Практическое занятие 5 Расчет циклов двигателей внутреннего сгорания (двс). Расчет циклов газотурбинных установок (гту)

Рекомендуемая литература

1. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980. – с.230-259.

2. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике – М.:| Машиностроение, 1969. – с. 137-179.

3. Теплотехника/ М.М. Хазен, Г.А. Матвеев, М.Е. Грицевский, Ф.П.Казакевич/ Под ред. Г.А. Матвеева. – М.: Высшая школа, 1981. – с. 75-90.

4. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. – М.: Высшая школа, 1988. – с. 126-142.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Назовите основные характеристики циклов.

2. Что такое степень сжатия?

3. Что такое степень повышения давления?

4. Что такое степень предварительного расширения?

5. Опишите цикл двигателя с изобарным подводом теплоты.

6. Опишите цикл двигателя с изохорным подводом теплоты.

7. Опишите цикл двигателя со смешанным подводом теплоты.

8. Описать цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты.

9. В чем отличие циклов ГТУ от циклов ДВС?

10. Изобразить цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты в икоординатах.

11. Изобразить цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты и полной регенерацией в икоординатах.

12. Описать цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты и полной регенерацией.

Примеры решения задач

Задача 5.1. Для идеального цикла двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество подведенной и отведенной теплоты, полученную работу и термический КПД, если начальные параметры рабочего тела Р₁= 0,1 МПа, t₁= 17^оС, степень сжатия  =4,0 и степень повышения давления 3,5 рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, с_р=1,01Дж/кг∙К, с_{v =} 0,72 Дж/кг∙К.

Решение

Рис.7. К задаче 5.1.

Определим параметры в характерных точках цикла.

Точка 1. _{Р1= 0,1 МПа, Т1= 17+273=290 К.}

_{Удельный объем определим из уравнения состояния:}

_м³_/кг

_{Точка 2. Степень сжатия определяется по формуле:}

_{, (23)}

_{тогда м}³_/кг

_{Из соотношения параметров в адиабатном процессе 1-2 определим абсолютное давление:} =МПа.

Температура из уравнения состояния:

К. Точка 3. Процесс 2-3 – изохорный, т.е. _м³_/кг. Из соотношения параметров в изохорном процессе: , тогда

К, _МПа

Точка 4. _{=0,83 м}³_/кг.

_{В адиабатном процессе 3-4:}

МПа. К.

Подведенная теплота в процессе 2-3:

; (24)

отведенная теплота в процессе 4-1:

; (25)

работа цикла:

; (26)

термический КПД цикла:

, (27)

тогда: кДж/кг,

=540 кДж/кг.

921,6–540= 381,6 кДж/кг;.

Ответ: _{Р1= 0,1 МПа, Т1= 17+273=290 К,м}³_{/кг; м}³_/кг,=МПа,К; _м³_/кг, К,_{МПа; = 0,83 м}³_/кг, МПа,К;кДж/кг;540 кДж/кг;381,6 кДж/кг;

.

_{Задача 5.2. Для идеального цикла двигателя внутреннего сгорания с изобарным подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество подведенной и отведенной теплоты, полученную работу и термический КПД, если начальные параметры рабочего тела Р1= 0,16 МПа, t1= 27}^о_{С, степень сжатия  =13,4 и степень предварительного расширения  = 1,3, рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, ср=1,01Дж/кг∙К, сv = 0,72 Дж/кг∙К.}

Решение

Рис.8. К задаче 5.2.

Определим параметры в характерных точках цикла.

Точка 1. _{Р1= 0,16 МПа, Т1= 27+273=300 К, м}³_/кг

_{Точка 2. м}³_/кг

=МПа;К.

Точка 3. Процесс 2-3 – изобарный. Соотношение параметров в изобарном процессе: 6,05 МПа

.

К, _м³_/кг.

Точка 4. _{=0,54 м}³_/кг, МПа.К.

Подведенная теплота:

кДж/кг

Отведенная теплота:

=кДж/кг

Работа цикла:

255 - 93 = 162 кДж/кг

Термический КПД цикла: .

Ответ: _{Р1= 0,16 МПа, Т1= 300 К, м}³_/кг;м³_/кг,

МПа, К;6,05 МПа,К,_м³_/кг;

_{=0,54 м}³_/кг, МПа,К;кДж/кг;кДж/кг;

162 кДж/кг;.

Задача 5.3. Для идеального цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, полезную работу, термический КПД, если начальные параметры рабочего тела р₁= 0,1 МПа и t₁= 15 ^оС, степень повышения давления в компрессоре  = 6,0 и температура рабочего тела в конце подвода теплоты t₃ = 600 ^оС. Рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, с_р=1,01Дж/кг∙К

Решение. Точка 1. _{Р1= 0,1 МПа , Т1= 15+273=288 К, м}³_/кг.

_{Точка 2. МПа.}

=_м³_/кг. К. Точка 3. Т₃ = _{600+273 = 873} К; 0,6 МПа; _м³_/кг.

Точка 4. _{= 0,1МПа.}

К; _м³_/кг.

Подведенная теплота:

=_{1,01(873-480) = 396,93} кДж/кг.

Отведенная теплота:

= кДж/кг.

Работа цикла:

396,93_{–237,35= 159,58} кДж/кг.

Термический КПД цикла: .

Рис. 9. К задачам 5.3. и 5.4.

Ответ: _{Р1= 0,1 МПа , Т1= 288 К, м}³_{/кг; МПа;}=_м³_/кг, К;Т₃ = ₈₇₃ К; 0,6 МПа;_м³_{/кг; = 0,1МПа,} К;_м³_{/кг; 396,93} кДж/кг;кДж/кг;

_159,58 кДж/кг; .

Задача 5.4. Решить предыдущую задачу при условии, что производится полная регенерация.

В цикле с регенерацией:;

Подведенная теплота:

=_{1,01(873-523) = 353,5} кДж/кг.

Отведенная теплота:

= _{1,01(480-288)=193,92} кДж/кг.

Работа цикла:

_{353,5 –193,92= 159,58} кДж/кг.

Термический КПД цикла: .

Ответ: = _353,5 кДж/кг; =_193,92 кДж/кг;_{= 159,58} кДж/кг;

.

задачи для самостоятельного решения

Задача 5.5. _{Для идеального цикла двигателя внутреннего сгорания с изобарным подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество подведенной и отведенной теплоты, полученную работу и термический КПД, если начальные параметры рабочего тела Р1= 0,15 МПа, t1= 25}^о_{С, степень сжатия  =13,6 и степень предварительного расширения  = 1,4, рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, ср=1,01Дж/кг∙К, сv = 0,72 Дж/кг∙К.}

_Ответ: кДж/кг;=кДж/кг;210,6 кДж/кг;.

Задача 5.6. Сравнить цикл задачи 4.1 с циклом с изобарным подводом теплоты при условии, что в сравниваемых циклах одинаковы отведенная теплота и степень сжатия.

Ответ: кДж/кг; .

Задача 5.7. Сравнить цикл задачи 4.2 с циклом с изохорным подводом теплоты при условии, что в сравниваемых циклах одинаковы отведенная теплота и максимальные параметры состояния рабочего тела.

Ответ: кДж/кг; .

_{Задача 5.8. Для идеального цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты и полной регенерацией определить параметры рабочего тела в характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, полезную работу, термический КПД, если начальные параметры рабочего тела р1= 0,15МПа и t1= 20} ^о_{С, степень повышения давления в компрессоре  = 6,5 и температура рабочего тела в конце подвода теплоты t3 = 650} ^о_{С. Рабочее тело – воздух. R=287,3 Дж/кг∙К, ср=1,01Дж/кг∙К. Сравнить данный цикл с циклом ГТУ без регенерации.}

Ответ:=_428,24 кДж/кг, кДж/кг,_178,77 кДж/кг, ;=_386,83 кДж/кг,=_208,06 кДж/кг,_{= 178,77} кДж/кг,.

Задача 5.9. Для цикла газотурбинного двигателя с изобарным процессом подвода теплоты определить удельное количество подводимой теплоты, если начальное давление Р₁ =0,1 МПа, начальная температура Т₁ =300 К, степень повышения давления в компрессоре β = 6, максимальная температура цикла Т₃ =1500 К. В качестве рабочего тела принять воздух R=287,3 =1,4.

Ответ: =1009 кДж/кг.

Задача 5.10. Решить предыдущую задачу при условии, что цикл ГТУ проходит с полной регенерацией.

Ответ: =607 кДж/кг.