ДЕПАРТАМЕНТ ПО АВИАЦИИ
МИНИСТЕРСТВА ТРАНСПОРТА И КОММУНИКАЦИЙ
Курсовая работа
По дисциплине «Термодинамика и теплопередача»
Тема «оценка термодинамического совершенства цикла Брайтона с регенерацией тепла. Расчёт теплообменного аппарата»
Выполнил: Студент гр.
Принял: Преподаватель
1.
Цель и задачи курсовой работы.
Цель курсовой работы – закрепить теоретические знания, полученные при изучении курса и научиться самостоятельно рассчитывать и анализировать термодинамические процессы в элементах двигателей и системах летательных аппаратов; производить анализ идеальных циклов авиационных двигателей;
2.
Содержание и объем работы
.
Работа содержит расчеты и анализы термодинамических процессов в элементах двигателей и системах л/а; анализ идеальных циклов авиационных двигателей; одновременные расчёты газовых потоков в элементах двигателей;
Введение
Техническая термодинамика является частью термодинамики – раздел теоретической физики. Объектом исследований технической термодинамики являются авиационные двигатели – тепловые машины, в которых изучаются закономерности взаимного превращения теплоты в работу, устанавливается взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, имеющими место в тепловых машинах. В качестве рабочего тела в авиационных двигателях используют воздух атмосферы Земли.
К параметрам состояния (свойствам рабочего тела) относят давление, температуру, удельный объём (или плотность) и др.
Исследование любой тепловой машины начинается с исследования ее идеального цикла. При этом переход от реальных циклов к идеальным производится при следующих допущениях:
1. Все процессы, образующие цикл, считаются обратимыми.
2. Рабочее тело идеализируется – химический состав его принимается неизменным во всех процессах цикла. Для циклов, в которых рабочим телом является газ, последний считается идеальным с неизменными физическими свойствами.
3. Цикл считается замкнутым, т.е. процессы смены рабочего тела не рассматриваются, а заменяются условным политропным процессом отвода теплоты q2
.
4. Процесс горения топлива заменяется условным политропным процессом подвода теплоты q1
.
Особенности цикла Брайтона.
а) рабочее тело – поток воздуха (открытая термодинамическая система);
б) сжатие производится в компрессоре – лопаточной машине, в которой механическая работа, подводимая к ротору компрессора, преобразуется в энергию давления. Поэтому степень повышения давления или степень сжатия ограничивается напорностью лопаточных аппаратов;
в) температура газа в точке «3» ограничивается из-за прочности турбины – лопаточной машины, в которой происходит преобразование тепловой энергии рабочего тела в механическую работу на валу;
г) давление в точке «4» равно давлению в точке «1», то есть выхлопные газы имеют только более высокую температуру по сравнению с атмосферным воздухом.
Регенерация теплоты является одним из средств повышения термодинамического КПД цикла. Основное отличие газотурбинного двигателя, работающего по циклу Брайтона с регенерацией теплоты, от обычных ТВД состоит в том, что он имеет теплообменный аппарат, через который протекают холодный воздух, сжатый в компрессоре, и горячие газы, выходящие из турбины. Вследствие обмена теплотой между ними происходит подогрев воздуха перед его поступлением в камеру сгорания и охлаждение горячих газов.
Под регенерацией тепла понимают использование с помощью специального теплообменника части тепла , уходящего из двигателя в атмосферу, для предварительного подогрева сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания из компрессора.
Регенерация тепла снижает количества внешней теплоты, подводимой к потоку в термодинамическом цикле и, следовательно, повышает экономичность двигателя.
Возможность использования регенерации тепла в авиационных двигателях невелика. В авиации стараются сделать летательный аппарат как можно легче, следовательно, специальный теплообменник, применяемый в данном процессе, из-за своих внушительных размеров противоречит этому.
Группа М
2
0
9
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по
дисциплине «Термодинамика и теплопередача»
Содержание пояснительной записки.
В первой части курсовой работы определение:
- параметров состояния рабочего тела в контрольных точках цикла Брайтона с регенерацией тепла;
- энергетических показателей термодинамических процессов, составляющих цикл Брайтона с регенерацией тепла;
- экономии топлива при использовании регенерации тепла в авиационных двигателях;
- возможность использования регенерации тепла в авиационных двигателях;
- термодинамического совершенства цикла Брайтона с регенерацией тепла по отношению к базовому циклу – циклу Карно.
Во второй части курсовой работы определение:
- коэффициентов теплоотдачи при вынужденном, конвективном теплообмене;
- критериев динамического и теплового подобия;
- основных параметров теплообменного аппарата.
Часть 1. Оценка термодинамического совершенства цикла Брайтона с регенерацией тепла.
Исходные данные для выполнения 1-й части курсовой работы:
1. Степень повышения давления рабочего тела
2. Степень подогрева
3. Степень регенерации (для цикла Брайтона с регенерацией тепла).
4. Параметры состояния в начальной точке цикла для всех вариантов:
5. Расход воздуха через двигатель .
| Вариант задания |
π |
Δ |
Степень регенерации |
| 32, 68 |
6 |
5,6 |
0,61 |
3.2.1. Расчёт параметров состояния в контрольных точках цикла Брайтона без регенерации тепла (рис.1)
Рис.1. Изображение цикла Брайтона в
p
-
v
координатах
Точка 1:
Т1
=288 К
р1
=101325 Па
Уравнение состояния идеального газа ;
.
Точка 2:
Давление:
, где π – степень повышения давления.;
Па;
Температура
, подставляем в формулу, получаем:
К;
Удельный объем:
;
Плотность:
Точка 3:
Давление:
Па;
Температура:
К, где – степень подогрева.
Удельный объем:
;
Плотность:
.
Точка 4:
Давление:
Па;
Температура:
К;
Удельный объем:
;
Плотность:
.
3.2.2. Расчёт энергетических показателей термодинамических процессов цикла Брайтона без регенерации тепла.
Процесс 1-2:
Изменение внутренней энергии рабочего тела, Дж/кг:
;
Деформационная работа, Дж/кг:
;
Техническая работа, Дж/кг:
;
Изменение теплосодержания рабочего тела, Дж/кг:
;
Удельная теплоемкость при постоянном давлении:
;
Количество теплоты, участвующее в процессе:
;
Изменение энтропии рабочего тела:
;
Удельная теплоемкость при постоянном объеме:
(уравнение Майера );
(показатель адиабаты ).
Процесс 2-3:
Изменение внутренней энергии рабочего тела, Дж/кг:
;
Деформационная работа, Дж/кг:
;
Техническая работа, Дж/кг:
;
Изменение теплосодержания рабочего тела, Дж/кг:
;
Количество теплоты, участвующее в процессе:
;
Изменение энтропии рабочего тела:
.
Процесс 3-4:
Изменение внутренней энергии рабочего тела, Дж/кг:
;
Деформационная работа, Дж/кг:
;
Техническая работа, Дж/кг:
;
Изменение теплосодержания рабочего тела, Дж/кг:
;
Количество теплоты, участвующее в процессе:
;
Изменение энтропии рабочего тела:
;
Процесс 4–1:
Изменение внутренней энергии рабочего тела, Дж/кг:
;
Деформационная работа, Дж/кг:
;
Техническая работа, Дж/кг:
;
Изменение теплосодержания рабочего тела, Дж/кг:
;
Количество теплоты, участвующее в процессе:
;
Изменение энтропии рабочего тела:
;
3.2.3. Расчёт энергетических показателей цикла Брайтона без регенерации тепла:
а) - удельная работа сжатия, Дж/кг;
б) - удельная работа расширения, Дж/кг;
в) - работа цикла (свободная энергия на выходе из тепловой машины), Дж/кг;
г) - количество тепла, подведенное к 1 кг рабочего тела в цикле, Дж/кг;
д) - - количество тепла, отводимое от рабочего тела в окружающую среду, Дж/кг;
е) - полезно использованное тепло в цикле, Дж/кг;
Совершенство термодинамического цикла Брайтона без регенерации тепла:
а) - термический КПД цикла Брайтона;
б) - термический КПД цикла Карно. Цикл Карно, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов (рис.2) и совершаемый в диапазоне температур Т
1
– Т
3
, является базовым для любого термодинамического цикла;
в) - совершенство заданного термодинамического цикла Брайтона
|
|
Рис.
2
. Цикл Карно в
p
,
v
координатах
«1 – 2» - адиабатический процесс сжатия;
«2 – 3» - изотермический процесс расширени –подвод теплоты
к рабочему телу
«
3 – 4» - адиабатический процесс расширения;
«4 – 1» - изотермический процесс сжатия – отвод теплоты от
рабочего тела
;
3.2.5. Расчёт параметров состояния рабочего тела на входе и выходе из теплообменного аппарата:
а) холодный теплоноситель:
Вход (точка 2): Па;
К;
;
К;
Па;
Выход (точка 2та
): ;
б) горячий теплоноситель:
Вход (точка 4): Па;
;
К;
;
Выход (точка ): Па;
К;
;
;
3.2.6. Количество теплоты, полученное холодным теплоносителем в теплообменном аппарате:
;
3.2.7. Экономия топлива (в процентах) при использовании регенерации тепла составляет:
;
3
.2.8. Совершенство термодинамического цикла Брайтона с регенерацией тепла:
а) ;
б) ;
в) ;
г) ;
3.2.9. Оценка возможности использования регенерации тепла в цикле Брайтона
а) Определяется максимальное значение степени повышения давления из условия (Т
4
³Т
2
):
Часть 2. Расчёт теплообменного аппарата.
Исходными данными для решения задачи являются:
1. Параметры состояния на входе в теплообменный аппарат холодного и горячего теплоносителей.
2. Параметры состояния на выходе из теплообменного аппарата холодного и горячего теплоносителей. Значения всех параметров состояния берутся из первой части контрольной работы при расчете цикла Брайтона с регенерацией тепла при оптимальном значении pорт
.
3. Массовый расход холодного и горячего теплоносителей G
хол
=G
гор,
кг/с.
4. Форма канала – равносторонний треугольник со стороной l
1
для холодного теплоносителя и l
2
для горячего теплоносителя.
5. Скорость течения холодного с
1
и горячего с
2
теплоносителей, м/с.
Значения исходных данных, перечисленных в п.3,4,5, берутся из табл. 3
| Вариант |
G, кг/с |
, мм |
, мм |
, м/с |
, м/с |
| 25, 75 |
15 |
2,0 |
2,0 |
27 |
13 |
3.3.1. При расчете цикла Брайтона с заданной степенью регенерации
s
р
становятся известными параметры состояния холодного (точка «2» или точка «к» и точка «2та
» или точка «кта
») и горячего (точка «4» или точка «т» и точка «4та
» или точка «тта
») теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата.
Точка 2:
Па; Па;
К; К;
; ;
; ;
Точка 4:
Па; Па;
К; К;
; ;
;
3.3.2. Далее рассчитываются:
а) определяющая температура для горячего (Т
оп1
) и холодного (Т
оп2
) теплоносителей (для расчёта критериев подобия):
K;
К;
б) плотность горячего и холодного теплоносителей при данных температурах из уравнения состояния:
в) площадь проходного сечения потока для теплоносителей из уравнения расхода:
где G
– массовый расход холодного и горячего теплоносителей, кг/с;
с
1
– средняя скорость движения холодного теплоносителя по каналам теплообменного аппарата,м/с;
с
2
– средняя скорость движения горячего теплоносителя по каналам теплообменного аппарата,м/с;
г) необходимое количество каналов для теплоносителей:
где F
кан1
, F
кан2
– соответствующие площади поперечного сечения каналов. Для равностороннего треугольника со стороной L
1
или L
2
имеем:
д) по значению температуры Т
оп1
(или Т
оп2
) с помощью табл. 5 находятся коэффициенты теплопроводности l1
(или l2
) и динамической вязкости m1
(или m2
) теплоносителей методом линейной интерполяции:
| Т, К |
T, oC |
r, кг/м3
|
Ср, кДж/кг·К |
λ·102
Вт/м·К |
а·105
м2
|
μ·106
Н·с/м2
|
ν·106
м2
|
PR |
| 673 |
400 |
0.524 |
1.0352 |
5.21 |
9.312 |
33.06 |
63.09 |
0.678 |
| 773 |
500 |
0.456 |
1.0387 |
5.74 |
11.53 |
36.20 |
79.38 |
0.687 |
е) эквивалентный гидравлический диаметр канала для горячего и холодного теплоносителей:
ж) число Рейнольдса:
з) число Нуссельта из критериальных уравнений в зависимости от характера движения теплоносителей:
Re
£2000 – ламинарный,
2000<Re
£104
– переходный,
Re
>104
– турбулентный,
и) коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке канала (a1
) и от стенки к холодному теплоносителю (a2
):
к) коэффициент теплопередачи:
л) количество теплоты, переданное воздуху в теплообменном аппарате:
м) средний температурный напор в теплообменном аппарате, работающем по схеме противотока, определяется формулой:
н) потребная площадь теплообмена:
о) потребная длина каналов для теплоносителей:
п) ширина теплообменного аппарата:
р) принимая ширину теплообменного аппарата равной В
=0.5…0.6 м, находим потребное количество рядов каналов для теплоносителей:
с) высота теплообменного аппарата:
3.3.3. Определяются потери полного давления по газовой и воздушной сторонам теплообменного аппарата:
а) ) при турбулентном движении теплоносителя:
где x - коэффициент сопротивления трения находится по формуле: