1. Расчетцикла двигателя внутреннего сгоранияКраткое описание процессов, составляющих цикл карбюраторного двигателя
Идеализированныйцикл карбюраторного двигателя представлен циклом Карно. В этом цикле подвод иотвод теплоты реализуется в процессах V=const, а сжатие свежего зарядаи расширение продуктов сгорания – в политропических процессах с отводом теплоты(с постоянными значениями показателей политроп).
Реальныециклы состоят из более сложных процессов с переменным составом рабочего тела иизменяющимися значениями показателей политроп. Реальные процессы отличаются оттеоретических также наличием дополнительных тепловых потерь, насосных потерь,потерь на трение и привод вспомогательных механизмов, что, естественно, вдальнейшем учитывается.Состав топливаВид топлива Средний элементарный состав
Молярная масса паров m1, кг/(кг*моль) C H O Автомобильные бензины 0,855 0,142 - 110–120 Дизельные топлива 0,870 0,126 0,004 180–200 Топлива тихоходных двигателей 0,870 0,125 0,005 220–280 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива
Основныереакции при горении топлива имеют вид:
/> />
Под реакциямиподписаны молярные массы веществ, участвующих в реакциях, а в правых частях вобщем виде записано количество теплоты, выделяющейся в этих реакциях. Наосновании этих записей можно составить формулу для расчета теоретическинеобходимого количества воздуха для сгорания 1 кг топлива. Следует учесть количество кислорода, содержащегося в топливе, и массовую долю кислородав воздухе (0,23):
/>
где M– масса воздуха,необходимая для сгорания 1 кг топлива, кг; C, H, O – массовые долиуглерода, водорода и кислорода в топливе.
Последнююформулу можно записать в виде: /> (1)подставив значения получим />кгДействительное количество воздуха, подаваемое для сгорания 1 кг топлива
Количествовоздуха, подаваемое для сгорания, обычно отличается от теоретическинеобходимого количества и записывается в виде:
/>, (2)
где a – коэффициент избыткавоздуха; в карбюраторных двигателях обычно a=0,8…1,15. Учитывая, чтоу нас a=1,14,получим /> кг.Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива
Если известныосновные химические реакции, протекающие при сгорании топлива, и тепловыеэффекты этих реакций, то легко записать формулу для вычисления суммарногоколичества теплоты, МДж/кг, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива (формула Менделеева):
/>. (3)
При сгораниитоплива часть теплоты уносится с водяными парами и не дает вклада в суммарноеколичество теплоты /> (низшая теплотасгорания топлива). Подставим значения: /> МДж/кг.Расчетпроцесса сжатияПараметрыначальной точки
Вкарбюраторных двигателях параметры начальной точки имеют обычно следующиезначения:
T1=(350…430) K;
p1=(0,9…0,95)*105Па (в тихоходных двигателях);
p1=(0,75…0,85)*105Па (в быстроходных двигателях);
Сравнительновысокие значения температуры в начальной точке связаны с нагревом воздуха вовходных каналах двигателя.Расчетпроцесса сжатия свежего заряда
4.2.1. Молекулярнаямасса свежего заряда определяется по формуле
/>, (4)
здесь mб, mв– массовые доли паровбензина и воздуха; mб, mв-молярные массы паровбензина и воздуха.
Масса свежегозаряда – Mс.з.= 1 кг паров бензина + 16,9 кг воздуха = 17,9 кг. Массовая доля паров бензина mб=/>=0,06, массовая долявоздуха mв=/>=0,94.Подставляем эти значения в (4): /> кг/кг*моль.
4.2.2. Длярасчета теплоемкости свежего заряда, учитывая малое содержание паровбензина в смеси, можно использовать формулу для теплоемкости воздуха (с достаточнойдля инженерной практики точностью).
Среднеезначение молярной теплоемкости для изохорического процесса в интервалетемператур 0-T рассчитывается по формуле /> (5), где />.
Задаемсязначением Т2=625 К. /> ДЖ/кмоль*К, теперь можноопределить величину удельной массовой теплоемкости (6) /> Дж/(кг*К).
Показательадиабаты для процесса сжатия. Газовая постоянная для свежего зарядавычисляется по формуле (7) /> Дж/(кг*К)
Среднеезначение теплоемкости при постоянном давлении (8) />. Дж/(кг*К)
Показательадиабаты для процесса сжатия (9) />=1,378.
Показательполитропы для процесса сжатия. В задании приводится значение (n1-k1)=-D1, поэтомуn1= k1-D1=1,378 – 0,009=1,37.
P1*V1=RT; =>
/>
Теперь можноопределить параметры в конце процесса сжатия: /> м3 /кг, /> Па, /> К. Полученноезначение температуры отличается от изначально принятого на 207К.
Зададимсядругим значением Т2.
Среднеезначение молярной теплоемкости для изохорического процесса в интервалетемператур 0-T рассчитывается по формуле /> (5), где />.
Задаемсязначением Т2=832 К. /> ДЖ/кмоль*К, теперь можноопределить величину удельной массовой теплоемкости (6) /> Дж/(кг*К).
Показательадиабаты для процесса сжатия. Газовая постоянная для свежего зарядавычисляется по формуле (7) /> Дж/(кг*К)
Среднеезначение теплоемкости при постоянном давлении (8) />. Дж/(кг*К)
Показательадиабаты для процесса сжатия (9) />=1,373.
Показательполитропы для процесса сжатия. В задании приводится значение (n1-k1)=-D1, поэтомуn1= k1-D1=1,373 – 0,009=1,364.
P1*V1=RT; =>
/>
Теперь можноопределить параметры в конце процесса сжатия: /> м3 /кг, /> Па, />К. Полученное значениетемпературы отличается от изначально принятого на 8К.
Итерация:Взяли Т2=832, получили 824 после второй подгонки.Расчетпроцесса сгоранияСоставпродуктов сгорания
Из основныхреакций /> и /> следует, что в результатереакций на 1 кг С приходится 44/12=3,67 кг CO2, а на 1 кг Н приходится 36/4=9 кг Н2О.
С учетом этихсоотношений состав продуктов сгорания бензина будет следующий: />кг, /> кг, /> кг, /> кг.
Общая массапродуктов сгорания, кг:
Мп.с.=3,67С+ 9Н + 0,77М0+ (a– 1) М0=3,14+1,305+11,51+1,94=17,89кг
Массовые доливеществ, составляющих продукты реакции горения:
/> />
/> />Молярнаямасса продуктов сгорания
Вычисляетсяпо формуле (12):
/>кг/моль.Средняямольная теплоемкость продуктов сгорания
В интервалетемператур (Т1, Т2) для a/>1 определяется по формуле(14)
/>, где />.
Задаемсязначением Т3 = 2850К />кг/моль. Удельная массоваятеплоемкость вычисляется по формуле
/>ДЖ/(кг*К).Параметры вконце процесса сгорания
Температура вконце сгорания вычисляется по формуле (15) />,где q2,3– количество теплоты выделившейся при сгорании 1 кг свежего заряда. Её можно вычислить по формуле (16) />,где xZ – коэффициент подвода теплоты, его значение – для карбюраторныхдвигателей находится в пределах 0,85–0,95, выбираем 0,9, xa – учитывает меньшеевыделение теплоты – xa=1,4a-0,4, при α/>1
/> К. Полученная температура отличаетсяот первоначально принятой на 5 К, что находится в пределах допустимого.
/>, V3=V2, />.=>/> Па.
Итерация:Взяли Т3=2850, получили 2845,3Расчетпроцесса расширения продуктов сгоранияПоказательадиабаты
Задаемсязначением температуры в конце процесса расширения Т4=1610 К: /> К. Вычисление среднихзначений молярных теплоемкостей (в интервале температур) производится поформулам (13) и (14).
/>; ДЖ/кмоль
/> ДЖ/(кг*К),
/>, ДЖ/(кг*К)
/>.Показательполитропы
/>,Расчетпроцесса выхлопа газа
/> Па, V4=V1,
/>.
Полученноезначение температуры отличается от первоначально принятого на 10, что находитсяв допустимом интервале отклонения.
Итерация:Взяли Т4=1610, получили 1620Энергетическиехарактеристики циклаУравнениетеплового баланса
Длярассмотренного цикла можно записать баланс в виде: q2,3+ q1,2+ q3,4+ q4,1=l3,4+ l1,2, илиq2,3= qи, где qи– энергия, полученная вцикле qи = l3,4+ l1,2– q1,2– q3,4– q4,1; (17)
l1,2– работа сжатия, (18)
/> Дж/кг,
l3,4 – работа расширения, (19)
/>Дж/кг,
q1,2 – теплота, отведенная впроцессе сжатия, (20)
/> Дж,
q3,4 – теплота, отведенная впроцессе расширения, (21)
/> Дж,
q4,1 – теплота, отведенная свыхлопными газами, (22) />;
/>Дж/(кмоль *К),
/>, ДЖ/(кг*К)
/> Дж.
Полезнаяработа />
/> Дж. Проводимсопоставление количества теплоты, выделившейся в процессе сгорания 1 кг свежего заряда q2,3и суммы полезной работы иотведенной теплоты qи в цикле. Эти величины не совпадают, поэтомуподсчитываем относительную величину дисбаланса по формуле (25).
/> Дисбаланс не превышает пяти процентов,поэтому делаем вывод, что подсчет был правильным.
Среднеетеоретическое индикаторное давление вычисляется по формуле (26)
/>V P V2 P2 0,06 4,8405 0,06 16,712 0,12 1,8858 0,12 6,978 0,18 1,0864 0,18 4,1865 0,24 0,7347 0,24 2,9136 0,3 0,5424 0,3 2,1995 0,36 0,4233 0,36 1,7481 0,42 0,3432 0,42 1,4395 0,48 0,2862 0,48 1,2166 0,54 0,2439 0,54 1,0488 0,6 0,2113 0,6 0,9184 0,66 0,1856 0,66 0,8145 0,72 0,1649 0,72 0,7299 0,78 0,1479 0,78 0,6599 0,84 0,1337 0,84 0,601 0,9 0,1217 0,9 0,551 0,96 0,1115 0,96 0,508 1,02 0,1027 1,02 0,4706 1,08 0,095 1,08 0,436
Индикаторнаядиаграмма
/>
Послеопределения параметров в узловых точках цикла и определения индикаторногодавления производим вычисление промежуточных значений параметров вполитропических процессах сжатия и расширения и все процессы наносим на график />.
Среднееиндикаторное давление представляет собой некоторое условное постоянноедавление, при воздействии которого на поршень в течение одного хода совершаетсяработа, равная работе за цикл. Этот параметр характеризует напряженность работыдвигателя.
Действительнаяиндикаторная диаграмма меньше теоретической за счет отличия действительныхпроцессов от теоретических. Уменьшение площади индикаторной диаграммы можноучесть с помощью коэффициента полноты диаграммы V=0,95, а механическиепотери – относительным механическим КПД hм =0,95. Среднееэффективное давление цикла (27) /> МПаТермическийКПД цикла
(28) ® />Геометрическиехарактеристики двигателяРабочийобъем цилиндра
(30) ®/> лОпределениедиаметра цилиндра и рабочего хода поршня
При заданномзначении />.
/> => />
/>
Расчеттеплообменной поверхности радиатора
1. Исходныеданные
МощностьдвигателяРe=60Вт
Температураводы на входе t/>=90С
Температуравоздуха на входе t/>=30
Скоростьобдува />=25 м/с
Высотарадиатора Н=300 мм
Ширина В=50 мм
Размер трубкиb/>a 24/>5
Размещениетрубок двухрядное
Шаг трубок s=15 м/>
Ребрастальные
Толщина 0,2 мм
Теплопроводность53,6 Вт/(м К)
2. Расчетрадиатора
Определениеколичества элементов n:
n = />= /> =30
принимаем 42шт.
Уточняемтепловой поток, отводимы одним элементом Q/>:
/>Вт
Расчеткоэффициента теплоотдачи /> отводы к стенке трубки. Теплофизические свойства воды принимаем при температуревхода 95/>С:
/>кг/м/>; />м/c; />; Р/> =1,95.
Определяемэквивалентный диаметр трубки:
а) площадьсечения трубки f
/>
б)Смачиваемый периметр
/>
в)Эквивалентный диаметр
/>мм
Вычисляемкритерий Рейнольдса для течения воды в трубке, задавшись скоростью />м/c:
/>
Вычисляемкритерий Нуссельта:
/>
Определяемкоэффициент теплоотдачи:
/>/>
Расчеткоэффициента теплоотдачи /> отстенки трубки к воздуху. Теплофизические свойства воздуха принимаем притемпературе 28/>С: />кг/м/>; />м/c; />Вт/(м*К); />.
Вычисляемкритерий Рейнольдса для течения воздуха в межтрубном пространстве, захарактерный размер принимаем ширину радиатора В:
/>
Вычисляемкритерий Нуссельта:
/>
Определяемкоэффициент теплоотдачи:
/>/>
Определениесредней температуры теплоносителей:
Определяеммассовый расход воды />:
/>кг/с
Определяеммассовый расход воздуха/>:
/>кг/с
Определяемсреднюю температуру теплоносителей если теплоемкость воды и воздухасоответственно />Дж/кг*К; /> Дж/кг*К:
/>
/>
Определениекоэффициента эффективности оребрения.
Вычисляемдлину ребра:
/>мм
Определяембезразмерный параметр х:
/>
Находимкоэффициент эффективности оребрения />:
/>=th x / x=th 0,828 / 0,828=0,82
Предварительноеопределение площади оребрения.
Площадьбоковой поверхности трубки />:
/>м/>
Определимсреднюю температуру стенки трубки:
/>
Площадьповерхности оребрения:
/>
Количестворебер />:
/>/>
Расстояниемежду ребрами:
/>
Уточненныйрасчет.
Определяемкритерий Рейнольдса, за эквивалентный диаметр принимаем 2h:
/>
Вычисляем критерийНуссельта:
/>
Уточняемкоэффициент теплоотдачи αв от оребренной стенки к воздуху:
/>
Уточняемтемпературу, для чего определяем живое сечение радиатора S и пересчитываем расходвоздуха Gв:
/>
/>
/>
Уточняемкоэффициент эффективности оребрения:
/>
/>
Определяем свободнуюповерхность трубки между ребрами:
/>
Уточняемплощадь ребер:
/>
Оцениваемпогрешность:
/>
и увеличиваемвысоту трубки пропорционально недостающим процентам:
/>
Определяемдлину радиатора L, полагая двухрядное расположения трубок:
/>
Определяемокончательные габариты радиатора, мм:
/>