Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет icon

Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет




НазваМіністерство освіти І науки України Сумський державний університет
Сторінка1/12
Дата04.07.2012
Розмір2.2 Mb.
ТипДокументи
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет


Курилов А.Ф.


Теоретичні

основи теплотехніки


Рекомендовано вченою радою інженерного факультету

Сумського державного університету

як навчальний посібник


Суми

Вид-во СумДУ

2006


Курилов А.Ф.


Теоретичні

основи теплотехніки


Навчальний посібник





Навчальне видання


Курилов Анатолій Федорович


Теоретичні

основи теплотехніки

Навчальний посібник


Редактор Н.В. Лисогуб

Комп’ютерне верстання О.В. Казбан


Підп. до друку

Формат 6084/16. Папір офс. Друк офс. Гарнітура Times New Roman

Ум. друк. арк. Обл.-вид.арк.

Тираж 70 прим.

Зам. №


Видавництво СумДУ при Сумському державному університеті

40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2

Свідоцтво про внесення суб’єкта видавничої справи до Державного реєстру

ДК № 2365 від 08.12.2005.

Надруковано у друкарні СумДУ

40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.


ББК 31.31

К-93

УДК 621.4 (075.8)


Рецензенти:

д-р техн. наук, проф. О.Р. Якуба

(Сумський національний аграрний університет);

канд. техн. наук, доцент В.М.Довженко

(Головний науковий співробітник СКБ ТКМ

ВАТ “СМНВО ім. М.В. Фрунзе”)


^ Рекомендовано вченою радою інженерного факультету

(протокол № 9 від 20 квітня 2006 року)


Курилов А.Ф.

К 93 Теоретичні основи теплотехніки: Навчальний посібник/ За редакцією доц. А.Ф. Курилова. – Суми: Вид-во СумДУ, 2006.- 85с.


Посібник написано згідно з програмою курсу ТОТ для спеціальностей напрямку "Інженерна механіка".

Посібник складено з трьох розділів – двигуни внутрішнього згоряння, газотурбінні і реактивні двигуни, в яких наведено тематично підібрані задачі та типові приклади.

Для студентів нетеплоенергетичних спеціальностей інженерних факультетів.


ББК 31.31


А.Ф. Курилов, 2006

Вид-во СумДУ, 2006

ЗМІСТ


С.

Вступ 3

Розділ І Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ)..............................5

    1. Ідеальні цикли ДВЗ...........................................................5

    2. Характеристики реальних ДВЗ........................................8

    3. Приклади............................................................................9

    4. Контрольні задачі.............................................................12

Розділ ІІ Газотурбінні установки (ГТУ)...........................................28

2.1 Ідеальні цикли ГТУ.............................................................28

2.2 Характеристики реальних ГТУ..........................................33

2.3 Приклади..............................................................................36

2.4 Контрольні задачі................................................................40

Розділ ІІІ Реактивні двигуни.............................................................55

3.1 Ідеальні цикли реактивних двигунів.................................55

3.2 Характеристики реальних реактивних двигунів..............61

3.3 Приклади..............................................................................67

3.4 Контрольні задачі................................................................70

Список літератури..............................................................................84


1 ВСТУП

При вивченні основ теплотехніки велике значення має набуття студентами навичок застосування методів термодинаміки до розв’язання практичних задач у галузі теплотехнічного устаткування і виконання простих теплотехнічних розрахунків. Ці навички студенти здобувають на практичних і самостійних заняттях під час розв’язання контрольного завдання з теоретичних основ теплотехніки.

Контрольну роботу рекомендуємо виконувати поступово, після вивчення відповідного розділу теоретичного курсу (1, 2, 3) та ознайомлення з розв’язанням аналогічних задач в навчальній літературі (4, 5, 6). В контрольних задачах робочим тілом слід вважати ідеальний газ зі сталою теплоємністю, який підлягає рівнянню Клапейрона Р?=RT (для 1 кг) або RV=mRT (для m, кг),

де R – питома газова стала, R=8,314/ (кДж/кг·К);

 - мольна маса даного газу, кг/кмоль.

Для масових теплоємностей Ср і Сv ідеальних газів при Срv=k на підставі рівняння Майєра Срv= R справедливі такі відношення:

Сv=R /(k-1) i Ср= Rk/(k-1),

причому Ср і Сv, за наближеними даними молекулярно-кінетичної теорії, не залежать від тиску і температури.

Калоричні властивості ідеальних газів характеризуються такими співвідношеннями:

di=CpdT, i=i2–i1=CpT, du=СvdT, u=u2-u1vT,
dS = CpdT/T-Rdp/p; S=S2-S1= Cpln T2/T1-Rln P2/P1,

або зміна питомої ентропії дорівнює

S=q/Tm,

де Tm - середньотермодинамічна абсолютна температура тіла в даному квазістатичному процесі, Tm=(Т21)/ ln T2/T1.

Втрати ексергії внаслідок необоротності процесів (Sс0) визначаються за рівнянням Гюі-Стодоли

П=ТоSс,

де То – температура довкілля;

S – зміна ентропії ізольованої системи,

3

Sс - ,

або з основного рівняння технічної термодинаміки

П=(ех1-ех2)+еxq-lп ,

де ех=(і-іо)-То(S-So ) - питома ексергія маси робочого тіла;

еxq=q [1-To/Tдж] - ексергія потоку тепла;

lп= lтех+k=l- - питома робота переміщення ;

lтех-технічна робота потоку;

k – зміна кінетичної енергії потоку, ;

l – термодинамічна (деформаційна) робота;

 - зміна потенціальної енергії тиску, =р22 – p11;

Tджm – середня абсолютна температура джерела.

Необхідні теплофізичні характеристики окремих газів і деяких матеріалів наведені в таблицях додатків.

Контрольні завдання складені за 300-варіантною системою – кожна з тридцяти задач має десятиваріантні числові дані, які вибираються залежно від останньої цифри залікової книжки студента, а номер задачі – за порядковим номером списку групи.

Умови завдання переписуються повністю, потім у скороченому вигляді числові дані з переліком невідомих, які треба визначити. Розв’язання задачі слід супроводжувати короткими поясненнями, щоб було зрозуміло, яку величину визначають і з якого рівняння. Треба також називати одиниці вимірювання величин, які отримані в результаті підрахування, і ті, що задані за умовами завдання. Контрольна робота оформляється на аркушах формату А4, на титульному аркуші зазначаються назва предмета, варіант завдання, прізвище та ім’я студента. В кінці роботи студент наводить список використаної літератури та ставить свій підпис. Оформлена належним чином робота здається на перевірку викладачеві не пізніше ніж за два тижні до початку сесії. Після виправлення помилок і зауважень, зазначених викладачем, студент захищає свою роботу під час консультацій та індивідуальних занять.


4

^ РОЗДІЛ 1 ДВИГУНИ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ (ДВЗ)


    1. Ідеальні цикли ДВЗ

Двигунами внутрішнього згоряння називають теплові двигуни, в яких процеси згоряння палива відбуваються безпосередньо всередині робочого циліндра двигуна, а робочим тілом є газоподібні продукти згоряння палива. Робота двигуна з вихлопом в довкілля умовно описується ізохорним відведенням тепла, а залежно від способу підведення тепла виділяють три групи зразкових циклів ДВЗ:

1) цикл з підведенням тепла при сталому об’ємі =const (цикл Отто);

2) цикл з підведенням тепла при сталому тиску р=const (цикл Дизеля);

3) цикл з мішаним підведенням тепла (частково при =const і частково при р=const) – цикл Сабате.




Рисунок 1.1

Цикл з підведенням тепла при сталому об’ємі (рис. 1.1) складається з двох адіабат (процеси стиснення 1-2 і розширення
3-4 робочого тіла) та двох ізохор (підведення 2-3 та відведення 4-1 тепла). Він характеризується такими основними параметрами: - ступінь стиснення і - ступінь підвищення тиску.

Кількість підведеного в циклі тепла

.

5

Кількість відведеного тепла

.

Корисна робота циклу

.

Термічний коефіцієнт корисної дії циклу визначається за загальними співвідношеннями

.

Середній індикаторний тиск визначається за формулою

.


Цикл з ізобарним підведенням тепла (рис. 1.2) складається з двох адіабат (процеси стиснення 1-2 і розширення 3-4), ізобари 2-3 - підведення тепла q1p та ізохори 4-1 - відведення тепла q1v.




Рисунок 1.2


Цикл має такі характеристичні параметри: - ступінь стиснення і - ступінь попереднього розширення.

Кількість підведеного тепла в циклі

,

кількість відведеного тепла в циклі

.

6

Корисна робота циклу

.

Термічний коефіцієнт корисної дії циклу



середній індикаторний тиск



Цикл з мішаним підведенням тепла (рис. 1.3) складається з двох адіабат (процеси стиснення 1-2 та розширення 4-5), ізохори 2-3 підведення тепла . Цей цикл має такі основні характеристики:

ступінь стиснення , ступінь підвищення тиску внаслідок ізохорного підведення тепла і ступінь попереднього розширення при ізобарному підведенні тепла .




Рисунок 1.3

Кількість підведеного тепла



кількість відведеного тепла



корисна робота циклу

,

7

термічний ККД



середній індикаторний тиск

.

Рівняння енергобалансу ідеального ДВЗ

,


де витрата робочого тіла, кг/с;

- витрата палива, кг/с;

- теплота згоряння палива, кДж/кг.

Питомі витрати тепла і палива

,

.

1.2 Характеристики реальних ДВЗ


Індикаторна потужність, кВт, багатоциліндрового двигуна внутрішнього згоряння



де - робочий об’єм циліндра, м3;

D – діаметр циліндра, м; S – хід поршня, м;

- середній індикаторний тиск в дійсному циклі, кПа;

- відносний індикаторний (внутрішній) ККД;

n – число обертів колінчастого вала, об/с;

z – число циліндрів;

 - тактність робочого процесу двигуна (для чотиритактного
=2, двотактного =1).


8

Ефективна потужність ДВЗ, кВт:



де м – механічний ККД двигуна;

- середній ефективний тиск, кПа.

Коефіцієнти потужності ДВЗ:

індикаторний ;

ефективний ;

відносний внутрішній ККД ;

механічний ККД

Основні розміри ДВЗ:

діаметр циліндра двигуна, м:



де вибирається з умови, щоб середня швидкість пересування поршня для стаціонарних двигунів становила 5-6 м/с і для транспортних 8-12 м/с; хід поршня м; - кутова швидкість вала, рад/с.

Питомі витрати тепла (qe) і палива (ве) такі:

,

.


1.3 Приклади

1 Визначити термічні параметри в характерних точках, термічний коефіцієнт корисної дії, кількість підведеного і відведеного тепла і корисну роботу для ідеального циклу ДВЗ з ізохорним підведенням тепла, якщо відомо, що р1=92 кПа; t1=35oC; =7,8; =2,5. Робоче тіло має властивості повітря, k=1,4, ср=const.

Дано: р1=92 кПа, t1=35oC; =7,8; =2,5; k=1,4. t, q1, q2, lц - ?

Розв’язання:

Визначимо параметри характерних точок циклу, користуючись рівнянням Клапейрона і рівняннями процесів циклу.

9

Точка 1: м3/кг

.

Точка 2:



Точка 3:

м3/кг.

Точка4: ;



Кількість відведеного тепла при ,

.

Кількість відведеного тепла

.

Питома робота циклу =756-333=423 кДж/кг.

Термічний ККД циклу

,

або


2 Визначити ефективну потужність і питому витрату палива для карбюраторного двигуна, ідеальний цикл якого розрахований в прикладі 1, якщо ві=72%, м=86%, і двигун витрачає 8,3 г/с палива з теплотою згоряння =42,7 МДж/кг. Визначити також діаметр циліндрів і хід поршня чотиритактного ДВЗ з числом циліндрів z=4 при кутовій швидкості вала.

Дано: ві=72%; м=86%; =8,3·10-3 кг/с; =42,7 МДж/кг; z=4; =280 рад/с. Ne; D; S; ве - ?


10

Розв’язання:

Середній індикаторний тиск ідеального циклу з ізохорним підведенням тепла

.

Теоретична потужність двигуна

.

Індикаторна потужність двигуна

.

Ефективна потужність

.

Середній індикаторний тиск в дійсному циклі



Робочий об’єм циліндра ДВЗ з рівняння індикаторної потужності



де

м3.

Діаметр циліндра з формули де попередньо беремо таким, що дорівнює тоді

м.

Хід поршня м.

Середня швидкість руху поршня м/с, що більш ніж рекомендовано, тому беремо інше значення м, м/с, що для сучасних транспортних двигунів цілком прийнятно.

11

Питома витрата палива

кг/(кВт·год).


    1. ^ Контрольні задачі


Задача 1

ДВЗ працює за циклом з підведенням теплоти у процесі V=const. Початковий стан робочого тіла р1 і t1, ступінь стиску , при згоранні палива виділяється енергія q1. Визначити параметри в перехідних точках, термічний ККД і корисну роботу для ідеального циклу двигуна, якщо робоче тіло має властивості повітря (R=287 Дж/(кгК), k=1,4). Теплоємність вважати сталою (с=const).

Визначити також основні розміри (S і D) двигуна потужністю Ne, питому і годинну витрати палива з теплотою згоряння 44,1 МДж/кг, якщо відомі відносний коефіцієнт потужності ві , механічний ККД м , число обертів двигуна n, відношення S/D, число циліндрів z, тактність .

Визначити швидкість витікання вихлопних газів і вихідний переріз клапанів або продувочного вікна, а також втрату ексергії в цьому процесі, коли швидкісний коефіцієнт каналу має значення  .

Визначити поверхню теплообміну повітряного радіатора охолодження, якщо коефіцієнт тепловіддачі від рідини до стінки 1, від стінки до повітря 2, стінка радіатора із алюмінієвого сплаву Al+Mg завтовшки =1,5мм з коефіцієнтом оребріння F2/F1. В систему охолодження передається відносна кількість теплоти qох /q1, причому середня температура рідини дорівнює , середня температура повітря - . Підрахувати також питомий потік через гладеньку стінку радіатора.

Числові дані взяти з табл.1.

Розглянутий цикл зобразити на р, V - і T, s –діаграмах.


12

Таблиця 1

Пара-метр

Варіант (остання цифра залікової книжки)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

p1, кПа

95

90

85

80

75

72

78

82

88

92

t1, оС

80

75

71

66

62

55

47

70

79

90



8,1

9,2

6,5

7,5

8,5

9,1

7,8

7,2

6,8

8,8

q1, кДж/кг

980

920

880

1000

720

750

960

900

840

730

ві ,%

72

74

76

78

75

70

80

76

73

77

м ,%

80

82

80

85

79

78

80

83

80

84

S/D

1,21

1,12

1,05

1,16

1,20

1,32

1,03

1,08

1,29

1,02

n, об/хв

3200

3400

3620

3940

3750

3160

4080

3810

3380

4140

Ne, кВт

70

220

180

240

160

80

120

150

95

140

z

4

8

6

8

6

4

4

6

4

6



4

2

4

2

4

2

4

2

4

2

1 Вт/(м2К)

2120

2430

2310

2080

240

2020

2510

2480

2610

2390

2 Вт/(м2К)

91

82

76

103

87

95

110

86

73

97

, оС

86

90

82

80

91

85

78

87

92

95

, оС

28

32

45

37

30

48

21

35

40

33

F2/F1

3,5

4,2

3,8

6,0

4,9

5,2

3,7

5,3

7,0

6,2



0,82

0,86

0,90

0,89

0,80

0,88

0,91

0,83

0,92

0,84

qох /q1,%

25

32

27

30

26

29

30

23

28

24


Задача 2

Для ідеального циклу ДВЗ з ізобарним підведенням тепла визначити термічний ККД і корисну роботу, а також параметри в перехідних точках циклу, коли відомі початковий тиск р1 і температура t1 , ступінь стиску , кількість підведеного тепла q1, а робоче тіло має властивості повітря (R=287 Дж/(кгК), k=1,4).


13

Визначити теоретичну потужність і витрату палива для двигуна, якщо витрата робочого тіла у двигуні становить кг/с, а теплота згоряння палива 42,1 МДж/кг.

Визначити ефективну потужність, середній індикаторний тиск і питому витрату палива на одиницю ефективної роботи, а також основні розміри ДВЗ, якщо відомі відносний коефіцієнт потужності ві і механічний ККД двигуна м при середній швидкості руху поршня , відношенні ^ S/D і числі циліндрів z, тактність двигуна .

Визначити швидкість витікання вихлопних газів і вихідний переріз клапанів або продувочного вікна, а також втрату ексергії в цьому процесі, коли швидкісний коефіцієнт каналу має значення .

Визначити поверхню теплообміну повітряного радіатора охолодження, якщо коефіцієнт тепловіддачі від рідини до стінки 1, від стінки до повітря 2, стінка радіатора із нержавіючої сталі завтовшки =1,0мм з коефіцієнтом оребріння F2/F1. В систему охолодження передається відносна кількість теплоти qох /q1, причому середня температура рідини дорівнює , середня температура повітря - . Підрахувати також питомий потік через гладеньку стінку радіатора.

Числові дані взяти з табл.2. Розглянутий цикл зобразити на р, V- і T, s –діаграмах.

Таблиця 2

^ Пара-

метр

Варіант (остання цифра залікової книжки)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

p1, кПа

75

82

90

85

70

65

60

72

80

78

t1, оС

70

65

50

55

62

75

72

80

85

82



14,0

13,5

12,8

13,2

13,8

14,5

15,0

15,2

15,5

16,0

q1, кДж/кг

850

900

820

750

720

840

920

950

940

980



102кг/с

32,5

35,2

20,3

12,5

18,6

24,3

27,5

21,8

30,4

40,1

14

Продовження табл. 2

1

2




0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

ві ,%

78

76

74

72

75

79

78

77

80

80

м ,%

80

82

78

75

77

81

82

80

83

85

, м/с

5,0

4,5

4,7

5,2

5,0

4,2

4,1

4,8

4,3

4,0

S/D

1,20

1,30

1,15

1,22

1,30

1,40

1,35

1,42

1,38

1,40

z

8

8

4

4

6

6

8

6

8

8



4

4

2

2

4

4

4

2

4

4

1 Вт/(м2К)

2120

2300

2450

2080

2210

2170

2310

2190

2340

2050

2 Вт/(м2К)

92

70

84

95

73

89

102

75

86

97

, оС

86

92

97

81

87

91

79

85

93

88

, оС

29

41

35

21

32

38

43

31

39

20

F2/F1

4,2

6,0

3,5

4,9

5,2

6,5

3,8

4,3

5,1

5,5



0,85

0,91

0,87

0,92

0,89

0,86

0,92

0,93

0,82

0,88

qох /q1,%

23

31

24

28

33

25

28

23

26

32
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Схожі:

Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconКонспект лекцій Суми Сумський державний університет 2012 Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Сумський державний університет
Внутрішній економічний механізм підприємства: конспект лекцій / укладач Н. В. Мішеніна.– Суми : Сумський державний університет, 2012....
Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconСумський державний університет Бібліотека. Інформаційно-бібліографічний відділ
Україна. Міністерство освіти І науки. Про запровадження у вищих навчальних закладах України Європейської кредитно-трансферної системи:...
Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconМіністерство освіти І науки України Сумський державний педагогічний університет ім. А. С. Макаренка Сумський національний аграрний університет Сумська обласна державна адміністрація Управління освіти І науки ват сумихімпром інформаційний лист
Сумського державного педагогічного університету ім. А. С. Макаренка відбудеться регіональна наукова конференція молодих дослідників...
Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconМіністерство освіти І науки україни міністерство охорони здоров’я україни сумський державний університет медичний інститут факультет післядипломної медичної освіти
Етіопатогенез виразкової хвороби шлунка та дванадцятипалої кишки
Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconМіністерство освіти І науки україни міністерство охорони здоров’я україни сумський державний університет медичний інститут факультет післядипломної медичної освіти
Механічне подразнення назостравохідним зондом і трахеостомічною трубкою
Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconМіністерство освіти І науки україни
Згідно з наказом Міністерства освіти І науки України Сумський державний університет запрошує взяти участь у II етапі Всеукраїнської...
Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни сумський державний університет

Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни сумський державний університет

Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни сумський державний університет

Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни сумський державний університет

Міністерство освіти І науки України Сумський державний університет iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни сумський державний університет

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи