Контрольная по теплотехнике вариант 95. Теплотехника Вариант 95. Решение Газовая постоянная смеси (1)
 Скачать 312.5 Kb.
|
|
Задача 1 Смесь, состоящая из  и  , задана массовыми долями ( и  ). Имея начальные параметры – давление  и температуру  , смесь расширяется при постоянном давлении до объема  .Определить газовую постоянную смеси, ее начальный объем  , параметры смеси в состоянии 2, изменение внутренней энергии, энтальпии, энтропии, теплоту и работу расширения в процессе 1-2, если масса смеси  .Таблица 1.1 – Исходные данные к задаче 1
Указание. Теплоемкости газов  и принять зависящими от температуры, то есть С = constРешение Газовая постоянная смеси:  (1)где  - газовые постоянные углекислого газа и окиси углерода соответственно (справочные данные),   Начальный объем газовой смеси находим из уравнения состояния:  (2)где - масса газовой смеси,  ; - начальная температура,  ; - начальное давление,  ; Конечное давление газовой смеси:  (3) Так как процесс расширения происходит при  , то  Конечную температуру газовой смеси находим из соотношения параметров в изобарном процессе:  (4)откуда  (5) Средние массовые теплоемкости компонентов смеси, как многоатомных газов, при постоянном давлении:  (6)где  - молекулярная масса  газа смеси (справочные данные),  ;  Средняя массовая теплоемкость смеси при постоянном давлении:  (7) Количество теплоты подводимой в процессе:  (8) Работа расширения:  (9) Изменение внутренней энергии:  (10) Изменение энтальпии:  Изменение энтропии:  (11)  Рисунок 1 - Изобарный процесс расширения в  и  координатах.Задача 2 Определить индикаторную Ni и эффективную Ne мощность четырехтактного двигателя внутреннего сгорания по его конструктивным параметрам и среднему индикаторному давлению рi. Диаметр цилиндра двигателя D, ход поршня S, угловая скорость коленчатого вала Ω, мин1, число цилиндров Z, среднее индикаторное давление рi и механический КПД ηм выбрать из табл. 2. Таблица 2 - Исходные данные к задаче 2
Ответить на вопросы: Каковы основные различия в работе двухтактного и четырехтактного двигателей внутреннего сгорания? Каковы преимущества и недостатки каждого из них? Решение Индикаторная мощность четырехтактного двигателя внутреннего сгорания:  (1)где  - среднее индикаторное давление, ; - рабочий объем цилиндра,  ; (2)  - частота вращения коленчатого вала двигателя,  ; - тактность двигателя; - число цилиндров; Эффективная мощность:  (3) Каковы основные различия в работе двухтактного и четырехтактного двигателей внутреннего сгорания? Основное отличие двухтактного двигателя от четырехтактного обусловлено различием механизмов их газообмена - т.е. подачи воздушно-топливной смеси в цилиндр и удалении отработавших газов. В четырехтактном двигателе процессы очистки и заполнения цилиндра производятся с помощью специального газораспределительного механизма, который открывает и закрывает в определенное время рабочего цикла впускной и выпускной клапана. В двухтактном двигателе заполнение и очистка цилиндра выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения - в то время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки. Для этого в стенках цилиндра имеются два отверстия - впускное или продувочное и выпускное, через которые производится впуск топливной смеси и выпуск отработанных газа. Газораспределительный механизм с клапанами у двухтактного двигателя отсутствует, что делает его значительно проще и легче. Каковы преимущества и недостатки каждого из них? Недостатки двухтактных двигателей: Недостатком являются высокая термическая нагруженность поршневой группы, снижающая надёжность двигателя, и сложность осуществления продувки. Преимущества двухтактных двигателей: В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска топливной смеси, выпуска отработанных газов, продувки) происходят в течении одного оборота коленвала за два основных такта. У двигателей такого типа отсутствуют клапаны (как в четырехтактных ДВС), их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому они более просты в конструкции. Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60…70%. Недостатки четырёхтактных двигателей: Все холостые ходы (впуск, сжатие, выпуск) совершаются за счёт кинетической энергии, запасённой коленчатым валом и связанными с ним деталями во время рабочего хода, в процессе которого химическая энергия топлива превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя. Поскольку сгорание происходит в доли сек, то оно сопровождается быстрым увеличением нагрузки на крышку (головку) цилиндра, поршень и другие детали двигателя. Наличие такой нагрузки неизбежно приводит к необходимости увеличить массу движущихся деталей (для повышения прочности), что в свою очередь сопровождается ростом инерционных нагрузок на движущиеся детали. Уступают по мощности двухтактным. Преимущества четырёхтактных двигателей: -экономичность расхода топлива; -надежность; -простота обслуживания; -четырехтактный двигатель работает тише и устойчивей. В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению масла в топливо; коленвал четырехтакного двигателя находится в маслянной ванне. Благодаря этому Вам не надо смешивать бензин с маслом или доливать масло в специальный бачок (на моделях двухтактных скутеров с раздельной системой смазки). Так же на зеркале поршня и стенках глушителя и выхлопной трубы образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе происходит выброс топливной смеси в выхлопную трубу, что объясняется его конструкцией. Задача 3 Воздух с начальной температурой t1 27ºС сжимается в одноступенчатом поршневом компрессоре от давления р1 0,1 МПа до давления р2. Сжатие может происходить по изотерме, по адиабате и по политропе с показателем политропы n. Определить для каждого из трех процессов сжатия конечную температуру газа t2, отведенную от смеси теплоту Q, кВт, изменение внутренней энергии и теоретическую мощность компрессора, если его производительность G. Дать сводную таблицу и изображение процессов в рυ диаграмме. Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл. 4.3. Таблица 3 - Исходные данные к задаче 3
Указание. Расчет провести без учета зависимости теплоемкости от температуры (с const). Ответить на вопрос: В каком из процессов сжатия мощность, затрачиваемая на привод компрессора, будет больше? Решение Параметры в начале процесса сжатия:  ;  Расход всасываемого воздуха находим по уравнению состояния идеального газа:  (1)где  - газовая постоянная воздуха,  ;Выражаем уравнение (1) относительно объема:  (2) Изотермическое сжатие  Работу компрессора (абсолютное значение):  (3) Теоретическая мощность компрессора:  (4) Отведенная от газа теплота:  (5) Адиабатное сжатие Температуру сжатого воздуха на выходе из компрессора находим из соотношения параметров в адиабатном процессе:  (6)где  - показатель адиабаты воздуха;из формулы (5) находим  (7) Работу компрессора (абсолютное значение):  (8) Теоретическая мощность компрессора:  (9) Отведенная от газа теплота:  Политропное сжатие Температуру сжатого воздуха на выходе из компрессора находим из соотношения параметров в политропном процессе:  (10)где  - показатель политропы сжатия;из формулы (10) находим  (11) Работу компрессора (абсолютное значение):  (12) Теоретическая мощность компрессора:  (13) Отведенная от газа теплота:  (14)где  -массовая теплоемкость воздуха при постоянном объеме,  ; (15)тут  - мольная теплоемкость воздуха при постоянном объеме,  ; - молекулярная масса воздуха,  ; Подставляя полученное значение в формулу (14), получаем  Таблица 13.1 - Результаты расчетов
 Рисунок 1 - Рассчитанный цикл в  и координатахВ каком из процессов сжатия мощность, затрачиваемая на привод компрессора, будет больше? Мощность затрачиваемая на привод компрессора больше при адиабатном сжатии, так как при этом затрачивается наибольшая теоретическая работа компрессора, которая на  - диаграмме определяется площадью  (рис.1).Задача 4 Плоская стальная стенка толщиной  ( ) с одной стороны омывается газами, при этом коэффициент теплоотдачи равен  . С другой стороны стенка изолирована от окружающего воздуха плотно прилегающей к ней пластиной толщиной  ( ). Коэффициент теплоотдачи от пластины к воздуху равен  . Определить удельный тепловой поток  и температуры  ,  ,  поверхностей стенок, если температура газов равна  , а воздуха  . Данные для решения выбрать из таблицы 4.Таблица 4
Коэффициент теплопередачи двухслойной плоской стенки:  (1) Плотность теплового потока:  (2) Температура стенок:  (3)  (4)  (5) Задача 5 Определить потребную поверхность рекуперативного теплообменника, в котором вода нагревается горячими газами. Расчет произвести для прямоточной и противоточной схем движения. Значения температур газа  и  , воды  и  , расхода воды  и коэффициента теплопередачи  выбрать из таблицы 5.Таблица 5
Решение Тепловая мощность рекуперативного теплообменника:  (1)где  - массовые расходы теплоносителей (греющего и нагреваемого),  ; - удельная теплоемкость (при  ) греющего и нагреваемого теплоносителя,   - поверхностный  теплообменника; Средний температурный напор: - для прямотока  (2) - для противотока  (3) Площадь поверхности теплообмена:  (4)где  - коэффициент теплопередачи теплообменника,  ;Прямоток:  Противоток:   Рисунок 1 - График изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена и принципиальная схема теплообменника: а - прямоточная схема движения теплоносителей; б - противоточная схема движения теплоносителей. Большую эффективность имеет противоточная схема движения так как поверхность нагрева при противотоке меньше, чем при прямотоке  вследствие того, что средняя температура при противотоке больше, чем при прямотоке  Список использованной литературы 1 Рабинович О. М. Сборник задач по технической термодинамике.– М., 1973. 2 Алабовский А. Н., Недужий И. А. Техническая термодинамика и теплопередача. – К.: Выща шк., 1990. – 255 с. 3 Кирилин В. А. и др. Техническая термодинамика. – М.: Энергоатомиздат, 1983. -416 с. 4 Теплотехника: Учебник для вузов. – 3–е изд., испр./ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров и др./ Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высш. шк., 2002. – 671 с. 5 Техническая термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики / Под общ. ред. Р.М. Медведева. - Л.: Машиностроение, 1988. - 336 с. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
