Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Российский государственный профессионально-педагогический университет»
Машиностроительный институт
Кафедра автомобилей
ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ конторольныХ РАБОТ по дисциплине
«ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»
для студентов всех форм обучения
направления подготовки 051000.62 Профессиональное обучение (по отраслям)
профиля подготовки «Транспорт»
профилизации «Сервис и эксплуатация автомобильного транспорта»
Екатеринбург 2012
Задания и методические указания к выполнению контрольных работ по
дисциплине «Транспортная энергетика». Екатеринбург, ФГАОУ ВПО
«Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2013. 25с.
|
Составитель |
канд.техн.наук, доцент каф. АТ |
С.С. Скачкова |
Одобрены на заседании кафедры автомобилей. Протокол от .01.2013 г. № .
|
Зав. каф. АТ |
В.П. Лялин |
Рекомендованы к печати методической комиссией Машиностроительного института РГППУ. Протокол от 13.02.2013 г. № 6
|
Председатель методической комиссии |
А.В. Песков |
|
© ФГАОУ ВПО «Российский
государственный профессионально-педагогический университет», 2013
|
© Скачкова С.С., 2013 |
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ.
ЧАСТНЫЕ ПРОЦЕССЫ 6
1.1. Основные понятия и определения термодинамики 6
1.2. Термодинамические процессы с участием идеальных газов 8
1.2.1. Изотермический процесс 8
1.2.2. Изохорный процесс 9
1.2.3. Изобарный процесс 10
1.2.4. Адиабатный процесс 10
2. МЕТОД ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ 11
2.1. Цикл Карно 12
2.2. Цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при
постоянном объеме. Цикл Отто 13
2.3. Цикл двигателя внутреннего сгорания с сообщением теплоты
при постоянном давлении. Цикл Дизеля 15
2.4. Теоретический цикл двигателя с сообщением теплоты при
постоянных объеме и давлении. Смешанный цикл Тринклера 17
3. ЗАДАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ 18
3.1. Задание 1. Термодинамические процессы 18
3.2. Задание 2. Метод термодинамических циклов 20
Учебно-методическое и информационное
обеспечение контрольной работы 23
ПРИЛОЖЕНИЕ 24
Введение
В двигателях внутреннего сгорания происходят сложные физико-химические процессы, обусловленные превращением тепловой энергии в механическую. Особенности указанного вида превращения энергии изучаются методами термодинамики. Практическое освоение методов термодинамики позволяет глубже понять закономерности процессов, сопровождающих работу конкретных двигателей, выяснить, основные предельные технические характеристики и сопоставить их с реально наблюдаемыми.
Цель выполнения контрольных работ - углубление и обобщения полученных знаний, приобретение навыков решения практических задач с использованием учебной и справочной литературы.
Компетенции обучающегося, оцениваемые по результатам выполнения контрольных работ - готовность применять фундаментальные законы природы и основные физи ческие законы в педагогической области (ОК-17); знание устройства, принципов работы агрегатов, механизмов и узлов современных транспортных и технологических машин (ПСК-1.3), знание основ термодинамики и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания (ПСК 1.16).
Выполнения заданий контрольных работ обеспечивает формирование у студентов знаний и умений применения теоретических основ транспортной энергетики для решения конкретных задач технического характера и навыки практического использования теплотехнических расчётов.
В предлагаемых методических указаниях в первых разделах кратко приведены основные теоретические положения термодинамического метода анализа частных тепловых процессов, а также основы метода термодинамических циклов. Рассмотрены количественные характеристики циклов Карно, Отто, Дизеля и Тринклера, составляющих основу работы современных двигателей внутреннего сгорания.
Варианты контрольных заданий (задание 1 и задание 2) выбираются студентом согласно номерам последней и предпоследней цифр номера зачетной книжки по таблицам 3.1 - 3.10. Условие заданий, конкретные исходные данные, результаты вычислений, выводы и ответы на вопросы оформляются в соответствии с принятыми в вузе нормами.
Отчет по выполнению контрольной работы должен включать следующие составляющие:
Образец оформления титульного листа контрольной работы приведен в Приложении.
Оформление текста должен быть единым для всей выполняемой работы. Работа выполняются на персональном компьютере, в текстовом редакторе WORD
Термодинамическая система - тело или совокупность тел, полностью характеризующихся некоторым набором значений макроскопических параметров.
Термодинамические параметры - физические величины, характеризующие макроскопическое состояние тел. К ним относятся температура Т, давление р, объем V.
Температура ( t, 0С; Т, К) термодинамический параметр характеризующий степень нагретости тел.
Объем (V, м3), удельный объем (v, м3/кг), молярный объем (vмол, м3/моль) соответственно, объем всего тела, объем, приходящийся на единицу массы или на один моль вещества.
Давление (р, Н/м2, Па) термодинамический параметр, характеризующий суммарное импульсное воздействие частиц тела на ограничивающую его поверхность.
Равновесное состояние системы это, как правило, установившееся состояние системы, которое характеризуется определенным набором численных значений термодинамических параметров. Равновесное состояние системы характеризуется уравнением состояния (р, Т, V) = 0.
Уравнение состояния системы функциональная связь между термодинамическими параметрами системы, находящейся в равновесии: р = (Т, V); Т = f(р, V) или V = (Т, р).
Идеальный газ газ, молекулы которого не обладают взаимным притяжением и взаимодействуют между собой соударяясь как абсолютно упругие тела. Реальные газы при сравнительно небольших избыточных давлениях (до 10105 Па) разрежены и близки по свойствам к идеальным.
Уравнение состояния идеальных газов. В равновесных состояниях термодинамические параметры идеального газа взаимосвязаны уравнением, известным как уравнение Менделеева-Клапейрона (объединенный газовый закон):
, (1.1.1)
где n количество киломолей газа,
М масса газа (кг),
μ молярная масса газа (кг/кмоль),
R универсальная газовая постоянная, R = 8314 Дж/(кмоль·К).
Внутренняя энергия системы (U, Дж) совокупность всех видов энергии в веществах системы, которая является функцией состояния системы. Внутренняя энергия идеального газа зависит только лишь от температуры и обусловлена его кинетической энергией, которая для одного моля равна:
U = (3/2)RТ для одноатомных газов (1.1.2)
U = (5/2)RТ для двухатомных газов (1.1.3)
Равновесный термодинамический процесс процесс воздействия на систему, при котором изменение состояний системы проходит через равновесные состояния, в которых термодинамические параметры взаимосвязаны уравнением состояния.
Теплота процесса (Q, Дж) количество энергии, переданной в процессе в микроскопической форме без заметных механических перемещений тел.
Работа процесса (L, Дж) количество энергии, переданной в процессе в макроскопической форме при заметных механических перемещениях тел.
Первый закон термодинамики закон сохранения энергии в процессах с участием теплоты. Теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и совершение работы:
Q = U + L (в интегральной форме), (1.1.4)
Q = dU + L (в дифференциальной форме) (1.1.5)
Теплота и работа процесса зависят от пути его проведения и не являются функциями состояния системы.
Система знаков величин теплоты и работы.
Теплота, подводимая к термодинамической системе от окружающей среды положительная величина. Наоборот, теплота, отданная системой в окружающую среду отрицательна.
Работа, совершаемая расширяющейся системой положительна. Работа, сжатия (ее совершает окружающая среда) отрицательна.
В дальнейшем изложении расчетные формулы приведены в алгебраической форме, а отрицательность или положительность величин проявляется при подстановке в формулы значений конкретных величин.
Теплоемкость - характеризует свойство тел принимать (отдавать) определенное количество тепла и увеличивать (уменьшать) при этом свою температуру.
Удельная изохорная теплоемкость (сv, Дж/(кг.К)) количество теплоты, необходимое для изменения температуры одного килограмма вещества на один градус в изохорическом процессе.
Молярная изохорная теплоемкость (сv, кДж/(кмоль.К)) количество теплоты, необходимое для изменения температуры одного киломоля вещества на один градус в изохорическом процессе.
Удельная изобарная теплоемкость (ср, кДж/(кг.К)) количество теплоты, необходимое для нагрева одного килограмма вещества на один градус в изобарическом процессе.
Молярная изобарная теплоемкость (ср, кДж/(кмоль.К)) количество теплоты, необходимое для нагрева одного киломоля вещества на один градус в изобарическом процессе.
Теплоемкости взаимосвязаны выражением
сv = (1/μ)сv и ср = (1/μ)ср. (1.1.6)
Уравнение Роберта-Майера - выражает взаимосвязь между изобарной и изохорной теплоемкостями идеального газа:
ср - сv = R и ср - сv = R0 , (1.1.7)
где R0 = (1/μ)R.
Теплоемкости идеального газа
Для одноатомных газов:
mсv = (3/2)R; сv = (3/2)R0 и mср = (5/2)R; ср = (5/2)R0. (1.1.8)
Для двухатомных газов:
mсv = (5/2)R; сv = (5/2)R0 и mср = (7/2)R ; ср = (7/2)R0 . (1.1.9)
Изотермическим называют процесс, проводимый при постоянстве температуры (рисунок 1.2.1). В р-V – координатах процесс изображается равнобокой гиперболой (изотермой), уравнение которой :
рV = (М/μ)RТ = const. (1.2.1)
Уравнение изотермического процесса:
р1V1 = р2V2 , (1.2.2)
Работа изотермического процесса:
L = (М/ μ)RТln (V2/V1). (1.2.3)
Теплота изотермического процесса:
Q = L. (1.2.4)
Изменение внутренней энергии:
U = U2 - U1 = 0 (1.2.5)
Теплоемкость в изотермическом процессе:
сизот = (1.2.6)
Изохорным называют процесс, при совершении которого объем системы не изменяется (рисунок 1.2.2). В р-V – координатах процесс изображается прямой линией, параллельной оси р (изохорой), уравнение которой :
р/[(М/ μ)RТ] = V = const. (1.2.7)
Уравнение изохорного процесса:
р1/Т1 = р2/Т2. (1.2.8)
Работа изохорного процесса: L = р ΔV = 0. (1.2.9)
Теплота процесса:
Q = U = U2 - U1 = М.сv(Т2 - Т1) =. (1.2.10)
Изменение внутренней энергии ΔU: см. формулу (1.2.10).
Теплоемкость: сизохор = сv. (1.2.11)
Изобарным называют процесс, при совершении которого давление в системе остается неизменным (рисунок 1.2.3). В р-V – координатах процесс изображается прямой линией, параллельной оси V (изобарой), уравнение которой :
[(М/μ)RТ]/V = р = const . (1.2.12)
Уравнения изобарного процесса:
Т1/V1 = Т2/V2 . (1.2.13)
Работа процесса:
L = р(V2 - V1) . (1.2.14)
Теплота процесса:
Q = (U2 - U1) + р(V2 - V1) = М сv (Т2 - Т1) + р(V2 - V1) =
= (М/μ)mсv (Т2 - Т1) + р(V2 - V1). (1.2.15)
Изменение внутренней энергии ΔU:
ΔU = U2 - U1 = (М/μ).mсv (Т2 - Т1). (1.2.16)
Теплота процесса и изменение энтальпии (Н = U + рV) системы:
Q = (U2 + рV2) - (U1 + рV1) = Н2 - Н1 = Δ Н = Мср (Т2 - Т1). (1.2.17)
Изобарная теплоемкость: сизобар = ср. (1.2.18)
Адиабатным называют процесс, в котором и система и окружающая среда не обмениваются энергией в форме теплоты (рисунок 1.2.4).
Уравнение адиабатного процесса:
рVk= const , (1.2.19)
где k = mсp /mсv = сp /сv.
Для идеальных одноатомных газов k = 1,66, а для двухатомных k = 1,4.
Адиабатный процесс в р-V – координатах процесс изображается неравнобокой гиперболой (адиабатой):
Уравнения адиабатного процесса:
р1V1k = р2V2k; Т1V1k - 1 = Т2 V2k – 1,
р11 - kТ1k = р21 - k Т2k. (1.2.20)
Работа процесса:
L = U = U2 - U1 = М сv (Т2 - Т1) =
= (М/μ)mсv (Т2 - Т1). (1.2.21)
Теплота процесса
Q = 0 . (1.2.22)
Изменение внутренней энергии см. формулу (1.2.21).
Теплоемкость садиабат. = 0.
Круговым циклическим процессом называют процесс, в котором термодинамическая система, пройдя ряд состояний, возвращается в исходное состояние, При этом возможно неоднократное повторение соответствующих преобразований, каждое из которых представляет собой замкнутый цикл. Практически все тепловые двигатели работают с использованием тех или иных циклов. Существенным для работы двигателя, преобразующего тепловую энергию в работу является то, что находящееся в двигателе рабочее упругое тело (газ) обязательно контактирует с, так называемым, нагревателем, получая от него теплоту (Qн) и холодильником, которому рабочее тело отдает часть тепла (Qх). Таким образом, полное превращение тепла в работу невозможно.
Исследование закономерностей работы тепловых двигателей на основе количественного анализа термодинамических процессов, составляющих замкнутый цикл конкретного типа теплового двигателя, проводится с использованием метода термодинамических циклов. Циклы, рассматриваемые в данном методе, составляются из равновесных частных термодинамических процессов, моделирующих реальную работу двигателя. Такой анализ позволяет выявить наиболее эффективные условия превращения тепла в работу.
2.1. Цикл Карно
Цикл Карно начинается с изотермического процесса 34 в котором, получивший от нагревателя теплоту (Qн) газ расширяется, производя работу. Затем, контакт с нагревателем прерывается, но газ продолжает расширяться 41 в адиабатических условиях.
В состоянии 1 газ приводится в контакт с холодильником и отдает ему теплоту (Qх).
При этом, вследствие инерционности двигателя и присоединенных движущихся деталей поршень начинает сжатие газа 12. Процесс сжатия продолжается и дальше 23, но уже адиабатно, без теплового контакта с холодильником. Затем цикл повторяется (рисунок 2.1).
Итак, цикл Карно состоит из следующих термодинамических процессов: изотермического 34; адиабатического 41; изотермического 12 и адиабатного 23.
При количественном анализе цикла Карно необходимо обращаться к формулам и определениям, рассмотренным нами ранее в разделе 1.
Так, для изотермического процесса 34 :
Qн = L 34 = (М/μ)RТн.ln(V4/V3), (2.1.1)
а для изотермического процесса 12:
Qх = L12 = (М/μ)RТхln(V2/V1). (2.1.2)
Полезная работа цикла определяется алгебраической суммой: L0 = L34 + L12. С другой стороны, полезная работа совершается за счет алгебраической суммы теплот L0 = Qн + Qх. Таким образом, энергетический баланс запишется в виде:
Qн + Qх = L34 + L12 = (М/μ)R(Тн ln(V4/V3) - Тх ln(V1/V2). (2.1.3)
Используя уравнения адиабаты, для точек 4 и 1: р4 V4k= р1V1k и для точек 2, 3: р3 V3k = р2 V2k, применяя так же уравнения изотерм: р3V3 = р4V4 ( 34) и р1V1 = р2 V2 ( 12), найдем соотношение: V4/V3 = V1/V2 . Последнее позволит упростить уравнение (2.1.3):
Qн + Qх = (М/μ)R(Тн - Тх)ln(V4/V3) . (2.1.4)
Последняя формула позволит определить термический коэффициент полезного действия цикла Карно (). Согласно определению, он равен отношению полезно затраченной теплоты ко всей исходной теплоте процесса:
= (Qн + Qх)/Qн.
Подставляя в определительное уравнение для выражения из формул (2.1.4) и (2.1.1) найдем:
(2.1.5)
К.П.Д. цикла Карно с идеальным газом зависит только от абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Идеальный теоретический цикл Отто (рисунок 2.2) характеризует работу 4-хтактного двигателя, в котором газотопливная смесь наполняет цилиндр при ходе поршня к нижней мертвой точке - НМТ (четвертый такт), а затем при обратном ходе поршня к верхней мертвой точке - ВМТ (первый такт) смесь сжимается и возле ВМТ срабатывает система зажигания. Топливо воспламеняется и отдает свое тепло Qн практически при постоянном объеме (состояние 2 на рисунке 2.2). затем следует второй такт, в котором происходит адиабатическое расширение газов. В конце этого процесса (состояние 3) открывается выпускной клапан и газы теряют тепло (Qх) в окружающую среду. Последний процесс происходит тоже при почти постоянном объеме. Третий такт практически завершает удаление отработавших газов в атмосферу.
Таким образом, идеальный термодинамический цикл Отто состоит (см. рисунок 2.2) из адиабатического процесса сжатия: 12, изохорического ввода теплоты Qн: 13, адиабатического расширения газов: 34 и изохорического отвода теплоты Qх: 41.
При количественном анализе циклов двигателей внутреннего сгорания выявляют следующие величины.
Степень сжатия двигателя:
= V1/V2 = (V2 + Vh)/V2, (2.2.1)
где Vh - рабочий объем цилиндра.
Степень повышения давления:
= р3/р2 . (2.2.2.)
Термический к.п.д.: = Lt /Qн.
В рассматриваемом идеальном цикле теплота теряется лишь при передаче холодильнику (процесс 41), поэтому можно записать:
= (Qн + Qх)/Qн . (2.2.3)
Величины теплот выразим через характеристики изохорных процессов 23 и 41 :
Qн = M сv (Т3 - Т2)
и
Qх = M сv (Т1 - Т4). (2.2.4)
После подстановки и преобразований получим:
(2.2.5)
На основании рассмотренных ранее термодинамических соотношений можно получить: для адиабаты 12 Т2 = Т1k-1 ; для изохоры 23 Т3 = Т2 . = Т1..k-1 ; для адиабаты 34 Т4 = Т3 . 1-k = Т1 . . После подстановки и преобразований получаем:
(2.2.6)
Среднее давление цикла. Определяется согласно усредняющей формуле:
р0= L0/Vh. (2.2.7)
Работа в данном цикле совершается лишь в адиабатических процессах :12- сжатие (работа L12) и 34 -расширение (работа L34 ). Поэтому L0= L34 + L12.
Величины работ выразятся уравнением:
; . (2.2.8)
После подстановок и преобразований получим следующее расчетное уравнение
. (2.2.9)
В данном цикле поршень, совершая первый такт, сжимает воздух до достаточно высоких давлений (30 - 40 . 105 Па) Растет температура, применяются также более высокие степени сжатия (14-22). При приближении поршня к ВМТ в верхний объем цилиндра над поршнем впрыскивается под значительным давлением топливо. Физические показатели процесса в этот момент таковы, что топливо самовоспламеняется. Так как топливо постепенно поступает через форсунку, то резкого повышения давления не наблюдается и поэтому можно считать, что тепло (Qн) поступает в процесс при постоянстве давления. Таким образом в начале второго такта выполняется изобарический
процесс (23, рисунок 2.3).
Далее второй такт осуществляется адиабатически (34) и заканчивается как и в цикле Отто изохорическим (41) выведением теплоты (Qх) холодильнику (окружающая среда). После полного выброса отработавших газов (третий такт) цилиндр заполняется воздухом (четвертый такт).
Равновесный теоретический цикл Дизеля составляется (рисунок 2.3) из последовательности процессов: адиабата 12 - сжатие, изобара 23 - расширение и подвод тепла, адиабата 34 - расширение и изохора 41 - отвод тепла. Также как и цикл Отто, данный цикл характеризуют: степенью сжатия =V1/V2 , термическим к.п.д. (), Средним давление цикла р0 = L0/Vh . Имеется и характерный только для этого цикла параметр - степень предварительного расширения:
= V3/V2 . (2.2.10)
При количественном рассмотрении цикла найдем вначале выражение для к.п.д. Определительная формула: = (Qн + Qх)/Qн. Величину Qн найдем, рассматривая изобарныий процесс 23, а величину Qх по формулам изохорного процесса:
Qн = M ср(Т3 - Т2);
и
Qх = Mсv(Т1 - Т4). (2.2.11)
Подставляя найденные величины в уравнение для к.п.д., а также заменяя значения температур Т3,Т2,Т4, выраженные через Т1 после записи соотношений для частных термодинамических процессов Т2 = Т1k-1 (из уравнений адиабаты 12);
Т3 = Т2 = Т1 k-1 (из уравнений изобары 23) ; Т4 = Т3 1-k = Т1 k , получим в итоге:
. (2.2.12)
Среднее давление цикла найдем, определив все работы цикла: работу изобарического расширения L23 = (М/)R(Т3 - Т2); работу адиабатического расширения L34 = (М/μ)(k - 1)-1 R(Т3 - Т4); работу адиабатического сжатия L12 = (М/μ)(k- 1)-1R (Т2 - Т1). Полная работа цикла определится алгебраической суммой L0 = L23 + L34 + L21. После подстановки в эту сумму слагаемых и преобразований получим вначале:
. (2.2.13)
Затем, определяем среднее давление цикла ( р0 = L0/Vh). Для этого выражаем величину Vh через V1 : Vh = V1 (1 - 1/), а затем вводим р1 = (М/μ)RТ1 V1-1. В итоге получим выражение:
. (2.2.14)
Смешанный цикл (рисунок 2.4) состоит из адиабатического процесса сжатия 12, изохорического процесса 23, изобарического процесса расширения газов 34, адиабатического расширения 45 и изохорического процесса 51. В процессе 1-2 сжимается воздух, с состояния 2 в систему впрыскивается топливо и начинает сгорать поставляя теплоту Q1, после достижения состояния 3 топливо продолжает сгорать поставляя на участке 34 тепло Q2. Соотношение величин Q1 и Q2 зависит от момента впрыска топлива и поддается плавной регулировке, что делает цикл хорошо управляемым. На участке 51 происходят процессы отдачи теплоты в окружающую среду (холодильник).
Смешанный тепловой цикл как и прежде рассмотренные циклы двигателей внутреннего сгорания характеризуется во многом уже известными параметрами и характеристиками. Вывод формул для количественного выражения параметров цикла аналогичен рассмотренным в теоретических разделах методических указаний.
Параметры и характеристики цикла.
Степень сжатия: = V1/V2.
Степень предварительного расширения:
= V4/V3 = V4/V2.
Степень повышения давления:
= р3/р2 = р4/р2 .
Термический к.п.д.:
. (2.2.15)
Теплоты цикла:
Qн = Q1 + Q2 = Mсv(Т3 - Т2) + Mср (Т4 - Т3) ,
и
Qх = Mсv (Т1 - Т5). (2.2.16)
Работа цикла:
. (2.2.17)
Среднее давление цикла:
, (2.2.18)
где р0 = L0/Vh , Vh = V1 - V2 .
Выбор вариантов заданий проводить по таблице 3.1 и далее в таблице 3.2 - 3.5.
Условие задания
Над рабочим телом (идеальный газ) проводится термодинамический процесс. Для вариантов 11-15 (таблица 3.2) изотермический; 21- 25 (таблица 3.3) изохорной ; 31- 35 (таблица 3.4) изобарный ; 41- 45 (таблица 3.5) адиабатный.
Соответствующие параметры процессов как исходные, так и отыскиваемые приведены по вариантам в соответствующих таблицах.
Пояснения и вопросы к заданию 1
Вычислить параметры, помеченные в таблице знаком вопроса (?). Построить диаграмму процесса и ответить на вопросы.
1) Что означает положительное или отрицательное значение величин Q, L, ΔU и Н?
2) Что происходит с рабочим телом и окружающей средой при изменении их состояний?
3) Возможно ли в заданном процессе совершение работы рабочим телом и одновременное увеличение его температуры?
4) Если нет (вопрос 3), то как изменяются при этом энергетические состояния рабочего тела и окружающей среды?
Обозначения: р1, р2 , V1, V2, Т1, Т2 - начальные и конечные значения давления, объема и температуры газа; Q , L - теплота и работа процесса; ΔU = U2 - U1 , ΔН = Н1 - Н2 - изменения внутренней энергии и энтальпии газа; сv, ср - удельные изохорная и изобарная теплоемкости газа; М - масса газа; - молярная масса; R = 8314 Дж/(кмоль.К) - универсальная газовая постоянная.
Таблица 3.1- Варианты для задания 1
|
Последняя цифра зачетной книжки |
||||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
вари- |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
|
анты |
41 |
31 |
42 |
32 |
43 |
33 |
44 |
34 |
45 |
35 |
Таблица 3.2-Варианты задания 1 для изотермического процесса
|
Параметры |
ВАРИАНТЫ |
||||
|
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
|
Т , К |
1000 |
? |
1000 |
800 |
? |
|
V1 , м3 |
2 . 10-3 |
2 . 10-3 |
2 . 10-3 |
2 . 10-3 |
4 . 10-3 |
|
V2 , м3 |
8 . 10-3 |
10 . 10-3 |
? |
? |
20 . 10-3 |
|
р1 , Па |
? |
? |
20 . 105 |
40 . 105 |
? |
|
р2 , Па |
? |
? |
2 .105 |
2 . 105 |
? |
|
L0 , Дж |
? |
16000 |
? |
? |
? |
|
Окончание таблицы 3.2 |
|||||
|
Q , Дж |
? |
? |
? |
? |
10000 |
|
M , кг |
2 . 10-3 |
2 . 10-3 |
? |
? |
20 . 10-3 |
|
μ, кг (газ) |
2 (Н2) |
2 (Н2) |
32 (О2) |
44 (СО2) |
28 (СО) |
Таблица 3.3-Варианты задания 1 для изохорического процесса
|
Параметры |
ВАРИАНТЫ |
||||
|
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
|
|
V, м3 |
25 . 10-3 |
? |
100 . 10-3 |
70 . 10-3 |
20 . 10-3 |
|
Т1 , К |
? |
500 |
600 |
1200 |
400 |
|
Т2 , К |
? |
? |
? |
? |
? |
|
р1 , Па |
2 . 105 |
3 . 105 |
6 . 105 |
2,85 . 105 |
1,6 . 105 |
|
р2 , Па |
10 . 105 |
9 . 105 |
? |
? |
? |
|
Q , Дж |
? |
65000 |
? |
- 65000 |
? |
|
U2 - U1 , Дж |
? |
? |
? |
? |
25000 |
|
M, кг |
28 . 10-3 |
56 . 10-3 |
60 .. 10-3 |
64 . 10-3 |
? |
|
μ,, кг |
28 |
28 |
2 |
32 |
28 |
|
сv , Дж/кг. К (газ) |
1480 (N2) |
1480 (N2) |
10400 (Н2) |
1300 (О2) |
1040 (СО) |
Таблица 3.4-Варианты задания 1 для изобарического процесса
|
Параметры |
ВАРИАНТЫ |
||||
|
31 |
32 |
33 |
34 |
35 |
|
|
Р = Р1 = Р2, Па |
30 . 105 |
20 . 105 |
25 . 105 |
23 . 105 |
34 . 105 |
|
V1 , м3 |
3 . 10-3 |
2 . 10-3 |
10 . 10-3 |
9 . 10-3 |
3 . 10-3 |
|
V2 , м3 |
9 . 10-3 |
10 . 10-3 |
? |
? |
8 . 10-3 |
|
Т1 , К |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Т2, К |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Q, Дж |
? |
? |
- 70000 |
? |
? |
|
U2 - U1, Дж |
? |
? |
? |
- 37420 |
? |
|
Н2 - Н1, Дж |
? |
? |
? |
? |
? |
|
L , Дж |
? |
? |
? |
- 15000 |
? |
|
M, кг |
28 . 10-3 |
2 . 10-3 |
32 . 10-3 |
28 . 10-3 |
44 . 10-3 |
|
μ , кг |
28 |
2 |
32 |
28 |
44 |
|
сv, Дж/кг.К ср,Дж/кг.К (газ) |
740 1000 (N2) |
1040 1460 (Н2) |
650 900 (О2) |
740 1000 (СО) |
820 1000 (СО2) |
Таблица 3.5-Варианты задания 1 для адиабатического процесса
|
Параметр |
ВАРИАНТЫ |
||||
|
41 |
42 |
43 |
44 |
45 |
|
|
Т1 , К |
600 |
300 |
? |
300 |
300 |
|
Т2 , К |
? |
500 |
1000 |
? |
? |
|
Р1 , Па |
20 . 105 |
? |
? |
1,5 . 105 |
1 . 105 |
|
Р2 , Па |
1,76 . 105 |
? |
2 . 105 |
? |
20 . 105 |
|
V1 , м3 |
? |
1,6 |
? |
1,0 |
3,0 |
|
V2 , м3 |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Q , кДж |
? |
? |
? |
? |
? |
|
L0, кДж |
? |
? |
- 300 |
? |
? |
|
U, кДж |
? |
? |
? |
400 |
? |
|
M , кг |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
? |
2 |
Газ - азот (N2). Молярная масса - 28кг. сv = 740 Дж/кг.К. ср = 1000Дж/кг.К
Условие задания
В таблицах 3.7 - 3.10 приведены (по вариантам) количественные данные о некоторых параметрах состояний идеального газа, участвующего в качестве рабочего тела в циклах идеального теплового двигателя. Двигатель работает по теоретическим моделям циклов -
Варианты - 51 - 55 , цикл Карно, таблица 3.7;
61 - 65 , цикл Отто, таблица 3.8 ;
71 - 75 , цикл Дизеля , таблица 3.9 ;
81 - 85 , цикл Тринклера, таблица 3.10.
Состояния газа изменяются в циклах от начального (1) по маршруту:
12341 или 122'34 (цикл Тринклера).
Пояснения к заданию 2
1) Вычислить все параметры цикла, не заданные в таблицах.
2) Построить диаграммы р = (V) схематически для реального и количественно для теоретического циклов.
3) Описать особенности реальных процессов, происходящих в соответствующем данному циклу 4-х тактном двигателе.
4) Указать наименование (согласно принятым в литературе) частных термодинамических процессов, составляющих цикл.
5) Рассчитать количество теплоты, полученной рабочим телом от нагревателя (Qн) и отданной холодильнику (Qх).
6) Вычислить полезную работу цикла (L0), термический коэффициент полезного действия цикла (), среднее давление цикла (p0), степень сжатия (), степень повышения давления (), степень предварительного расширения (цикл Тринклера - ).
7) Приводя данные о рассчитанных величинах поясните их смысловое и количественное содержание.
8) Как необходимо изменить параметры заданного цикла, чтобы повысить его КПД и среднее давление?
Обозначения: Рi, Тi, Vi - давление, температура и объем газа в соответствующих состояниях; Qн , Qх – соответственно теплоты - полученная от нагревателя и отданная холодильнику; Q1, Q2 - теплоты полученные рабочим телом в цикле Тринклера на участках: 23 и 34; L0 - полезная работа цикла; p0 - среднее давление цикла; Vh - объем цилиндра от НМТ до ВМТ; = V1/V2 - степень сжатия;
= Р3/Р2 - степень повышения давления; = V3/V2 - степень предварительного расширения (цикл Тринклера); М - масса газа; - молярная масса газа; сv , ср - удельные изохорическая и изобарическая теплоемкости газа; k = ср/сv - показатель адиабаты; R = 8314 Дж/кмоль.К – универсальная газовая постоянная.
Во всех вариантах в качестве рабочего тела рассматривать воздух. Принять:
M = 1,0 кг ; μ = 29 кг ; сv = 716 Дж/ кг.К ; ср = 1024 Дж/кг.К.
Выбор вариантов проводить по таблице 3.6. и далее по таблицам 3.7 - 3.10
Таблица 3.6-Варианты для задания 2
|
|
Предпоследняя цифра зачетной книжки |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
Вари- анты |
51 |
52 |
53 |
54 |
55 |
61 |
62 |
63 |
64 |
65 |
|
81 |
82 |
83 |
84 |
85 |
71 |
72 |
73 |
74 |
75 |
Таблица 3.7-Данные к вариантам по циклу Карно
|
Параметры |
ВАРИАНТЫ |
||||
|
51 |
52 |
53 |
54 |
55 |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Р1, Па |
1,2 . 105 |
1,1 . 105 |
0,8 , 105 |
1,3 . 105 |
1,0 . 105 |
|
Т1, К |
300 |
300 |
? |
320 |
? |
|
V1, м3 |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Р2, Па |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Т2, К |
? |
? |
? |
? |
? |
|
V2, м3 |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Р3, Па |
20 . 105 |
40 . 105 |
? |
35 . 105 |
? |
|
Т3, К |
600 |
700 |
? |
800 |
? |
|
V3, м3 |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Р4, Па |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Т4, К |
? |
? |
600 |
? |
700 |
|
V4 , м3 |
? |
? |
0,2 |
? |
0,1 |
|
M, кг |
1,0 |
2,0 |
1,0 |
2,0 |
1,0 |
|
Qн, кДж |
? |
? |
80,0 |
? |
70,0 |
|
Qх, кДж |
? |
? |
? |
? |
? |
|
L0, кДж |
? |
? |
? |
? |
? |
|
, % |
? |
? |
? |
? |
? |
Таблица 3.8-Данные к вариантам по циклу Отто
|
Парамеры |
ВАРИАНТЫ |
||||
|
61 |
62 |
63 |
64 |
65 |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
р1, Па |
1 . 105 |
? |
? |
? |
1 . 105 |
|
Т1, К |
373 |
? |
400 |
? |
500 |
|
V1, м3 |
? |
? |
1,3 |
1,0 |
? |
|
р2, Па |
? |
18 . 105 |
? |
? |
? |
|
Т2, К |
? |
800 |
? |
? |
? |
|
V2, м3 |
? |
? |
0,13 |
? |
? |
|
р3, Па |
? |
? |
40 . 105 |
20 . 105 |
? |
|
Т3, К |
? |
? |
? |
1300 |
? |
|
V3, м3 |
? |
? |
? |
? |
? |
|
р4, Па |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Т4, К |
? |
? |
? |
? |
? |
|
V4, м3 |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Qн, кДж |
? |
? |
? |
330 |
? |
|
Qх, кДж |
? |
? |
? |
? |
? |
|
L0, кДж |
? |
? |
? |
? |
300 |
|
, % |
? |
? |
? |
? |
63 |
|
р0, Па |
? |
? |
? |
? |
? |
|
|
1,6 |
1,5 |
? |
? |
? |
|
|
6 |
8 |
? |
? |
? |
Таблица 3.9-Данные к вариантам по циклу Дизеля
|
ВАРИАНТЫ |
ПАРАМЕТРЫ |
|||
|
Т1, К |
р1, Па |
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
71 |
320 |
0,9 . 105 |
12 |
2 |
|
72 |
330 |
1 . 105 |
16 |
2 |
|
73 |
320 |
1 . 105 |
12 |
4 |
|
74 |
380 |
1 . 105 |
20 |
2 |
|
75 |
380 |
1 . 105 |
14 |
3 |
Таблица 3.9-Данные к вариантам по циклу Тринклера
|
ВАРИАТЫ |
ПАРАМЕТРЫ |
||||
|
Т1, К |
р1, Па |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
81 |
320 |
1 . 105 |
10 |
1,7 |
1,4 |
|
82 |
330 |
2 . 105 |
10 |
1,7 |
1,7 |
|
83 |
350 |
1 . 105 |
14 |
1,7 |
1.4 |
|
84 |
300 |
1,5 . 105 |
16 |
1,5 |
1,7 |
|
85 |
350 |
3 . 105 |
16 |
1,7 |
1,4 |
Учебно-методическое и информационное обеспечение контрольной работы
Основная литература
1. Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания : учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] : в 3-х кн. Кн.1 : Теория рабочих процессов / В.Н.Луканин, К.А.Морозов, А.С.Хачиян [и др.] ; под ред. В.Н. Луканина, М.Г. Шатрова.- 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 2012. - 479 с.
2. Луканин В.Н. Теплотехника : учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] / В.Н. Луканин, М.Г., М.Г.Шатров [и др.] ; под ред. В.Н.Луканина. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Академия, 2009. - 671 с.
3. Шатров М.Г. Автомобильные двигатели : учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] / М.Г.Шатров, К.А.Морозов [и др.] ; под. ред. М.Г.Шатрова. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 464 с.
4. Скачкова С.С. Термодинамика и рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания : учебное пособие для вузов [Гриф УМО] : в 2 ч. Ч. 1: Основы термодинамики и теплообмена / С.С. Скачкова, Т.Г. Михайлова. - Екатеринбург: Изд-во ФГАУ ВПО «Рос. Гос. проф.-пед. ун-т», 2010. - 158 с.
Дополнительная литература
1. Железко Б.Е. Термодинамика, теплопередача и двигатели внутреннего сгорания : учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] / Б.Е. Железко, В.М. Адамов [и др.] . - Мн. : Высшая школа., 1985. - 271 с.
2. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учебник для вузов учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] / А.И. Колчин,
В.П. Демидов. – М. : Высшая школа, 2002. - 496 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Российский государственный профессионально-педагогический университет»
Машиностроительный институт
Кафедра автомобилей
конторольная РАБОТА
по дисциплине
«ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»
вариант № ХХ
Исполнитель:
студент группы ХХХХХХ ХХХХХХХХ
Проверил:
доцент кафедры АТ,
канд. техн. наук ХХХХХХХХ
Екатеринбург 2013
Задания и методические указания
к выполнению контрольных работ по дисциплине
«Транспортная энергетика»
Подписано в печать Формат 60х84/16. Бумага для множ. аппаратов.
Печать плоская. Усл.печ.л. Уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ
ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет». Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11.
Ризограф ФГАОУ ВПО РГППУ. Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11.