кДж/(кг·К).

Точка 6. Давление р6 = р1 = 3,494 бар, все же остальные параметры определяются как параметры сухого насыщенного пара при этом давлении. Из таблицы насыщенных состояний воды находим: t6 = tнас = 242,4 °С; v6 = v''= 0,0572 м3/кг;  h6 = h'' = 2802,5 кДж/кг; s6 = s'' = 6,126 кДж/(кг·К).
2.3.1 Расчет термического КПД и других параметров цикла
Рассчитываем теперь основные характеристики цикла. Термический КПД цикла по формуле (30):


Удельный расход пара по формуле(31):




Удельный расход теплоты по формуле(32):



Результаты расчетов сводим в итоговую таблицу 1
Таблица 1

Итоговая таблица расчетов

Точка

р, МПа

t, 0С

ν, м3/кг

h, кДж/кг

s, кДж/(кг·К)

х

1

3,494

273,0

0,0636

2900,2

6,321



2

0,027

66,9

4,5157

2117,6

6,321

0,78

3

0,027

66,9

0,0010

280,0

0,917



4

3,494

242,2

0,0010

280,0

0,917



5

3,494

242,2

0,0012

1049,3

2,724



6

3,494

242,2

0,0572

2802,5

6,126

























































2.4 Результаты варьирования и их анализ

Таблица 2

Результаты расчета основных параметров цикла

Значение варьируемого параметра t1,С

Процент изменения параметра

d, кг/кВт ч

q, кДж/кВт·ч

ηt

218,4

-20

5,079

12353

0,291

245,7

-10

4,807

12183

0,295

273,0

0

4,600

12053

0,299

300,3

+10

4,425

11930

0,302

327,6

+20

4,267

11804

0,305

Ниже на рис. 4П – 6П полученные результаты отражены графически в виде соответствующих зависимостей.





Рис. 4П. Зависимость q = f(t1)


Рис. 6П. Зависимость ηt=f(t1)
 





Из рисунков видно, что с увеличением температуры t1 эффективность цикла увеличивается практически по линейному закону. При этом удельные расходы пара и теплоты уменьшаются примерно на 12 %, а термический коэффициент полезного действия примерно на столько же увеличивается.

Задача №3
Определить потерю теплоты через 1м2 кирпичной обмуровки котла толщиной  и температуры стенки  и  , если температура газов °C температура воздуха °C коэффициент теплоотдачи со стороны газов  , коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха  и коэффициент теплопроводности обмуровки

Дано:,,;

             ;  ;

Найти:
Решение:

1). Согласно уравнению (40) коэффициент теплопередачи равен:

;

Подставляя это значение в формулу (41), определим плотность теплового потока:

                                               ;

                                              

Для определения температур стенок  и   составим уравнения для плотности теплового потока (в данном примере – 3 уравнения). Так как тепловой поток один и тот же во всех 3-х процессах, то получим следующие выражения:

1.                    плотность теплового потока от горячего газа к стенке по формуле Ньютона – Рихмана:


2.                    плотность теплового потока, обусловленная теплопроводностью через твердую стенку: 

3.                    плотность теплового потока от второй поверхности стенки к воздуху:

                                                       
Отсюда необходимые значения температур, по формулам (42), равны:



                                            

2). Построение температурного графика позволит убедиться в правильности нашего решения, т.е. значения температур стенки  и  можно определить графическим способом. Всё построение подробно описано на стр.22 в настоящих МУ.


Рис. 7П. Графический способ определения промежуточных температур и


 




3). Построение температурного графика в  – координатах. Построение графика аналогично вышеизложенному, но по оси абсцисс откладываются в масштабе толщины слоев .


Рис. 8П. Теплопередача через кирпичную обмуровку котла

 




Задача №4
Паропровод диаметром  200/216 мм покрыт слоем совелитовой изоляции толщиной 110 мм, коэффициент теплопроводности которой .

Температура пара  и окружающего воздуха  . Коэффициент теплопроводности стенки ; и . Необходимо определить линейный коэффициент теплопередачи, линейную плотность теплового потока и температуру на поверхности соприкосновения паропровода с  изоляцией.

Дано:,

         

         

Найти: .

Решение: Согласно условию задачи:  и

Линейный коэффициент теплопередачи определим по формуле (48):
На основании формулы (47) найдем линейную плотность теплового потока



/

Температуру поверхности соприкосновения паропровода с изоляцией найдем по формулам (46) и (49):

1).от пара к внутренней поверхности паропровода:

2).от внутренней к наружной поверхности паропровода (обусловленная теплопроводностью):
Отсюда

.


1. Реферат на тему Careers In Investment Banking Essay Research Paper
2. Реферат на тему The Amistad Essay Research Paper What major
3. Реферат на тему Something About Mary Essay Research Paper Something
4. Реферат История развития государственного финансового контроля в россии
5. Статья Особенности эксплуатации установок внутрипластового обезжелезивания воды
6. Курсовая Разработка игры Крестики-нолики
7. Реферат на тему Superstition In The Play The Crucible By
8. Реферат Петербургская архитектура эпохи модерна
9. Реферат на тему Ceaser Essay Research Paper Essay on CaesarIn
10. Курсовая Сущность и основные функции бюджетной системы Российской Федерации