27

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Казанский государственный технический университет

им.А.Н.Туполева (КАИ)

_______________________________________________________________

Кафедра теоретических основ теплотехники

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ

Авторы-составители

В.И.Голдобеев, С.Н.Арсланова

Казань 2001

Одним из основных требований, предъявляемых к современным двигателям транспортных машин, является наиболее экономичное преобразование химической энергии топлив в механическую работу. Успешное решение этой задачи невозможно без знания основополагающих законов термодинамики и термодинамических процессов, осуществляемых в двигательных агрегатах летательных аппаратов, автомобилей, тепловозов и судов. Изучение процессов, происходящих в двигателях, основано на термодинамическом методе исследования, суть которого заключается в замене реальных процессов идеальными термодинамическими процессами.

В термодинамике при исследовании теоретических циклов определяются параметры рабочего тела в характерных точках цикла, основные параметры цикла, влияющие на величину термического КПД, количество теплоты и работы. При выполнении курсовой работы производится тепловой расчет и анализ влияния степени сжатия, степени повышения давления, степени предварительного расширения и т.д. на основные показатели двигателя.

Цель курсовой работы - научить студентов решать практические задачи и дать более глубокие основы для специальных курсов - теории горения, теории воздушно-реактивных двигателей, теории поршневых двигателей.

При выполнении курсовой работы основой является самостоятельная работа с литературой, так как она дает возможность более глубоко познакомиться с методикой теплового расчета двигателя.

Отчет по курсовой работе должен полностью отображать ход выполнения задания и содержать следующие разделы:

1. Полный текст задания с указаниями и примечаниями.

2. Исходные данные варианта с принятыми обозначениями и единицами измерений.

3. Расчет варианта задания.

4. Анализ цикла с построением графиков.

5. Список использованной литературы.

На обложке отчета указывают номер задания и варианта, фамилию и номер группы студента-исполнителя.

При рассмотрении идеальных циклов предполагают:

1) рабочим телом в цикле служит идеальный газ, неизменный по химическому составу, теплоемкости, массе;

2) циклы замкнуты и рабочие процессы в них обратимы;

3) процесс сгорания, связанный с химическими изменениями состава газа, заменяется обратимым процессом подвода теплоты извне (q₁);

4) процесс уноса теплоты с продуктами сгорания заменяется теплотой q₂, которая отводится от рабочего тела обратимым путем;

5) механические потери (потери на трение) и потери теплоты в окружающую среду отсутствуют.

При таких предпосылках можно считать, что двигатели внутреннего сгорания работают по обратимым термодинамическим циклам.

Основы теплового расчета

В двигателях внутреннего сгорания и ГТУ применяют жидкое и газообразное топливо. Жидкое топливо - смесь различных углеводородов: парафиновых (C_nH_2n+2), нафтеновых (C_nH_2n), ароматических (C_nH_2n-6, C_nH_2n-12) и др. Жидкое топливо состоит из углерода, водорода и кислорода так, что в 1 кг топлива C кг углерода, H кг водорода и O_т кг кислорода. В сумме C+H+O_т = 1 кг.

В качестве газового топлива применяют природный газ, промышленные газы, являющиеся побочным продуктом переработки нефти и газов и полученные путем газификации топлива.

В двигателях Стирлинга может применяться твердое топливо, в этом случае в состав топлива кроме углерода входит сера, вода и твердый осадок, Состав, теплоемкость, теплота сгорания топлива, молярная масса топлива берутся из таблиц приложения.

В качестве окислителя используется атмосферный воздух, который рассматривается как идеальный газ с заданными параметрами (p_a, T_a) в начале процесса адиабатного сжатия. Воздух (по массе) содержит 23,2 % кислорода, 76,8 % азота; теплоемкости воздуха как идеального газа принимают c_p = 1,004 кДж/кгK; c_v = 0,716 кДж/кгK; показатель адиабаты k = c_p/c_v = 1,4; газовая постоянная R = 287 Дж/кгK.

Процесс сгорания топлива

Процесс сгорания может происходить с недостатком или избытком кислорода воздуха , необходимого для сгорания. Отношение действительного количества воздуха, поступившего на сгорание, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха  = L/l₀, где l - действительное количество воздуха, участвующее в сгорании 1 кг топлива. При полном сгорании  = 1 (l = l₀ ) и реакции сгорания имеют вид:

(C )кгC+ 8/3(C)кгO₂ =11/3(C)кгCO₂; Hкг(H₂) + 8(H) кг O₂ = 9(H)кг H₂O

Отсюда количество кислорода, потребное для сгорания 1 кг углеводородного топлива 8/3 C + 8H - O_т кг.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания с учетом того, что массовая доля кислорода в воздухе 23,2 %:

кг/кг

Количество горючей смеси и продуктов сгорания

Горючая смесь состоит из воздуха и топлива. При сгорании 1 кг топлива общая масса горючей смеси m₁ = 1 + l₀ кг. Массу продуктов сгорания определяют как сумму отдельных газов, входящих в их состав.

При полном сгорании ( 1)

кг; кг.

Количество избыточного кислорода кг.

Количество азота в продуктах сгорания кг.

Суммарное количество продуктов сгорания кг. При этом m₂ = 1 + l₀ = C + H + O_т + + l₀ = m₁.

При неполном сгорании  1 (богатая смесь) в продуктах сгорания кроме CO₂ появляется окись углерода CO, свободного кислорода не будет.

кг; кг; кг;

кг,

где - доля углерода топлива, превратившегося в CO.

Суммарное количество продуктов сгорания . Как и в случае полного сгорания ,

m₂ = 1 + l₀ = m₁.

Газовая постоянная продуктов сгорания , где - массовые доли отдельных компонентов смеси и сумма массовых долей компонентов ; R_i = 8314,33/_i Дж/кгК - газовые постоянные отдельных компонентов смеси; _i - молярная масса компонентов смеси.

Количество продуктов сгорания в киломолях.

Теоретически необходимое количество воздуха L₀ = l₀/_в, где _в = 28,97 кг/кмоль - молярная масса воздуха. Действительное количество горючей смеси при сгорании 1 кг топлива:

кмоль,

где _т - молярная масса топлива (_т = 100...200 кг/кмоль).

Состав продуктов сгорания в киломолях при   1

Суммарное количество продуктов сгорания

кмоль.

Состав продуктов сгорания в киломолях при  1

Суммарное количество продуктов сгорания

Отношение M₂/M₁ = ₀ называется коэффициентом молекулярного изменения свежей смеси.

Молярный состав продуктов сгорания соответствует объемному составу r_i = V_i/V = M_i/M₂ и где M_i - число киломолей отдельных компонентов смеси, r_i - молярные доли компонентов.

Газовая постоянная продуктов сгорания R_см = 8314,33/_см , где

- кажущаяся молярная масса смеси. Молярная теплоемкость продуктов сгорания где с_i - молярные теплоемкости компонентов выбираются из таблиц приложения в зависимости от температуры сгорания или определяются по уравнениям, приведенным в приложении.

Связь между молярными теплоемкостями продуктов сгорания при постоянном давлении и постоянном объеме

кДж/кмоль К.

Показатель адиабатного процесса расширения продуктов сгорания

Связь между молярными и массовыми теплоемкостями продуктов сгорания

Определение параметров смеси в конце процесса сгорания

При расчете теоретического цикла поршневых двигателей будем предполагать, что вся выделившаяся теплота пошла на нагрев рабочего тела, нет неполноты горения, нет потерь теплоты за счет отвода ее в окружающую среду через стенки с охлаждающей жидкостью, выделения ее в процессе расширения и т.д. Это означает, что коэффициент выделения теплоты  = 1.

В цикле с процессом сгорания при v = const вся теплота пойдет на изменение внутренней энергии: Hu = U_z - U_c, (  1); при недостатке кислорода (  1) не выделится часть теплоты Hu = 119832(1 - )L₀, при этом Hu = U_z - U_c.

Внутренняя энергия в конце сгорания U_z = c_v^M₂T_z; внутренняя энергия в конце процесса сжатия U_c = c_v^M₁T_c, где c_v^ - молярная теплоемкость продуктов сгорания при v = const; c_v^ - молярная теплоемкость свежей рабочей смеси (воздуха) при v = const.

При отсутствии остаточных газов в цилиндре двигателя уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

при   1:

Hu = c_v^’’M₂T_z - c_v^’M₁T_c = M₁(c_v^’’₀T_z - c_v^’T_c) или

;

при   1:

,

где ₀ - коэффициент молекулярного изменения. В двух последних уравнениях искомой величиной является температура T_z, которая достигает 2500 - 2800 К, вследствие чего расчет необходимо вести с учетом зависимости теплоемкости от температуры. Теплоемкость воздуха (и свежей горючей смеси) c_v^’ = 20,484 + 0,00268t кДж/(кмольK), где t = t_z + t_c.

Теплоемкость продуктов сгорания при  1 или при   1 определяется по известному молярному составу смеси и выбранной температуре в конце сгорания T_z, которой предварительно задаются.

Для расчета величины T_z по выбранной температуре из таблиц приложения выбирают теплоемкости отдельных компонентов смеси и определяют теплоемкость продуктов сгорания. Уравнение теплового баланса решают методом итераций. Расхождение между выбранной и расчетной T_z не должно превышать 2 %.

В двигателях со смешанным подводом тепла (быстроходный дизель), в двигателях с подводом тепла при p = const и в двигателях Стирлинга процесс сгорания всегда происходит при   1. Уравнение теплового баланса при  = 1 имеет вид

,

где - внутренняя энергия в конце сгорания;

- внутренняя энергия в конце сжатия;

- работа расширения в процессе подвода тепла

при p = const.

Окончательно уравнение теплового баланса примет (при отсутствии остаточных газов в цилиндре) вид

.

Для расчета величины T_z по выбранной температуре из таблиц приложения выбирают теплоемкости отдельных компонентов смеси и определяют теплоемкость продуктов сгорания. Уравнение теплового баланса решают методом итераций. Расхождение между выбранной и расчетной T_z не должно превышать 2 %.

Входящая в левую часть уравнения величина  = p_z/p_c для быстроходных дизелей является опытной и лежит в пределах 1,4 - 2,2. Для двигателей с подводом теплоты при p = const  = 1. Величина

для дизелей равна 1,2 - 1,7. При расчете параметров узловых точек цикла в первом приближении процессы адиабатного сжатия и расширения ведутся с показателем адиабаты k = c_p/c_v = 1,4.

В действительных циклах сжатие и расширение происходит по политропам n₁ и n₂. Опытное значение n₁ = 1,23...1,38, значение n₂ = 1,15...1,25 и зависит от конструктивных и эксплуатационных качеств двигателя.