Методичка. - Тепловые расчеты (2003)

Российская Федерация Министерство путей сообщения

ГОУ ВПО “Дальневосточный государственный университет путей сообщения МПС России”

Кафедра “Тепловозы и тепловые двигатели” А.Ю. Коньков

ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ

Методические указания на выполнение курсовой работы

Хабаровск

2003

Рецензент: Профессор кафедры “Тепловозы и тепловые двигатели” Дальневосточного государственного университета путей сообщения

З.Б. Погребинский

Коньков, А.Ю.

К 654 Тепловые расчеты: Методические указания на выполнение курсовой работы / А.Ю. Коньков. – Хабаровск: ДВГУПС, 2003. – 22 с.: ил.

В указаниях приведены сведения, необходимые для выполнения курсовой работы по дисциплине “Основы теплотехники”. Рассмотрен порядок упрощенного теплового расчета дизеля и теплообменного аппарата на примере водомасляного теплообменника силовой установки. Указания содержат дополнительные сведения для выполнения автоматизированных расчетов на персональном компьютере.

Методические указания предназначены для студентов специальности “БЖД” всех форм обучения.

©ГОУ ВПО “Дальневосточный государственный университет путей сообщения МПС России” (ДВГУПС), 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

1.1. Топливо, воздух и продукты сгорания 1.2. Процесс наполнения 1.3. Процесс сжатия 1.4. Процесс сгорания 1.5. Процесс расширения

1.6. Индикаторные показатели работы двигателя

1.7. Эффективные показатели работы двигателя

1.8. Построение индикаторной диаграммы

2. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

2.1. Конструктивный тепловой расчет маслоохладителя

2.2. Гидродинамический расчет ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Целью настоящей курсовой работы является закрепление знаний, полученных студентом при изучении теоретических разделов теплотехники: технической термодинамики и теплопередачи, а также приобретение практических навыков выполнения расчетов процессов, протекающих в тепловых двигателях и теплообменных установках. Курсовая работа состоит из двух разделов:

– в первом разделе студенту предстоит выполнить тепловой расчет 4-тактного дизельного двигателя с построением теоретической индикаторной диаграммы;

– во втором разделе выполняется тепловой и гидродинамический расчет водомасляного теплообменника для охлаждения смазочного масла дизеля. Исходными данными для выполнения курсовой работы являются:

– число цилиндров;

– диаметр цилиндра, м;

– ход поршня, м;

– частота вращения коленчатого вала, мин–1;

– действительная степень сжатия;

– коэффициент избытка воздуха;

– температура масла на входе в теплообменник;

– температура воды на входе в теплообменник.

Пояснительная записка должна быть выполнена на листах формата А4 в соответствии с требованиями ГОСТ 2.105–95 “Общие требования к текстовым документам”.

Обращаем внимание, что оформление методических указаний выполнено в соответствии с редакционно-издательскими требованиями, установленными другими нормативными документами. Поэтому они не могут служить примером для оформления пояснительной записки.

Для достижения необходимой для практики точности в расчетах следует придерживаться рекомендаций табл. 1.

Таблица 1

Рекомендуемая точность округлений в расчетах

Тепловой расчет двигателя начинают с расчета параметров рабочего тела в характерных точках цикла. Теоретическому циклу современных безкомпрессорных дизелей соответствует цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера), представленный на рис. 1.

Основными характеристиками этого цикла являются:

– геометрическая степень сжатия; – степень повышения давления в ходе изохорного сообщения рабочему телу теплоты (участок 2–3) и

степень предварительного расширения на участке изобарного подвода теплоты (3–4).

Рис. 1. Теоретический цикл дизельного двигателя

В отличие от общепринятых допущений при анализе теоретического цикла, при тепловом расчете двигателя следует учитывать изменение природы рабочего тела при сгорании топлива, а для повышения точности расчетов процессы сжатия (1–2) и расширения (4–5) считают политропными.

1.1. Топливо, воздух и продукты сгорания

Для расчетов, с достаточной точностью, можно принять следующий состав дизельного топлива (в долях по массе): углерод = 0,87; водород = 0,12; кислород = 0,01; сера и влага – отсутствуют.

Низшая рабочая теплота сгорания топлива , кДж/кг может быть найдена по формуле Д.И. Менделеева

. (1.1)

Теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива количество воздуха, кмоль/кг

Для улучшения сгорания топлива, воздух в двигатель подают с некоторым избытком. При этом действительное количество воздуха, кмоль/кг

где – коэффициент избытка воздуха, показывающий во сколько раз действительное количество воздуха превышает теоретически необходимое.

При сгорании топлива в цилиндрах двигателя, количество рабочего тела

(газа) увеличивается на величину , кмоль/кг. Рассчитать это изменение можно по уравнению:

1.2. Процесс наполнения

Параметры окружающей среды принимаются близкими к нормальным техническим условиям: давление =0,101 МПа, температура =293 К.

При расчете процесса наполнения необходимо учитывать, что из-за несовершенства процесса очистки цилиндра от отработавших газов, наряду со свежим зарядом, в цилиндре остается часть отработавших газов. Их

количество оценивается коэффициентом остаточных газов . Величину коэффициента остаточных газов для четырехтактных дизельных двигателей

без наддува можно принять в пределах .

Температура рабочего тела в конце процесса наполнения, К

где К – ориентировочное для 4-тактных дизелей значение

температуры отработавших газов; К – увеличение температуры рабочего тела вследствие теплообмена со стенками цилиндра.

Давление в конце наполнения несколько меньше давления во впускном ресивере вследствие гидравлических потерь при течении воздуха в каналах впускных органов. Для четырехтактного двигателя без наддува можно

принять .

1.3. Процесс сжатия

В четырехтактных двигателях без наддува воздух поступает во всасывающий трубопровод с температурой, близкой к температуре окружающей среды. Поэтому в первый период сжатия температура рабочего тела ниже температуры поверхностей ее окружающих (цилиндр, днище поршня, головка цилиндра, тарелки клапанов). В этом случае теплота передается по направлению к рабочему телу, а значит, показатель политропы сжатия будет

меньше показателя адиабаты . По мере повышения давления сжатия температура воздуха повышается и с некоторого момента становится выше температуры поверхностей цилиндра. Меняется, соответственно, и

направление передачи теплоты: . Таким образом, процесс сжатия

происходит при переменном значении показателя политропы сжатия . Однако для упрощения теплового расчета, процесс сжатия при переменном показателе политропы заменяют на политропный процесс с постоянным

показателем .

На рисунке 2 приведены

кривые значений для дизелей в зависимости от температуры в начале

сжатия при =12, 14, 16 и 18 по экспериментальным данным [1].

Рис.2. К определению показателя политропы сжатия

При использовании в расчетах компьютера, представленная на рис. 2 зависимость может быть приближенно описана аппроксимационным уравнением

(1.8)

Параметры рабочего тела в конце сжатия определяются из уравнения

политропного процесса. Температуры , , К при политропном сжатии связаны уравнением

Давление в цилиндре в конце сжатия, МПа

Объем в конце сжатия , м3

где – геометрическая степень сжатия; для четырехтактных двигателей можно принять .

1.4. Процесс сгорания

Расчет процесса сгорания основывается на решении уравнения 1-го закона термодинамики. Тепловая энергия, содержащаяся в потенциальной форме в топливе, при его сгорании в двигателе распределяется следующим образом:

–часть тепла идет на совершение механической работы;

–часть тепла идет на повышение внутренней энергии газов;

–часть тепла из топлива совсем не выделяется вследствие неполного сгорания топлива;

–часть тепла поглощается стенками цилиндра и через них передается к охлаждающей жидкости или воздуху;

–часть тепла не выделяется вследствие диссоциации.

Максимальное давление сгорания

где – степень повышения давления в цикле. Принимается в пределах

. При выборе следует учитывать, что большие значения обеспечивают больший кпд двигателя, однако вместе с тем, и большие термические и механические нагрузки на детали двигателя. В практике отечественного двигателестроения не рекомендуется превышение

максимального давления сгорание более: МПа.

Учет перечисленных выше направлений передачи теплоты осуществляется при решении уравнения сгорания

, (1.13)

где – коэффициент использования теплоты на линии сгорания, т.е. до точки 4. Пределы изменения при работе дизеля на полной нагрузке

; – действительный коэффициент молекулярного изменения

– средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме, кДж/(кмоль К). Определяется по таблице приложения 1 в

зависимости от или, приближенно, по уравнению

; (1.15)

– средняя мольная теплоемкость воздуха при постоянном объеме, кДж/(кмоль К). Определяется по таблице приложения 1 в зависимости от

температуры или расчетом:

. (1.16)

Уравнение (1.13) содержит две неизвестные величины: температуру в конце видимого сгорания и теплоемкость продуктов сгорания .

Вследствие этого непосредственно подсчитать значение температуры не

представляется возможным. Поэтому рекомендуется определять графической интерполяцией или методом подбора.

Графический способ определения температуры осуществляется в следующем порядке.

Задаемся последовательно значениями

,

, определяя для каждого случая значение правой части уравнения (1.13). Полученные

результаты и , кДж/кмоль откладываем в масштабе (рис. 3). Вершины отрезков соединяем прямой

линией .

Рис. 3. Вспомогательный график для определения максимальной

температуры сгорания

На следующем этапе рассчитываем значение левой части уравнения (1.13) , кДж/кмоль и определяем равный ей перпендикуляр к оси температур на

вспомогательном графике и соответствующую температуру . Вспомогательный график следует выполнить на листе координатной бумаги и приложить к пояснительной записке.

При выполнении расчетов с применением вычислительной техники, наряду с методом подбора, можно использовать и аналитическое решение уравнения

прямой линии (рис. 3) относительно :

Найденные значения и определяют состояние рабочего тела в точке 4, т.е. , .

Объем в конце сгорания, м3

где – степень предварительного расширения. Определяется решением уравнения изобары 3–4:

1.5. Процесс расширения

Температура в конце расширения, К

где – степень последующего расширения; – средний показатель политропы на участке расширения;

Показатель политропы предварительно принимаем в пределах

с последующим уточнением в ходе решения уравнения процесса расширения.

В соответствие с первым законом термодинамики теплота, подведенная к рабочему телу в процессе расширения, идет на изменение внутренней энергии и совершение работы расширения. Уравнение первого закона термодинамики, записанное для случая политропного расширения газов в цилиндре двигателя получило название уравнения процесса расширения

, (1.22)

где – доля эффективно используемой теплоты к моменту окончания процесса расширения. . При выборе следует учитывать,

что . Причем, если при выборе выбиралось большее в рекомендуемом интервале значение, то также следует поступить и при

выборе , и наоборот. , – соответственно средние мольные теплоемкости продуктов сгорания в интервалах температур от 0оС до и от

0оС до (приложение 1 или уравнение 1.15).

Уравнение (1.22) следует решать методом последовательных приближений:

изменяя значения среднего показателя политропы , рассчитываем температуру , оС с учетом уравнения (1.20). Подставляя