Расчет конвективного охлаждения стенки камеры жидкостно-ракетного двигателя

Определение расхода охладителя для стационарного режима работы системы и расчет температуры поверхностей стенки со стороны газа и жидкости. Расчет линейной плотности теплового потока, сопротивления теплопроводности, характеристик системы теплоотвода.

Рубрика Физика и энергетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 02.10.2011
Размер файла 235,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Расчет конвективного охлаждения стенки камеры жидкостно-ракетного двигателя»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Задание

Исходные данные

1. Определение геометрии сопла

2. Расчет участка №1

2.1 Расчет конвективного теплового потока от газа к стенке

2.2 Расчет лучистого теплового потока

2.3 Определение линейной плотности теплового потока

2.4 Расчет сопротивления теплоотдачи со стороны газа

2.5 Расчет сопротивления теплопроводности

2.6 Расчет характеристик системы теплоотвода

3. Расчет участков дозвуковой части

4. Расчет участка, содержащего критическое сечение сопла

4.1 Расчет конвективного теплового потока от газа к стенке

4.2 Расчет лучистого теплового потока

4.3 Определение линейной плотности теплового потока

4.4 Расчет сопротивления теплоотдачи со стороны газа

4.5 Расчет сопротивления теплопроводности

4.6 Расчет характеристик системы теплоотвода

5. Расчет участков сверхзвуковой части сопла

Выводы

Перечень ссылок

Введение

В ЖРД широко используют конвективное охлаждение стенки камеры (последнюю образуют камера сгорания и сопло Лаваля). Здесь охлаждение обеспечивают прокачкой жидкости (горючего) по зазору между наружной поверхностью стенки и охватывающей ее «рубашкой». Если расход охладителя и условия теплообмена достаточны для отвода от стенки всей теплоты, которая поступает от высокотемпературного потока газообразных продуктов сгорания, то обеспечен стационарный тепловой режим работы стенки. Чтобы уменьшить отвод теплоты в стенку и снизить ее температуру, на внутреннюю поверхность стенки наносят слой защитного покрытия из жаростойкого материала с малой теплопроводностью.

Задание

Определить расход охладителя , обеспечивающий стационарный режим работы системы, и найти температуру поверхностей стенки со стороны газа и жидкости .

Исходные данные

Вариант №9

- массовый расход продуктов сгорания кг/с;

состав продуктов сгорания:

, , , , ;

полная температура и давление продуктов сгорания

К, Бар;

- материал защитного покрытия ZrSi, его толщина мм;

- материал стенки 1Х18Н9Т, ее толщина мм;

-толщина зазора между стенкой и «рубашкой» мм;

- вид охлаждающей жидкости

горючее-, окислитель-;

- начальная температура охлаждающей жидкости =40 єС .

1. Определение геометрии сопла

Определю геометрию рассматриваемого участка и параметры газа в критическом, входном и выходном сечениях.

(м/с) - скорость звука.

Известно, что , . Найду с помощью газодинамической функции:

.

Подставив найденное в газодинамическую функцию давления, найду :

Определю газодинамическую функцию плотности, а по ней и функцию расхода для рассматриваемого сечения:

.

.

Найду площадь сечения из уравнения Христиановича:

м2.

Определяю радиус выходного сечения сопла:

.

м.

Аналогичным образом рассчитаю геометрию в сечениях и .

Сечение :

.

.

м2.

м.

Сечение :

.

м2.

м.

Найду длины дозвуковой и сверхзвуковой частей сопла:

м.

м.

Определю скорость газа в сечении 1 и сечении 2:

м/с.

м/с.

Разбиваю сопло Лаваля на 15 участков, и для каждого из них буду решать задачу теплопередачи через цилиндрическую составную стенку с неизменными по длине соответствующими параметрами. Разобью сопло следующим образом:

Дозвуковая часть : 1) 0,02 м, 2) 0,04 м, 3) 0,06 м 4)0,08 м, 5)0,1 м, 6)0,12, 7)0,14, 8)0,1602.

Сверхзвуковая часть: : 9) 0,02 м, 10) 0,04 м, 11) 0,06 м, 12) 0,08 м, 13)0,1, 14)0,12, 15)0,1431.

2. Расчет участка №1

2.1 Расчет конвективного теплового потока от газа к стенке

Конвективный тепловой поток от газа к стенке вычисляется по формуле Ньютона-Рихмана, вводя характерное значение газа в пограничном слое:

.

В качестве определяющей берут температуру при М=0,3…1,6, где - температура восстановления.

Так как в данной формуле присутствует величина ,зависящая от коэффициента r, а он, в свою очередь, зависит от свойств газа, то необходимо использовать метод последовательных приближений. В первом приближении берут r=0.85…0.88. Принимаю r=0.88, а затем уточню его с помощью связи :

Температура поверхности стенки (покрытия) со стороны газа в начале расчета неизвестна. Поэтому ее значение принимают несколько меньшим предельных величин, допускаемых свойствами материалов покрытия. В частности, для ZrSi предельной считают температуру 1600К. Принимаю K.

Определяю температуру восстановления:

К.

Значения теплоемкости, теплопроводности л, динамической вязкости м компонентов беру из [1] при данной определяющей температуре газа T=2311.3 К.

кДж/кмоль К.

кДж/кмоль К.

кДж/кмоль К.

кДж/кмоль К.

Вт/м*К.

Вт/м*К.

Вт/м*К.

Вт/м*К.

Н*с/м2.

Н*с/м2.

Н*с/м2.

Н*с/м2.

Определяю молекулярную массу смеси:

Теперь, подставив найденные значения с учетом заданных , определяю теплоемкость смеси:

=2046 Дж/кг К.

Определяю коэффициент теплопроводности смеси:

0.204

Определяю динамическую вязкость :

Н*с/м2.

Определю критерий Прандтля при данной определяющей температуре:

.

Проверю допущение, что .

Данное значение практически совпадает с допущением. Дальнейшие расчеты веду при .

Для определения критерия Re принимаю определяющим размером расстояние от критического сечения до рассматриваемого участка согласно .

м.

м2.

Нахожу Nu из критериального уравнения:

Определяю теперь коэффициент теплоотдачи :

Вт/м К.

По формуле Ньютона-Рихмана найдем плотность теплового потока:

Вт/м2.

2.2 Расчет лучистого теплового потока

Для вычисления плотности лучистого теплового потока применяю следующие зависимости:

.

В составе продуктов сгорания в задании существенно лишь влияние излучения ; тогда определяю их парциальные давления:

Па.

Па.

Длина теплового луча через объем газа V и площадь поверхности отвечающей ему оболочки F:

м.

находят по справочникам, исходя из , вида покрытия стенки и условий его работы( наличие окислов, сажи). В первом приближении можно принять=0,9.

Вт/(м2 К4).

Для определения степеней черноты воспользуюсь номограммамиРассчитав Па*м и Па*м, получаю из номограммы:

Коэффициент поглощения газовым объемом эффективного излучения стенок по рекомендациям принимаю равным , рассчитанным при температуре стенки. Из той же номограммы найду при температуре стенки 1400 К, что

Тогда

0,965

=1.313*106Вт/м2.

2.3 Определение линейной плотности теплового потока

Применив принцип аддитивности, рассчитываю суммарный тепловой поток:

8.293*105+1.313*106=2.142*106Вт/м2.

Линейную плотность теплового потока рассчитываю по формуле:

Вт/м.

2.4 Расчет сопротивления теплоотдачи со стороны газа

Линейное термическое сопротивление со стороны газа представлено выражением:

охладитель стенка газ тепловой

Здесь коэффициент теплоотдачи между газом и стенкой определяется суммарным тепловым потоком и зависит от того, какая температура газа присутствует в уравнении теплопередачи.

Имею:

1247Вт/м2К.

м К/Вт.

2.5 Расчет сопротивления теплопроводности

Величина линейного термического сопротивления складывается из соответствующих сопротивления покрытия и собственно стенки.

Коэффициент теплопроводности покрытия Вт/м К нахожу по справочнику. Рассчитываю сопротивление для покрытия:

м К/Вт.

Это сопротивление вызывает перепад температуры

0,0001619=693,366 К, рассчитанный перепад не превышает значений, опасных с точки зрения разрушения покрытия.

Теперь определю температуру стенки

1400-693,366 =706,634 К.

После сопоставления с пределом работоспособности материала стенки, делаю вывод, что для стали 1Х19Н9Т, у которой допустимой является работа при 1250 К, такая температура приемлема.

Определю сопротивление самой стенки:

м К/Вт

=286,422 К

Нахожу температуру стенки, примыкающей к охладителю:

706,634 -286,422 =420,191 К.

Расчетная температура поверхности жидкости не превышает «порога», при котором жидкость будет кипеть и охлаждаться, т.е. 470-520 К.

2.6 Расчет характеристик системы теплоотвода

Необходимый для обеспечения стационарного режима работы расход охладителя определяю из системы уравнений:

Получаю Gж=6,9902 кг/с.

Термическое сопротивление теплоотдачи со стороны жидкости определю из уравнения теплопередачи:

м =0,00002411К/Вт.

Далее определяю коэффициент теплоотдачи , который бы обеспечил найденное .

24,11 10-6)= 20570Вт/м2 К.

Связь и искомым расходом жидкости в безразмерном виде выражается критериальным уравнением Михеева:

.

Подставив критерий Нуссельта в это уравнение, определ. критерий Рейнольдса.

Рассчитанное значение расхода удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ЖРД.

По найденному расходу жидкости определяю скорость течения жидкости в минимальном сечении канала:

.

Подставив значения, в том числе и плотности жидкости при определяющей температуре =750 кг/м3, получаю:

11,285 м/с.

Рассчитанная скорость так же попадает в допустимый интервал значений (не должна превышать 50-60 м/с).

Найду температуру жидкости и газа в конце участка:

К

3. Расчет участков дозвуковой части сопла

Привожу расчет теплового потока, расчет линейной плотности теплового потока, температуры стенки со стороны жидкости и под покрытием, а также температуры газа и жидкости для всех участков дозвуковой части сопла ЖРД в виде таблицы для анализа.

Номер участка

Tgaz

К

q

Вт/м2

*106

ql

Вт/м

*106

Twn

К

Twж

К

К

I

3120

2,142

4.284

706,6

420,2

313

II

3119

2,213

4,126

693,5

424,7

316

III

3118

2,276

3,994

684,1

439,1

318

IV

3117

2,324

3,875

676,3

445,4

321

V

3116

2,398

3,763

662,4

450,1

322

VI

3115

2,436

3,652

653,8

456

324

VII

3113

2,491

3,512

642,9

461,8

325

VIII

3111

2,553

3,407

649,5

467,6

327

4. Расчет участка, содержащего критическое сечение сопла

4.1 Расчет конвективного теплового потока от газа к стенке

Конвективный тепловой поток от газа к стенке вычисляется по формуле Ньютона-Рихмана, вводя характерное значение газа в пограничном слое:

.

В качестве определяющей берут температуру при М=0,3…1,6, где - температура восстановления.

Так как в данной формуле присутствует величина ,зависящая от коэффициента r, а он, в свою очередь, зависит от свойств газа, то необходимо использовать метод последовательных приближений. В первом приближении берут r=0.85…0.88. Принимаю r=0.88, а затем уточню его с помощью связи :

Температура поверхности стенки (покрытия) со стороны газа в начале расчета неизвестна. Поэтому ее значение принимают несколько меньшим предельных величин, допускаемых свойствами материалов покрытия. В частности, для ZrSi предельной считают температуру 1600К. Принимаю K.

Определяю температуру восстановления:

К.

Значения теплоемкости, теплопроводности л, динамической вязкости м компонентов беру из [1] при данной определяющей температуре газа T=2239 К.

кДж/кмоль К.

кДж/кмоль К.

кДж/кмоль К.

кДж/кмоль К.

Вт/м*К.

Вт/м*К.

Вт/м*К.

Вт/м*К.

Н*с/м2.

Н*с/м2.

Н*с/м2.

Н*с/м2.

Определяю молекулярную массу смеси:

Теперь, подставив найденные значения с учетом заданных , определяю теплоемкость смеси:

=2046 Дж/кг К.

Определяю коэффициент теплопроводности смеси:

0.204

Определяю динамическую вязкость :

Н*с/м2.

Определю критерий Прандтля при данной определяющей температуре:

.

Проверю допущение, что .

Данное значение практически совпадает с допущением. Дальнейшие расчеты веду при .

Для определения критерия Re принимаю определяющим размером диаметр критического сечения:

м.

м2.

Нахожу Nu из критериального уравнения:

Определяю теперь коэффициент теплоотдачи :

Вт/м К.

По формуле Ньютона-Рихмана найдем плотность теплового потока:

Вт/м2.

4.2 Расчет лучистого теплового потока

Для вычисления плотности лучистого теплового потока применяю следующие зависимости:

.

В составе продуктов сгорания в задании существенно лишь влияние излучения ; тогда определяю их парциальные давления:

Па.

Па.

Длина теплового луча через объем газа V и площадь поверхности отвечающей ему оболочки F:

м.

находят по справочникам, исходя из , вида покрытия стенки и условий его работы( наличие окислов, сажи). В первом приближении можно принять=0,9.

Вт/(м2 К4).

Для определения степеней черноты воспользуюсь номограммамиРассчитав Па*м и Па*м, получаю из номограммы:

Коэффициент поглощения газовым объемом эффективного излучения стенок по рекомендациям принимаю равным , рассчитанным при температуре стенки. Из той же номограммы найду при температуре стенки 1400 К, что

Тогда

0,976

=1,197*106Вт/м2.

4.3 Определение линейной плотности теплового потока

Применив принцип аддитивности, рассчитываю суммарный тепловой поток:

12,9*105+1.197*106=2.559*106Вт/м2.

Линейную плотность теплового потока рассчитываю по формуле:

Вт/м.

4.4 Расчет сопротивления теплоотдачи со стороны газа

Линейное термическое сопротивление со стороны газа представлено выражением:

Здесь коэффициент теплоотдачи между газом и стенкой определяется суммарным тепловым потоком и зависит от того, какая температура газа присутствует в уравнении теплопередачи.

Имею:

1400Вт/м2К.

м К/Вт.

4.5 Расчет сопротивления теплопроводности

Величина линейного термического сопротивления складывается из соответствующих сопротивления покрытия и собственно стенки.

Коэффициент теплопроводности покрытия Вт/м К нахожу по справочнику. Рассчитываю сопротивление для покрытия:

м К/Вт.

Это сопротивление вызывает перепад температуры

0,0000987=760,9 К, рассчитанный перепад не превышает значений, опасных с точки зрения разрушения покрытия.

Теперь определю температуру стенки

1400-760,9 =639,1 К.

После сопоставления с пределом работоспособности материала стенки, делаю вывод, что для стали 1Х19Н9Т, у которой допустимой является работа при 1250 К, такая температура приемлема.

Определю сопротивление самой стенки:

м К/Вт

=167,6 К

Нахожу температуру стенки, примыкающей к охладителю:

639,1 -167,6 =471,5 К.

Расчетная температура поверхности жидкости не превышает «порога», при котором жидкость будет кипеть и охлаждаться, т.е. 470-520 К.

4.6 Расчет характеристик системы теплоотвода

Gж=6,9902 кг/с.

Термическое сопротивление теплоотдачи со стороны жидкости определю из уравнения теплопередачи:

м =0,0000354К/Вт.

Далее определяю коэффициент теплоотдачи , который бы обеспечил найденное .

35,4 10-6)= 20970Вт/м2 К.

Связь и искомым расходом жидкости в безразмерном виде выражается критериальным уравнением Михеева:

.

Подставив критерий Нуссельта в это уравнение, определ. критерий Рейнольдса.

Найду температуру жидкости и газа в конце участка:

К

5. Расчет участков сверхзвуковой части сопла

Номер участка

Tgaz

К

q

Вт/м2

*106

ql

Вт/м

*106

Twn

К

Twж

К

К

IX(кр.)

3111

2.559

3.39

639,1

471,5

330

X

3110

2,643

3.267

647,5

477,3

333

XI

3109

2,897

3,149

662,4

484,2

337

XII

3108

3.124

3,053

681,3

489,1

341

XIII

3106

3,267

2.964

698,6

494,3

343

XIV

3105

3,394

2,838

714,3

501,6

346

XV

3104

3,491

2,861

728,1

513,7

348

Выводы

В ходе выполнения курсовой работы был подобран расход охладителя для жидкостно-ракетного двигателя, и рассчитан теплообмен.

Рассчитанные параметры укладываются по ограничениям, накладываемым на температуру стенки со стороны жидкости (не больше 570 К), температуру плавления покрытия (не больше 1600 К), по температурным напряжениям (не больше 1200-1500 К), температуру кипения хладоносителя (не больше 470 К).

Перечень ссылок

1. М.В. Амброжевич, А.О. Костиков, И.И.Петухов. Термодинамика и теплообмен. Учебное пособие. Харьков: ХАИ, 2008.

2. А.В. Болгарский, В.И. Голдобеев, Н.С. Идиатуллин, Д.Ф. Толкачев. Сборник задач по термодинамике и теплопередаче. Учебное пособие для авиационных вузов М. Высшая школа, 1972.

3. Болгарский А.В. Термодинамика и теплопередача: учеб. Пособие для вузов/ А.В.Болгарский, Г.А.Мухачев, В.К.Щукин. -М.: Высш. шк., 1975, -496 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Определение конвективного удельного теплового потока. Нахождение значения коэффициента теплоотдачи от газа к стенке. Определение и расчет степени черноты продуктов сгорания, подогрева охладителя и средней температуры охладителя на каждом участке.

    курсовая работа [381,4 K], добавлен 05.12.2010

  • Расчеты газового потока в камере ракетного двигателя на сверхзвуковых и дозвуковых режимах, со скачками и без скачков уплотнения. Определение значений сил взаимодействия потока со стенками камеры и тяги двигателя. Расчет скоростей газового потока.

    курсовая работа [616,3 K], добавлен 27.02.2015

  • Определение линейного теплового потока методом последовательных приближений. Определение температуры стенки со стороны воды и температуры между слоями. График изменения температуры при теплопередаче. Число Рейнольдса и Нусельта для газов и воды.

    контрольная работа [397,9 K], добавлен 18.03.2013

  • Определение линейных, фазных токов, размеров и витков обмоток. Среднее значение плотности тока в обмотках. Расчет обмотки и площади поверхностей охлаждения обмоток. Определение плотности теплового потока. Расчет стоимости трансформатора и электрозатрат.

    курсовая работа [1,8 M], добавлен 23.01.2011

  • Стационарная теплопроводность шаровой (сферической) стенки. Обобщенный метод решения задач стационарной теплопроводности. Упрощенный расчет теплового потока через плоскую, цилиндрическую и шаровую стенки (ГУ 1 рода). Методы интенсификации теплопередачи.

    презентация [601,4 K], добавлен 15.03.2014

  • Расчет тепловой нагрузки аппарата, температуры парового потока, движущей силы теплопередачи. Зона конденсации паров. Определение термических сопротивлений стенки, поверхности теплопередачи. Расчет гидравлического сопротивления трубного пространства.

    контрольная работа [76,7 K], добавлен 16.03.2012

  • Исследование распределения температуры в стенке и плотности теплового потока. Дифференциальное уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат. Определение максимальных тепловых потерь. Вычисление критического диаметра тепловой изоляции.

    презентация [706,5 K], добавлен 15.03.2014

  • Расчет параметров потоков продуктов сгорания и пароводяной среды, геометрических характеристик поверхностей нагрева, тепловой изоляции экономайзера. Проверка значений газодинамических сопротивлений. Определение изменения температуры по высоте стенки.

    курсовая работа [124,3 K], добавлен 25.12.2013

  • Определение низшей теплоты сгорания газа и плотности сгорания газообразного топлива. Расчет годового расхода и режима потребления газа на коммунально-бытовые нужды. Вычисление количества газораспределительных пунктов, подбор регуляторов давления.

    курсовая работа [184,6 K], добавлен 21.12.2013

  • Краткая характеристика турбоустановки. Схема движения теплообменивающихся сред. График изменения температур в теплообменнике. Графоаналитическое определение плотности теплового потока в зависимости от температурного напора. Расчет охладителя пара.

    курсовая работа [181,6 K], добавлен 28.06.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.