Ткаченко С.Й., Чепурний М.М., Співак О.Ю. Лабораторний практикум з дисциплін Теоретичні основи теплотехніки і Технічна термодинаміка і теплопередача
Подождите немного. Документ загружается.
1. Що таке термічний опір стінки?
2. Як поширюється температура в багатошаровій плоскій стінці?
3. Від яких факторів залежить коефіцієнт теплопередачі пористих
матеріалів?
4. Теплопровідність багатошарових плоских стінок.
5. Теплопередача через плоскі стінки?
6. Як в даній лабораторній роботі можна розрахувати втрати теплоти в
навколишнє середовище через стінки установки?
3 ДОСЛІДЖЕННЯ ЦИКЛІВ
ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ
МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
Дослідження термодинамічних циклів теплових машин є однією з
основних задач теплотехніки. Однак виконати докладне дослідження
циклу, визначити його основні характеристики при зміні окремих
параметрів на реальній установці практично неможливо. Тому замість
натурних випробувань на фізичних моделях доцільно провести
дослідження на математичних моделях, які реалізуються за допомогою
ЕОМ і є реальним засобом їх досконалого дослідження, загальна мета
якого полягає не лише у вивченні певного процесу, а також в освоєнні
керівництва ним, цілеспрямованого пошуку оптимального проектного і
експлуатаційного рішення.
43
Роботи виконуються на ЕОМ в діалоговому режимі, після виклику
відповідної програми здійснюється введення даних за запитаннями з
монітора. Початкові дані формуються студентами з участю викладача.
Результати розрахунків аналізуються та графічно інтерпретуються. Звіт по
роботі повинен містити: назву роботи, її мету, рисунки відповідних циклів
з відповідним позначенням параметрів і характерних точок, початкові дані,
результати розрахунків і їх графічну інтерпретацію, висновки по роботі.
Основний зміст робіт – пошук оптимальних варіантів та дослідження
трудомістких і складних процесів в перебігу проектування та експлуатації
ДВЗ.
Загальні відомості і класифікація ДВЗ
Поршневим двигуном внутрішнього згоряння називають теплову
машину, в робочому циліндрі якої проходить спалювання палива і
перетворення теплоти в роботу.
Принципова схема ДВЗ показана на рисунку 10.1. Основним
елементом всіх поршневих двигунів є циліндр 1 з поршнем 2, що
з’єднаний кривошипно-шатунним механізмом з зовнішнім споживачем
роботи. Циліндр або блок циліндрів монтується на верхній частині картера
3, а зверху закритий кришкою в якій встановлені впускний 4 і випускний 5
клапани та електрична свічка запалювання (в карбюраторних і газових
двигунах), або форсунка (в дизельних двигунах) 6.
В картері монтуються колінчастий вал, кривошип 7 якого рухомо
з’єднаний з шатуном 8. Верхня головка шатуна з’єднана з поршнем, який
рухається в циліндрі.
Крім основних деталей двигун має ряд допоміжних механізмів, які
приводяться в рух від колінчастого вала.
44
1
2
3
4
6
5
8
7
Рисунок 10 - Принципова схема поршневого ДВЗ
1 – циліндр;
2 – поршень;
3 – картер;
4 – впускний клапан;
5 – випускний клапан;
6 – свічка або форсунка;
7 – кривошип;
8 - шатун
Крайні положення поршня називають мертвими точками: нижньою:
(НМТ) і верхньою (ВМТ) відповідно. Хід поршня від НМТ до ВМТ
називають тактом. Об’єм, що описує поршень за один хід називають
робочим об’ємом циліндра. Суму робочих об’ємів всіх циліндрів в літрах
називають літражем двигуна. Об’єм циліндра над поршнем що
знаходиться у ВМТ називають об’ємом камери згоряння.
Аналіз робочого циклу в ДВЗ проводять за допомогою індикаторної
діаграми, на якій графічно зображена залежність тиску в циліндрі від
об’єму, зайнятого газом, або положення поршня. В процесі роботи ДВЗ
індикаторна діаграма записується приєднаним до нього спеціальним
приладом – динамометричним індикатором.
ДВЗ класифікують за різними ознаками: тактністю, числом
циліндрів, розміщенням циліндрів тощо, але, з точки зору теплотехніки,
найбільш доцільною є така класифікація:
- двигуни зі спалюванням палива при v=const – такі, що працюють за
циклом Отто;
- двигуни зі спалюванням палива при р=const – такі, що працюють за
циклом Дизеля;
45
- двигуни зі спалюванням палива спочатку при v=const, а потім при
р=const – такі, що працюють за циклом Трінклера.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №10
Дослідження роботи ДВЗ за циклом Отто
Мета: виявити вплив міри стиску та окремих параметрів на
економічність роботи ДВЗ, визначити оптимальні умови його
експлуатації.
Діаграми циклу з ізохорним підведення теплоти показані на рисунку 10.1.
Характеристиками циклу є міра стиску =v
1
/v
2
і міра підвищення
тиску =р
3
/р
2
, хоча термічний ККД циклу від не залежить. В таблиці 10.1
наведені величини термічного ККД циклу Отто в залежності від міри
стиску і показника адіабати робочого тіла k:
Допустима міра стиску в карбюраторних двигунах обмежується
умовами самозаймання паливно-повітряної суміші при стисненні. В
сучасних бензинових двигунах =6-11, в газових =5-10. Для підвищення
міри стиску карбюраторних двигунів в бензин додають присадки, що
підвищують його октанове число.
46
p
3
3
v
1
v
2
1
4
3
2
p
2
q
2
v
p
q
1
T
1
2
4
s
s
4
s
1
T
2
T
1
Рисунок 10.1 - р-v і Т-s – діаграми циклу з ізохорним
підведенням теплоти
Таблиця 10.1
t
при k=1,35 при k=1,4
3 32,0 36,0
4 38,0 43,0
5 42,5 47,5
6 46,5 51,5
7 49,4 55,0
8 51,7 57,0
10 55,2 61,5
Лабораторна робота реалізується за допомогою програми “ОТТО”.
Відповідно з результатами розрахунків для кожного варіанта
будують залежності основних показників (корисної роботи, коефіцієнта
корисної дії, питомої витрати палива) від параметрів, які варіюються,
визначають оптимальні умови експлуатації двигуна з точки зору
найбільшої корисної роботи і найбільшого ККД, роблять висновки по
роботі.
Перелік ідентифікаторів і необхідні позначення наведені
безпосередньо у програмі.
Контрольні запитання
1. Що розуміють під ступенем стиску і ступенем підвищення тиску в
циклах ДВЗ?
2. Від яких основних параметрів залежить ККД циклу Отто?
3. Який вплив має температура вихлопу Т
4
на величину корисної роботи?
4. До якого значення можна підвищувати значення у карбюраторних
двигунах і чому?
5. Як впливає величина на корисну роботу циклу Отто?
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №11
47
Дослідження роботи ДВЗ за циклом Дизеля
Мета: виявити вплив міри стиску та окремих параметрів на
економічність роботи ДВЗ, визначити оптимальні умови його
експлуатації.
Діаграми циклу з ізобарним підвеленням теплоти показані на
рисунку 11.1.
Характеристиками циклу є міра стиску =v
1
/v
2
і міра попереднього
розширення =v
3
/v
2
. В таблиці 11.1 наведені величини термічного ККД
циклу Дизеля в залежності від міри стиску, міри підвищення тиску і
показника адіабати робочого тіла k:
Таблиця 11.1
t
Р
2
, МПа Т
2,
С
при = 1,5 при = 2,5
12 54,0 49,0 25,7 907
14 57,0 52,0 31,8 956
16 59,0 54,0 41,4 1020
18 61,9 56,7 --- ---
20 63,0 56,0 --- ---
Температура Т
2
і тиск р
2
– відповідно температура і тиск в точці 2. Ці
величини показують, яка температура отримується в кінці процесу стиску
1-2 і чому здійснюється самозаймання палива.
48
3
v
1
v
2
1
4
3
2
q
2
v
p
q
1
T
1
2
4
s
s
4
s
1
T
2
T
1
Рисунок 11.1 - р-v і Т-s – діаграми циклу з ізобарним
підведенням теплоти
v
3
v=const
p=const
Лабораторна робота реалізується за допомогою програми “DIESEL”.
Відповідно з результатами розрахунків для кожного варіанта
будують залежності основних показників від змінних параметрів, які
варіюються, визначають оптимальні умови експлуатації двигуна з точки
зору найбільшої корисної роботи і найбільшого ККД, роблять висновки по
роботі.
Перелік ідентифікаторів і необхідні позначення наведені
безпосередньо у програмі.
Контрольні запитання
1. Як впливає на корисну роботу і ККД циклу Дизеля початкова
температура Т
1
?
2. Як впливає на корисну роботу і ККД циклу Дизеля ступінь
попереднього розширення?
3. Як впливає вид палива на економічні показники роботи циклу?
4. Чим відрізняється характер роботи ДВЗ по циклу Дизеля від характеру
роботи в циклі Отто?
5. Які способи подачі палива в циліндри двигуна використовують в
дизельних двигунах?
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №12
Дослідження роботи ДВЗ за циклом Трінклера
Мета: виявити вплив міри стиску та окремих параметрів на
економічність роботи ДВЗ, визначити оптимальні умови його
експлуатації.
Такі двигуни називають ще безкомпресорними дизелями. В них
рідке паливо, стиснене насосом до тиску 30-40 МПа надходить в форсунку,
за допомогою якої воно в дрібнорозпиленому вигляді вводиться в циліндр.
Паливо, потрапляє в середовище, яке попередньо стиснене в циліндрі та
нагріте в процесі стиску до температури, що вища за температуру
49
самозаймання палива, згоряє у міру його надходження в циліндр спочатку
(майже) при v=const , а потім (майже) при р=const.
Діаграми циклу з ізохорним та ізобарним підведенням теплоти
показані на рисунку 12.1.
Характеристиками циклу є міра стиску =v
1
/v
2
, міра підвищення
тиску =р
3
/р
2
і міра попереднього розширення =v
4
/v
3
.
Для цих двигунів звичайно приймають =10-18; =1,2-1,7 і =1,1-1,5.
Подальше підвищення на зростання ККД впливає незначно. Наприклад,
при збільшенні міри стиску від 13 до 20 ККД підвищується на 7%, а
механічні навантаження на деталі зростають в 2 рази.
Лабораторна робота реалізується за допомогою програми “TRINKLER”.
Згідно з результатами розрахунків для кожного варіанта будують
залежності основних показників від змінних параметрів, які варіюються,
визначають оптимальні умови експлуатації двигуна з точки зору
найбільшої корисної роботи і найбільшого ККД, роблять висновки по
роботі. Перелік ідентифікаторів і необхідні позначення наведені
безпосередньо у програмі.
Контрольні запитання
1. Які переваги має цикл Трінклера в порівняння з циклами Отто і Дизеля?
50
3
v
1
v
2
1
5
4
2
q
2
v
p
q
1
”
T
1
2
4
s
Рисунок 12.1 - р-v і Т-s – діаграми циклу з
ізохорним та ізобарним підведенням теплоти
v
4
3
q
1
’
5
2. Які функції виконує передкамера згоряння у ДВЗ Трінклера?
3. Як впливає ступінь стиску на основні показники роботи циклу?
4. Як впливає ступінь попереднього розширення на основні показники
роботи циклу?
5. Як впливає міра підвищення тиску на основні показники роботи циклу?
6. Чим викликане створення ДВЗ зі змішаним згорянням палива?
Література:
1. Беляев Н.М. Термодинамика.-К.: Вища школа. 1987. –246с.
2. Техническая термодинамика //Под ред. В.И. Крутова.-М.: Высшая
школа. 1991.-385с.
3. Теплотехника //Под ред. А.П. Баскакова.-М.: Энергоиздат. 1982.-260с.
4. Ривкин Л.С. Термодинамические свойства воды и водяного пара.-М.:
Энергия. 1973.-224с.
5. Двигатели внутреннего сгорания //Под ред. В.Н. Луканина.- М.: Высшая
школа. 1985.-345с.
Додаток А
Таблиця А.1 - Теплофізичні властивості сухого повітря і води
T, C
Повітря Bода
10
6
,Нс/
м
2
10
6
,м
2
/с Рr , Вт/(мК) 10
6
,м
2
/с Рr
-10 16,7 12,43 0,712 - - -
0 17,2 13,28 0,707 0,551 1,789 13,67
10 17,6 14,16 0,706 0,574 1,306 9,58
20 18,1 15,06 0,703 0,600 1,006 7,02
30 18,6 16,0 0,701 0,617 0,805 5,42
40 19,1 16,96 0,699 0,634 0,659 4,31
50 19,6 17,95 0,698 0,648 0,566 3,54
60 20,1 18,97 0,696 0,659 0,476 2,96
70 20,6 20,02 0,694 0,667 0,415 2,55
80 21,1 21,09 0,692 0,674 0,365 2,21
51
90 21,5 22,1 0,690 0,680 0,326 1,95
100 21,9 23,1 0,688 0,682 0,292 1,75
120 22,8 25,5 0,686 0,685 0,252 1,47
Додаток Б
Таблиця Б.1 - Фізичні властивості деяких матеріалів
Матеріал t, С , кг/м
3
, Вт/(м • К)
Мідь 0-20 8000 384
Алюміній 0-20 2670 204
Азбест волокно 50 770 0,116
Пісок 50 1500 0,326
Слюда 0-20 290 0,58
Додаток В
Таблиця В.1 - Теплофізичні властивості сухого повітря при
нормальному атмосферному тискові за даними [4] (=28,97 кг/кмоль)
t,C , кг/м
3
С
р
,
кДж/(кгК
)
10
6
, м
2
/с k=C
p
/C
v
10
2
, Вт/
(мК)
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
1,453
1,395
1,342
1,293
1,247
1,205
1,165
1,128
1,013
1,009
1,009
1,005
1,005
1,005
1,005
1,005
10,80
11,79
12,43
13,28
14,16
15,06
16,00
16,96
1,403
1,402
1,402
1,401
1,401
1,401
1,401
1,401
2,20
2,28
2,36
2,44
2,51
2,59
2,67
2,76
52