Пароэнергетических установок

Раздел b. Расчет и анализ циклов

Задача №1

1.1. Содержание задачи №1 (вариант 14).

Для цикла поршневого ДВС, заданного параметрами р₁=0,14 МПа, Т₁=300К, e==18, l==1,4, r==1,3, п₁=1,32, п₂=1,25, определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исследовать влияние параметра п₁ на величину термического КПД h_t и максимальной температуры Т_max при варьировании указанного параметра в пределах ±20%. По результатам расчетов построить графики зависимостей h_t и Т_max, от варьируемого параметра, на основании которых сделать заключение об его оптимальном значении, принимая за предельно-допустимое значение Т_max величину Т_пр=1900 К. В качестве рабочего тела принимать сухой воздух.

Краткое описание цикла

Для анализа задан цикл поршневого ДВС со смешанным подводом пепла, который реализуется в современных быстроходных дизельных двигателях. Подробное описание такого цикла приведено в учебниках [1],[2] и др. Мы ограничимся самым кратким описанием.

Рис. 1. p-v диаграмма цикла ДВС со смешанным подводом тепла

На рис. 1 приведена иде­ализированная p-v диаграмма, наглядно отображающая основные процессы такого цикла.

Во время хода всасывания (на диаграмме не показан) атмосферный воздух, проходя через систему фильтров и открытый всасывающий клапан, засасывается в цилиндр двигателя. В конце всасывания (точка 1 на диаграмме) всасывающий клапан закрывается и по мере перемещения поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит политропное сжатие воздуха (процесс 1-2). Ввиду быстротечности этого процесса характер его близок к адиабатному, и температура воздуха к концу сжатия (точка 2) сильно увеличивается. Поэтому дизельное топливо, которое впрыскивается в цилиндр под большим давлением через специальную форсунку в мелкодисперсном виде, очень быстро испаряется и самовоспламеняется. Первые порции при этом сгорают практически мгновенно (процесс 3-4). Для интенсификации процессов топливо часто впрыскивают в специальную предкамеру из жаростойкой стали, имеющую очень высокую температуру.

Последующие порции топлива сгорают по мере их попадания в цилиндр во время перемещения поршня от ВМТ. При этом давление в цилиндре практически не изменяется (процесс 3-4). Далее совершается политропное расширение продуктов сгорания (процесс 4-5), по окончании которого, когда поршень приходит в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан (точка5) и во время хода выталкивания продукты сгорания выбрасывается в атмосферу. Поскольку суммарная работа процессов всасывания и выталкивания практически равна нулю, идеализируя картину, их заменяют одним изохорным процессом отвода тепла (процесс 5-1).

Основными характеристиками цикла являются:

-степень сжатия =v₁/v₂;

-степень повышения давления =p₃/p₂;

-степень предварительного расширения =v₄/v₃;

-показатели политроп сжатия и расширения п₁ и п₂.

1.3. Расчет цикла ДВС [†]

Растет характеристик цикла

Тепло за цикл

Работа за цикл

Известно, что за цикл В наших расчетах несовпадение незначительно. Невязка объясняется округлениями в промежуточных расчетах.

Количество подведенного тепла

Найдем изменения внутренней энергии, энтальпии и энтропии за цикл. Теоретически эти изменения должны быть равными нулю.

Некоторые отличия рассчитанных величин от нулей объясняются округлениями при расчетах. Естественно, что сопоставлять невязки, например, нужно не с нулем, а с любым слагаемым, входящим в сумму. И тогда видно что невязка и здесь составляет доли процента.

Рассчитываем термический КПД цикла

Рассчитываем термический КПД идеализированного цикла с адиабатными процессами сжатия и расширения по формуле, приведенной в [1] и принимая в среднем k=1,39:

Термический КПД цикла Карло для того же интервала температур, в котором реализуется реальный цикл

Результаты расчетов заносим в сводную таблицу.

Таблица 1.

Сводная таблица исходных данных и результатов расчета.

Продолжение таблицы 1.

Задача №2

2.1. Содержание задачи №2 (вариант 42)

Цикл Ренкина задан параметрами р1=3,84 МПа, t1=300 ^оС, р2=0,03 МПа. Исследовать влияние параметра t1 на величину термического КПД цикла ht и удельный расход тепла q, рассчитав эти величины при варьировании заданного параметра в пределах ±20%. Построить графики зависимостей ht и q от варьируемого параметра, на основании которых сделать заключение об оптимальном его значении. Один из расчетов (0%) выполнить вручную, остальные будут выполнены компьютером.

Краткое описание цикла

На рис. 1 приведена схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина. Установка включает паровой котел 1 и пароперегреватель 2. Перегретый пар при высоком давлении и температуре направляется в паровую турбину 3, где расширяется, совершая механическую работу, которая идет на привод электрогенератора 4. Отработанный пар попадает в конденсатор 5, где конденсируется, а затем насосом 6 образовавшийся конденсат снова закачивается в котел и цикл повторяется.

Рис. 1. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина

На рис. 2 на фоне пограничных кривых приведены p-v и h-s диаграммы этого цикла. Цикл начинают с процесса расширения пара в турбине. Процесс 1-2 - это процесс адиабатного расширения, и на h-s диаграмме он изображается отрезком вертикали. В процессе расширения давление и температура пара уменьшаются до Т2 и р2, как правило пар становится влажным со степенью сухости x»0,95. Процесс 2-3 - это конденсация отработанного пара, он протекает при постоянстве давления р2 в конденсаторе. Температура при этом остается неизменной и равной Тн2. При работе насоса давление конденсата увеличивается до р3=р1, а температура Т, удельный объем v и энтальпия h практически не изменяются (v4=v3, h4=h3), поскольку воду можно считать несжимаемой жидкостью. Под высоким давлением вода попадает в паровой котел и сначала нагревается там до температуры насыщения Тн1 (процесс 4-5), а затем выкипает (процесс 5-6). Оба эти процесса проходят при p=const и сопровождаются увеличением энтальпии. Энтальпия пара еще более увеличивается в процессе его изобарного перегрева 5-6 в пароперегревателе.

Рис. 2 P-v и h-s диаграммы цикла Ренкина с перегревом пара

На рис. 2 показан также процесс 1-2д, отображающий условно расширение пара в турбине с учетом потерь на внутреннее трение.

Основными выходными характеристиками цикла являются:

- термический КПД цикла

,

- удельный расход пара d0

d₀=3600/(h1- h2), кг/(кВт×ч),

- удельный расход тепла

q=1/(3600×ht), кДж/(кВт×ч).

- внутренний относительный КПД

.

2.3. Расчет цикла [‡]

Для определения параметров p, v, t, h и s каждой из характерных точек цикла воспользуемся таблицами состояний [2] и известной h - s диаграммой воды и пара.

Точка 1. Давление и температура здесь заданы: р₁=3,494 МПа, t₁=273 ^оС. Тогда на пересечении изобары: р=34,9 бар и изотермы t₁=273 ^оС на h - s диаграмме находим положение точки 1, и по соответствующим изолиниям определяем значения остальных параметров: v₁=0,0636 м³/кг, h₁=2900,2 кДж/кг, s₁=6,321 кДж/(кг×К). Эти же значения можно определить и по таблицам состояний перегретого пара, применяя двунаправленное линейное интерполирование, подробно описанное в [1] и [2].

Точка 2. Поскольку процесс 1 - 2 принимается адиабатным, положение точки 2 находим, проводя вертикальную линию вниз (s=const) до пересечения с изобарой р=р₂=0,27 бар.

По соответствующим изолиниям находим: t₂=t_нас=66,9 ^оС, v₂=4,5157 м³/кг, h₂=2117,6 кДж/кг, s₂= s1=6,321 кДж/(кг×К) x₂=0,78. Эти же значения можно рассчитать, пользуясь таблицами насыщенных состояний и определив сначала значение x2

x₂=(s₂- s")/(s"-s'),

после чего и значения других параметров, например

h₂=(1-x₂)×h'+ x₂×h".

Параметры остальных точек находим по таблицам насыщенных состояний (по давлениям).

Точка 3. Давление р₃=р₂=0,27 бар, остальные параметры - это параметры воды на линии насыщения при этом давлении. Из таблицы находим: t₃=t_нас=66,9 ^оС, v₃=0,0010 м³/кг, h₃=280,0 кДж/кг, s₃=0,917 кДж/(кг×К).

Точка 4. Давление р₄=р₁=3,494 бар, температура: t₄=t₃=242,4 ^оС. По этим значениям с помощью таблицы состояний воды следовало бы найти остальные параметры. Однако, учитывая, что величина параметров воды очень мало зависит от ее давления, обычно принимают v₄=v₃=0,001 м³/кг, h₄=h₃=280,0 кДж/кг, s₄=s₃=0,917 кДж/(кг×К).

Точка 5. Здесь р₅=р₁=3,494 бара, а остальные параметры этой точки - это параметры воды на линии насыщения при этом давлении: t₅=t_нас=242,4 ^оС, v₅= v'=0,0012 м³/кг, h₅= h'=1049,3 кДж/кг, s₅=s'=2,724 кДж/(кг×К).

Точка 6. Давление р₆=р₁=3,494 бара, все же остальные параметры определяются как параметры сухого насыщенного пара при этом давлении. Из таблицы насыщенных состояний воды находим: t₆=t_нас=242,4 ^оС, v₆= v''=0,0572 м³/кг, h₆= h''=2802,5 кДж/кг, s₆=s''=6,126 кДж/(кг×К).

Список рекомендуемой литературы

1. Ляшков В.И. Теоретические основы теплотехники. Тамбов, 2002. -257 с.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. -М., 1980. - 496 с.

3. СТП ТГТУ 07-97. Стандарт предприятия. Проекты (работы) дипломные и курсовые. Правила оформления. СТП ТГТУ 07-97, Тамбов, 2000, 39 с.

4. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. -М., 1973. -344 с.

5. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и пара. М., 1980. -423 с.

6. Ляшков В.И. Компьютерные расчеты в термодинамике. Тамбов. 1997. -163 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................................3

Общие методические указания и рекомендации...................................4

Варианты заданий и сходные данные для расчетов..............................6

Пример 1.....................................................................................................15

Пример 2....................................................................................................29

Список рекомендуемой литературы.......................................................33

[*] 1. Номер страниц в этом примере содержания даны произвольно.

2. В нижеследующем примере приведено только решение задач № 1 и № 2, а также список использованной литературы.

3. В примере принята собственная нумерация формул, таблиц и литературных источников

[†] В настоящем расчете все исходные параметры задания уменьшены в 1,08 раза, чтобы вариант 14 оставался доступным для работы.

[‡] В настоящем расчете все исходные параметры уменьшены в 0.91 раза, чтобы вариант 42 оставался доступным для работы.

Курсовая работа

По термодинамике

С примерами расчета

и оформления

Методическая разработка

для студентов второго курса специальности 101600

Тамбов 2003

УДК 621.1.016(076)

ББК з311я73-5

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

Составитель

к.т.н., профессор В.И. Ляшков

Рецензент

к.т.н., доцент С.А Набатов

Курсовая работа по термодинамике с примерами расчета и оформления: метод. разработка /Сост. В.И. Ляшков. -Тамбов: Тамб. гос. тех. ун-т, 2003. -19 с

Методическая разработка составлена в соответствии с программой и учебным планом дисциплины "Теоретические основы теплотехники" и содержит 4 задания по термодинамическому анализу наиболее характерных процессов и циклов, а также примеры расчета и оформления работы. Приводится список рекомендуемой литературы

Ó Тамбовский государственный

технический университет

Тамбов 2003

ВВЕДЕНИЕ

Для стабилизации и укрепления положительных тенденций в развитии экономики нашей страны необходимо широкое обновление средств и методов производства, использование высокопроизводительных энерго- и ресурсосберегающих технологий и оборудования, способных обеспечить выпуск конкурентоспособной на мировом рынке продукции. Такое оборудование и технологии отличаются наличием оптимальной теплоизоляции, широким применением приемов регенерации и утилизации тепла, трансформации различных видов энергии друг в друга.

Тепловые процессы получили самое широкое распространение в технике, и сегодня очень трудно назвать оборудование или технологию, где бы тепловая энергия не играла определяющей роли. Тепло используется как для выработки механической и электрической энергии, так и для проведения и интенсификации технологических процессов. Широкое распространение нашли также холодильные установки умеренного и глубокого охлаждения, установки для разделения воздуха, газотурбинные установки для дожигания вредных отходов и другое оборудование. Энергетическая эффективность и степень совершенства такого оборудования определяется тем, насколько широко и правильно был проведен термодинамический анализ еще на этапе их проектирования.

Для анализа процессов трансформации различных видов энергии в таких машинах и установках в термодинамике используется метод циклов, сущность которого состоит в том, что путем некоторого упрощения и идеализации реальных процессов рабочий процесс устройства описывают рядом последовательных термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело (обычно газ или пар) приходит в первоначальное состояние. Такие круговые процессы или циклы могут повторяться неограниченное число раз, каждый раз сопровождаясь определенной трансформацией и перераспределением подводимой извне энергии.

Твердое знание основ термодинамической теории циклов является совершенно необходимым для специалистов, связанных с проектированием, доводкой, эксплуатацией и автоматизацией современных технологических процессов и оборудования, т.е. практически для всех инженерно-технических работников, не говоря уже о тех людях, которые выбрали благородную, интересную и очень важную профессию – обеспечивать теплом и светом жизнь и труд других людей в нашей стране.

Общие методические указания и рекомендации

Курсовая работа по термодинамике выполняется студентами с целью закрепления и углубления учебного материала, изучаемого в первой части учебной дисциплины «Теоретические основы теплотехники». Выполнение работы прививает определенные навыки практического применения основных методик термодинамического анализа для расчётов термодинамических процессов, расширяет знания об идеализированных циклах реальных машин, позволяет на конкретных примерах усвоить методику энергетического анализа и расчёта важнейших процессов и циклов. Работа включает решение четырех отдельных задач и выполняется в течение всего учебного семестра. Выполнение ее является обязательным условием положительной аттестации студента на зачетах.

Индивидуальное задание выдается каждому студенту в начале семестра в виде алфавитно-цифрового кода. При этом буквы указывают номер раздела, а стоящие рядом цифры - номера задач в этом разделе. Последние две цифры – это номер варианта каждой из задач. Например, шифр а 4 b 3 c 2 d 1-32 означает, что студенту надлежит решить задачу 4 из раздела а, задачу 3 из раздела b, задачу 2 из раздела c и задачу 1 из раздела d и для всех задач принимать вариант 32.

Чтобы успешно подготовиться и выполнить курсовую работу необходимо:

1. Внимательно ознакомиться с содержанием задач, выписать их для себя, вставляя в общий текст численные значения исходных данных из соответствующих таблиц. При этом учитывать, что первая часть исходных данных берется из таблицы по первой цифре варианта, а вторя – по второй.

2. По конспекту лекций изучить теоретический материал по соответствующим темам, обращая особое внимание на методики практических расчетов. Подобрать по списку рекомендованной литературы и получить в библиотеке университета один из учебников или учебное пособие «Теоретические основы теплотехники», подробно ознакомиться с описанием цикла или процесса, предложенного для анализа. Отдельные темы можно изучить по специальным электронным учебникам в компьютерном классе кафедры гидравлики и теплотехники.

3. Провести черновой расчет задач с помощью калькулятора и, если это необходимо, таблиц или h-s диаграммы, соблюдая последовательность расчетов и самопроверок такими же, как они даются в приведенных ниже примерах.

4. В компьютерном классе кафедры гидравлики и теплотехники по специальным программам проверить правильность своих расчетов. Если погрешности выполненных расчетов не будут превышать предельных уровней, программа зафиксирует это в специальном зашифрованном файле и после этого можно оформлять отчет о работе.

5. Оформить отчет по курсовой работе в соответствии с требованиями стандарта ТГТУ [3], ориентируясь при этом на приведенные в настоящей методической разработке примеры.

6. Защитить работу перед комиссией из двух – трех преподавателей выпускающей кафедры.

Если при подготовительной работе или в процессе расчетов возникают вопросы или неясности, студенту необходимо обращаться к преподавателю за консультациями, которые организуются кафедрой еженедельно по специальному расписанию.

Рекомендуется необходимые расчеты проводить на компьютере, используя для этого алгори