Билет№19

1.Теплоёмкость идеального газа. Уравнение Майера

Теплоёмкость тела характеризуется количеством теплоты, необходимой для нагревания этого тела на один градус:

(4.2.1)

       Размерность теплоемкости: [C] = Дж/К.

       Однако, теплоёмкость – величина неопределённая, поэтому пользуются понятиями удельной и молярной теплоёмкости.

       Удельная теплоёмкость (С_уд) есть количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на 1 градус [C_уд] = Дж/К.

       Для газов удобно пользоваться молярной теплоемкостью Cμ- количество теплоты, необходимое для нагревания 1 моля газа на 1 градус:

(4.2.2)

       [Cμ] = Дж/(моль×К).

       Из п. 1.2 известно, что молярная масса – масса одного моля:

       где А – атомная масса; m_ед - атомная единица массы; N_А - число Авогадро; моль μ – количество вещества, в котором содержится число молекул, равное числу атомов в 12 г изотопа углерода ¹²С.

       Теплоёмкость термодинамической системы зависит от того, как изменяется состояние системы при нагревании.

       Если газ нагревать при постоянном объёме, то всё подводимое тепло идёт на нагревание газа, то есть изменение его внутренней энергии. Теплоёмкость при этом обозначается С_V.

       С_Р – теплоемкость при постоянном давлении. Если нагревать газ при постоянном давлении Р в сосуде с поршнем, то поршень поднимется на некоторую высоту h, то есть газ совершит работу (рис. 4.2).

Рис. 4.2

       Следовательно, проводимое тепло затрачивается и на нагревание и на совершение работы. Отсюда ясно, что .

       Итак, проводимое тепло и теплоёмкость зависят от того, каким путём осуществляется передача тепла. Значит, Q и С не являются функциями состояния.

       Величины С_Р и С_V оказываются связанными простыми соотношениями. Найдём их.

       Пусть мы нагреваем один моль идеального газа при постоянном объёме(dA = 0). Тогда первое начало термодинамики запишем в виде:

,

(4.2.3)

       т.е. бесконечно малое приращение количества теплоты равно приращению внутренней энергии dU.

       Теплоемкость при постоянном объёме будет равна:

,

(4.2.4)

       В общем случае

,

       так как U может зависеть не только от температуры. Но в случае идеального газа справедлива формула (4.2.4).

       Из (4.2.4) следует, что

,

,

(4.2.5)

      Внутренняя энергия идеального газа является только функцией температуры (и не зависит от V, Р и тому подобных), поэтому формула (4.2.5) справедлива для любого процесса.

       Для произвольной идеальной массы газа:

,

(4.2.6)

       При изобарическом процессе, кроме увеличения внутренней энергии, происходит совершение работы газом:

.

.

(4.2.7)

       Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории . При изобарическом процессе Р = const. Следовательно, из (4.2.7) получим:

.

(4.2.8)

      Это уравнение Майера для одного моля газа.

       Из этого следует, что физический смысл универсальной газовой постоянной в том, что R – численно равна работе, совершаемой одним молем газа при нагревании на один градус в изобарическом процессе.

       Используя это соотношение, Роберт Майер в 1842 г. вычислил механический эквивалент теплоты: 1 кал = 4,19 Дж.

       Полезно знать формулу Майера для удельных теплоёмкостей:

.

       или

.

2. период задержки самовоспламенения

Жесткость работы дизеля. Процесс сгорания, протекающий с весьма быстрым нарастанием давления, сопровождается сильными стуками в цилиндре двигателя, т. е. очень жесткой работой двигателя. Чем больше период задержки самовоспламенения, тем большее количество топлива сгорает во второй период и тем жестче работает двигатель. Установлено, что интенсивность стука в камере сгорания возрастает с увеличением угла между касательной к кривой давления второго периода сгорания и осью абсцисс. Процессы в период задержки самовоспламенения. Рассмотрим основные процессы, протекающие в период задержки самовоспламенения. Согласно последним воззрениям, основанньим на теоретических экспериментальных исследованиях, самовоспламенению и сгоранию частицы топлива в цилиндре дизеля предшествует испарение топлива. Но, помимо этого физического процесса, в период подготовки топлива к самовоспламенению и сгоранию протекают и химические процессы. О характере этих процессов и последовательности их прохождения существует несколько теорий. Однако в настоящее время придерживаются следующей схемы самовоспламенения топлива в цилиндре двигателя. Под действием высокой температуры сжатого воздуха происходит ослабление связи между атомами углерода и водорода. Водород выделяется. Образуются продукты первичного окисления, так называемые пероксиды или органические перекиси. Пероксиды, как весьма неустойчивый продукт, быстро распадаются. Выделяемое при этом тепло (экзотермическая реакция) увеличивает скорость расщепления остальных молекул топлива и скорость окислительных реакций. Начинается самовоспламенение топлива; оно переходит в сгорание, выражаемое появлением пламени, заметным повышением давления и образованием вначале промежуточных соединений, а затем и конечных продуктов сгорания. Следовательно, задержка самовоспламенения топлива создается такими физическими и химическими процессами, как нагревание, испарение, первичное окисление и расщепление молекул. Период задержки самовоспламенения зависит от количества затраченного и полученного в процессе тепла и определяется факторами, при которых протекает физико-химическая подготовка топлива к самовоспламенению. Эти факторы можно разбить на три группы: химические, термодинамические и гидродинамические.

К определению скорости нарастания давления в цилиндре дизеля 1. Химические факторы. Химическими факторами можно считать химическую структуру топлива (родтоплива); химические присадки к топливу; концентрацию остаточных газов в среде камеры сгорания.

Род топлива. Основным из этих факторов является химическая структура топлива, имеющая главное -влияние на продолжительность периода задержки самовоспламенения. При оценке пригодности топлива для дизелей пользуются различными критериями. Наибольшее распространение получило цетановое число (ЦЧ). Цетановым числом называется процентное содержание (по объему) цетана (С16Н34) в смеси цетана с альфаметилнафталином (С10Н7СН3), которая имеет такой же период задержки самовоспламенения, как и испытуемое топливо. Способ оценки топлива по ЦЧ основан на отмеченных выше противоположных по термической стойкости свойствах алифатических и ароматических углеводородов. Цетан относится к парафинам и является продуктом переработки нефти, а альфаметилнафталин — к ароматикам и представляет собой продукт возгонки каменноугольной смолы. Определение цетановых чисел дизельных топлив производят на одноцилиндровом стандартном двигателе, специально оборудованном для таких испытаний дизельной головкой и имеющем переменную степень сжатия.

С понижением цетанового числа топлива увеличивается период задержки самовоспламенения, что приводит к увеличению нагрузки на подшипники и ухудшению пуска двигателя. Как показывают опыты, при повышении цетанового числа топлива с 30 до 60 удельное давление на подшипники уменьшается с 218 до 167 кг на см2. Химические присадки к топливу. Для повышения цетанового числа к дизельному топливу добавляют специальные синтетические вещества (присадки): органические перекиси, нитропродукты, альдегиды и др. Концентрация остаточных газов в рабочем воздухе. Опыты «показали, что при загрязнении рабочего воздуха остаточными газами повышается температура самовоспламенения ts и удлиняется период задержки самовоспламенения Такое отрицательное влияние возрастающего количества остаточных газов объясняется понижением концентрации кислорода в среде камеры сгорания.

2. Термодинамические факторы. Основными термодинамическими факторами, влияющими на период задержки самовоспламенения, следует считать температуру и давление воздуха рс в конце хода сжатия. При увеличении tc и рс период задержки самовоспламенения сокращается. При увеличении температуры tc повышаются скорость распада молекул углеводородов и скорость первоначальных химических реакций. При возрастании давления увеличивается плотность воздуха и благодаря этому повышается его теплопроводность, что ускоряет процесс подвода тепла к топливу. Известно, что температура и давление в конце сжатия зависят от степени сжатия двигателя, а также от температуры и давления воздуха в цилиндре в начале сжатия. Таким образом, термодинамическими факторами, влияющими на оказываются также степень сжатия, давление впускаемого в цилиндр воздуха при наддуве и дросселировании, температура воздуха при нагревании и охлаждении, а также температура охлаждающей воды и нагрузка двигателя, так скак все эти факторы изменяют значения tc и ps. На период влияет и угол опережения впрыскивания топлива. При слишком большом угле опережения топливо поступает в среду воздуха, имеющего пониженные температуру гс и давление pt , что способствует увеличению периода задержки самовоспламенения.

3. Гидродинамические факторы. Основным гидродинамическим фактором является скорость движения жидкого топлива в камере сгорания. От этой величины зависят мелкость распыливания впрыскиваемого топлива и скорость его нагревания и испарения. С увеличением скорости движения топлива и воздуха мелкость распыливания и теплообмен между воздухом и каплями топлива возрастают. Следовательно, процесс нагревания и испарения их ускоряется. Повышение скорости движения топлива относительно воздуха зависит от давления впрыскивания, диаметра соплового отверстия и от завихрения воздуха. Таким образом, эти величины должны оказывать влияние на физические процессы в первый период сгорания. Как показывают опыты, давление впрыскивания в диапазоне 150-700 кг/см2 незначительно изменяет период задержки самовоспламенения. Уменьшение диаметра соплового отверстия сокращает этот период. Последнее объясняется повышением мелкости распыливания (уменьшением радиуса капель). С увеличением завихрения (до известного предела) период задержки самовоспламенения сокращается. Однако при очень большом завихрении этот период возрастает, увеличивая скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания. Двигатель начинает работать жестко. Отрицательное влияние слишком большого завихрения на период задержки самовоспламенения объясняется интенсивной теплоотдачей от заряда к стенкам камеры сгорания и снижением благодаря этому температуры заряда в период подготовки топлива к самовоспламенению. Изменение закона подачи топлива (профиля кулачка насоса, длины нагнетательного трубопровода, соотношения между площадью поршня плунжера насоса и площадью проходных сечений сопловых отверстий форсунок) практически не оказывает влияния на период задержки самовоспламенения.

3. Основные дефекты и технологии ремонта КШМ

см. в конспект по Гаражу.

4.Основные уравнения расчета конвективных поверхностей нагрева котельных установок

Расчет конвективных пучков котла Конвективные поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара или горячей воды и в использовании теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания воде и пару. Продукты сгорания передают теплоту наружной поверхности труб путем конвекции и лучеиспускания. От наружной поверхности труб к внутренней теплота передается через стенку теплопроводностью, а от внутренней поверхности к воде и пару – конвекцией. Таким образом, передача теплоты от продуктов сгорания к воде и пару представляет собой сложный процесс, называемый теплопередачей. При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняется для одного кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или одного м³ газа при нормальных условиях. Уравнение теплопередачи . (7.1) Уравнение теплового баланса . (7.2) В этих уравнениях К коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева, Вт/(м²·К); t температурный напор, °С; В_р расчетный расход топлива, кг/с или м^з/с; Н расчетная поверхность нагрева, м²;  коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения; I, I энтальпии продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/кг или кДж/м³; количество теплоты, вносимое присасываемым в газоход воздухом, кДж/кг или кДж/м³. В уравнении (7.1) коэффициент теплопередачи К является расчетной характеристикой процесса и всецело определяется явлениями конвекции, теплопроводности и теплового излучения. Из уравнения теплопередачи ясно, что количество теплоты, переданное через заданную поверхность нагрева, тем больше, чем больше коэффициент теплопередачи и разность температур продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Очевидно, что поверхности нагрева, расположенные в непосредственной близости от топочной камеры, работают при большей разности температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей теплоту среды. По мере движения продуктов сгорания по газовому тракту температура их уменьшается и хвостовые поверхности нагрева (водяной экономайзер, воздухоподогреватель) работают при меньшем перепаде температур продуктов сгорания и нагреваемой среды. Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от топочной камеры, тем большие размеры должна она иметь и тем больше металла расходуется на ее изготовление. При выборе последовательности размещения конвективных поверхностей нагрева в котлоагрегате стремятся так расположить эти поверхности так, чтобы разность температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей среды была наибольшей. Например, пароперегреватель располагают сразу после топки или фестона, поскольку температура пара выше температуры воды, а водяной экономайзер – после конвективной поверхности нагрева, потому что температура воды в водяном экономайзере ниже температуры кипения воды в паровом котле. Уравнение теплового баланса (7.2) показывает, какое количество теплоты отдают продукты сгорания воде или пару через конвективную поверхность нагрева. Количество теплоты Q₆, отданное продуктами сгорания, приравнивается к теплоте, воспринятой водой или паром. Для расчета задаются температурой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и затем уточняют ее путем последовательных приближений. В связи с этим расчет ведут для двух значений температуры продуктов сгорания после рассчитываемого газохода. Расчет конвективных поверхностей нагрева рекомендуется производить в следующей последовательности: 1. По чертежу определяются конструктивные характеристики рассчитываемого конвективного газохода: площадь поверхности нагрева, шаг труб и рядов (расстояния между осями труб), диаметр труб, число труб в ряду, число рядов труб и площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания. Площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газоходе (м²), Н = ∙d∙l∙n, (7.3) где d  наружный диаметр труб, м; l длина труб, расположен­ных в газоходе, м; n  общее число труб, расположенных в газоходе. Из чертежа котлоагрегата определяются: S₁ поперечный шаг труб (в поперечном направлении по отношению к потоку), рис. 7.1, м; S₂ продольный шаг труб (в продольном направлении по отношению к потоку), м; z₁ число труб в ряду; z₂ число рядов труб по ходу продуктов сгорания. По конструктивным данным подсчитываются относительный поперечный шаг и относительный продольный шаг . Площадь живого сечения (м²) для прохода продуктов сгорания: при поперечном смывании гладких труб F = a∙b – z₁∙l∙d; (7.4) при продольном смывании гладких труб , (7.5) где а и b  размеры газохода в расчетных сечениях, м; l длина проекции труб), м; длина труб (при изогнутых трубах  z число труб в пучке.

5. Техника безопасности при обслуживании работающих ДВС

4.2. Двигатели внутреннего сгорания

 

4.2.1. Подготовка и проведение работ по техническому обслуживанию и ремонту главных или вспомогательных двигателей производятся под руководством лица, ответственного за заведование, или руководителя работ.

В его обязанности входят: обеспечение согласованных действий специалистов, занятых работами по ТО, подготовка специнструмента, а также установка необходимых временных ограждений и вывешивание предупредительных знаков безопасности (табличек с соответствующими предупредительными надписями).

4.2.2. На весь период работ по ТО на неработающем двигателе должно быть введено в зацепление валоповоротное устройство (или установлено другое стопорное устройство), должны быть вывешены соответствующие предупредительные таблички. Необходимо перекрыть топливные, масляные, воздушные клапаны и клапаны системы охлаждения.

На судах с двумя двигателями, работающими на общий гребной вал через гидромуфту, двигатель, на котором будут производиться работы, должен быть надежно отключен от гидромуфты и должно быть включено валоповоротное или другое стопорное устройство.

После окончания работ валоповоротное устройство (или стопорное) должно быть отключено.

4.2.3. Люки картера двигателей внутреннего сгорания следует открывать через промежуток времени, устанавливаемый инструкцией завода-изготовителя (в случае остановки из-за перегрева деталей ЦПГ время до снятия люков увеличивается).

После открытия картера должна быть обеспечена его вентиляция, а также вентиляция машинных помещений. Для производства каких-либо работ в картере используются светильники или фонари во взрывобезопасном исполнении напряжением не более 12 В.

4.2.4. При демонтаже крышек цилиндров, форсунок, предохранительных и пусковых клапанов двигателей в случае их пригорания в посадочных стаканах для их подрыва следует применять съемные приспособления.

Перед демонтажом пусковых, впускных и выпускных клапанов, форсунок, предохранительных клапанов на неработающем двигателе следует открыть индикаторный кран для снятия давления в цилиндре.

4.2.5. Опрессовка форсунок главных и вспомогательных двигателей должна производиться в специально выделенных для этой цели помещениях с вытяжной вентиляцией, оборудованных испытательными стендами с предохранительными прозрачными колпаками.

4.2.6. После демонтажа цилиндровых крышек отверстия цилиндров двигателей должны быть закрыты деревянными крышками.

4.2.7. При спуске в цилиндр двигателя для выполнения замеров и других работ необходимо пользоваться изготовленным для этих целей трапом.

Ступеньки трапа должны быть выполнены из металлического четырехгранного прутка, поставленного на ребро. При работах в продувочных, выхлопных ресиверах запрещается просовывать руки в продувочные и выпускные окна.

Через отверстия снятых выпускных клапанов в крышках двигателей с прямоточно-клапанной продувкой разрешается производить предварительный осмотр полостей цилиндров.

4.2.8. Запрещается подтягивание резьбовых соединений топливных трубопроводов во время работы двигателя. При отыскании места разрывов в форсуночных трубках не допускается ощупывание трубки рукой.

4.2.9. Во избежание возможного скопления в воздухопроводах главных и вспомогательных двигателей паров масла взрывоопасной концентрации их надо продувать сжатым воздухом.