ПОКАЗАТЕЛИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Термодинамические процессы

 

Вариант 3

Исходные данные привожу в табл.1.1

 

Исходные данные Таблица 1.1

Газ	Р1, МПа	Т1 К	V3 М3	Δ t 0С	Cмесь Газов 1 2	Объемн. состав, % r1 r2	V литр	Рсм МПа	Тсм К
SO2	0,25		0,4	+10	CO2	CH4				1,5

 

Ход работы:

1.1. Газ находится под давлением Р₁ и температуре Т₁

• Газовая постоянная: R=8314/ µ = 8314/64,06 = 129,78 (Дж/кг К).
• Удельный объем: PV=RT → V=RT/P=129,78*283/0,25*10⁶ = 0,147 (м³).
P=0,25 МПа = 0,25*10⁶ Па.
• Плотность: p=1/v = 1/ 0,147 =6,80 (кг/М³).
• Средняя массовая изохорная теплоемкость: С_р=к* R /(к-1) = 1,4*129,78/(1,4-1)=
= 454,2 Дж/кг К.
• Средняя массовая изобарная теплоемкость: С_v= R /(к-1) = 129,78/ (1,4-1) =
= 324,45 Дж/м³ К.

1.2. Газ при том же давлении и температуре находится в баллоне емкостью V

•Масса газа: PV=МRT → M=PV/ RT= 0,25*10⁶*0,4/129,78*283 = 2,72 (кг).

•Изменение объема можно определить по формуле: PV=RT → P= RT/ V
Если температура увеличится на 10⁰C, то давление газа в баллоне увеличится.
T=-10⁰C=283 K

P = 283* (283+283)/2,72=0,588 (МПа).

 

1.3. Смесь находится в баллоне емкостью V под давлением Р_см при температуре Т_см

•Молекулярная масса газовой смеси: µ_см=Σ µ_{1 *} r₁ + µ_{2 *} r₂ =44,0*30 + 16,032*70 =
=2442,24 (кг/кмоль).
•Газовая постоянная смеси газов:R_см=8314/µ_см=8314/2442,24*10^-3=3404,25 Дж/кг_*К. • Удельный объем: Р_см* V_см= R_см*Т_см → V_см= R_см*Т_см/ P_см =3404,25*353/1,5*10⁶ =0,8 (м³)
• Плотность смеси p_см=1/ V_см =1/0,8 =1,25 (кг/м³)
• Масса газа в баллоне: М_см= p_см* V = 1,25*250= 312,25 (кг)

 

• Парциальное давление каждого газа:
р₁=r_{1 *} р_см 30* 1,25=37,5 (МПа).
р₂=r_{2 *} р_см=70* 1,25=87,5 (МПа).

• Массовый состав смеси:
m ₁= r_{1 *} µ₁ / µ_см= 30*44,0/2442,24 =1,551
m ₂= r_{2 *} µ₂ / µ_см= 70*16,032/2442,24=0,205
М₁= m _1*М_см = 1,551*312,25=483,91 (кг)
М₂= m _2*М_см = 0,205*312,25=64,21 (кг)

 

 

Контрольные вопросы

 

1) Что понимают под идеальным газом?

 

Идеальный газ это теоретическая модель, широко применяемая для описания свойств и поведения реальных газов при умеренных давлениях и температурах.

 

2) Как изменяется объем газа при изотермическом увеличении (или уменьшении) его давления?

При изотермическом увеличении давления, объем будет уменьшаться. При уменьшении давления, объем будет увеличиваться.

 

3) Как изменяется давление газа при изохорном его нагревании (или охлаждении)?

 

При нагревании давление будет падать, а при охлаждении повышаться.

 

 

4) Сущность закона Авогадро?

Закон Авогадро В равных объемах газов (V) при одинаковых условиях (температуре Т и давлении Р) содержится одинаковое число молекул. Следствие из закона Авогадро: один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объем.

 

 

Лабораторная работа №2.

 

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫТЕРМОДИНАМИКИ
Вариант 13

 

Исходные данные привожу в табл.2.1

Исходные данные Таблица 2.1

Ре кВт	Вп кг/ км; кг/милю	W Км/ч; узл.	L Км; миль

Ход работы:

Эффективный КПД ДВС

Q_н=42700 кДж/кг
• Часовой расход топлива: B=Bп+W = 100+15= 115 (кг/ч).
• КПД: η=3600_*Р_е/Q_*В = 3600*8000/42700*115=5,86.

Необходимое количество топлива

 

КПД=58%, Q=42700 кДж/кг.
• Продолжительность рейса: L/W=3000/15=200,0 (ч).
• Расход топлива за час: η=3600_*Р_е/Q_*В → В= 3600_*Р_е / Q_* η=
=3600*8000/42700*0,58= 1162,88 (кг/ч).

• Расход топлива за рейс: В=1162,88*15=17430,97 (кг).

 

Количество воды для охлаждения ДВС

КПД= 0,58, относительная потеря теплоты с охлаждающей водой = 0,28, температура охлаждающей воды на входе 288 К, а на выходе 333 К.

• η=3600_*Р_е/Q_*В → Q= 3600_*Р_е / B_* η=3600*8000/100*0,58 =496551,72 (кДж/кг).

• Q_охл =0,28 (кДж/кг).
• Расход охлаждающей воды: Q_охл = С_{в *} М_{в *} (Т₂-Т₁) → М_в = Q_охл / С_{в *} (Т₂-Т₁) =
= 0,28/ 4,19* (333-288) = 0,0014 (кг/ч).

 

 

Контрольные вопросы

1. В чем сущность первого и второго законов термодинамики?

Первый закон термодинамики – есть закон сохранения энергии: при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только передается от одних тел другим или превращается из одной формы в другую.
Второе начало термодинамики устанавливает существование энтропии как функции состояния термодинамической системы и вводит понятие абсолютной термодинамической температуры, то есть «второе начало представляет собой закон об энтропии» и её свойствах.

2. Напишите аналитическое выражение первого закона термодинамики?

Q=E2 – E1 + ∑ L

Е – энергия система
∑ L – сумма теплоты и вех видов работы

 

Лабораторная работа №3.

 

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ДВС

Вариант 13

Исходные данные привожу в табл.3.1

 

Исходные данные Таблица 3.1

Ра Мпа	Та, К	Степень сжатия έ	Степень повышения давления, λ	Степень пред- варительного расширения, ρ
0,09			1,8	1,35

Задание

Выполнить расчеты по идеальному циклу ДВС со смешанным подводом теплоты (рис. 1).

А) Определить значения в характерных точках цикла согласно табл.3.2

А) Определение значения в характерных точках цикла

Расчет параметров по заданию А) Таблица 3.2

Точки	Р, МПа	Т, К	v, м3/кг
A	0,09		0,408
C	2,45	642,56	0,034
У	4,41	1156,60	0,034
Z	4,41	1560,6	0,046
B	0,108	622,52	0,408

R по (1.5.) R=129,78 (Дж/кг К).

• Точка а:
V_а – (1.3.) Рv=RT → v=RT/Р= 129,78 *283/0,09 * 10⁶= 0,408 (м³/кг).

•Точка с:
Р_с= Р_а* έ ^К = 0,09 * 10⁶ *12 ^1,33 = 2,45 (МПа).
Т_с = Т_а* έ^{К -1} =283 * 12 ^1,33-1 = 642,56 (К).
V_с = V_а / έ =0,408 / 12 = 0,034 (м³/кг).

•Точка у:
V_с = V_у =0,034 (м³/кг).
Р_У = λ _*Р_С =1,8*2,45=4,41 (МПа).
Т_у= λ *Т_с = 1,8*642,560=1156,60 (К).

•Точка z:
Р_z = Р_у = 4,41 (МПа).
V_z= ρ _* V_у =1,35 * 0,034 =0,046 (м³/кг).
Т_z= ρ _*Т_у = 1,35*1156,60=1560,6 (К).

•Точка b:
Р_в = Р_z/ ƒ ^к =4,41/16,2 ^1,33=0,108 (МПа).
ƒ = έ / ρ = 12*1,35=16,2
Т_в = Т_z /ƒ ^к-1 = 1560,6/ 16,2 ^1,33-1 = 622,52 (K).
V_в= V_а =0,408 (м³/кг).

С_v = 454,2 (Дж/кг К) С_р =324,45 (Дж/кг К)

 

Б) Определить в каждом процессе: теплоту q; работу ℓ; изменение внутренней энергии ∆ū; изменение энтропии ∆s; изменение энтальпии ∆i.

Результаты расчетов представить в табличной форме (табл. 3. 3).

 

 

Расчет параметров процессов по заданию Б) Таблица 3.3

процессы	q, кДж/кг	ℓ, кДж/кг	∆ū кДж/кг	∆s кДж/кг	∆i кДж/кг
A – C		-163,24	163,24		116,49
C – У	166,53		166,53	2,839	233,35
У -Z	131,07	0,053	182,6	0,97	131,07
Z – В		304,33	-304,33		-425,85
В – А	-109,92		-109,92	-2,64	-79,98
å	187,63	å q =åℓ

 

•Для y-z

q _{у - z}=С_р(Т₂-Т₁)=324,45*(1560,6-1156,6)= 131,07 (кДж/кг);

ℓ _{у - z} =р(Vz-V_y)= 4,41*(0,046-0,034)=0,053 (кДж);
∆ū _{у - z}= C_v(T₂-T₁)= 452,2 *(1560,6-1156,6)=182,6 (кДж/кг);

∆s _y-z =С_p*ln(T2/T1)= 324,45 *ln(1560,6/1156,6)= 0,97 (кДж);

Δi_{у - z}= C_p(T₂-T₁)= 324,45 *(1560,6-1156,6)= 131,07 (кДж).

•Для z-b

ℓ _{z – в} = - ∆ū _{z – в} ;

∆ū _{z – в} = 324,45 *(622,52-1560,6)= -304,33 (кДж/кг);

Δi _{z – в} =454,2 *(622,52-1560,6)= -425,85 (кДж).

 

•Для b-a

q _{в – а} = ∆ū _{в - а} ;

∆ū _{в – а}=324,45 *(283-622,52)= -109,92 (кДж/кг);

∆s _в-а =c_v*ln(T2-T1)= 454,2 *ln(283-622,52)= -2,64 (кДж);
Δi_{в – а}=454,2 *(283-622,52)= -79,98 (кДж).

 

•Для c-y
q _{с – у} = ∆ū _{с – у};
∆s _{с – у} =c_v*ln(T2-T1)= 454,2 *ln(1156,6-642,56)=2,839 (кДж );
∆ū _{с – у} = 324,45 *(1156,6-642,56)=166,53 (кДж/кг);
Δi _{с – у} =454,2 *(1156,6-642,56)= 233,35 (кДж).

 

•Для а-с
ℓ_{а - с} = - ∆ū_{а – с};

∆ū_{а – с} =C_v(T₂-T₁)= 454,2*(642,56-283)=163,24 (кДж/кг);

Δi _{а – с} =C_p(T₂-T₁)= 324,45 *(642,56-283)=116,49 (кДж).

 

 

Контрольные вопросы

 

1)Особенности адиабатного процесса?

Адиабатный процесс как термодинамический процесс, который происходит в теплоизолированной системе. Рассмотрение основ закона Джоуля. Знакомство с квазистатическими адиабатическими процессами. Особенности производства двигателей с внешним подводом.

 

2)Цикл Карно, его особенности и КПД?

Цикл Карно – максимально эффективный циклический процесс. Использует только обратимые процессы. Цикл Карно основывается нa двух изотермических и двух адиабатических процессах.
Карно выявил эффективность идеального теплового двигателя:

Для идеального двигателя вычислили, что соотношение Qc/Qh приравнивается к отношению абсолютных температур. To есть Qc/Qh = Tc/Th. Никакому тепловому двигателю нe сравнится c эффективностью Карно. Реальная эффективность достигает лишь 0.7 oт этого максимума.

 

3)Что понимается под терминами «теплота», «энтропия», «энтальпия»?

Теплота - количество энергии, получаемой или отдаваемой системой при теплообмене (при неизменных внешних параметрах системы: объёме и др.). Энтропия — физическая величина, используемая для описания термодинамической системы, одна из основных термодинамических величин. Энтропия является функцией состояния. Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды.

 

4)Какие двигатели работают по циклу с подводом теплоты при V=const; при Р= const; при смешанном подводе теплоты?

V=const - Цикл Отто

Р= const - Цикл Дизеля

Смешанный повод теплоты - Цикл Тринклера

 

5)Может ли КПД теплового двигателя быть равен 1? Если нет то почему?

Второй закон термодинамики нам поможет

Невозможно осуществить процесс единственным результатом которого был бы перевод тепла от менее нагретого тела к более нагретому. (формулировка Клаузиуса) КПД не может быть равен 100%, т.к все равно часть энергии будет уходить в окружающую среду, т.е отдаваться холодильнику.

 

Лабораторная работа №4

ПОКАЗАТЕЛИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Вариант №3

Задание

Произвести расчет показателей двух заданных дизелей и оценить их совершенство по экономичности, масса – габаритным показателям, надежности и степени форсирования.
Исходные данные: марки дизелей и их показатели выбираются из табл. 4.1

 

Исходные данные Таблица 4.1

Марка дизеля	Рен кВт	nе мин.-1	Род топ.	Вт Кг/ч	Вм кг/ч	L*B*H м	Мд Т	R тыс. ч.
6ЧН22/24   8ЧРН32/48			мот   мот		1,37   4,45	3,5*1,5*2,5 Р.1,6*1,3*1,3 6,1*1,8*2,8	9,3 2,7 23,8

 

Ход работы:

Совершенство дизелей оценить по:

 

•Экономичности:

– удельному эффективному расходу топлива b, кг / кВт* ч;

6ЧН22/24 b=B_T/P_EH =190/975=0,19 (кг / кВт* ч);

8ЧРН32/48 b=B_T/P_EH = 211/970=0,22 (кг / кВт* ч).

 

– эффективному КПД η_е =3600_*Р_е/Q_н*В; принимая Q_{н мот. т.} = 41800 кДж /кг;

6ЧН22/24 η_е= 3600*975/41800*190=0,44

8ЧРН32/48 η_е=3600*970/41800*211=0,39

 

– удельному расходу моторного масла b_ем , кг / кВт* ч;

6ЧН22/24 b=B_M/P_EH=1,37/975=0,0014 (кг / кВт* ч);

8ЧРН32/48 b=B_M/P_EH=4,45/970=0,0045 (кг / кВт* ч).

 

•Масса- габаритным показателям:

– удельной массе дизеля m_д =1000*М_д / Р_ен, кг / кВт;

где М_д - масса дизеля, т.; Р_ен - номинальная эффективная мощность дизеля, кВт;

6ЧН22/24 m_д =1000*9,3/970=9,58 (кг / кВт);

8ЧРН32/48 m_д =1000*23,8/975=23,56 (кг / кВт).

– объемная мощностная насыщенность d =Р_ен / L*B*H, кВт / м³

где L*B*H – длина, ширина, высота ДВС, м;

6ЧН22/24 d=975/3,5*1,5*2,5=74,28 (кВт / м³);

8ЧРН32/48 d= 970/6,1*1,8*2,8=31,55 (кВт / м³).

 

 

•Надежности:

– ресурсу до капитального ремонта R. тыс. ч.;

6ЧН22/24 R = 60 (тыс. ч);
8ЧРН32/48 R = 60 (тыс. ч).

 

•Степени форсирования:

- номинальной частоте вращения коленчатого вала n_е, мин.^-1;
6ЧН22/24 n_е =1000 (мин.^-1);

8ЧРН32/48 n_е =428 (мин.^-1).

 

– средней скорости поршня С_m = S*n_е / 30, м /с;

6ЧН22/24 С_m =0,24*1000/30=8,0 (м /с);

8ЧРН32/48 С_m =0,48*428/30=6,85 (м /с).

 

– среднему эффективному давлению Р_еm = 60* Р_ен * t _т / V_h * n_е кПа

где t_т – показатель тактности (t _т=2 для 4-х тактных ДВС; t _т = 1 для 2–х тактных ДВС).

6ЧН22/24 Р_еm=60*975*2/0,037*1000=6,162 (кПа);

8ЧРН32/48 Р_еm=60*970*2/0,031*428=8,772 (кПа).

V_h =πD²S/4

 

– показателю форсировки П _ф = Р_еm* С_m / t _т , кВт / м ².

6ЧН22/24 П _ф=6,162*8/2=24,64 (кВт / м ²);

8ЧРН32/48 П _ф=8,772*6,85/2=30,04 (кВт / м ²).

 

•Свожу все расчеты в табл.4.2.

Совершенства дизелей Таблица 4.2

	По экономичности	По массо- габаритным показателям	По надежности	По степени форсирования
	b	ηе	bем	mд	d	R	nе	Сm	Реm	Пф
6ЧН22/24	0,19	0,44	0,0014	9,58	74,28			8,0	6,162
8ЧРН32/48	0,22	0,39	0,0045	23,56	31,55			6,85	8,772

 

3. Контрольне вопросы

 

1. Отличие эффективного КПД ДВС от его индикаторного КПД?

Эффективный КПД определяют не только тепловые, но и механические потери в двигателе в отличие от индикаторного КПД.

 

2. Назовите составляющие механических потерь в дизеле?

Потери мощности на механический привод нагнетателя

Гидравлические потери мощности

Потери мощности на привод вспомогательных механизмов

Потери мощности на совершение насосных ходов поршнем

Потери мощности на трение

 

3. Какова связь индикаторного КПД ДВС с термическим КПД идеального цикла двигателя?

Связь этих КПД находят из соотношений

где Lj и Lц — действительная (индикаторная) работа и работа идеального цикла; Qx — количество подведенной за цикл теплоты.

В итоге получаем соотношение

 

 

Список литературы:

1. Конаков Г.А. Васильев Б. В. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота. М.: Транспорт.1980; 423 с.

2. Ерофеев В. Л., Семенов П. Д., Пряхин А. С. Теплотехника Учебник, СПб. СПГУВК, 2004, 528с.

3. Сизых В. А. Судовые энергетические установки. Учебник, М.: Транспорт. 1990. 302 с.\