Определение параметров характерных точек цикла

ТРАНСПОРТНАЯ

ЭНЕРГЕТИКА (ТЕПЛОТЕХНИКА)

Методические указания по выполнению контрольной работы

для студентов специальностей 190702 и 190601

дневной и заочной форм обучения

Тамбов

Издательство ТГТУ 2006

УДК 621.1.016

ББК з311я73-5

Л992

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

Рецензент

Кандидат технических наук, доцент ТГТУ

В. М. Мелисаров

Составитель

В. И. Ляшков

Л992 Транспортная энергетика (теплотехника): метод. указания / сост. В.И. Ляшков. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. - 32 с. -200 экз.

Методические указания составлены в соответствии с программой и учебным планом дисциплины «Транспортная энергетика» и «Теплотехника» и содержат контрольные задания по термодинамическому анализу наиболее характерных тепловых циклов и тепловому расчету теплообменных аппаратов. Приведены примеры расчета и оформления задач и рекомендуемая литература.

Предназначены для студентов специальностей 190702 и 190601 дневной и заочной форм обучения.

УДК 621.1.016

ББК з311я73-5

ВВЕДЕНИЕ

Для стабилизации и укрепления положительных тенденций в развитии экономики нашей страны необходимо направлять все усилия государства и общества на обновление средств и методов производства, использование высокопроизводительных энерго- и ресурсосберегающих технологий и оборудования, способных обеспечить выпуск конкурентоспособной на мировом рынке продукции. Как и прежде, решение перечисленных основных проблем во многом зависит от эффективной работы транспорта, где основными источниками энергии являются тепловые двигатели. В них теплота сжигаемого топлива трансформируется в механическую работу.

Широкое распространение на транспорте и транспортных предприятиях нашли различные холодильные системы и газотурбинные установки для дожигания вредных отходов, а также многое другое теплотехническое оборудование, энергетическая эффективность и степень совершенства которого определяются тем, насколько широко и правильно были проведены различные тепловые расчеты еще на этапе проектирования и доводки такого оборудования, его основных частей и агрегатов.

Методики теплоэнергетических расчетов разрабатываются в рамках двух отдельных наук: термодинамики, изучающей законы трансформации различных видов энергии друг в друга, и теплопередачи, вооружающей нас инженерными методиками расчета различных процессов теплообмена. Подходы, излагаемые в теории теплообмена, позволяют рассчитывать температурные поля и такие важнейшие характеристики процессов теплообмена, как передаваемый тепловой поток, плотность теплового потока, температурные градиенты, температурные напоры и др.

Поэтому твердое знание основ термодинамики и теории теплообмена, умение применить эти знания для решения практических задач является совершенно необходимым для всех инженерно-технических работников, связанных с проектированием, эксплуатацией, ремонтом и автоматизацией современных транспортных коммуникаций, транспортных предприятий и транспортных машин

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Контрольная работа выполняется студентами с целью закрепления и углубления учебного материала. Выполнение работы прививает определенные навыки практического применения основных методик термодинамического анализа для расчетов термодинамических процессов, расширяет знания об идеализированных циклах реальных машин, позволяет на конкретных примерах усвоить методику энергетического анализа и расчета важнейших процессов и циклов. Работа прививает навыки практического применения основных методик анализа температурных полей и тепловых потоков при теплопроводности. Она знакомит студента с использованием различных критериальных уравнений для расчетов интенсивности теплоотдачи, позволяет на конкретном примере освоить методику теплового расчета самых распространенных теплотехнических устройств - рекуперативных теплообменников. Работа включает решение двух 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 а и b указывают номер раздела, а стоящие рядом цифры - номера задач в этом разделе. Последние две цифры - это номер варианта каждой из задач. Например, шифр а3 b2-З2 означает, что студенту надлежит решить задачу 3 из раздела а и задачу 2 из раздела b и для обеих задач принимать вариант 32.

Чтобы успешно подготовиться и выполнить контрольную работу необходимо:

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

2. По конспекту лекций изучить теоретический материал по соответствующим темам, обращая особое внимание на методики практических расчетов. Подобрать по списку рекомендованной литературы [1 - 6] и получить в библиотеке университета один из учебников или учебное пособие «Теоретические основы теплотехники», подробно ознакомиться с описанием цикла или процесса, предложенного для анализа.

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. Оформить отчет по работе в соответствии с требованиями стандарта ТГТУ [7], ориентируясь при этом на приведенные в настоящей методической разработке примеры.

Если в 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 алгоритмы, модули и процедуры из [5].

Приведем краткий перечень основных требований к оформлению отчета о работе, вытекающих из [7]:

1. Отчет должен начинаться титульным листом, вторая страница -«Содержание», а завершаться списком использованной литературы.

2. Отчет должен быть написан черными, синими или фиолетовыми чернилами или пастой аккуратным, разборчивым почерком (или напечатан) на листах формата А4 (210 х 297). Допускаются написание текста с обеих сторон листа и небольшие отклонения от стандартных размеров листа. Как исключение, можно оформлять отчет в ученической тетради.

3. Графический материал (эскизы, диаграммы, графики) можно рисовать мягким карандашом на небольших листках миллиметровой или клетчатой бумаги, наклеивая их на страницы отчета. Каждый рисунок должен быть пронумерован и сопровождаться развернутой подписью.

4. Все расчеты оформляются в развернутом виде: сначала записывается формула, далее знак равенства и численные значения всех входящих в формулу параметров в той же последовательности, как они стоят в формуле, далее знак равенства, результат вычислений и его размерность, если это размерная величина.

5. Все расчеты проводятся в международной системе измерения физических величин (система СИ). Справочные данные из устаревших учебников или справочников выписываются так, как они приведены в первоисточнике и сразу же переводятся в систему СИ.

6. Расчетные формулы должны сопровождаться лаконичными пояснениями, включающими и полную расшифровку всех принятых условных обозначений.

7. Все справочные величины и отдельные важнейшие теоретические положения должны сопровождаться ссылками на использованные литературные источники. Такие ссылки оформляются по стандарту так:

[1, с. 233, табл. 6] или [3, с. 37, формула (18)].

ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Раздел а (термодинамические расчеты газовых циклов)

Задача а1. Цикл поршневого ДВС задан параметрами: давление в конце процесса всасывания р₁ - _____ МПа, температура в конце процесса всасывания Т₁= К, степень сжатия ε = _______, степень увеличения давления λ = , степень предварительного расширения ρ =_ , показатель политропы сжатия n₁ = ________, показатель политропы расширения п₂ =_______ . Определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исходные данные принять по табл. 1. В качестве рабочего тела принимать сухой воздух.

1. Исходные данные к задаче а1

Первая цифра номера варианта р₁, МПа Т₁, К e l Вторая цифра номера варианта r n₁ n₂

0,14 18,0 1,30 1,41 1,36 1,27

0,12 9,3 1,33 1,51 1,39 1,25

0,10 22,0 1,41 1,48 1,34 1,28

0,09 16,0 1,35 1,39 1,31 1,24

0,08 20,0 1,49 1,27 1,35 1,29

0,08 17,5 1,38 1,38 1,33 1,26

0,09 14,8 1,27 1,27 1,31 1,23

Задача а2.Для цикла проточной газотурбинной установки, заданного параметрами: давление воздуха на входе в установку р₁ = ________МПа, температура воздуха на входе в установку Т₁= ______К, степень повышения давления в компрессоре b= ______, степень предварительного расширения продуктов сгорания r = ______, показатель политропы сжатия n₁= ______, показатель политропы расширения п₂ = ______, определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исходные данные для расчетов принять по табл. 2. В качестве рабочего тела принимать сухой воздух.

2. Исходные данные к задаче а2

Первая цифра номера варианта р₁, МПа Т₁, К b Вторая цифра номера варианта r n₁ n₂

0,08 3,80 2,56 1,38 1,24

0,09 4,18 2,42 1,36 1,29

0,10 4,54 3,05 1,32 1,27

0,11 4,96 2,86 1,37 1,25

0,12 3,75 2,74 1,36 1,26

0,09 5,67 3,12 1,29 1,28

0,08 5,42 2,74 1,31 1,29

Задача аЗ.Для цикла холодильной газовой машины, заданного параметрами: давление воздуха на входе в компрессор р₁= ______МПа, температура воздуха на входе в компрессор Т₁= _______К, температура воздуха на выходе их охладителя Т₃ = _____ К, степень повышения давления в компрессоре b= ______, степень расширения в детандере r= _____ , показатель политропы сжатия в компрессоре n₁= _____, определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исходные данные для расчетов принять по табл. 3

3. Исходные данные к задаче а3.

Первая цифра номера варианта р₁, МПа Т₁, К Т₃, К Вторая цифра номера варианта b r n₁

0,12 5,81 5,36 1,12

0,11 6,10 4,39 1,25

0,10 5,48 4,34 1,18

0,09 5,39 3,31 1,21

0,08 6,27 4,05 1,29

0,11 4,78 3,85 1,35

0,12 5,05 4,10 1,23

Задача а4.Для цикла идеального многоступенчатого центробежного компрессора, служащего для сжатия ________ и заданного параметрами: давление газа на входе в компрессор р₁= ______ МПа, температура газа на входе в компрессор Т₁= ______К, температура газа на выходе из каждой ступени компрессора Т₃_i= ______К, давление газа на выходе из компрессора р_z=__________ МПа, показатель политропы сжатия n= _______, определить число ступеней давления Z, параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исходные данные для расчетов принять по табл. 4.

4. Исходные данные к задаче a4

Первая цифра номера варианта Название газа р₁, МПа Т₁, К Т₃_i, К Вторая цифра номера варианта Р_z, МПа n

воздух 0,13 6,0 1,05

азот 0,09 4,5 1,15

кислород 0,11 3,6 1,12

водород 0,08 2,9 1,09

аргон 0,12 5,1 1,21

воздух 0,09 4,6 1,22

азот 0,98 5,1 1,24

Раздел b (расчет теплообменных аппаратов)

Задача b1. Определить поверхность теплообмена, необходимую для охлаждения антифриза в автомобильном радиаторе от температуры t₁₁= ___ °С до температуры t₁₂= _____ °С, если известно, что расход его М= ___ кг/с, коэффициент теплоотдачи от воды к стенкам трубок α₁ = _______ Вт/(м²·К), а коэффициент теплоотдачи от стенок трубок к воде α₂ = _______ Вт/(м²·К). Теплоемкость антифриза принять с_р = 3,85 кДж/(кг · К), температура охлаждающего воздуха на входе в аппарат t₂₁= _____ °С, температура охлаждающего воздуха на выходе из аппарата t₂₂= _____ °С, трубки латунные толщиной δ = 2мм, коэффициент теплопроводности латуни λ = 290 Вт/(м²·К). Схема движения теплоносителей - перекрестный ток. Исходные данные выбрать из табл. 5.

5. Исходные данные к задаче b1.

Первая цифра номера варианта t₁₁, °С t₁₂, °С М, кг/с Вторая цифра номера варианта t₂₁, °С t₂₂, °С α₁, Вт/(м²·К) α₂, Вт/(м²·К)

0,05

0,06

0,06

0,07

0,07

0,08

0,08

Задача b2. Определить поверхность теплообмена кожухотрубчато-го конденсатора, предназначенного для конденсации сухого насыщенного водяного пара при давлении р₁= ____ МПа в количестве М₁= ___ кг/ч. Охлаждение осуществляется водой, протекающей внутри латунных трубок с размерами _______ мм. Средняя скорость воды в трубках w₂ = _______м/с. Начальная температура воды t₂₁ = ________ °С. Трубки в количестве Z = _____ штук размещены в цилиндрическом корпусе и расположены по сторонам и вершинам правильных шестиугольников. Положение аппарата горизонтальное. Исходные данные выбрать из табл. 6.

6. Исходные данные к задаче b2.

Первая цифра номера варианта р₁, МПа М₁, кг/час Размер трубок Вторая цифра номера варианта w₂,м/с. t₂₁, °С Z, штук

0,11 24 х 2 1,4

0,085 22 х 2 2,1

0,016 19 х 1 1,6

0,045 19 х 1 1,2

0,109 22 х 1 0,6

0,025 19 х 1 1,4

0,064 24 х 1 0,7

Задача b3.Определить поверхность теплообмена, необходимую для непрерывного нагревания ____________ в количестве М₂= 800 кг/ч от температуры t₂₁ = _____°С до температуры t₂₂ = _____°С. Теплообменник представляет собою расположенный в круглой обечайке змеевик диаметром D = _____ мм из стальной трубы ________________. Нагревание осуществляется сетевой водой с начальной температурой t₁₁ = 95 °С, которая охлаждается до t₁₂ = ______ °С. При расчетах скоростью вынужденного движения воды в обечайке пренебрегать и считать, что теплообмен там происходит в результате свободной конвекции.

7. Исходные данные к задаче b3

Первая цифра номера варианта Нагреваемая жидкость t₂₂, °С t₂₂, °С D, мм Вторая цифра номера варианта Размеры трубы, мм t₂₂, °С

Мазут 38 х 2

Дизтопливо 38 х 1

Вода 57 х 3

Мазут 95 х 3

Вода 57 х 2

Мазут 38 х 2

Вода 38 х 1

Задача b4. По горизонтальному стальному трубопроводу с размерами _________ мм, подвешенному в воздухе, течет вода со средней скоростью w₁ = _______м/с при температуре на входе t₁₁ = ____ °С. На выходе из трубы температура воды t₁₂ = ______ °С. Температура окружающего воздуха t₂₁ = t₂₂ = _____°С, средняя скорость ветра w_вет= _______м/с. Определить длину трубопровода, на которой происходит указанное падение температуры, учитывая, что трубопровод покрыт слоем теплоизоляции из шлаковаты толщиной δ = ______мм.

8. Исходные данные к задаче b4

Первая цифра номера варианта Размеры трубы, мм w₁, м/с t₁₁, °С t₁₂, °С Вторая цифра номера варианта t₂₁, °С w_вет, м/с. δ, мм.

89 х 3,5 0,35

159 х 4,5 0,40

133 х 6 0,65

219 х 4 0,38 -10

426 х 9 0,42 -15

133 х 4 0,28

108 х 3 0,32

Далее приводится пример выполнения контрольной работы, который рекомендуется использовать при самостоятельном выполнении задания. В примере принята собственная последовательная нумерация формул, таблиц и рисунков, но сохранена сквозная (для всего печатного издания) нумерация страниц.

ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ al-24[*]

Содержание задачи.

Цикл поршневого ДВС задан параметрами: давление в конце процесса всасывания р₁ = 0,14 МПа, температура в конце процесса всасывания Т₁ = 300 К, степень сжатия ε = 18, степень увеличения давления λ = 1,4, степень предварительного расширения ρ = 1,3, показатель политропы сжатия п₁= 1,32, показатель политропы расширения п₂ = 1,25. Определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. В качестве рабочего тела принимать сухой воздух.

Краткое описание цикла.

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

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 2-3). 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 (точка 5) и во время хода выталкивания продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Поскольку суммарная работа процессов всасывания и выталкивания практически равна нулю, идеализируя картину, их заменяют одним изохорным процессом отвода тепла (процесс 5 - 1).