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.
Cp=1008Дж/кг К
Cv=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 = Cv (T3 – T2)
отведенная теплота: q2 = Cv (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 ηt.
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 = Cv(T3-T2) (11)
Количество отведенной теплоты:
q2 = Cv(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 = Cр (T3 – T2);
отведенная теплота: q2 = Cv (T4 – T1);
термический кпд цикла:
вывод: с увеличением ε, увеличивается и ηt, а с увеличением ρ ηt 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=Cp(T3-T2) (29)
Количество отведенной теплоты:
q2=Cv(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 // = Cv (T3 – T2) + Cр (T4 – T3)
отведенная теплота: q2 = Cv (T5 – T1)
термический кпд цикла:
вывод: с увеличением ε и λ увеличивается и ηt, а с увеличением ρ ηt 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=Cv(T3-T2)+Cp(T4-T3) (49)
Количество отведенной теплоты:
q2=Cv(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 = Cр (T3 – T2);
отведенная теплота: q2 = Cр (T4 – T1);
термический кпд цикла: ;
вывод: с увеличением β увеличивается и ηt.
1 Параметры состояния в каждой точке
(57)
(58)
(59)
q1=Cp*(T3-T2) (60)
q2=Cp*(T4-T1) (61)
(62)
2 теплота подведенная, отведенная и полезно используемая:
q1=Cр*(T3-T2) (63)
q2=Cp*(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 = Cv (T3 – T2);
отведенная теплота: q2 = Cр (T4 – T1);
термический кпд цикла: ;
вывод: с увеличением β и λ увеличивается и ηt.
1 Параметры состояния в каждой точке
(69)
(70)
(71)
2 теплота подведенная, отведенная и полезно используемая:
q1=Cv*(T3-T2) (72)
q2=Cp(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
; (79)
где i1 и i2 тоже, что и в формуле (78)
– энтальпиякипящей воды (конденсата) в конденсаторе, определяется с помощью таблиц водяного пара (2, стр. 324-330; 7, стр.452-454).
3. теоретический удельный расход пара на выработку 1 МДж энергии:
(80)
теоретический удельный расход пара на выработку 1 кВт . ч энергии:
(81)
вывод: чтобы увеличить кпд и теоретический расход пара на выработку энергии необходимо увеличивать теплоперепад и уменьшать давление в конденсаторе.
Рисунок 12 - I-S диаграмма водяного пара.
Литература: 2, с.230-242; 5, с.61-67; 7, с. 259-277
Контрольные вопросы:
1. Из каких устройств и агрегатов состоит цикл ПСУ?
2. Опишите принцип работы ПСУ.
3. Какие циклы существуют в ПСУ?
4. Опишите принцип работы цикла Карно ПСУ.
5. Какие имеются недостатки в цикле Карно ПСУ?
6. Опишите принцип работы цикла Ренкина ПСУ.
7. Что такое теплоперепад и как находятся величины, входящие в него?
8. Что такое удельный теоретический расход пара на выработку энергии?
9. Как можно вычислить кпд цикла Ренкина?