Расчет характеристик цикла теплового двигателя.

 

Дано:

1. Цикл отнесен к 1 кг. воздуха;

2. Изобарная теплоемкость СР = 1,005 кДж/кг•К

3. Изохорная теплоемкость СV = 0,71 кДж/кг•К

4. Газовая постоянная R = 287 Дж/кг К

Определить:

1. Параметры Р, v, T, U, i для узловых точек цикла.

Построить:

2. Цикл в координатах P –V, в координатах Р – v, используя для этого предыдущее построение.Каждая кривая линия должна быть построена, как минимум по трем точкам.

Найти:

3. n, C, ΔU, Δi, ΔS, q, l – для каждого процесса.

4. работу цикла lЦ , термический к. п. д.цикла и среднее индикаторное давление Pi .

 

 

Рисунок 3. Номер варианта.

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
Заданные значения:

 

P1абс= 12 атм = 12•105 Па;

P2абс = 14 атм = 14•105 Па

= 0,08 м3/кг;

t3=1500C. T3=423 К.

 

Рассмотрим процессы, происходящие в цикле теплового двигателя:

1-2 – изохорный процесс.

2-3 – изобарный процесс.

3-4 – изохорный процесс.

4-1 – изобарный процесс.

 

1. Определим параметры p,V,T,U,i для узловых точек цикла:

 

а) Для точки 1 дано: = 0,08 м3/кг; P1=12•105 Па.

кДж/кг;

кДж/кг;

 

б) Для точки 2 дано: P2абс= 14 атм = 14•105 Па, V2=V1=0.08 м3/кг.

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  

кДж/кг;

кДж/кг;

 

в) Для точки 3 дано: P2абс =P3абс= 14 атм = 14•105 Па, T3=423 К.

 

;

м3/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

 

г) Для точки 4 дано: P1абс= P4абс= 12*105 Па, V3=V4=0.086 К.

 

кДж/кг;

кДж/кг;

 

 

Результаты представим в виде таблицы 4.

Таблица 4

 
P, Па
V, м3/кг 0,08 0,08 0,086 0,086
T, К 334,49 390,24 359,58
U, кДж/кг 237,49 277,07 300,33 255,3
i, кДж/кг 336,16 392,19 425,11 361,37

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
2. Построение цикла.

Данные для построения сведены в таблицу 5

Таблица 5

  p, Па V, м3/кг lg p, Па lg V*1000, м3/кг
0,08 6,079 1,9
0,08 6,146 1,9
0,086 6,146 1,93
0,086 6,079 1,93

 

Циклы в координатах P-V и LgP-LgV*1000

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
3. Для каждого процесса находим n, c, ∆U, ∆i, q, ∆S, l, ψ, ε.

 

Обозначения:

n – показатель процесса;

c – теплоемкость процесса;

∆U – удельная внутренняя энергия;

∆i – удельная энтальпия;

q – удельное количество теплоты;

∆S – удельная энтропия;

l – работа изменения объема газа;

а) изохорный процесс 1-2.

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

 

 

б) Изобарный процесс 2-3.

 

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
в) изохорный процесс 3-4.

 

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

 

г) Изобарный процесс 4-1.

 

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

 

 

Результаты представим в таблице 6

Таблица 6

  1-2 2-3 3-4 4-1
, кДж/кг 39,58 23,26 -45,03 -17,81
, кДж/кг 56,03 32,92 -63,74 -25,21
, кДж/кг 0,109 0,081 -0,109 -0,081
, кДж/кг 9,4 -7,2
, кДж/кг 39,58 32,92 -45,02 -25,28

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
Проведем проверку:

Сумма изменений внутренних энергий, энтальпий, энтропий, должны быть равными нулю:

 

;

;

;

 

Суммы количеств теплоты и работ изменения объема газа должны быть равны:

 

кДж/кг;

кДж/кг;

 

Определим работу цикла lЦ, термический КПД и среднее индикаторное давление Pi.

Дж/кг;

;

кг/см2;

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата.

 

 

Теплообменный аппарат (теплооб­менник) — это устройство, предназна­ченное для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя. Чаще всего в теплообменных аппаратах осуществляется пере­дача теплоты от одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного тепло­носителя происходит за счет охлаждения другого.

Теплообменники с двумя теплоноси­телями в зависимости от способа переда­чи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на несколько типов: смесительные, рекупе­ративные, регенеративные и с промежуточным теплоно­сителем.

В рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к друго­му передается через разделяющую их стенку. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводно­стью: меди, стали, латуни, сплавов алю­миния и т. д.

 

Провести конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменника, в котором воздухом при температуре tв =300С охлаждается вода проходящая по трубкам от tI2 = 91 до tII2 = 69 . Объемный расход воды V2 = 2,5 л/с .

Материал трубок – латунь (λ = 106 Вт/(м К) диаметром (dвн/ dн = 15/17).

Коэффициент использования поверхности теплообмена ηF – принять равным 0,8. Коэффициент оребрения – К = 10.

 

Скорость течения воды в трубах теплообменников обычно принимается равной .

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
Определим среднюю температуру воды.

 

;

;

;

 

Теплофизические свойства воды будем брать из справочника при средней температуре воды , а воздуха при температуре .

Теплофизические свойства воды :

Pr = 2,21; λ = 0, 675 Вт/м∙К; ν= 3,65* 10-7,м2/с

cp (91)= 4,208 ; cp (69)=4,187 ; ρ = 971,8

Теплофизические свойства воздуха

Pr = 0,701; λ = 0,02675 Вт/м∙К; ν = 16*10-6,м2/с

Рассчитаем тепловой поток, который выделится при охлаждении воды:

,

где - массовый расход теплоносителя;

- теплоемкость при ;

- теплоемкость при ;

- температура воды начальная и конечная соответственно;

кВт;

 

Рассчитаем средний перепад температур, считается по разности средних температур.

 

;

;

;

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
Рассчитаем суммарное сечение труб для прохода воды.

;

м2;

м2;

 

Рассчитаем площадь внутреннего сечения одной трубы.

 

;

м2;

м2;

 

Рассчитаем число параллельно включенных трубок.

 

;

;

;

Рассчитаем уточнённое значение скорости течения воды в трубках.

;

м2/с;

м2/с;

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
Для расчёта коэффициентов теплоотдачи, температуру стенки примем равной средней между температурами теплоносителей.

 

;

;

;

 

Определим число Рейнольдса для воды, движущейся по трубам.

 

;

;

> 104 ; Режим движения – турбулентный.

 

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи.

 

;

;

 

 

Скорость движения воздуха, обтекающего трубы с водой принимаем равной 20 м/с, за определяющий размер принимаем Х = 0,6 м.

 

 

Найдём число Рейнольдса для воздуха.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
;

;

> 104. Режим движения – турбулентный.

 

Так как воздух омывает не одну, а пучок труб, необходимо выбрать тип расположения труб в теплообменнике: шахматный или коридорный. От расположения труб в значительной степени зависят характер движения жидкости, омывание труб каждого ряда и в целом теплообмен в пучке. При коридорном расположении трубы любого ряда затеняются соответственными трубами предыдущего ряда, что ухудшает омывание в лобовой части, и большая часть трубы находится в слабой вихревой зоне. При шахматном расположении труб этого не происходит, поэтому наиболее целесообразно здесь использовать шахматное расположение труб.

 

Рассчитаем число Нуссельта для шахматного расположения.

;

;

 

Определим коэффициент теплоотдачи.

;

;

;

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
Определяем коэффициент теплопередачи теплообменника.

;

;

Определяем площадь теплообменника.

;

м2;

м2;

Определяем реальную площадь теплообменника по коэффициенту использования поверхности.

;

м2;

м2;

 

 

Определяем длину трубки.

;

м;

м

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
Компоновка.

Расстояние между трубками в ряду должно находиться в пределах 2 – 4 dн. Расстояние между рядами рекомендуется выдерживать порядка 2 – 3 dн.

Длина и высота теплообменного аппарата не должна превышать 0,6 м.

Компонуем теплообменник.

1. Производим перерасчет площади теплообменного аппарата без учета коэффициента оребрения, с целью определения его реальной площади.

;

м2;

м2;

2. Определяем площадь, приходящуюся на оребрение.

;

м2;

м2;

3. Согласно компоновке определяем площадь одной пластины. Примем расстояние между трубками в ряду и рядами 3dн.

а = 3dн*6 + 30 = 3*17*6+30 = 336 мм.

b = 3dн*1+30 = 3*17+30= 81 мм.

;

м2;

м2;

4. Находим число пластин.

;

;

;

Толщина пластины принимается равной 0,5 мм

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
КР 2068029.190603.031 ПЗ  
Список используемой литературы:

1. Баскаков А.П. Теплотехника. – М.: «Энергоатомиздат», 1991. – 224 с.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: «Высшая школа», 1980. – 469 с.

3. Пузанков А.Г. Ремонт автомобиля ГАЗ. – М.: «Транспорт», 1993. – 235 с., ил.

4. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара. – М.: «Энергия», 1975. – 398 с.

5. Роговцев В.Л. Устройство и эксплуатация автотранспортных средств. – М.: «Транспорт», 1991. – 432 с., ил.

6. Ястрежембский А.С. Техническая термодинамика. – М.: «Высшая школа», 1960. – 413 с.