Определение показателей работы нагнетателей и тепловых двигателей

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Московский Государственный Университет Путей Сообщения

(МИИТ)

Кафедра: «Теплоэнергетика железнодорожного транспорта»

Курсовая работа по дисциплине:

Тепловые двигатели и нагнетатели

«Определение показателей работы нагнетателей

и тепловых двигателей»

Выполнил:

студент гр.ТЭН-312

Ибрагимов Т.Г.

Проверил: профессор

Левенталь Л.Я.

Москва - 2008



Часть 1. Поршневые компрессоры

Потребности предприятия железнодорожного транспорта (локомотивно-вагоно-ремонтные заводы, депо, сортировочные станции) в сжатом воздухе обеспечивается компрессорной станцией оснащенной поршневым компрессором типа ВП 18/9 Q = 18 м3/мин p_н=9 атм.

Задание:

Для компрессорной станции с компрессором типа ВП: 18/9

1) Привести краткую конструкционную характеристику компрессора и отметить его преимущество и недостатки по сравнению с поршневыми машинами других типов.

2) Построить принципиальную тепловую схему компрессорной установки включающей ступени повышения давления, промежуточные и концевой охладители воздуха, воздухозборник, системы водяного охлаждения.

3) Определить параметры воздуха p, t, с в характерных точках системы - вход в ступени повышения давления или охлаждения и выход из них полученные данные свести в таблицу, представить в масштабе процесс повышения давления в T-s диаграмме.

4) Определить основные геометрические размеры цилиндров в компрессорах, рабочий объем, диаметр цилиндров, ход поршня. Построить в масштабе кинематическую характеристику рабочего механизма и индикаторные диаграммы.

Выбрать воздухозборник.

5) Определить энергетические показатели работы - индикаторную и эффективную мощности, изотермический КПД, мощность двигателя, удельный расход энергии E и сравнить его с допустимым.

6) Провести тепловой расчет системы охлаждения с определением суммарного расхода воды на охлаждение всех элементов установки. Удельный расход воды сравнить с допустимым. Определить мощности насосов.

7) Принципиальная тепловая схема компрессорной установки:

1) воздушный фильтр

2) поршневой компрессор

2а) 1-ая ступень компрессора

2б) 2-ая ступень компрессора

2в) промежуточный охладитель

3) кольцевой охладидитель

4) влагомаслоотделитель

5) обратный клапан

6) воздухосборник

7) предохранительный клапан

8) манометр

9) лаз

10) защитное заземление

11) главный запорный орган

12) подача воздуха потребителю

13) подача охлажденной воды из градильни

14) подача теплой воды

15) отбор воздуха к регулятору производительности

Введение

Поршневые компрессоры отличаются многообразием конструкционных типов, кинематических схем и компоновок. Они могут быть выполнены вертикальными, горизонтальными или угловыми, бескрейцкопфными или крейцкопфными, однорядными или многорядными.

Воздушные компрессоры общего назначения со ступенями давления в отдельных цилиндрах выполняют бескрейцкопфными с V-образным расположением цилиндров (тип ВУ), а также крейцкопфными с прямоугольным (тип ВП) или горизонтальным оппозитивным (тип ВМ) расположением цилиндров.

Каждый тип поршневого компрессора имеет свои преимущества и недостатки. Так машины бескрейсцкопфного значительно проще по конструкции, имеют меньшие габариты и массу. Однако полость цилиндра, обращенная к картеру, остается нерабочей. Следовательно, при одинаковой производительности увеличиваются диаметры цилиндров, растут механические потери, увеличиваются потери воздуха, имеет место значительный унос масла и загрязнение им сжимаемого воздуха. Преимущество крейсцкопфных машин двойного действия, помимо значительно меньших потерь, связано с раздельной смазкой механизма движения и цилиндров. При этом механизм движения смазывают относительно недорогим машинным маслом. Необходимо отметить, что с увеличением производительности компрессора преимущество машин ВУ по сравнению с ВП по габаритам и массе уменьшаются.

Основное преимущество компрессоров типов ВУ и ВП с расположением цилиндров в вертикальной плоскости - небольшая площадь пола машинного зала, требуемая для их установки. Однако эти компрессоры тихоходны, трудно балансируемые, это вызывает необходимость в тяжелых фундаментах; строительная высота машинного зала с учетом произведения монтажных и ремонтных работ должна быть относительно большой.

Компрессоры типа ВМ, получающие в настоящее время широкое распространение, легко балансируются, допускают относительно высокую частоту вращения вала, требуют малых высот машинного зала, однако в силу, горизонтального расположения занимают большие площади пола.



1. Рассчитаем параметры воздуха в характерных точках системы

Начальные данные на входе в компрессор в точке 1: p=1 атм, t=22 ⁰C=295 К.

Показатель политропы принимаем равным n=1,35

Плотность рассчитываем по формуле Клапейрона:

.

Рассчитаем энтропию:

Рассчитаем степень повышения давления на одной ступени компрессора:

Определяем параметры в точке 2 после сжатия на первой ступени:

p₂=p₁в₁=101308*3,08=313447 Па.

Температуру находим из соотношения , отсюда

,

.

Определяем параметры в точке 3 после охладителя:

Температура после охладителя принимаем равной t₃=30 ⁰C=303 К.

.

Определяем параметры в точке 4 после 2-ой ступени сжатия:

p₄=p₃в₂=29294640*3,08=911772 Па.

.

.

Определяем параметры в точке 5 после концевого охладителя:

Температуру принимаем равной, t₅=35 ⁰C=308К

.

Таблица параметров воздуха в характерных точках системы

	точка 1	точка 2	точка 3	точка 4	точка 5
p, атм (Па)	1 (101308)	3,09 (313447)	2,91 (294640)	9.1 (911773)	8,5 (857066)
t, 0С (К)	22 (295)	136.3 (409.3)	30 (303)	147.45 (420.45)	35 (308)
с,	1,19	2,66	3,38	7,55	9,69

2. Определение основных геометрических размеров цилиндров компрессоров

Объемная производительность в м³/мин:

i - число цилиндров или полостей всасывания первой ступени, берем i=2.

л₀ - объемный коэффициент первой ступени.

у=0,05 - коэффициент объема вредного пространства.

n_р=1,25 - показатель политропы расширения воздуха.

.

л_г - коэффициент учитывающий утечки воздуха через впускные клапаны, берем л_г=0,98.

л_р - коэффициент учитывающий потери в клапанах, берем л_р=0,98.

л_т - тепловой коэффициент, учитывающий подогрев всасываемого воздуха от горячих стенок цилиндров и клапанов

л_т=1,01-0,022*в₁=1,01-0,022*3,08=0,942.

-частота вращения коленчатого вала компрессора берем

.

Отсюда находим рабочий объем:

Рабочий объем цилиндра . Величину относительного хода поршня, берем

Вычисляем диаметр цилиндра первой ступени:



Выбираем диаметр первой ступени в зависимости от имеющихся стандартов на производстве м.

Ход поршня:

м.

Выбираем ход поршня в зависимости от имеющихся стандартов на производстве 2 м.

Полученное значение хода поршня согласовывают с величиной средней скорости поршня

для угловых компрессоров средняя скорость должна лежать в пределах 3-4.

Рабочий объем второй ступени

Диаметр цилиндра второй ступени

Выбираем диаметр второй ступени в зависимости от имеющихся стандартов на производстве 2м.

Определяем объем воздухосборника:



м³.

Берем воздухосборник с объемом 7 м³

3. Определяем показатели работы

Внутреннюю - индикаторную мощность одной ступени повышения давления, т. е. мощность, которую необходимо затратить в цилиндре компрессора, чтобы обеспечить получение воздуха требуемого давления при определенном его расходе, для машин с охлаждением воздуха при сжатии находят по формуле: .

Предварительно определяем массовый расход

.

Внутренняя мощность ступени при изотермическом сжатии:



кВт.

кВт

Изотермический коэффициент ступени

,

кВт.

кВт

Эффективная мощность многоступенчатого компрессора.

з_мех=0,93 - механический КПД,

кВт.

Мощность приводного двигателя, коэффициент запаса мощности ?=1,05. В данной конструкции отсутствует передача от двигателя к валу компрессора поэтому з_пер=1.

кВт.

Удельный расход энергии на получение сжатого воздуха в компрессоре

Полученный удельный расход меньше допустимого, для компрессоров типа ВП с производительностью менее 20 , равняющегося 5,6 .

4. Тепловой расчет системы охлаждения компрессорной установки

Количество воды, требуемое для работы системы охлаждения:

При сжатии воздуха в ступени компрессор его средняя теплоемкость

.

При этом теплота отводимая в ступени компрессора

кВт.

кВт.

кВт.

Теплота, отводимая от воздуха в промежуточном или концевом охладителе складывается из теплоты охлаждения сухого воздуха и теплоты охлаждения, а также частичной конденсации водяного пара

кВт

кВт.

Определяем влагосодержание воздуха. Для этого определяем давление насыщенного водяного пара при температуре на входе в ступень компрессора и на выходе из охладителя для t₁=22 ⁰C p_нп1=2,339 кПа, t3=30 ⁰C p_нп2=p_н3=4,247 кПа t₅=35 ⁰C p_нп4=5,629 кПа. Газовая постоянная воздуха и водяного пара R=287 , R_в=462 .

,

,

x₂=x₃,

.

Средняя теплоемкость при постоянном давлении сухого воздуха c_pв=1,005 и водяного пара c_pп=1,88 . Удельная теплота парообразования водяного пара .

кВт

= 5.06 кВт.

Теплота отводимая от масла в компрессоре

кВт.

кВт.

Нагрев охлаждающей воды устанавливают по условиям экономичной работы: для охлаждения воздуха в компрессоре в процессе сжатия ⁰C. Для охладителей воздуха и масла ⁰C. Расход воды на охлаждение воздуха при сжатии

Расход воды в охладителях и в охладителе масла

.

Суммарный расход воды охлаждение

G_в=G_всж+G_вохл=0.202+1.34 = 1.5 .

Удельный расход воды на охлаждение

,

что является в пределах нормативной величины расхода 4,5-5,8 .

Мощность двигателя для насоса системы охлаждения



Индикаторная диаграмма

Схема расстановки оборудования на компрессорной станции



Часть 2. Стационарный дизель

Задание:

Для четырехтактного дизеля без наддува заданной эффективной мощности, обеспечивающего привод электрического генератора переменного тока, необходимо:

1. Определить параметры рабочего тела в характерных точках термодинамического цикла;

2. Построить и обработать индикаторную диаграмму цикла;

3. Выбрать число цилиндров и определить их размеры, порядок работы;

4. Определить индикаторные и эффективные показатели работы.

Стандартные параметры окружающей среды:

· Барометрическое давление ;

· Температура .

Топливо дизельное:

· Состав рабочей массы

Данные характеристики Д.В.С.:

· Степень сжатия =14

· Степень предварительного(изобарного) расширения рабочего тела в процессе сгорания;=1.15

· Давление в конце процесса сгорания Р = 7.0 МПа;

· Мощность дизеля Ne = 160кВт;

· Частота вращения коленчатого вала .



Введение

Дизели представляют собой двигатели внутреннего сгорания (Д.В.С.) с внутренним смесеобразованием и воспламенением горючей смеси от температуры сжатого воздуха, работающие преимущественно на тяжелом жидком топливе по термодинамическому циклу со смешанным способам подвода теплоты.

Рабочий цикл Д.В.С., т.е. совокупность процессов, в результате которых обеспечивается преобразование термодинамической энергии топлива в механическую работу, проходит в цилиндрической камере, образованной стенками цилиндра, его головкой (крышкой) и перемещающимся в цилиндре поршнем.

Основным параметром цикла служит степень сжатия, представляющая собой отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия. Степень сжатия показывает во сколько раз уменьшается объем рабочего тела в цилиндре при перемещении поршня от одного крайнего положения к другому (от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки). Средние значение степени сжатия для современных дизелей без наддува лежат в пределах 14-16. Минимальные значения степени сжатия устанавливают из условия надежного воспламенения топлива, максимальные - по допустимым нагрузкам на детали рабочего механизма.

В четырехтактных Д.В.С. рабочий цикл осуществляется за 4 хода поршня, соответствующие двум оборотам коленчатого вала двигателя. При этом тактом считают часть рабочего цикла, приходящуюся на один ход поршня. В четырехтактном дизеле через впускные клапаны, управляемые механизмом газораспределения, в цилиндр поступает воздушный заряд. Сжимаемый поршнем воздух нагревается до температуры 500-600 ⁰C, превышающий температуру воспламенения горючей смеси, которая образуется при впрыске в цилиндр в конце процесса сжатия мелкораспыленного топлива. Момент впрыска зависит от характеристик топлива, в частности от его цетанового числа, качества распыления, типа камеры сгорания и др. В результате процесса горения в цилиндре образуется газообразные продукты сгорания с высокой температурой (до 2000 ⁰C) и давлением до 10 МПа. Расширяясь, они заставляют поршень перемещаться от верхней мертвой точки к нижней. Кривошипно-шатунный механизм двигателя преобразует возвратно поступательное движение поршня во вращение вала, передовая вращающий момент, а следовательно, и эффективную мощность потребителю нагрузки, в частности генератору электрического тока.

Основные технико-экономические показатели работы дизеля, как и других Д.В.С. -эффективная мощность, т.е. полезная мощность на валу двигателя и эффективный КПД, а также соответствующий ему удельный эффективный расход топлива, позволяющий оценить топливную экономичность двигателя. Четырехтактные дизели представляют собой наиболее экономичный тип современного теплового двигателя. Экономичность дизеля объясняется реализацией в его рабочем цикле высоких максимальных температур при относительно низких средних температурах цикла, что обусловлено большой степенью расширения рабочего тела в цилиндре.

Заданная эффективная мощность двигателя внутреннего сгорания конструктивно может быть реализована при различном числе цилиндров. Увеличение числа цилиндров при данной мощности позволяет уменьшить их рабочий объем и, следовательно, основные геометрические размеры, от которых зависит средняя скорость движения поршня, определяющая потери на трение и инерционные воздействия на детали рабочего механизма. Преимущества многоцилиндровой конструкции состоит в возможности выбора оптимального соотношения между ходом поршня и диаметром цилиндра, обеспечения равномерного вращающего момента на валу, снижение массы маховика. Внешние конструктивные формы многоцилиндрового двигателя более рациональны. Вместе с тем увеличение числа цилиндров при заданной мощности усложняет конструкцию двигателя, увеличивается его стоимость, удорожает эксплуатация и ремонт.



1. Определение термодинамических параметров рабочего тела в характерных точках рабочего цикла

1.1. Давление воздуха в начале процесса сжатия с учетом потерь во впускных клапанах:

1.2. Температура воздуха в начале процесса сжатия:

где

-температура воздуха перед впускным клапаном ();

-подогрев воздуха от горячих стенок головки цилиндра и клапанов(, берем значение );

-температура газов в начале выпуска (, берем значение);

- коэффициент остаточных газов( берем значение

1.3. Давление воздуха в конце процесса сжатия:

где

- показатель политропы процесса сжатия (, берем значение )

1.4. Температура воздуха в конце процесса сжатия:

1.5. Степень повышения давления в процессе сгорания:

где

- авление в конце процесса сгорания;

-окончание изохорного участка;

-окончание изобарного участка.

1.6. Температура рабочего тела в конце процесса сгорания:

1.7. Давление рабочего тела в конце процесса расширения:

Где -показатель политропы процесса расширения (, берем значение )

1.8. Температура рабочего тела в конце процесса расширения:

Полученое значение позволяет проверить правильность принятой ранее величины температуры газов в начале выпуска:

2. Построение и обработка индикаторной диаграммы

2.1. Расчетное значение среднего индикаторного давления цикла:

0.731 где

-коэффициент скругления, учитывающий меньшую площадь действительной диаграммы рабочего цикла в сравнении с теоретической(, берем значение

2.2. Построение индикаторной диаграммы:

=130мм

Расчет промежуточных точек:

2.3. Среднее индикаторное, получаем графическим методом:



2.4. Определение величины отклонения среднего индикаторного давления, полученного расчетным и графическим методом:

3. Выбор числа цилиндров, определение их размеров и порядка работы

3.1 Среднее эффективное давление цикла:

0.644 Мпа

- механический КПД двигателя(для четырехтактных дизелей без наддува , берем значение )

3.2 Рабочий объем цилиндров двигателя:

- заданная эффективная мощность,

-частота вращения вала

-коэффициент тактности - отношение числа рабочих циклов в единицу времени к частоте вращения вала (у четырехтактных Д.В.С. ).

3.3 Рабочий объем одного цилиндра:



z-число цилиндров, возьмем значение .

Порядок работы цилиндров назначаем 1-3-4-2

3.4 Размеры цилиндра (диаметр и ход поршня):

Округляем значение до см, D = 0.23м

Относительный ход поршня берем 1,2.

3.5 Средняя скорость движения поршня:

4. Определение индикаторных и эффективных показателей работы

4.1 Коэффициент наполнения цилиндров - отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы заполнить цилиндр при параметрах окружающей среды

4.2 Количество воздуха при параметрах окружающей среды, необходимое для наполнения цилиндров двигателя за один рабочий цикл:

=

4.3 Количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного кг топлива:

4.4 Количество воздуха, действительно используемое при сжигании одного кг топлива:

- коэффициент избытка воздуха, берем значение

4.5 Количество топлива, сжигаемое за один цикл:

4.6 Теплота сгорания топлива(низшая работа):

4.7 Теплота, вносимая в цилиндры двигателя с сжигаемым топливом за один цикл:



4.8 Цикловая индикаторная работа:

4.9 Индикаторный КПД:

4.10 Эффективный КПД:

4.11 Удельный эффективный расход топлива:

4.12 Часовой расход топлива:

4.13 Вращающий момент на валу двигателя:

Выбираем нераздельный тип камеры сгорания, ее чертеж представлен на рисунке ниже. Так как для полного сгорания требуется высокий коэффициент избытка (1,6-2,2), а в расчетах берем 1,5, то форма камеры сгорания должна хорошо согласоваться с формой топливного факела. Согласование достигнем выполнением в поршне углубления, соответствующего форме факела, а также использованием многодырчатой форсунки.

Нераздельный тип камеры сгорания