Мусабеков М. О. , чигамбаев Т. О. , текебаев М. А.

Им. М. Тынышпаева

 

 

Мусабеков М.О., Чигамбаев Т.О., Текебаев М.А.

Методические указания

для выполнения самостоятельной работы студента по дисциплине

 «Теплотехника»

(для студентов специальности

Транспорт, транспортная техника и технологии)

Алматы – 2010

УДК 621.391 (075)

Методические указания для выполнения самостоятельной работы студента составлены в соответствии с рабочим учебным планом дисциплины компонента по выбору «Теплотехника» для студентов специальности бакалавриата 050713 – Транспорт, транспортная техника и технологии.

Рецензенты:

Иманбердиев Д.Ж.  – к.т.н., и.о.доцента Казахского университета путей сообщения;

Кульгильдинов М.С. - д.т.н., профессор Казахской академии транспорта и коммуникаций.

 

Авторы: Мусабеков М.О. – к.т.н., доцент, Чигамбаев Т.О. – к.т.н., доцент, Текебаев М.А. – ст.преподаватель.

 

 

Методические указания для выполнения самостоятельной работы студента по дисциплине «Теплотехника» предназначены для студентов всех форм обучения, направляет студентов на самостоятельную активизацию учебного процесса, позволяет углубить знания и навыки по расчету и анализу параметров газовых смесей, термодинамических циклов и тепловых процессов протекающих в них.

 

 

ã М.Тынышпаев атындағы ҚазККА, 2010.

© Мусабеков М.О., Чигамбаев Т.О., Текебаев М.А., 2010.

 

 

В В Е Д Е Н И Е

 

 

Изучение курса «Теплотехника» студентами специальности 050713 и                                      предусматривает в соответствии с рабочим учебным планом выполнение курсовой работы.  В настоящих методических указаниях приведены объём, содержание и порядок выполнения курсовой работы по дисциплине "Теплотехника".

Работа представляется в виде расчетно-пояснительной записки со всеми необходимыми выкладками и графиками, и состоит из разделов:

1. Расчёты теоретических циклов поршневых ДВС и ГТУ.

2. Расчёт теоретического цикла поршневого компрессора, процессы в реальном компрессоре.

Целью и задачей курсовой работы является закрепление теоретических знаний, полученных студентами в лекционном курсе и самостоятельной подготовке; приобретение практических навыков расчета и анализа термодинамических циклов и тепловых процессов протекающих в них.

 

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

 

Курсовая работа (пояснительная записка) оформляется на листе формата 297х 210 мм. согласно требованиям ГОСТа.

При оформлении курсовой работы необходимо соблюдать следующие правила:

1) Решения должны сопровождаться краткими объяснениями. При вычислении какой- либо величины нужно словами указывать, какая величина вычисляется.

2) Приводить формулы, из которых величины определяются, и лишь затем подставлять соответствующие числовые значения и производить вычисления.

3) Единицы измерения величин приводить в системе СИ.

4) Вычисления проводить с точностью до одного знака после запятой.

5) Все страницы нумеруются.

6) Графики выполнять на миллиметровой бумаге формата А-4 или А-3 с указанием масштабов координат.

7) Пояснительная записка завершается заключением, содержащим краткие выводы и обобщения.

Перед выполнением курсовой работы студент должен ознакомиться с методикой расчета, приведенной в методическом указании.

 

 

Расчет теоретических циклов ДВС и ГТУ

 

Приступая к работе над этим разделом, нужно четко уяснить устройство и принцип действия поршневого ДВС и газотурбинной установки.

Следуя пунктам и подпунктам настоящих методических указаний, рассчитываются последовательно свойства рабочего тела, параметры характерных точек цикла, строятся диаграммы цикла в P-V и T-S – координатах; с помощью P-V диаграммы и аналитически определяется работа цикла и её составляющие; посредством T-S – диаграммы определяются параметры тепломассообмена; в заключении раздела рассчитывается термический К.П.Д. цикла.

 

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

В качестве исходных данных для расчета цикла в задании даются следующие величины, параметры и зависимости:

 

а) Рабочее тело — газовая смесь, состоящая из 5 компонентов , массы которых принимаются из приложения.1.

 Расчет ведется для массы газовой смеси равной 1кг.т.е.

                   

б) Т₁, К – температура рабочего тела в начале сжатия;

в) Р₁, (МПа) – давление в начале сжатия;

г) - степень сжатия;

д)  - степень повышения давления (для циклов с подводом тепла при V = const и в цикле с подводом тепла при V = const, Р = const);

е)  - степень изобарного расширения (для циклов с подводом тепла при Р = const и в цикле с подводом тепла при V = const, Р = const).

Циклы ДВС

 

— Цикл с подводом теплоты при V=const (рис. 1)

а).Рабочее тело с начальными параметрами Р₁,V₁, T₁ (точка1), сжимается по адиабате (линия 1-2).

 Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия (точка 2):

 

;         Т₂ = Т₁·e ^к-1;    

 

б)  По изохоре (линия 2-3) к рабочему телу сообщается некоторое количество теплоты - q ₁.

 Параметры рабочего тела в конце процесса подвода теплоты (точка 3):

P₃ = l·P₂ = l· ;    T₃ = l·T₂;  V₃ =

в).   Адиабатное расширение рабочего тела (процесс 3-4).

Параметры рабочего тела в конце процесса расширения (точка 4):

=  = l· P ₁;        ; V₄=V₁.

г). По изохоре (линия 4-1) от рабочего тела отводится тепло q ₂.

 В результате отвода теплоты рабочее тело возвращается в точку 1 с    

первоначальными параметрами.

— Цикл с подводом теплоты при p = const (рис. 2).

а). Процесс аналогичен циклу с подводом теплоты при V =const.

Рабочее тело с начальными параметрами Р₁,V₁, T₁(точка1), сжимается по адиабате (линия 1-2).

 Параметры конца процесса сжатия (точка 2):

;     Т₂ = Т₁·e ^к-1;    

б).  По изобаре (линия 2-3) к рабочему телу сообщается некоторое количество теплоты -q₁.

Параметры рабочего тела в конце процесса подвода теплоты (точка 3):

 

P₃=P₂=P₁·e^k;           T₃=r·T₂=r·T₁·e^k-1;     V₃=V₂·r.

 

в). От точки 3 происходит адиабатное расширение рабочего тела (линия 3-4).

 Параметры рабочего тела в конце процесса расширения (точка 4):

; ; V₄ = V₁.

 

г). По изохоре (линия 4-1) от рабочего тела отводится тепло q ₂.

 В результате отвода теплоты рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с параметрами соответствующими началу процесса сжатия (точка 1).

 

— Цикл со смешанным подводом тепла (рис. 3).

а). Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты является обобщающим предыдущих циклов, т.е. процесс подвода теплоты производится сначала по изохоре потом затем по изобаре.

Рабочее тело с начальными параметрами Р₁,V₁, T₁ (точка1), сжимается по адиабате (линия 1-2).

 Параметры конца сжатия (точка 2) определяются так же, как и в предыдущих случаях по формулам:

; Т₂ = Т₁·e ^к-1;

б).   По изохоре (линия 2-3) к рабочему телу подводится первая доля теплоты q_i¹, а по изобаре (ли­ния 3-4) вторая доля теплоты - q_i^l1.

Параметры рабочего тела в точках определяютсяпо формулам:

— для   точки3.

Р₃= l ·Р₂;            T₃= l ·T₂;          V ₃ = .

—для точки4.

Р₄=Р₃;             Т₄ = r ··Т₃;           V₄ = r ··V₃.

в) От точки 4 рабочее тело расширяется по адиабате (линия 4-5) до точки 5.

Параметры конца процесса расши­рения(точка5).

      Р₅ =Р₁· l · r ^к;     T₅ = T₁· l · r ^к;            V₅ = V₁.

г). По изохоре (линия 5-1) от рабочего тела отводится тепло q ₂.

 В результате отвода теплоты рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с параметрами соответствующими началу сжатия (точка 1).

                                       

Циклы ГТУ

— Цикл с подводом тепла при P=const (рис. 4)

а)    Рабочее тело с начальными параметрами Р₁,V₁,T₁ (точка 1), сжимается по адиабате (линия 1-2). Сжатие производится в воздушном компрессоре.
Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия (точка 2):

            ; Т₂ = Т₁·e ^к-1;

б). По изобаре (линия 2-3) к рабочему телу подводится теплота q₁ Параметры рабочего тела в конце процесса подвода теплоты (точка 3):

                    Р_з = Р₂;       T₃ = r·T₂;        V₃ = r·V₂          

в) От точки 3 происходит адиабатное расширение рабочего тела (линия 3-4). Параметры рабочего тела в конце процесса расширения (точка 4):    

           Р₄ = Р₁;    T₄ = rT₁;      V₄ = r·V₁           

г) По изобаре (линия 4-1) от рабочего тела отводится тепло q ₂.

 В результате отвода теплоты рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с параметрами соответствующими началу сжатия (точка 1).

— Цикл с подводом тепла при V=co n st (рис. 5.)

а). Рабочее тело с начальными параметрами Р₁,V₁,T₁ (точка 1), сжимается по адиабате (линия 1-2). Сжатие производится в воздушном компрессоре.
Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия (точка 2):

  Р₂ = Р₁·e^к;   T₂ = T₁·e^k-1;

б).   По изохоре (линия 2-3) к рабочему телу подводится теплота q₁ Параметры рабочего тела в конце процесса подвода теплоты (точка 3)::

          P₃ = l·P₂;             T₃ =l·T₂;             V₃ = V₂.

в) От точки 3 происходит адиабатное расширение рабочего тела (линия 3-4).

 Параметры рабочего тела в конце процесса расширения (точка 4):     

            Р₄ = Р₁;                    

г). По изобаре (линия 4-1) от рабочего тела отводится тепло q ₂.

 В результате отвода теплоты рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с параметрами соответствующими началу сжатия (точка 1).

 

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных данных для расчёта цикла одноступенчатого поршневого компрессора принимаются следующие параметры:

а)     рабочее тело- атмосферный воздух состава (0,21О₂ +0.79N₂);

б)    Т₁ (К) - температура воздуха в начале сжатия; (263;273;283; 293;313)К  

в)    Р₁ – давление воздуха в начале сжатия, МПа; ( 0,07; 0,08; 0,09; 0,096;. 0,098; 0,101)

г)     V₁,  объём всасываемого воздуха;        (20,30, 40,50,60,70)

д)    Р₂ - давление воздуха в конце сжатия, МПа;        (0,35; 0,4; 0,45, 0,2;  0,25; 0,3;)    

е)     а =  - относительная величина вредного пространства. (0,04,0,06; 0,08;-0,1)

 

Компрессором называются машины, предназначенные для сжатия воздуха и различных газов. Различные по конструкции и принципам сжатия компрессоры характеризуются одинаковыми по сути термодинамическими процессами. По этому анализ термодинамических процессов легче провести на примере простого поршневого компрессора.

Схема простого поршневого компрессора приведена на рис.

 

   4        ВМТ         1               НМТ

   3

 

2

 

                V_o            V_h

                                    V          

 

Рис.1. Схема одноцилиндрового поршневого компрессора.

1-цилиндр, 2-поршень, 3-всасывающий клапан, 4- нагнетательный клапан.

V_o –объём вредного пространства (мертвый объём),   V_h - рабочий объём цилиндра.

 

Одноступенчатый компрессор (Рис. 1.) представляет собой цилиндр 1, внутри которого движется поршень 2. В крышке цилиндра расположены клапаны, впускной 3 и нагнетательный 4. Поршень движется в пределах двух крайних положений: верхней мертвой точки (ВМТ) и нижней мертвой точки (НМТ).

Рабочий процесс компрессора совершается за один оборот вала или два хода поршня. При движении поршня от (НМТ) влево впускной клапан 3 закрывается, и воздух имеющийся в цилиндре, сжимается до давления Р₂ и выталкивается в воздушный ресивер. При движении поршня в обратном направлении давление в цилиндре падает, клапан 3 закрывается, и оставшийся в мертвом объёме сжатый воздух, расширяется. В некоторый момент, когда давление в цилиндре сравнивается с давлением внешней среды, открывается впускной клапан 4 и происходит всасывание воздуха в цилиндр. Затем все процессы повторяются. Теоретическая индикаторная диаграмма идеального компрессора представлена на рис.. Наполнение цилиндра компрессора воздухом протекает при постоянном давлении. На диаграмме процесс наполнения изображено линией всасывания

0 -1. В зависимости от условий теплообмена между воздухом и стенками цилиндра, процесс сжатия воздуха в компрессоре может осуществляться по изотермическому, адиабатному или политропному процессам. На диаграмме они изображаются линиями сжатия:  

         1-2- изотермическое;   1-2^! _ политропное;   1-2^!!- адиабатное.

Линий 2-3; 2^!-3;  2^!!- 3 называются линиями нагнетания. Сжатие по каждому из трех процессов дает различное значение площади затраченной работы.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.     Теплотехника / Хазен М. М., Матвеев Г. А. и др.

Под ред. Г.А. Матвеева.- М.: Высшая школа, 1981.- 480 с.

2.     Теплотехника / Архаров А. М., Исаев С. И. и др.

Под ред. В.И. Крутова.- М.: Машиностроение. J986.-432 с.

3.    Щукин А. А., Сушкин И.Г., Зах Р.-Ю. Г. и др.                          Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973.- 480с.

4.    Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике.
М.: Машиностроение, 1969.-376 с.

 

Им. М. Тынышпаева

 

 

Мусабеков М.О., Чигамбаев Т.О., Текебаев М.А.

Методические указания

для выполнения самостоятельной работы студента по дисциплине

 «Теплотехника»

(для студентов специальности