- •Волжский государственный инженерно-педагогический университет Автомобильный институт
- •1. Цель курсового проекта
- •2. Основные допущения
- •3. Требования к содержанию и оформлению пояснительной записки
- •4.2. Краткое описание идеализированного цикла теплового двигателя
- •4.2.1. Термодинамический процесс политропного сжатия рабочего тела. Уравнения обмена механической и тепловой энергией между рабочим телом и окружающей средой. Энтропия рабочего тела
- •4.2.1.1. Уравнение термодинамического политропного процесса сжатия [1]
- •4.2.1.2. Энергия в механической форме, которой обмениваются рабочее тело и окружающая среда (в нашем случае это работа изменения объёма), описывается интегральным соотношением [1]
- •4.2.2. Термодинамический изохорный процесс подвода тепловой энергии
- •4.2.3. Термодинамический изобарный процесс подвода тепловой энергии
- •4.2.4. Термодинамический процесс политропного расширения рабочего тела
- •4.2.5. Термодинамический изохорный процесс отвода тепловой энергии
- •4.2.6. Методические рекомендации по расчёту тепловой энергии и изменения энтропии в термодинамических процессах
- •5. Определение параметров двигателя
- •5.1. Результирующая работа цикла
- •5.2. Суммарная тепловая энергия цикла
- •5.3. Термический коэффициент полезного действия цикла
- •5.4. Среднее индикаторное давление рабочего тела и индикаторная мощность двигателя
- •5.5. Цикловой расход топлива, цикловой расход воздуха и коэффициент избытка воздуха
- •5.6. Расход топлива двигателем, мощность двигателя и его удельный расход топлива
- •6. Индикаторная и тепловая диаграммы цикла
- •7. Индикаторная диаграмма двигателя
- •8. Внешняя скоростная характеристика двигателя
- •Пример термодинамического расчета идеализированного цикла поршневого двс со смешанным процессом подвода тепловой энергии к рабочему телу
- •1. Исходные данные:
- •Значения параметров состояния рабочего тела в точке c (в конце процесса сжатия a-c)
- •3.2. Значения параметров состояния рабочего тела в точке у (в конце изохорного процесса подвода тепловой энергии c-y)
- •3.3. Значения параметров состояния рабочего тела в точке z (в конце изобарного процесса подвода тепловой энергии y-z)
- •4. Проверка правильности вычислений параметров состояния рабочего тала в характерных точках цикла
- •5. Результирующая работа цикла, среднее индикаторное давление рабочего тела и индикаторная мощность двигателя
- •6.2. Средние мольные теплоёмкости воздуха и количество тепловой энергии, подведенной к рабочему телу из окружающей среды в изохорном термодинамическом процессе c-y
- •6.3. Средние мольные теплоёмкости воздуха и количество тепловой энергии, подведенной к рабочему телу из окружающей среды в изобарном термодинамическом процессе y z
- •6.4. Средние мольные теплоёмкости воздуха и обмен тепловой энергией между рабочим телом и окружающей средой в процессе политропного расширения z-b рабочего тела
- •6.5 Средние мольные теплоёмкости воздуха и количество тепловой энергии, отведенной от рабочего тела в окружающую среду в изохорном термодинамическом процессе b-a
- •6.6 Результирующие параметры обмена тепловой энергией между рабочим телом и окружающей средой в цикле
- •6.6.1 Суммарное количество тепловой энергии, подведенной к рабочему телу в цикле
- •6.6.2 Количество тепловой энергии, отведенной от рабочего тела в цикле
- •6.6.3.Количество тепловой энергии преобразованной в механическую работу за один цикл в одном цилиндре двигателя Контроль расчётов тепловой энергии в термодинамических процессах цикла
- •7 Расчёт параметров двигателя
- •7.1. Термический коэффициент полезного действия цикла
- •7.2. Цикловой расход топлива, цикловой расход воздуха и коэффициент избытка воздуха
- •7.3 Расход топлива двигателем, мощность двигателя и его удельный расход топлива.
- •8. Изменение энтропии в термодинамических процессах цикла
- •9.1. 9. Построение индикаторной и тепловой диаграмм цикла
- •9.2. Последовательность построения индикаторной и тепловой диаграмм цикла и результаты расчётов параметров для построения диаграмм
- •10. Индикаторная диаграмма двигателя
- •11. Внешняя скоростная характеристика двигателя
- •12. Выводы
- •Волжский государственный инженерно-педагогический университет Автомобильный институт
- •Вариант №2
4. Проверка правильности вычислений параметров состояния рабочего тала в характерных точках цикла
Т.к. из уравнения состояния следует, что P*V/T = Nмол*R, то для всех точек цикла должно выполняться соотношение
Pa*Va/Ta = Pc*Vc/Tc =
Py*Vy/Ty= Pz*Vz/Tz = Pb*Vb/Tb
Проверим:
Pa*Va/Ta = 0.083*1000000*2/1000/310 = 0.535 Дж/К;
Pc*Vc/Tc = 2.934*1000000*0.1538/1000/843 = 0.535 Дж/К;
Py*Vy/Ty = 4.401*1000000*0.1538/1000/1264 = 0.535 Дж/К;
Pz*Vz/Tz = 4.401*1000000*0.2154/1000/1770 = 0.535 Дж/К;
Pb*Vb/Tb = 1.134*1000000*2/1000/1134 = 0.535 Дж/К
Вычисления выполнены правильно.
5. Результирующая работа цикла, среднее индикаторное давление рабочего тела и индикаторная мощность двигателя
Предварительно рассчитаем механическую работу, совершаемую рабочим телом, в каждом термодинамическом процессе.
5.1.1 В политропном сжатии a-c к рабочему телу из окружающей среды подводится энергия в механической форме. В этом процессе подводимая энергия затрачивается на повышение внутренней энергии рабочего тела при увеличении температуры, давления и при уменьшении объёма рабочего тела. Количество затраченной энергии в этом процессе рассчитывается по зависимости 4.6.
Wa-c = (Pa*Va – Pc*Vc )/(n1-1) =
= (0.083*106*2*10-3 – 2.934*106*1.538*10-4)/0.39
Wa-c = -731.8 Дж
Знак минус в значении полученной механической работы указывает на то, что механическая энергия затрачивается на совершение термодинамического процесса.
5.1.2. В изохорном процессе c-y подвода энергии в тепловой форме из окружающей среды к рабочему телу механическая энергия не подводится и рабочее тело не совершает механическую работу. Это объясняется тем, что в этом процессе объём рабочего тела не изменяется.
Wc-y = 0
5.1.3. В изобарном процессе y-z подвода энергии в тепловой форме из окружающей среды к рабочему телу происходит его расширение. Рабочее тело в этом процессе совершает механическую работу над окружающей средой.
Wy-z = Pz*(Vz - Vy) = 4.401*106*(2.154 - 1.538)*10-4
Wy-z = 270.8 Дж
Эту работу называют механической работой предварительного расширения. Положительное значение этой работы соответствует правилу знаков термодинамики.
5.1.4. В политропном расширении z-b рабочеe телo cовершает механическую работу за счёт уменьшения своей внутренней энергии при уменьшении температуры, давления и при увеличении объёма рабочего тела. Работа рабочего тела в этом процессе рассчитывается по зависимости, аналогичной зависимости 4.6.
Wz-b = (Pz*Vz – Pb*Vb)/(n2-1) =
= (4.401*106*2.154*10-4 – 0.3035*106*2.0*10-3)/0.2
Wz-b = 1704 Дж
Положительное значение полученной механической работы указывает на то, что механическая работа совершается рабочим телом над окружающей средой.
5.15. Механическая работоа в изохорном процессе b-a не совершается
Wb-a = 0
5.1.6. Суммарная механическая работа, совершаемая рабочим телом в одном цилиндре за один цикл равна
Wрез = Wa-c + Wc-y+ Wy-z + Wz-b + Wb-a = Wa-c + Wy-z + Wz-b;
Wрез =-732 + 271 + 1704 = 1243 Дж
5.2. Среднее индикаторное давление рабочего тела в цикле
Этот параметр двигателя определяется по зависимости 5.5
Pi = Wрез/(Va – Vc) = Wрез/Vh = 1243/(0.002 – 0.0001538)
Pi = 6.736*105 Па
5.3. Индикаторная мощность двигателя
В соответствии с зависимостью 5.6 для четырёхтактного двигателя получим значение его индикаторной мощности
Ni = i*Wрез*(N/60/2)/1000 = 4*1243*(2000/120)/1000
Ni = 82.9 кВт
6. Расчёт тепловой энергии, которой рабочее тело обменивается с окружающей средой
В этом разделе будем определять не только тепловую энергию, которой рабочее тело обменивается с окружающей средой, но и средние мольные теплоёмкости в каждом термодинамическом процессе цикла. Для этого используем зависимости 4.20, 4.21, 4.23 и 4.24.
6.1. Средние мольные теплоёмкости воздуха и обмен тепловой энергией между рабочим телом и окружающей средой в процессе политропного сжатия a-c
По аппроксимирующей зависимости 4.23 определим среднюю мольную теплоёмкость воздуха при постоянном объёме для двух диапазонов температур: 0°С –Ta и 0°С – Tc,
где Ta и Tc – начальная и конечная температуры рабочего тела в процессе сжатия
MCv(Ta) = 20.0262 + 0.0020291*Ta = 20.0262 + 0.0020291*310,
MCv(Ta) = 20.655 Дж/(моль*К) и
MCv(Tс) = 20.0262 + 0.0020291*Tс = 20.0262 + 0.0020291*843,
MCv(Tc) = 21.737 Дж/(моль*К).
По зависимости 4.21 определим среднюю мольную теплоёмкость при постоянном объёме в процессе сжатия рабочего тела
MCvm(Ta - Tc) = (MCv(Tc)* Tc -MCv(Ta)* Ta)/(Tc - Ta) =
=(21.737*843 -20.656*310)/(843 – 310),
MCvm(Ta - Tc) = 22.366 Дж/(моль*К)
По полученному значению средней мольной теплоёмкости при постоянном объёме из уравнения 4.26а определяем средний показатель адиабаты в процессе сжатия
k1 = 1 + R*MCvm(Ta - Tc) = 1+8.314/22.366,
k1 = 1.372,
а из уравнения 4.25 определяем среднюю мольную теплоёмкость в политропном сжатии
MCпm(Ta - Tc) = MCvm*(n1-k1)/(n1-1) = 22.366*(1.39 – 1.372)/0.39,
MCпm(Ta - Tc) = 1.048 Дж/(моль*К)
Теперь, используя уравнение 4.10, с учётом количества рабочего тела, участвующего в цикле, можно определить тепловую энергию, которой рабочее тело обменивается с окружающей средой
Qa-c = N мол *MCпm(Ta - Tc)*(Tс – Tа) = 0.06441*1.048*(843 – 310),
Qa-c = 36.0 Дж
Тепловая энергия, которой обмениваются рабочее тело и окружающая среда, положительна. Напомним, что этот знак соответствует условию n1>k1. Таким образом, в термодинамическом процессе политропного сжатия тепловая энергия подводится к рабочему телу из окружающей среды. В реальных условиях такое возможно вследствие того, что в процессе наполнения цилиндра двигателя воздухом и в начале процесса сжатия стенки цилиндра имеют более высокую температуру, чем рабочее тело.