Методологія проведення термодинамічних розрахунків При виконанні ргз та інших задач для самостійного виконання треба додержуватись певної послідовності.
Обговорення вихідних даних повинно здійснюватись з метою ознайомлення з процесом (явищем), що відбувається в теплотехнічному агрегаті. При цьому аналіз вихідних даних проводиться на основі знань, одержаних на лекційних заняттях і при самостійному опрацьовуванні рекомендованих літературних джерел. Важливо установити суть і умови перебігу досліджуваних процесів.
Найбільш відповідальним моментом у проведенні інженерних розрахунків є загальне поставлення задачі, яке містить словесне поставлення і математичний опис(модель).
Словесне поставлення задачі складається з чіткого формулювання виду процесу, який відбувається за конкретних умов перебігу, і повинно відображати фізичний зміст задачі з відповідним схематичним зображенням процесу на pV, Ts - діаграмах.
Фізико-математична модель процесу міститься у математичному описі процесу, наведеного у словесному поставленні задачі і складається із співвідношень, системи рівнянь, або кінцевої розрахункової формули з відповідними обмеженнями.
Вибір методу вирішування. Вирішення.
При вирішенні інженерних задач треба обрати обґрунтований й найбільш раціональний метод розв’язування на основі рекомендацій, які вказані у вигляді посилань на джерела інформації. Вирішення задачі здійснюється за обраним алгоритмом.
Аналіз одержаних результатів. Висновок.
Дійсність одержаних результатів підтверджується дослідженням розмірності (одиниці вимірювання) кінцевої величини розрахунку, а також перевіркою за допомогою альтернативних формул. Тому в процесі розв’язання задачі постійно треба слідкувати за одиницями вимірювання одержаних величин. Наприклад, одиницею вимірювання енергетичних характеристик термодинамічних процесів є [Дж], питомі величини вимірюються у [Дж/кг]. Будь-яка інша розмірність не відповідає дійсності і треба шукати помилку у розрахунках або в некоректності поставленої задачі.
Логічним завершенням аналізу є висновок, зроблений на підставі зведеної таблиці і графічного зображення досліджених процесів.
Прийняття інженерно-технічного рішення.
Інженерне рішення приймається після аналізу впливу вихідних даних на результати розрахунку з урахуванням реальних можливостей (технологічних, конструкторських, економічних тощо).
Звіт про виконання задачі РГЗ повинен мати структуру, що відповідає схемі на рис.1.1
Рисунок 1.1 Схема звіту про виконання РГЗ
Розрахунково-графічне завдання №1
Тема: «Термодинаміка відкритих систем. Дослідження циклів теплових двигунів».
2.1 Задача 1. Аналіз термодинамічних процесів стискування газів у поршневому компресорі
Для стиску і нагнітання (переміщення) повітря та інших газів призначені компресори, які виробляють стиснені гази (повітря, аміак, двоокис вуглецю та інші) із кінцевим тиском до 5,0 МПа. За принципом дії відрізняють поршневі (об’ємні) і лопатеві (турбо) компресори.
У поршневих компресорах, які широко розповсюджені в промисловому виробництві, підвищення тиску здійснюється за рахунок зменшення об’єму замкненого простору порожнини, в якій міститься газ, наприклад, переміщенням поршня в циліндрі.
Характерна особливість цих машин – періодичність робочого процесу. Компресорна машина являє собою відкриту термодинамічну систему, яка поєднана із довкіллям системою клапанів.
2.2.1 Умови задачі: Односхідчастий поршневий компресор стискує повітря при температурі всмоктування t1, 0C . При цьому тиск збільшується від р1,бар до р2, МПа. Діаметр циліндра компресора D = 0,3 м. Хід поршня S = 0,4 м; частота обертання валу рушія = 12 c-1 ; відносний об’єм мертвого (“шкідливого”) простору а = 0,05; коефіцієнт, що враховує зменшення тиску повітря при всмоктуванні p = 0,94; ефективний адіабатний ККД е.ад.= 0,75; показник політропи розширення залишків повітря у мертвому просторі m' = 1,3.
Термодинамічні параметри t1,р1,р2 обираються за останньою цифрою шифру; частота обертання і показник політропи стискування повітря n – за передостанньою. Вихідні дані наведені в табл. 2.1.
При дослідженні повітря вважається за ідеальний газ з показником адіабати k, який не залежить від температури.
Таблиця 2.1 Вихідні дані
|
Шифр |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
t1, 0C |
7 |
12 |
17 |
22 |
27 |
30 |
25 |
20 |
15 |
10 |
|
р1, бар |
0,96 |
0,98 |
1,0 |
1,02 |
1,04 |
1,03 |
1,01 |
0,99 |
0,97 |
0,95 |
|
р2, МПа |
0,60 |
0,65 |
0,70 |
0,75 |
0,80 |
0,78 |
0,73 |
0,68 |
0,63 |
0,58 |
|
, с-1 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
19 |
17 |
15 |
13 |
11 |
|
n |
1,14 |
1,16 |
1,18 |
1,20 |
1,22 |
1,19 |
1,17 |
1,15 |
1,13 |
1,24 |
2.2.2 Вимоги до вирішення задачі:
2.2.2.1 Визначити: об’єм циліндра компресора, ступінь підвищення тиску; об’ємний ККД і коефіцієнт подачі компресора; теоретичну і дійсну подачі компресора.
2.2.2.2 Провести дослідження ізотермічного, адіабатного і політропного стискування газу в компресорі.
2.2.2.3 Побудувати індикаторну pV діаграму поршневого компресора для заданих процесів з урахуванням мертвого простору (залишків газу).
2.2.2.4 Скласти зведену таблицю результатів розрахунку.
2.2.2.5 Провести порівняльний аналіз результатів і встановити енергетично найбільш вигідний термодинамічний процес стиснення газу в компресорі, умови його забезпечення, а також необхідність (у разі потреби) підвищення тиску газу при стискуванні в багатосхідчастому компресорі.
2.2.3 Послідовність виконання задачі.
2.2.3.1 Аналіз вихідних даних.
2.2.3.2 Словесне поставлення задачі.
2.2.3.3 Схема процесу.
2.2.3.4 Математична модель.
Об’єм циліндра компресора
,
де
-
корисний об’єм,
-
об’єм мертвого простору.
Остаточно:
,
м3
Ступінь підвищення тиску
Об’ємний ККД компресора
Коефіцієнт подачі компресора
Маса стисненого повітря за один цикл компресора
,
кг
Масова теоретична подача компресора
,
кг/с
Дійсна подача
,
кг/с
Ізотермічне стиснення повітря (pV=const)
Кінцеві параметри:
температура
, К,
об’єм
, м3.
Питома теоретична робота, що витрачається приводом на стискування
,
Дж/кг
Теоретична потужність привода
,
Вт
Дійсна потужність
,
Вт
Питома кількість теплоти, що відводиться від газу при його стискуванні
,
Дж/кг
Адіабатне стиснення повітря (q = 0)
Кінцеві параметри:
з
рівняння
температура
,
К ;
з рівняння адіабати
об’єм
, м3
Питома теоретична робота привода
,
Дж/кг
Теоретична потужність привода
,
Вт
Дійсна потужність
,
Вт
Теплообмін відсутній: q = 0.
Політропне стиснення повітря (c = const)
Кінцеві параметри
температура
,
К ;
об’єм
, м3
Питома теоретична робота привода
,
Дж/кг
Теоретична потужність привода
,
Вт
Дійсна потужність
,
Вт
Питома кількість теплоти, що відводиться від газу при його стискуванні
,
Дж/кг
Таблиця 2.2 Зведена таблиця результатів розрахунку
|
Процес |
T2, K |
V2, м3 |
l пр(теор), кДж/кг |
Nтеор, кВт |
Nд, кВт |
q, кДж/кг |
|
T = const |
|
|
|
|
|
|
|
S = const |
|
|
|
|
|
|
|
с = const |
|
|
|
|
|
|
V3 = Vм
V4
= V3
з
рівняння політропи для залишкового
газу:
Рисунок 2.1 Індикаторна pV-діаграма поршневого компресора
Графічне зображення індикаторної діаграми ізотермічного, адіабатного і політропного процесів стискування повітря (у масштабі на міліметровому папері) – рисунок 2.1.
Встановлення енергетично найбільш вигідного за величинами lпр і Nпр термодинамічного процесу стискування газу у компресорі.
Прийняття інженерного рішення.
Примітка. Для обґрунтованого прийняття інженерного рішення треба звернути увагу на те:
а) з підвищенням тиску нагнітання р2, подача і об’ємний ККД односхідчастого компресора зменшуються і на межі можуть дорівнювати нулеві, тому:
б) односхідчасті компресори непридатні для створення високих тисків;
в) другою, не менш важливою причиною обмеження підвищення тиску газу в одному східці компресора є неприпустимість високої температури в кінці стиснення. Підвищення температури газу більш ніж 200 0С погіршує умови змащення циліндра компресора (відбувається коксування мастила), а в деяких випадках може призвести до самозаймання розпиленої та змішаної з повітрям мастильної речовини.
Для одержання стиснених газів більш високого тиску ( 10...12) використовують багатосхідчасті компресори з примусовим охолодженням газу після кожного східця.