Расчет турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

 

Федеральное агентство  по образованию Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра теплогазоснабжения

 

КУРСОВАЯ   РАБОТА

по « Теплотехнике»

 

 

Вариант №

 

 

 

  Выполнил студент  ______________________________________                               

  Курсовая работа  защищена с оценкой  _____________________                           

                                                         

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2007 г.

Содержание

  Введение

1. Расчет 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

3. Расчет водяного радиатора ДВС

     3.1. Физическая постановка задачи

     3.2. Решение задачи

4. Расчет температурного поля в стенке цилиндра ДВС

     4.1. Физическая постановка задачи

     4.2. Решение задачи

5. Расчет радиационного теплообмена в ДВС

     4.1. Физическая постановка задачи

     4.2. Решение задачи

Заключение

    Литература

 

 

 

 

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.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет турбонагнетателя двигателя  внутреннего сгорания (ДВС).

 

1.1. Физическая постановка  задачи.

 

 Атмосферный воздух  при давлении р₀=0,09 МПа и температуре t₀=15^оС сжимается в турбонагнетателе по политропе с показателем политропы n=1,2._. Степень повышения давления в турбонагнетателе b=p₁/p₀ =1,3. КПД турбонагнетателя h = 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  mС_р = 29,31 кДж/(кмоль×К); изохорная мольная теплоемкость  mС_v = 20,93 кДж/(кмоль×К) ([Приложение1]). Газовая постоянная для воздуха R рассчитывается по уравнению

R=R

/ =8314.4/29 = 287 Дж / (кг K).

 

Массовые удельные теплоемкости воздуха c_v и c_p определяются как

 

c_v = mс_v / m = 20,93 / 29 = 0,722 кДж/(кг×К);

 

c_p = mс_р / m = 29,31 / 29 = 1,01 кДж/(кг×К).

 

                            T₀ =t₀ +273=15+273 = 288 K.

 

Показатель адиабаты k = c_p/ c_v =1,01/0,722=1,4.

 

Находим удельный объём воздуха  перед всасыванием его в турбонагнетатель из уравнения состояния

 

v₀ = RT₀ / p₀ = (287×288) / (0,09×10⁶) = 0,918 м³ / кг,

 

Находим температуру и удельный объём воздуха за турбонагнетателем 

 

р₁₌р₀ b=0,09×1,3=0,117 Мпа.

T₁ = T₀ b^{(n-1) /n} =288×1,3^(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 = c_v×T₀ = 0,722×288 = 208 кДж / кг;

 

i₀ = c_p × T₀ = 1.01 × 288 = 291 кДж / кг;

 

s₀ = c_р × Ln (T₀ / 273) - R×ln (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 = c_v × T₁ = 0,722 × 305,994 = 220, 928 кДж / кг;

 

i₁ =  c_p × T₁ = 1,01 ×305,994 = 309,054 кДж / кг;

 

s₁ = c_p × ln (T₁ / 273) - R × ln (р₁/0,1) =

=1,01 × ln (305,994 / 273) - 0,287 × ln (1,17) =  0,07 кДж/(кг×К).

 

Для вычисления промежуточных  значений термодинамических параметров p_п и s_п  для заданных значений удельного объема (v_п ) и температуры (T_п), находим давление и энтропию по формулам:

                                 

                                                                                            (1)

                                    

                                      s_п = c_p × ln (T_п / 273) - R × ln (р_п/0,1).                         (2)

 

Величина давления p_п в промежуточной точке при заданном значении температуры T_п определяется по формуле

                                                                              (3)

 

Задавая значение v_п=0,82 м³ /кг по формуле (1), определим p_п

 

 

 

 

 

 

 

Составляем таблицу  для построения p-v диаграммы

 

Точки (p-v диграммы)	0	1	п
p (МПа)	0,09	0,117	0,103
v (м3 /кг)	0,918	0,751	0,83

 

Результаты расчета процесса сжатия отражены на рабочей (p-v) диаграмме.

Для построения T-s диаграммы в промежуточной точке задаем значение T_п=295 K, затем по формуле (3) определяем p_п  и наконец из (2) находим s_п.

 

Тогда

 

s_п = 1,01 × ln (295 / 273) – 0,287 × ln (0,104/0,1)=0,067 KДж/(кг×K).

 

Составляем таблицу  для построения T-s диаграммы

 

Точки (T-s диаграммы)	0	1	0-1
T (K)	288	305,994	300
s (КДж/(кг×K)	0,0842	0,067	0,07

 

 

Отведенная теплота:

q _0-1 = c_n (T₁ – T₀) = c_v [(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

 

l_сж0-1 = (R / (n-1)) × (Т₀ – Т₁) = (0,287/ (1,3 - 1))×(288 – 306) = -17,22 кДж / кг.

 

Располагаемая (техническая) работа:

 

l_расп.0-1 = l_сж0-1 × n = -17,22 × 1,3 = - 22,386 кДж / кг.

 

Правильность расчета: q = l_расп. + Di = - 22,386 + 13,94 = - 8,446 кДж / кг.

 

Теоретическая и действительная мощности привода турбонагнетателя

 

N_tk= G₀ × ½ l_расп½ = 0,5 × 22,386 = 11,193 кВт,

 

N_д= N_tk /h =11,193 /0,85 = 13,168 кВт.

 

Располагаемая (техническая) работа при  изотермическом процессе сжатия в компрессоре и теоретическая мощность привода турбонагнетателя:

 

l

. = R × T₀ × ln(p₀/p₁) = 0,287 × 288 × ln(0,09/1,17) = - 21,69кДж/кг ;

 

N

= G₀ ×½ l _. ½_. = 0,5 × 21,69 = 10,85 кВт.

 

Располагаемая (техническая) работа при адиабатном процессе сжатия в турбонагнетателе и теоретическая  мощность привода турбонагнетателя:

 

l

.  = (к×R ×Т₀/ (к-1)) × (1- (p₁/p₀)^(к-1)/к).

l

. = ( 1,4×0,287×288 / (1,4-1)) × (1- (1,17/0,9)^(1,4-1)/1,4) = - 23,14кДж/кг

N

= G₀ × ½ l _. ½_. = 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.

 

 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 - e = 14;  степень повышения давления - l = 1,4; степень предварительного расширения  r = 1,6. Массовый расход газа G₀ =0,5 кг/с. Относительный внутренний КПД  ή_оi= 0,76; механический КПД  ή_м =0,85; число цилиндров = 8, а тактность ДВС  τ_так =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 S_пор 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 b_е, 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.

Так как степень сжатия e = v₁ / v₂ =14, то   удельный объем

 

v₂ = v₁ / e = 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 ( e )^к = 0,117 × 14^1,4 = 4,71 МПа;

 

T₂ = (р₂ × v₂) / R = (4,71× 10⁶ × 0,0527) / 287 = 865 К.

 

Точка3.

Процесс 2-3 изохорный  процесс т.е. v₃ = v₂ = 0,0527 м³/ кг.

Так как степень повышения  давления l = р₃ / р₂=1,4, то

 

р₃ = р₂ ×  l = 4,71×1,4 = 6,59 МПа.

 

Так как процесс  2 - 3 изохорный, то Т₃ / T₂ = P₃ / Р₂ = l, следовательно

 

Т₃ = T₂ ×  l  = 865 ×1,4 = 1211 К.

 

Точка 4.

Процесс 3-4 изобарный  процесс, т.е. р₃ = р₄ = 6,59 МПа.

 

Степень предварительного расширения = v₄ / v₃=1,6, то

 

v₄ = v₃×

=0,0527×1,6= 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  5 - 1 изохорный, т.е. v₅ = v₁ = 0,738 м³/ кг.

Процесс 4 – 5 адиабатный. Из уравнения адиабатного процесса находим давление р_5.

 

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 p_п и s_п  для заданных значений удельного объема (v_п ) и температуры (T_п), находим давление и энтропию по формулам:

                                 

                                                                                           (4)

                                    

На участке 1-2 задаем v_п1=0,35 м³/ кг и по формуле (4) вычисляем р_п1

 

 

На участке 4-5 задаем v_п2=0,33 м³/ кг и вычисляем р_п2

 

 

Расчет изменения калорических параметров ( u, i, s).

 

Изменение внутренней энергии производится по формуле, кДж/кг

 

u = c_v× T,

 

u_1-2= u₂-u₁=0,722×(865 – 301)=  407,

 

u_2-3 = 250, u_3-4=525, u_4-5= -812, u_5-1=.-370

 

Изменение энтальпии  производится по формуле, кДж/кг

 

i = c_p× T,

 

i_1-2= i₂-i₁=1,01×(865 – 301)= 570

 

 i_2-3 = 350, i _3-4=734, i _4-5=-1136, i _5-1=-518

Изменение энтропии производится по формуле, кДж/(кг×К)

 

s = c_p×ln (T_i+1 / T_i) - R ln (p_i+1 / p_i).

 

s_1-2= 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.

 

Результаты расчета процесса сжатия отражены на рабочей (p-v) диаграмме.

 

Точки (p-v диаграмы)	1	2	п1	3	4	5	п2
p (МПа)	0,117	4,71	0,332	6,59	6,59	0,316	0,975
v (м3 /кг)	0,738	0,0527	0,35	0,0527	0,0843	0,738	0,33

 

 

Для построения Т-s диаграммы, найдем значения энтропии в узловых точках (KДж/(кг×K)

s₁ = c_p×ln (T₁ /273) - R ln (p₁ /0.1) =

1,01×ln (301/273) – 0,287 ln (0,117/0.1)=0,054.

 

Так как процесс 1-2 адиабатный, то s₂ = s₁ =0,054.

 

s₃ = c_p×ln (T₃ /273) - R ln (p₃ /0.1) =

1,01×ln (1211/273) – 0,287 ln (6,59 /0.1) = 0,303.

 

s₄ = c_p×ln (T₄ /273) - R ln (p₄ /0.1) =

1,01×ln (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.

 

 

 

 

Точки (T-s диаграммы)	1	2	3	п1	4	п2	5	п3
T (K)	301	865	1211	1100	1938	1400	814	600
s (КДж/(кг×K)	0,054	0,054	0,303	0,233	0,778	0,450	0,778	0,552

 

 

Расчет работы l, располагаемой работы l_p и теплоты q для каждого процесса цикла

Процесс 1 - 2 (адиабатный процесс, dq = 0).

l_1-2 = -

u_1-2= -407 кДж/ кг;  l_р1-2 = - i₁ =-570 кДж/ кг;  q _1-2= 0.

 

Процесс 2 - 3 (изохорный  процесс,  v₃ = v₂=0,0527 м³/кг)

l_2-3 = 0;  l_р2-3= -v₂×( р₃- р₂)=-0,0527×(6,59-4,71)= 100 кДж/ кг;

q _2-3=

u_2-3 = 250 кДж/ кг.

 

Процесс 3 - 4 (изобарный  процесс,  р₃ = р₄=6,59 МПа).

L_3-4 = р₃×( v₄- v₃)  =6,59 ×(0.0843-0,0527) ×10³=  263кДж/ кг;

l_р3-4=0; Q_3-4=

i_3-4 = 734 кДж/ кг

 

Процесс 4- 5 (адиабатный процесс, dq = 0).

l_4-5 = -

u_4-5= 812 кДж/ кг;  l_р4-5 = - i₁ =1136 кДж/ кг;  q _4-5= 0.

 

Процесс 5 - 1 (изохорный  процесс,  v₅ = v₁=0,738 м³/кг).

L_5-1 = 0;  l_р5-1= 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=q_2-3+q_3-4= 250+734=984 кДж/ кг.

Отведенная теплота  в цикле определяется как сумма  отрицательных теплот в отдельных процессах, взятых по модулю

 

q₂ =|q_5-1|= 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

 

l_ц = S li = l_1-2 +l_2-3 + l_3-4 + l_4-5+ l_5-1= S l_рi = l_р1-2 +l_р2-3 + l_р3-4 + l_р4-5+ l_р5-1, l_ц = -407 + 0 + 209 + 812 + 0 + =614 кДж/ кг,

или  l_ц =q₁+q₂= 984+250=614 кДж/ кг.

 

Эффективность работы цикла  оценивается термическим КПД, который  рассчитывается по уравнению

t= l_ц / 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

 

t^к= 1- Т_мин / Т_мак;     _t^к=  1- 301 / 1938 = 0,845,

 

где Т_мин  и Т_мак минимальная и максимальная температура рабочего тела в рассматриваемом цикле.

Теоретическая мощность ДВС составляет, кВт

 

N_t = l_ц×G₀= 614×0.5 =307

 

Индикаторная мощность, то есть мощность, которую развивают  газы внутри цилиндров ДВС, составляет

 

N_0i = N_t×

oi = 307×0.76 =233 кВт

 

Эффективная мощность, то есть мощность, которая снимается  с вала двигателя, составляет

 

N_e = N_t×

oi× _м = 307×0.76×0.85  =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

 

p_i=L_i / V_h = l_i /(v₁- v₂) = ( l_ц ×

oi ) /(v₁- v₂);

p_i =(614×0.76)/ (0.738 -0.0527) ×10³=6.81 ×10⁵ Па.

Часовой расход топлива, кг/ч

 

В= 3600 q₁×G₀×/Q^p_н= 3600× 984×0,5 /42000 = 42,17

 

Эффективный удельный расход топлива- это расход топлива на единицу эффективной мощности двигателя

 

b_е=B / N_e= 42.17 / 198 = 0.213 кг/ кВт-ч

 

Диаметр цилиндра D (м) определяется из выражения [4]