Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕПАРТАМЕНТ ПО АВИАЦИИ

МИНИСТЕРСТВА ТРАНСПОРТА И КОММУНИКАЦИЙ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ АВИАЦИИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Термодинамика и теплопередача»

Тема: Оценка термодинамического совершенства цикла Брайтона с регенерацией тепла. Расчет теплообменного аппарата

Выполнил

Н.А. Малец

Проверил

А.Ф. Заико

Минск 2018



Учебная дисциплина «Термодинамика и теплопередача» является составной частью учебного плана подготовки инженера-механика по специальности «Техническая эксплуатация воздушных судов и двигателей» для всех форм обучения. Дисциплина состоит из двух самостоятельных разделов:

техническая термодинамика;

теплопередача.

Техническая термодинамика является частью термодинамики - раздела 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.

Теплопередача - это наука, изучающая процессы переноса теплоты (теплообмена) в пространстве с неоднородным температурным полем. В зависимости от характера теплообмена перенос теплоты может быть назван теплопроводностью (например, через стенки корпуса), конвекцией (например, при охлаждении турбинных лопаток воздухом) и излучением (например, при горении топливовоздушной смеси от пламени к стенкам жаровой трубы в камере сгорания).

Основной формой изучения данной дисциплины является самостоятельная работа над учебным материалом. При этом не следует стремиться к механическому запоминанию всех формул и зависимостей. Главное внимание необходимо уделить раскрытию физического смысла входящих в формулы параметров, уяснить динамику изменения их в процессе эксплуатации и др. Однако нужно твёрдо помнить основные уравнения и формулы. Изучив всю тему, надо проверить свои знания, ответив на контрольные вопросы.

Расчёт параметров состояния в контрольных точках цикла Брайтона без регенерации тепла.

Рис.1. Изображение цикла Брайтона в p-v координатах

Расчёт параметров состояния в контрольных точках цикла Брайтона без регенерации тепла (рис.1)

Исходные данные:

р	Д	б
13	6	0,72

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 G=1 кг/с.

При расчёте цикла принимается, что работает тело во всех процессах цикла - идеальный газ, для которого газовая постоянная и показатель адиабаты остаются неизменными. Соответственно будут постоянными значения теплоемкостей газа.

Цикл состоит из следующих процессов:

1-2 - адиабатное сжатие;

2-3 - изобарный подвод тепла;

3-4 - адиабатное расширение;

4-1 - изобарный отвод тепла.

Для расчёта цикла задаются исходные параметры рабочего тела: степень повышения давления в цикле; тепло, подводимое к телу; рабочее тело - воздух; изобарная теплоемкость.

Точка 1. Начальная точка цикла.

Параметры:p1, Т1 - заданы условием. Применяя уравнения состояния, определяется v1.

,

Точка 2. Конец адиабатного процесса сжатия.

Давление , где р - степень повышения давления из задания, - начальное давление;

,

температура - , где k =1.4 - показатель адиабаты для воздуха;

,

удельный объём - ;



,

плотность - .

,

Точка 3.Конец изобарного процесса подвода тепла.

,

,

,

,

Точка 4.Конец адиабатного процесса расширения газа.

Давление определяется из условия обеспечения полного расширения газа:

,

Температура находиться из уравнения, связывающего параметры газа в адиабатном процессе:

,



Из условия изобарного процесса находим удельный объём и плотность:

,

,

2. Расчёт энергетических показателей термодинамических процессов цикла Брайтона без регенерации тепла

Процесс 1 - 2. Адиабатное сжатие.

Изменение внутренней энергии рабочего тела :

,

Коэффициент теплоёмкости при постоянном объеме и при постоянном давлении находим из следующих формул:

; ,

Деформационная работа:

,

Техническая работа:



,

Изменение теплосодержания рабочего тела:.

,

Т.к. процесс 1-2 - это адиабатное сжатие, то количество теплоты, участвующее в процессе и изменение энтропии рабочего тела

Процесс 2 - 3. Изобарный подвод тепла.

;,

;,

;

;

.

,

Процесс 3-4. Адиабатное расширение.

,

,

,

.,

Количество теплоты, участвующее в процессе:

Изменение энтропии рабочего тела:

Процесс 4 - 1. Изобарный отвод тепла.

,

,

,

,

,

,

.,

Расчет энергетических показателей цикла Брайтона без регенерации тепла:

а) удельная работа сжатия:



,

б) удельная работа расширения:

,

в) работа цикла (свободная энергия на выходе из тепловой машины):

,

г) количество тепла, подведенное к 1 кг рабочего тела в цикле:

,

д) количество тепла, отводимое от рабочего тела в окружающую среду:

,

е) полезно использованное тепло в цикле:

,



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 , является базовым для любого термодинамического цикла.

в) совершенство заданного термодинамического цикла Брайтона:

,

Рис.2. Цикл Карно в p,н - координатах

«1-2» - адиабатический процесс сжатия;

«2-3» - изотермический процесс расширения - подвод теплоты к рабочему телу ;

«3-4» - адиабатический процесс расширения;

«4-1» - изотермический процесс сжатия - отвод теплоты от рабочего тела.

Расчет параметров состояния рабочего тела на входе и выходе из теплообменного аппарата:

а) холодный теплоноситель:

Вход (точка 2):

; 599,32К; .

Выход (точка

,

,

,

,

б) горячий теплоноситель:

Вход (точка 4):

; ; .

Выход (точка



,

,

,

,

Рис.3. Цикл Брайтона с регенерацией тепла.

Количество теплоты, полученное холодным теплоносителем в теплообменном аппарате:

,

Экономия топлива (в процентах) при использовании регенерации тепла составляет:

,

Совершенство термодинамического цикла Брайтона с регенерацией тепла:

,

,

,

,

Оценка возможности использования регенерации тепла в цикле Брайтона

а) Определяется максимальное значение степени повышения давления из условия (Т4Т2): регенерация тепло сжатие давление

,

б) Задаваясь двумя-тремя значениями в диапазоне от зад до тах, производится расчёт цикла Брайтона с регенерацией тепла для построения графика . На графике находим значение опт при экономии топлива не менее 10…15 %.

	13	15	17	19	21	23
	14,74	11,27	8,13	5,24	2,54	0,00



РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Исходными данными для решения задачи являются:

1. Параметры состояния на входе в теплообменный аппарат холодного

(Т2, р2, v2, 2) и горячего (Т4, р4, v4, 4) теплоносителей:

,

,

2. Параметры состояния на выходе из теплообменного аппарата холодного (Т2та, р2та, v2та, 2та) и горячего (Т4та, р4та, v4та, 4та) теплоносителей:

,

Значения всех параметров состояния берутся из первой части контрольной работы при расчете цикла Брайтона с регенерацией тепла при оптимальном значении опт.

3. Массовый расход холодного и горячего теплоносителей Gхол=Gгор = 11кг/с.

4. Форма канала - равносторонний треугольник со стороной l1 для холодного теплоносителя и l2 для горячего теплоносителя.

,

5. Скорость течения холодного с1 и горячего с2 теплоносителей, м/с.

,

При расчете цикла Брайтона с заданной степенью регенерации 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.

Исходные данные:

G, кг/с	, мм	, мм	, м/с	, м/с
11	0,002	0,002	12	28

При расчете цикла Брайтона с заданной степенью регенерации становятся известными параметры состояния холодного (точка «2» или точка «к» и точка «» или точка «») и горячего (точка «4» или точка «т» и точка «» или точка «») теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата.

Далее рассчитываем:

а) определяющую температуру для горячего и холодного теплоносителей ( для расчета критериев подобия):

,

,

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; - средняя скорость движения холодного теплоносителя по каналам теплообменного аппарата, м/с; - средняя скорость движения горячего теплоносителя по каналам теплообменного аппарата, м/с.

г) необходимое количество каналов для теплоносителей:

,

,

где , - соответствующие площади поперечного сечения каналов.

Для равностороннего треугольника со стороной и имеем:

,



,

д) =5,69Вт/м·К; 3,6

=0,53Вт/м·К;

е) эквивалентный гидравлический диаметр канала для горячего и холодного теплоносителей:

,

,

,

где соответствующие периметры каналов;

ж) число Рейнольдса

,

,

з) число Нуссельта из критериальных уравнений в зависимости от характера движения теплоносителей:

Re2000 - ламинарное,

,

Re2000 -ламинарное,

,



и) коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке канала ( и от стенки к холодному теплоносителю ():

,

,

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:

,

Определяются потери полного давления по газовой и воздушной сторонам теплообменного аппарата:

при ламинарном движении теплоносителя:

,

Где с = 200 м/с, , который находится по формуле:

,



Заключение

Возникновение термодинамики определяется практической необходимостью иметь теоретические основы для создания и совершенствования тепловых двигателей. Без термодинамического анализа не могли быть правильно поняты основные принципы действия тепловых двигателей и не могли быть найдены правильные пути для создания экономичного, эффективно работающего теплового двигателя.

С помощью заданных параметров в данной курсовой работе мы оценили термодинамическое совершенство цикла Брайтона с регенерацией тепла и произвели расчет теплообменного аппарата. Эта курсовая работа была разбита на две части: в первой части была произведена оценка термодинамического совершенства цикла Брайтона с регенерацией тепла, а во второй - расчет теплообменного аппарата. Благодаря полученным навыкам и умениям, в ходе курсовой работы были определены параметры состояния рабочего тела в контрольных точках цикла Брайтона с регенерацией тепла, энергетические показатели термодинамических процессов, определили экономию топлива при использовании регенерации тепла в авиационных двигателях и возможность использования регенерации тепла. В процессе выполнения курсовой работы мы установили термодинамическое совершенство цикла Брайтона с регенерацией тепла по отношению к базовому циклу Карно.

Во второй части курсовой работы мы приобрели навыки и умения в определении коэффициентов теплоотдачи при вынужденном конвективном теплообмене, критериев динамического и теплового подобия и основных параметров теплообменного аппарата.

Таким образом, в ходе курсовой работы мы достигли поставленных целей и задач, которые были поставлены перед нами.



Список использованной литературы

1. В.В.Нащокин. Техническая термодинамика и теплопередача, М.: Высшая школа, 1975 - 496с.

2. Г.А.Мухачев, В.К. Щукин. Термодинамика и теплопередача, М.: Высшая школа, 1991 - 480с.

3. В.С.Авдуевский, Б.М. Галицейский, Г.А. Глебов и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике, М.: Машиностроение, 1992 - 528с.

4. А.В. Болгарский, Г.А.Мухачев, В.К. Щукин. Термодинамика и теплопередача, М.: Высшая школа, 1975 - 495с.

5. Э.К. Бересневич. Электронный вариант лекций. Минск, МГВАК

Размещено на Allbest.ru