Одобрена методическим советом Инженерно-технического факультета

Кафедра Технологических машин и оборудования

Тулубаев Фарит Харисович

Методические указания

Для выполнения расчетно-графической работы

по дисциплинам: «Основы гидравлики и теплотехники» для студентов специальности 5В080600 Аграрная техника и технологии, «Теплотехника» для студентов специальности 5В072700 технология продовольственных продуктов, 5В072800 технология перерабатывающих производств

Тема: «Расчёт круговых термодинамических циклов».

Костанай 2013 г.

Автор: Тулубаев Ф.Х., старший преподаватель кафедры технологических машин и оборудования

Рецензенты:

Салыков Б.Р., доцент кафедры технического сервиса

Тулубаев Ф.Х.

Основы гидравлики и теплотехники. Методические указания для выполнения расчетно-графической работы.

Костанай: КГУ им. А. Байтурсынова, 24с.

В настоящих методических указаниях даются рекомендации и для выполнения расчетно-графической работы программы курса «Основы гидравлики и теплотехники».

Рассмотрена и рекомендована на заседании кафедры технологических машин и оборудования

от ___.___. 2013 г. протокол № ___

Зав. кафедрой О.Моисеенко

Одобрена методическим советом Инженерно-технического факультета

от ___.___. 2013 г. протокол № ____

Председатель методического совета _________________ А.Дик

Содержание

	стр.
Введение ………………………………………………………………
Задача №1. Двигатели внутреннего сгорания ……………………..
Задача №2. Газотурбинные установки ……………………………...
Задача №3. Паросиловые установки…………………………………
Список использованных источников ………………………………..
Приложения …………………………………………………………...

Введение

Целью настоящих методических указаний является пояснение теоретического материала и дополнение к практическим занятиям по данной дисциплине.

Для решения практических задач предлагаются три задачи по круговым процессам: Двигатели внутреннего сгорания, Газотурбинные установки, Паросиловые установки. Студенту необходимо сначала ознакомиться с лекционным материалом.

Каждый студент получает свой вариант, который назначает ведущий лектор. Варианты к задачам и список литературы приведен в конце настоящих методических указаний. Работа оформляется на листах формата А4, в соответствии требованиями стандарта КГУ им.А. Байтурсынова по оформлению. Дальнейшие требования приведены к каждой задаче.

Задача №1

Цикл двигателя внутреннего сгорания

Рассчитать идеальный цикл ДВС, являющийся теоретической основой рабочего процесса бескомпрессорных двигателей.

В расчете принять, что цикл осуществляется одним килограммом воздуха, как идеальным газом.

C_p=1008Дж/кг К

C_v=720 Дж/кг К

к=1,41

При помощи приведенных ниже формул определить:

1.1. Параметры узловых точек;

1.2. Работу сжатия, расширения и полезную работу цикла;

1.3. Подведенное, отведенное и полезно использованное тепло;

1.4. Термический коэффициент полезного действия цикла (через теплоты и характеристики цикла);

1.5. Среднее индикаторное давление;

1.6. Изменение энтропии всех процессов.

В графической части задания привести рабочие процессы (индикаторные диаграммы) двигателя, работающего по заданному циклу, в масштабе, в P-V и T-S координатах.

Исходные данные принимаются по таблице 1, в соответствии с номером варианта.

1 цикл - ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме

Этот цикл характерен для двигателей с внешним смесеобразованием (бензиновые, газовые)

Рисунок 1 - P-V и T-S диаграмма ДВС с подводом теплоты при постоянном объёме.

состоит из двух адиабат и двух изохор.

1-2 процесс адиабатного сжатия; 2-3 процесс изохорного подвода теплоты; 3-4 адиабатного расширения; 4-1 изохорный отвод теплоты.

Характеристики цикла:

ε – степень сжатия:

λ – степень повышения давления ;

подведенная теплота: q₁ = C_v (T₃ – T₂)

отведенная теплота: q₂ = C_v (T₄ – T₁)

термический кпд цикла:

где к – показатель адиабаты, который зависит от числа атомов в газе (для воздуха к = 1,41)

вывод: с увеличением ε, увеличивается и η_t_.

1 Параметры тела в узловых точках:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2 Работа сжатия:

(8)

Работа расширения:

(9)

Полезная работа цикла:

(10)

3 Количество поведенной теплоты:

q₁= C_v(T₃-T₂) (11)

Количество отведенной теплоты:

q₂= C_v(T₄-T₁) (12)

Полезно использованное тепло:

q = q₁- q₂ (13)

4 Термический кпд цикла:

(14)

(15)

5 Среднее индикаторное давление:

(16)

6 Изменение энтропии процессов:

(17)

(18)

Далее выполняем проверку и по полученным значениям строим диаграммы в масштабе.

2 цикл - ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении

Рисунок 2 - P-V и T-S диаграмма ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении.

состоит из двух адиабат, изохоры и изобары.

1-2 процесс адиабатного сжатия; 2-3 процесс изобарного подвода теплоты; 3-4 адиабатного расширения; 4-1 изохорный отвод теплоты.

Характеристики цикла:

ε – степень сжатия:

ρ – степень повышения давления ;

подведенная теплота: q₁ = C_р (T₃ – T₂);

отведенная теплота: q₂ = C_v (T₄ – T₁);

термический кпд цикла:

вывод: с увеличением ε, увеличивается и η_t_,а с увеличением ρ η_t уменьшается.

1 Параметры тела в узловых точках:

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

2 Работа сжатия:

(26)

Работа расширения:

(27)

Полезная работа цикла:

(28)

3 Количество подведенной теплоты:

q₁=C_p(T3-T2) (29)

Количество отведенной теплоты:

q₂=C_v(T4-T1) (30)

Полезно использованное тепло:

q=q₁ - q₂ (31)

4 Термический кпд цикла:

(32)

(33)

5 Среднее индикаторное давление:

(34)

6 Изменение энтропии процессов:

(35)

(36)

Далее выполняем проверку и по полученным значениям строим диаграммы в масштабе.

3 цикл - ДВС со смешанным подводом теплоты.

Рисунок 3 - P-V и T-S диаграмма ДВС со смешанным подводом теплоты

состоит из двух адиабат, двух изохор и изобары.

1-2 процесс адиабатного сжатия; 2-3 процесс изохорного подвода теплоты; 3-4 процесс изобарного подвода теплоты; 4-5 адиабатного расширения; 5-1 изохорный отвод теплоты.

Характеристики цикла:

ε – степень сжатия:

ρ – степень повышения давления ;

λ – степень повышения давления

подведенная теплота: q₁ = q₁^/ + q₁^// = C_v (T₃ – T₂) + C_р (T₄ – T₃)

отведенная теплота: q₂ = C_v (T₅ – T₁)

термический кпд цикла:

вывод: с увеличением ε и λ увеличивается и η_t_,а с увеличением ρ η_t уменьшается.

1 Параметры тела в узловых точках:

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

2 Работа сжатия:

(46)

Работа расширения:

(47)

Полезная работа цикла:

(48)

3 Количество подведенной теплоты:

q₁=C_v(T₃-T₂)+C_p(T₄-T₃) (49)

Количество отведенной теплоты:

q₂=C_v(T₅-T₁) (50)

4 Термический кпд цикла:

(51)

(52)

5 Среднее индикаторное давление:

(53)

6 Изменение энтропии процессов:

(54)

(55)

(56)

Далее выполняем проверку и по полученным значениям строим диаграммы в масштабе.

Литература: 2, с.128-130; 5, с.57-59; 7, с.230-242.

Контрольные вопросы:

1. Какие три термодинамических цикла ДВС существуют?

2. Какие процессы происходят в цикле ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме?

3. Какие процессы происходят в цикле ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении?

4. Какие процессы происходят в цикле ДВС со смешанным подводом теплоты?

5. Что такое степень сжатия?

6. Что такое степень повышения давления?

7. Что такое степень предварительного расширения?

8. Как можно увеличить (уменьшить) термический кпд в цикле ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме?

9. Как можно увеличить (уменьшить) термический кпд ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении?

10. Как можно увеличить (уменьшить) термический кпд в цикле ДВС со смешанным подводом теплоты?

Задача №2

Цикл газотурбинной установки.

Расcчитать идеальный цикл газотурбинной установки, являющейся теоретической основой рабочего процесса современных газовых турбин.

В расчете принять, что цикл осуществляется одним килограммом воздуха, как идеальным газом.

На основании приведенных ниже формул рассчитать:

1. параметры рабочего тела в узловых точках;

2. количество подведенного, отведенного и полезного используемого тепла;

3.термический коэффициент полезного действия цикла.

Графическая часть задания должна содержать:

1.рабочий процесс установки, работающей по заданному циклу (индикаторные диаграммы), в масштабе в P-V и T-S координатах;

2.принципиальную тепловую схему газотурбинной установки, работающей по данному циклу.

Исходные данные для расчетов принимаются по таблице 2, в соответствии с номером варианта.

1 Принципиальная схема ГТУ с подводом теплоты при P = const.

Рисунок 4 - Принципиальная схема ГТУ при P = const.

Принцип действия: в камеру сгорания 1 через форсунки 6 и 7 непрерывно поступают воздух из турбокомпрессора 4 и топливо из топливного насоса 5. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, в которых рабочее тело расширяется до давления, близкого к атмосферному. Из сопл продукты сгорания поступают на лопатки газовой турбины 3, а затем выбрасываются в атмосферу через выхлопной патрубок.

Диаграммы Р – V и Т – S ГТУ с подводом теплоты при P = const

Рисунок 5 - Диаграммы Р – V и Т – S ГТУ с подводом теплоты при V = const

Процессы: 1-2 адиабатное сжатие воздуха; 2-3 подвод теплоты при P = const; 3-4 адиабатное расширение; 4-1 отвод теплоты в атмосферу.

Характеристики цикла:

β – степень сжатия:

ρ – степень повышения давления ;

подведенная теплота: q₁ = C_р (T₃ – T₂);

отведенная теплота: q₂ = C_р (T₄ – T₁);

термический кпд цикла: ;

вывод: с увеличением β увеличивается и η_t.

1 Параметры состояния в каждой точке

(57)

(58)

(59)

q₁=C_p*(T₃-T₂) (60)

q₂=C_p*(T₄-T₁) (61)

(62)

2 теплота подведенная, отведенная и полезно используемая:

q₁=C_р*(T₃-T₂) (63)

q₂=C_p*(T₄-T₁) (64)

q = q₁– q₂

3 термический кпд цикла:

(65)

(66)

4 изменение энтропии процессов:

(67)

(68)

Далее выполняем проверку и по полученным значениям строим диаграммы в масштабе.

2Принципиальная схема ГТУ с подводом теплоты при V = const.

Рисунок 6 - Принципиальная схема ГТУ при V = const.

Принцип действия (рисунок 6): сжатый в турбокомпрессоре 6 воздух поступает из ресивера (сосуда большой вместимости для выравнивания давления) 7 через воздушный клапан 8 в камеру сгорания 1. Сюда же топливным насосом 5 через топливный клапан 9 подается жидкое топливо. Продукты сгорания, пройдя через сопловой клапан 2, расширяются в сопле 3 и приводят во вращение ротор газовой турбины 4. Для осуществления периодического процесса горения необходимо управляемые клапаны 8 и 9 в определенные периоды времени. Процесс горения производится при закрытых клапанах 2 и 8. Воспламенение топлива происходит от электрической искры. После сгорания топлива давление в камере 1 повышается, открывается сопловой клапан 2 и продукты горения направляются в сопло 3, где и расширяются до конечного давления.

Рисунок 7 - Диаграммы Р – V и Т – S ГТУ с подводом теплоты при V = const.

Процессы: 1-2 адиабатное сжатие воздуха; 2-3 подвод теплоты при V = const; 3-4 адиабатное расширение; 4-1 отвод теплоты в атмосферу.

Характеристики цикла:

β – степень сжатия: ;

λ – степень повышения давления ;

подведенная теплота: q₁ = C_v (T₃ – T₂);

отведенная теплота: q₂ = C_р (T₄ – T₁);

термический кпд цикла: ;

вывод: с увеличением β и λ увеличивается и η_t.

1 Параметры состояния в каждой точке

(69)

(70)

(71)

2 теплота подведенная, отведенная и полезно используемая:

q₁=C_v*(T₃-T₂) (72)

q₂=C_p(T₄-T₁) (73)

q = q₁– q₂

3 термический кпд цикла:

(74)

(75)

4 изменение энтропии процессов:

(76)

(77)

Далее выполняем проверку и по полученным значениям строим диаграммы в масштабе.

Литература: 2, с.133-139; 5, с.59-61; 7, с.244-256

Контрольные вопросы:

1. Какие два термодинамических цикла ГТУ существуют?

2. Какие процессы происходят в цикле ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме?

3. Какие процессы происходят в цикле ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении?

4. Что такое степень сжатия?

5. Что такое степень повышения давления?

6. Что такое степень предварительного расширения?

7. Как можно увеличить (уменьшить) термический кпд в цикле ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме?

8. Как можно увеличить (уменьшить) термический кпд ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении?

Задача №3

Цикл паросиловой установки

Рассмотреть цикл паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, для двух вариантов. В расчете принять, что цикл осуществляется одним килограммам водяного пара.

Графическая часть задания должна содержать:

1. принципиальную тепловую схему паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина.

2. На основании исходных данных построить процессы адиабатного расширения пара в I-S-координатах (рисунок 12).

3. При помощи I-S диаграммы (рисунок 12) определить параметры узловых точек (V,x, i, S), а также описать состояние рабочего тела в данных точках.

При помощи приведенных ниже формул определить следующие параметры:

- теплоперепад;

- термический коэффициент полезного действия цикла;

- теоретический удельный расход пара;

На основании расчетов:

- сделать вывод о влиянии повышения начальных параметров пара на термический КПД цикла;

- произвести сравнительный анализ вариантов.

Исходные данные принимаются по таблице 3.

1Принципиальная схема паросиловой установки (ПСУ):

Рисунок 8 - Принципиальная схема паросиловой установки

В котле 1 (рисунок 8) происходит парообразование. В пароперегревателе 2 происходит перегрев пара до заданных параметров, который идет на турбину 3, где происходит преобразование тепловой энергии в механическую энергию, а затем в электрическую в электрогенераторе 4. Отработавший пар попадает в конденсатор 5, где идет его полная конденсация, конденсатным насосом 6 конденсат направляется в деаэратор 7, затем через подогреватель 9 питательным насосом 8 обратно в котел 1.

В циклах ПСУ имеется два цикла: цикл Карно и цикл Ренкина.

2Цикл Карно.

Рисунок 9 - P-V и T-S диаграмма цикла Карно.

Точка 0 (рисунок 9) представляет начальное состояние кипящей воды при давлении Р₁. Воде при постоянной температуре и постоянном давлении сообщается удельное количество теплоты, равное теплоте парообразования (процесс 0-1). Полученный сухой насыщенный пар от точки 1 расширяется по адиабате в паровой турбине до давления Р₂ (процесс 1-2). Образовавшийся влажный пар частично конденсируется при постоянной температуре и давлении до точки 3 (процесс 2-3). При этом его степень сухости уменьшается до х₃. От пара отводится удельное количество теплоты q₂. От точки 3 пар по адиабате сжимается в компрессоре до начального состояния и пар полностью превращается в кипящую воду.

Применение перегретого пара в цикле Карно не увеличивает его кпд, если пределы температур остаются без изменения. Из рисунка 8.2 (на Т-S диаграмме) видно, что кпд циклов 0123 и 0453 одинаков.

Недостатки цикла Карно:

1. Цикл Карно не дает больших значений кпд.

2. Конденсация влажного пара происходит не полностью, то есть объем цилиндра компрессора должен быть значительным, а это требует большого расхода металла.

3 Цикл Ренкина.

Рисунок 10 - Диаграммы Р – V и Т – S ПСУ Ренкина.

За основной цикл в ПСУ принят цикл Ренкина, в котором осуществляется полная конденсация пара в конденсаторе, вместо громоздкого компрессора малоэффективного компрессора применяют питательный насос, который имеет малые габариты и высокий кпд. Кроме того, в цикле Ренкина возможно применение перегретого пара, что позволяет повысить среднеинтегральную температуру подвода теплоты и тем самым термический кпд цикла.

На рисунке 10 изображен идеальный цикл Ренкина. Точка 4 характеризует состояние кипящей воды в котле при давлении Р₁. Линия 4-5 изображает процесс парообразования в котле; затем пар подсушивается в перегревателе при давлении Р₁. Линия 6-1 – процесс перегрева пара в перегревателе при давлении Р₁. Полученный пар по адиабате 1-2 расширяется в цилиндре паровой турбины до давления Р₂ в конденсаторе. В процессе 2-2^/ пар полностью конденсируется до состояния кипящей жидкости при давлении Р₂, отдавая теплоту парообразования охлаждающей воде. Процесс сжатия воды 2^/-3 осуществляется в насосе. Линия 3-4 изображает изменение объема воды при нагревании.

При невысоких давлениях в расчетах цикла Ренкина делают следующие допущения: не учитывают повышения температуры воды при адиабатном сжатии в насосе (практически точки 3 и 2^/сливаются); полагают, что изобары жидкости сливаются с пограничной кривой жидкости вследствие того, что удельный объем воды мал по сравнению с объемом пара и пренебрегают работой насоса. Поэтому с учетом допущений цикл Ренкина принимает вид, представленный на рисунке 11.

Рисунок 11 - Цикл Ренкина с учетом допущений.

3Характеристики цикла:

1. Δh – теплоперепад:

Δh = i₁ – i₂ (78)

где i₁ – энтальпияперегретого пара перед паровой турбиной, определяется с помощью i-s диаграммы по температуре и давлению перед турбиной;

i₂ – энтальпияотработавшего пара после паровой турбины, определяется с помощью i-s диаграммы по температуре и давлению перед турбиной и давлению в конденсаторе;

2. – термический кпд цикла Ренкина