Термодинамические свойства дизельного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

двигатель паросиловой тринклер топливо

Введение

1. Общая схема установки и действительный цикл комбинированной схемы в PV, TS и hS координатах

1.1 Устройство двигателя внутреннего сгорания с паросиловой установкой

1.2 Принцип работы

1.3 Диаграммы ДВС в PV, TS координатах

1.4 Цикл ДВС со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера)

1.5 Принципиальная схема паросиловой установки

2. Расчет ДВС

2.1 Параметры всех точек

2.2 Термический КПД

2.3 Подводимое и отводимое тепло

2.4 Удельная работа в цикле

2.5 Изменение внутренней энергии, тепло участвующее в процессе, работа в процессе, а также, изменение энтальпии, энтропии

2.6 Среднее индикаторное давление в цилиндре

2.7 Теоретическая мощность дизеля

2.8 Часовой (В, кг/час) и удельный (в, кг/кВт * час) расходы жидкого топлива, для ДВС, приняв его тепловую способность

3. Расчет ПСУ

3.1 Определение параметров всех точек цикла ПСУ

3.2 Определение термического КПД идеального цикла ПСУ

3.3 Удельная работа расширения в паровой турбине и сжатия в питательном насосе

3.4 Расход пара

3.5 Действительная и теоретическая мощность с учетом работы питательного насоса

4. Питательный насос

4.1 Кратность циркуляции охлаждающей воды в конденсаторе

4.2 Мощность привода питательного насоса

4.3 Определение часового (В, кг/час) и удельного (b, кг/кВт * час) расхода жидкого топлива, для установки с утилизацией тепла, и годовую экономию топлива от его введения

Заключение

Список используемых источников



Введение

В энергетических установках происходят процессы преобразования одних видов энергии в другие. В паровых котлах, в камерах сгорания, или непосредственно в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания химическая энергия органического топлива преобразуется в тепловую энергию пара или газа высокого или повышенного давления и высокой температуры. Затем, в тепловых машинах (в турбинных или поршневых двигателях) тепловая энергия преобразуется в механическую. Некоторая часть механической энергии преобразуется в электрическую, которая служит для привода в действие электрифицированных механизмов, для нужд освещения, связи и т.д.

Первый промышленный двигатель внутреннего сгорания был сконструирован в 1860 году Ленуаром (Франция). Это был двухтактный двигатель, работавший на светильном газе с воспламенением от электрической свечи. Немецкий инженер Отто в 1876 году создал четырехтактный газовый двигатель, получивший широкое применение в промышленности. Рудольф Дизель в 1896 году осуществил ДВС с воспламенением от сжатия. Российский исследователь Тринклер в 1904 году предложил цикл со смешанным сгоранием.

Поршневые ДВС - относятся к роду тепловых двигателей, в которых химическая энергия топлива преобразуется в тепловую непосредственно внутри рабочего цилиндра. ДВС, работающие с самовоспламенением топлива в цилиндре, принято называть дизелями по имени изобретателя двигателя такого типа - Рудольфа Дизеля.

Благодаря значительному перепаду температур при осуществлении цикла (от 300 320 єК до 1800 - 2000 єК), дизели являются в данное время наиболее экономичными тепловыми двигателями. Вместе с тем, несмотря на высокие температуры цикла, двигатели этого типа могут работать надежно, так как действие высоких температур является периодическим и после сгорания топлива, расширения газов и их выпуска в цилиндр поступает свежий воздух, а стенки цилиндра охлаждаются водой или воздухом.

Дизели, применяемые на судах, работают на дизельном и моторном топливах, а также (после специальной подготовки топлива) на мазутах.

Двигатель внутреннего сгорания - самый распространенный тип двигателя.



1. Общая схема установки и действительный цикл комбинированной схемы в PV, TS и hS координатах

1.1 Устройство двигателя внутреннего сгорания с паросиловой установкой

Рисунок 1. Схема установки

1двигатель внутреннего сгорания; 2утилизационный парогенератор;

3паровая турбина; 4 турбо генератор; 5конденсатор;

6циркуляционный насос; 7питательный насос.

1.2 Принцип работы

Судно имеет главную энергетическую установку с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) рисунок 1.

Его отработавшие газы поступают в утилизационный парогенератор 2, пар из которого, подается на паровую турбину 3, вращающую вспомогательный електрогенератор 4.

После чего конденсат отработавшего в паровой турбине пара, поступает в конденсатор 5, где пар превращается в воду и питательным насосом 7, возвращается в утилизационный парогенератор2.



1.3 Диаграммы ДВС в PV, TS координатах

Рисунок 2. Диаграммы ДВС в PV иTS координатах

12 адиабатное сжатие рабочего 12 адиабатное сжатие рабочего тела тела 23 изохорный процесс первой 23 подвод теплоты при постоянном доли теплоты объеме 34 изобарный подвод второй 34 подвод теплоты при постоянном доли теплоты давлении 45 адиабатное расширение 45 адиабатное расширение рабочего тела рабочего тела 51 изохорный отвод тепла в 51 отвод теплоты при постоянном теплоприемник и возвращение объеме

1.4 Цикл ДВС со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера)

Характерен для так называемых бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива с механическим распылением топлива. Здесь горючее впрыскивается в цилиндр через распыливающее устройство (форсунку) с помощью плунжерного насоса под давлением в несколько сотен бар. Впервые бескомпрессорный нефтяной двигатель был создан в 1904 г. конструктором Сормовского завода Г. В. Тринклером (впоследствии профессор Горьковского политехнического института). Сжигание топлива в таком двигателе сначала происходит по линии v=const (процесс 2--3) с повышением давления (рисунок 2), а затем при постоянном давлении (процесс 3--4). Характеристиками этого цикла являются: степень сжатия. степень повышения давления. и степень предварительного расширения



Рисунок 3.Диаграммы ПСУ TS и hS координатах

ab полученный пар расширяется по адиабате в цилиндре парового двигателя до давления P_b в конденсаторе.

bc пар полностью конденсируется до состояния кипящей жидкости при давлении P_b.

cd процесс сжатия воды осуществляется в насосе.

de изменение объема воды при нагревании в конденсаторе до температуры кипения.

eb процесс парообразования в котле и подсушивание пара в перегревателе.

fa процесс нагрева пара в перегреватели.

1.5 Принципиальная схема паросиловой установки

Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики.

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p₁, t₁, i₁, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p₂ с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.

Рисунок 4. Принципиальная тепловая схема паросиловой установки

В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р₂ и температуре t₂ в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.



2. Расчет ДВС

2.1 Параметры всех точек

Точка 1

P₁V₁ = RT₁,

где R_воз. = 287( Дж/кг К),

Р₁ = 1,5·10⁵ (Па),

Т₁ = 283,15 (К),

Точка 2. Т.к. процесс 12 адиабатное сжатие, то используем уравнение адиабаты

,

;

P₂V₂ = RT₂

;



где k = 1,4, т.к рассматриваем цикл идеальной машины степень сжатия = 15,6

Точка 3. Процесс 23 изохорный

P₃ = · P₂;

= 1,21 степень повышения давления

Точка 4. Процесс 34 изобарный



1,63 степень предварительного сжатия

Точка 5. Процесс 45 адиабатный (расширение продуктов сгорания)

0,5417 м³/кг, т.к. цикл замкнутый, а процесс 51 изохорный.

;

Таблица 1. Параметры точек цикла ДВС

	1	2	3	4	5
Р, Па	1,5·105	70,22·105	84,96·105	84,96·105	3,5·105
V, м3/кг	0,5417	0,03472	0,03472	0,05659	0,5417
Т, 0К	283,15	849,49	1027,88	1675,44	678,37

2.2 Термический КПД

КПД СобатэТринклера



2.3 Подводимое и отводимое тепло

Подводимое тепло:

;

C_н изохорная теплоёмкость

С_р изобарная теплоёмкость

127994,82 (Дж / кг).

(Дж / кг),

(Дж / кг).

Отводимое тепло:

,



(Дж / кг).

Определим термический КПД другим способом:

; 0,6361 0,6357.

2.4 Удельная работа в цикле

(Дж / кг).

2.5 Изменение внутренней энергии, тепло участвующее в процессе, работа в процессе, а также, изменение энтальпии, энтропии

Процессы: 12 Адиабатное сжатие чистого воздуха до температуры, обеспечивающей самовоспламенение распылённого топлива.

(Дж / кг);



( Дж / кг );

т.к.

(Дж / кг).

Процесс механического распыла топлива и сгорание его частично при V=const, подвод тепла

т.к. ;

(Дж/кг);

(Дж / кг);



(Дж /кг·К);

;

(Дж / кг).

Процесс механического распыла топлива и догорание его при Р = const , подвод тепла

( Дж / кг).

(Дж / кг);

(Дж / кг);

(Дж / кг);



(Дж /кг·К).

4 5 Расширение продуктов сгорания. Рабочий ход. (адиабатное)

(Дж / кг);

(Дж / кг) ;

(Дж / кг);

.

51 Отвод тепла при V = const

(Дж / кг);

(Дж / кг) ;



(Дж / кг);

(Дж /кг·К ).

Таблица 2. Параметров

	12	23	34	45	51
U, Дж /кг	4,1 · 105	1,3 · 105	4,6 · 105	-7,1 · 105	- 2,8 · 105
q, Дж /кг	0	1,3 · 105	6,5 · 105	0	- 2,8 · 105
?, Дж /кг	- 4,1 · 105	0	1,8· 105	7,1 · 105	0
h, Дж /кг	5,7 · 105	1,8 · 105	6,5 · 105	- 10 · 105	- 3,4 · 105
S, Дж/кг·К	0	136,7	490,7	0	-626,89

2.6 Среднее индикаторное давление в цилиндре

(Па).

2.7 Теоретическая мощность дизеля

,

где: Р_i среднее индикаторное давление;

d диаметр цилиндра;

S ход поршня; n число оборотов;

z коэффициент тактности для двухтактного двигателя; z = 1 i число цилиндров



( Вт);

массовый расход воздуха

объёмный расход воздуха

(м³ / с);

( кг / с);

(Дж / кг);

N= ( Вт).

2.8 Часовой (В, кг/час) и удельный (в, кг/кВт · час) расходы жидкого топлива, для ДВС, приняв его тепловую способность

= 10000 кКал / кг;

= 10000 = 41,86 · 10⁶ ( Дж/кг);

(Вт);

(кг / час );

(кг / кВт ·час) .



3. Расчет ПСУ

3.1 Определение параметров всех точек цикла ПСУ

Точка а

давление пара перед турбиной

температура пара перед турбиной,, принимаем = 578°К на 100°К меньше, чем температура выхлопных газов после процесса расширения в ДВС.

м³ / кг удельный объём

h_а = 3668,2 кДж / кг удельная энтальпия

S_а = 7,6783 кДж / кг·К удельная энтропия

х - степень сухости т.к. в турбину попадает перегретый пар, то х_а = 1

Точка b. После турбины газ попадает в конденсатор

по таблице 2.

Т_b = 43,76⁰С = 316,91⁰ К температура в конденсаторе;

0, 0010094 м³ / кг удельный объём кипящей воды;

16,200 м³ / кг удельный объём сухого насыщенного пара;

183,26 кДж / кг удельная энтальпия кипящей воды;

2580,3 кДж / кг удельная энтальпия сухого насыщенного пара;

2397,0 кДж / кг удельная теплота испарения;

0,6223 кДж / кг·К удельная энтропия кипящей воды;

8,1859 кДж / кг·К удельная энтропия сухого насыщенного пара



;

( Дж / кг);

Располагаемая работа

;

( Дж / кг) ;

16,52 м³ / кг ; по таблице № III [5]

кДж / кг·К =, т.к. процесс адиабатный

Точка с

Сжатие в питательном насосе

Па ;

183,26 кДж / кг ;

0,6223 кДж / кг · К ;

316,91⁰ К ;

0,0010094 м³ / кг ;

х_с = 0, т.к. в насосе сжимается уже вода полученная после конденсатора из пара.

Точка d

В паровом котле вода уже кипит.

Па;

0,6223 кДж / кг · К;

211,0 кДж / кг по таблице III [5]

316,91⁰ К;

0,0010094 м³ / кг ;

х_d=0.

Точка е

Па х_е=0;

По таблице 2

0, 0011610 м³ / кг

0,12010 м³ / кг = х_f ;

865,3 кДж / кг ;

2793,3 кДж / кг ;

1928,4 кДж / кг ;

2,3578 кДж / кг·К

6,4090 кДж / кг·К ;

Точка f

х_f = 1;

Па ;

2793,7 кДж / кг;

6,4090 кДж / кг·К .

Точка b^|



внутренний КПД паровой турбины

( Дж / кг)

Па

(Дж / кг·К)

По таблице 3

16,200 м³ / кг

Таблица 3. Параметров ПСУ

	a	b	c	d	e	f	bґ
P, мПа	1,63	0,0090	0,0090	1,63	1,63	1,63	0,0090
Т, К	578	316,91	316,91	316,91	476,1	476,1	316,91
V, м3/кг	0,1731	16,200	0,0010094	0,0010094	0,0011610	0,12010	16,52
h, кДж/кг	3060,4	2191,227	183,26	211,0	865,3	2793,7	2278,14
S,кДж/кг·К	6,9582	6,9582	0,6223	0,6223	2,3578	6,4090	7.2321
Х	1	0,8377	0	0	0	1	0,8739



3.2 Определение термического КПД идеального цикла ПСУ

,

где q₁ подводимое тепло; q₂ отводимое тепло.

q₁ = h _a h _d ; ( Дж/кг).

= h _b - h _c ; (кДж/кг).

; (кДж/кг).

3.3 Удельная работа расширения в паровой турбине и сжатия в питательном насосе



3.4 Расход пара

,

Где КПД парогенератора

= 1

Т_вх = Т₅ = 963⁰ К

Т_ух = 150⁰ С = 423,15⁰ К

С_р изобарная теплоёмкость воздуха

;

Дж/кг ·К = 1,0045 кДж/кг ·К

массовый расход топлива

= 22,344 кг / с;

( кг / с).

3.5 Действительная и теоретическая мощность с учетом работы питательного насоса



(кВт);

(кВт);

КПД цикла Карно:



4. Питательный насос

4.1 Кратность циркуляции охлаждающей воды в конденсаторе

Где С_р удельная теплоёмкость воды

С_р = 4.19 кДж/кг · К

? t нагрев охлаждающей воды в конденсаторе

? t = 6 °С =279^о К

массовый расход воды;

расход пара D = 1,655 (кг/с);

= 1,7922 · 1,655 = 2,966 (кг / с).

4.2 Мощность привода питательного насоса

где работа сжатия;

N = 27,74 · 10 ³ · 2,966 = 87,2768 (кВт) .



4.3 Определение часового (В, кг/час) и удельного (b, кг/кВт · час) расхода жидкого топлива, для установки с утилизацией тепла, и годовую экономию топлива от его введения

= 10000 = 41,86 · 10 ⁶ Дж / кг;

(кВт) .

(кг / ч).

без утилизации топлива ;

с утилизацией топлива ;

(кг /к Вт · час) ;

кВт ;

кВт ;

(кг / кВт · час).



Заключение

В данной курсовой работе я рассмотрел общую схему и действительный цикл комбинированной СЭУ в PV,TS и HS координатах. Определил для ДВС параматры всех точек цикла, теоретический КПД, подводимое и отводимое в цикле тепло, удельную работу в цикле. Кроме этого для каждого процесса теоретического цикла ДВС определил изменение внутренней энергии, тепло участвующее в процессе, а также изменение энтальпии и энтропии. Все полученные расчеты удовлетворяют требования параметров для данного ДВС. По окончании расчетов свел результаты в таблицу. Определил среднее индикаторное давление в цикле и нашел теоретическую цилиндровую мощность и мощность всего дизеля.

Для цикла ДВС определил часовой расход топлива который равен 3385,6125 кг/ч и удельный расход дизельного топлива 0,00013528 кг/кВт*ч , а также параметры всех точек теоретического и действительного циклов ПСУ, их термический КПД 0,295 , подводимое и отводимое действительное и теоретическое тепло в циклах удельную работу сжатия в питательном насосе и удельную работу расширения в паровой турбине.

Также определил расход пара равный 1,655(кг/с), действительную равную 1392,58 кВт и теоретическую 1249,52 кВт мощности ПСУ с учетом работы питательного насоса. Параметры и характеристики обоих циклов свел в таблицу. Определил термический КПД цикла Карно равный 0,4517 для паросиловой установки в том же интервале температур. Определил мощность привода питательного насоса равную 87,2768 кВт. Для всей установки определил часовой и удельный расходы жидкого топлива. Изобразил действительный и теоретический процесс расширения пара в турбине на копии hS диаграммы воды и водяного пара.



Список используемых источников

1. Луканин В.Н. Теплотехника. М. «Высшая школа», 2000г.

2. Рипс С.М. Основы термодинамики и теплотехники. М. «Высшая школа», 1968г.

3. А.Г. Головинцов, Б.Н. Юдаев, Е.И. Федотов Техническая термодинамика и теплопередача. М. «Машиностроение», 1970г.

4. С.Л. Ривкин Термодинамические свойства газов (таблицы), 1970г.

5. А.А. Александров, Б.А. Григорьев. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара, 2002г.

6. В.И. Крутов. Теплотехника. М.« Машиностроение», 1986г.

7. В.А. Кузовлев. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. М. «Высшая школа», 1983г.

Размещено на Allbest.ru