第3章 进排气系统中的热力过程计算.
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进排气系统热力过程计算第四节进、排气系统热力过程计算31 概述3-13-2 排气管内的热力过程计算(容积法)3-3 一维非定常流动方程3-4 特征线法3-5 特征线法计算的边界条件3-6 中冷器的计算3‐1 概述内燃机进、排气管系受其通道形状的影响,其内部具有明显的三维流动特征。
另外,由于通道的间断开启和活塞的周期运动,使进、排气系统内的流动具有非定常流动的性质。
根据进、排气管系统结构参数和运转参数的不同,这种非定常流动,将导致进、排气阀前后形成程度不同的压力波动,这种波动与缸内气体状态有很大关系,所以进、排气系统内的瞬时气体状态取决于缸内的气体状态和进、排气系统的分的瞬时气体状态取决于缸内的气体状态和进排气系统的分支情况;另一方面,进、排气阀处的压力波动对换气效果又有很大影响,反过来又将影响缸内热力过程。
若计算中考虑有很大影响反过来又将影响缸内热力过程若计算中考虑到进、排气系统的压力波动,就必须建立描述进、排气管系统中气体状态瞬时变化的微分方程式。
此外,在进行废气涡轮增压发动机的模拟计算时,还须将管路系统与废气涡轮增压器联系起来加以考虑。
因此,进、排气系统的热力过程计算既是复杂的又是非常重要的。
为了简化计算,对进、排气系统按不同的计算要求分别进行简化处理。
目前,管内流动的一般计算方法,大体分别进行简化处理目前管内流动的般计算方法大体可分为容积法、小扰动法、特征线法和差分法。
1.容积法:它把进、排气管系视为一个零维容器,忽略管内压力波动的传播,将实际的不稳定流动作为准稳定流动处理,内压力波动的传播将实际的不稳定流动作为准稳定流动处理认为状态参数只随时间变化.对中、低速柴油机或排气管相对来说较短的情况下,特别对中低速柴油机或排气管相对来说较短的情况下特别是为了求得整机综合热力参数或与涡轮增压器配合计算等,可以忽略管内压力波的传播,而用常微分方程对管内热力过程进行描述。
这样就避免使用复杂的运算,从而使计算大大简化,行描述这样就避免使用复杂的运算从而使计算大大简化运算时间亦可大大缩短。
(完整版)热力计算1. 水冷壁、锅炉管束、省煤器、过热器、再热器、凝渣管、空气预热器的作用是什么?水冷壁:(1)吸收炉膛内火焰的热量,是主要蒸发受热面,将烟气冷却到合适的炉膛出口温度。
(2)保护炉墙。
(3)悬吊敷设炉墙、防止炉壁结渣。
凝渣管:是蒸发受热面,进一步降低烟气温度,保护烟气下游密集的过热受热面不结渣堵塞。
锅炉管束:是蒸发受热面。
过热器:是过热受热面。
将锅炉的饱和蒸汽进一步加热到所需过热蒸汽的温度。
省煤器:(1)降低排烟温度,提高锅炉效率,节省燃料。
(2)充当部分加热受热面或蒸发受热面。
空气预热器:(1)降低排烟温度提高锅炉效率。
(2)改善燃料着火条件和燃烧过程,降低燃烧不完全损失,进一步提高锅炉效率。
(3)提高理论燃烧温度,强化炉膛的辐射传热。
(4)热空气用作煤粉锅炉制粉系统的干燥剂和输粉介质。
2. 水冷壁、省煤器、过热器、空气预热器可分为哪几类?各有什么优缺点?水冷壁可分为光管水冷壁和膜式水冷壁。
光管水冷壁优点:制造、安装简单。
缺点:保护炉墙的作用小,炉膛漏风严重。
膜式水冷壁:优点:对炉墙的保护好,炉墙的重量、厚度大为减少。
炉墙只需要保温材料,不用耐火材料,可采用轻型炉墙。
水冷壁的金属耗量增加不多。
气密性好,大大减少了炉膛漏风,甚至也可采用微正压燃烧,提高锅炉热效率。
蓄热能力小,炉膛燃烧室升温快,冷却亦快,可缩短启动和停炉时间。
厂内预先组装好才出厂,可缩短安装周期,保证质量。
缺点:制造工艺复杂。
不允许两相邻管子的金属温度差超过50 度,因要把水冷壁系统制成整体焊接的悬吊框式结构,设计膜式水冷壁时必须保证有足够的膨胀延伸自由,还应保证人孔、检查孔、看火孔以及管子横穿水冷壁等处有绝对的密封性。
省煤器:铸铁式省煤器:优点:耐腐蚀、耐磨损。
耐内部氧腐蚀、耐外部酸腐蚀。
缺点:承压能力低,铸铁省煤器的强度不高,即承压能力低。
不能做成沸腾式,否则易发生水击,损坏省煤器;易积灰,表面粗糙,胁制片间易积灰、堵灰;易渗漏,弯头多,法兰连接,易渗水漏水。
计算公式单位P发动机额定功率kWg发动机额定功率时的燃油消耗率g/kW.hα额定功率时的过量空气系数 1.2-2A燃烧1kg燃油所学的理论空气量kgγ空气密度(标准状态下)kg/m³Q额定空气体积流量m³/h 计算公式单位Q修正系数,Q=5-6,消声器级别越高,Q越大n发动机额定功率下的转速r/mini缸数τ冲程数Vst发动机排量LKt增压比V消声器理论所需容积L 计算公式单位n发动机额定功率下的转速r/minZv充量系数Vst发动机排量m³f冲程数Qi=n×Zv×Vst/60/f Qi内燃机进气流量m³/sTs内燃机进气温度KTe内燃机排气温度或者涡轮增压器出口温度Kv消声器前插入管的气流速度m/s Qo=Q×Te/Ts Qo内燃机排气流量m³/s F=Qo/v=πd1²/4F流通面积㎡d1=sqrt(4F/π)d1消声器进气管直径m 计算公式单位V=πab×L V消声器理论所需容积LL消声器长度mma消声器长半轴mmb消声器短半轴mmm扩张比9~16 S=πab S筒体截面积mm²S0=πd1²/4S0排气管截面积mm²d1排气管内径mmL/D纵横比消声器规格(mm)L/D排气管规格(mm)消声器理论容积(L)进气系统计算参数排气系统计算(消声器容积确定)参数排气系统计算(消声器进气管径即排气管直径确定)参数排气系统计算(消声器及排气管尺寸确定)参数排气系统计算(实际消声器及排气管尺寸确定)。
压缩机的热⼒性能和计算§2.2.1压缩机的热⼒性能和计算⼀、排⽓压⼒和进、排⽓系统(1)排⽓压⼒①压缩机的排⽓压⼒可变,压缩机铭牌上的排⽓压⼒是指额定值,压缩机可以在额定排⽓压⼒以内的任意压⼒下⼯作,如果条件允许,也可超过额定排⽓压⼒⼯作。
②压缩机的排⽓压⼒是由排⽓系统的压⼒(也称背压)所决定,⽽排⽓系统的压⼒⼜取决于进⼊排⽓系统的压⼒与系统输⾛的压⼒是否平衡,如图2-20所⽰。
③多级压缩机级间压⼒变化也服从上述规律。
⾸先是第⼀级开始建⽴背压,然后是其后的各级依次建⽴背压。
(2)进、排⽓系统如图所⽰。
①图a的进⽓系统有⽓体连续、稳定产⽣,进⽓压⼒近似恒定;排⽓压⼒也近似恒定,运⾏参数基本恒定。
②图b的进⽓系统有⽓体连续、稳定产⽣,进⽓压⼒近似恒定;排⽓系统为有限容积,排⽓压⼒由低到⾼逐渐增加,⼀旦达到额定值,压缩机停⽌⼯作。
③图c的进⽓系统为有限容积,进⽓压⼒逐渐降低;排⽓系统压⼒恒定,⼀旦低于某⼀值,压缩机停⽌⼯作。
④图d的进、排⽓系统均为有限容积,压缩机⼯作后,进⽓压⼒逐渐降低;排⽓系统压⼒不断升⾼,当进⽓系统低于某⼀值或排⽓系统⾼于某⼀值,压缩机停⽌⼯作。
⼆、排⽓温度和压缩终了温度(1)定义和计算压缩机级的排⽓温度是在该级⼯作腔排⽓法兰接管处测得的温度,计算公式如下:压缩终了温度是⼯作腔内⽓体完成压缩机过程,开始排⽓时的温度,计算公式如下:排⽓温度要⽐压缩终了温度稍低⼀些。
(2)关于排⽓温度的限制①汽缸⽤润滑油时,排⽓温度过⾼会使润滑油黏度降低及润滑性能恶化;另外,空⽓压缩机中如果排⽓温度过⾼,会导致⽓体中含油增加,形成积炭现象,因此,⼀般空⽓压缩机的排⽓温度限制在160°C以内,移动式空⽓压缩机限制在180°C以内。
②氮、氨⽓压缩机考虑到润滑油的性能,排⽓温度⼀般限制在160°C以内。
③压缩氯⽓时,对湿氯⽓的排⽓温度限制在100°C,⼲氯⽓的排⽓温度限制在130°C。
第3章 热力学第一定律3-1 一辆汽车 1 小时消耗汽油 34.1 升,已知汽油发热量为 44000kJ/kg ,汽油密度 0.75g/cm3 。
测得该车通过车轮出的功率为 64kW ,试求汽车通过排气,水箱散热等各种途径所放出的热量。
解: 汽油总发热量Q = 34.1×10-3m3 ×750kg/m3 ×44000kJ/kg =1125300kJ汽车散发热量Qout = Q-W ×3600 = (1125300-64×3600)kJ/h = 894900kJ/h3-2 气体某一过程中吸收了 50J 的热量,同时,热力学能增加 84J ,问此过程是膨胀过程还是压缩过程?对外作功是多少 J ?解 取气体为系统,据闭口系能量方程式 Q = ΔU +WW = Q -ΔU = 50J -84J = -34J所以过程是压缩过程,外界对气体作功 34J 。
3-3 1kg 氧气置于图 3-1 所示气缸内,缸壁能充分导热,且活塞与缸壁无磨擦。
初始时氧气压力为 0.5MPa ,温度为 27℃,若气缸长度 2l ,活塞质量为 10kg 。
试计算拔除钉后,活塞可能达到最大速度。
解:由于可逆过程对外界作功最大,故按可逆定温膨胀计算:w = RgT ln V2/ V1 = 0.26kJ/(kg •K)×(273.15+ 27)K图3-1 图3-2×ln(A×2h)/ (A×h)= 54.09kJ/kgW =W0 + m'/2*Δc 2 = p0(V2 -V1)+ m'/2*Δc 2 (a )V1 =m1RgT1/ p1=1kg×260J/(kg•K)×300.15K /0.5×106Pa = 0.1561m3 V2 = 2V1 = 0.3122m3代入(a)c2 = (2×(54.09J/kg×1kg×103-0.1×106Pa×0.1561m3)/10kg)1/2= 87.7m/s3-4 有一飞机的弹射装置,如图 3-2,在气缸内装有压缩空气,初始体积为 0.28m3 ,终了体积为0.99m3,飞机的发射速度为61m/s ,活塞、连 杆和飞机的总质量为 2722kg 。
气体主要热力过程的基本公式1.等容过程(isochoric process)在等容过程中,气体体积保持不变。
根据理想气体状态方程PV=nRT,结合理想气体的内能U=C_vT(其中C_v表示摩尔定容热容量),可以得到气体的内能和温度的关系为U2-U1=C_v(T2-T1)2.等压过程(isobaric process)在等压过程中,气体的压强保持不变。
根据理想气体状态方程PV=nRT,结合理想气体的焓H=U+PV(其中H表示焓),可以得到气体的焓和温度的关系为H2-H1=C_p(T2-T1)其中C_p表示摩尔定压热容量。
3. 绝热过程(adiabatic process)在绝热过程中,气体在没有与外界交换热量的情况下发生压缩、膨胀等过程。
根据绝热条件PV^γ=常数,可以得到气体压强和体积的关系为P2V2^γ=P1V1^γ其中γ=C_p/C_v表示绝热指数。
4.等温过程(isothermal process)在等温过程中,气体的温度保持不变。
根据理想气体状态方程PV=nRT,可以得到气体的压强和体积的关系为P1V1=P2V2综合以上各种过程,可以得到气体的理想热力方程为C_p(T2 - T1) - R(ln(V2/V1)) = 0其中 R 表示气体常数,对于摩尔气体,R = 8.314 J/(mol·K)。
另外,对于理想气体的内能和焓,还可以利用摩尔定热容量和摩尔焓的定义进行计算:U=nC_vTH=nC_pT其中C_v和C_p分别为摩尔定容热容量和摩尔定压热容量,n表示气体的物质量。
需要注意的是,以上公式都是在理想气体的情况下推导得到的,在实际情况下可能需要考虑相对论效应、分子间相互作用等因素。
此外,还有其他一些非常特殊的热力过程,如绝热绝热过程、多孔气体的热力过程等,其公式推导及应用较为复杂,对于一般的热力学应用来说已经足够。