Курсовая Оценка термодинамического совершенства цикла Брайтона с регенерацией тепла. Расчёт теплообменн
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
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
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:
Температура
Удельный объем:
;
Плотность:
Точка 3:
Давление:
Температура:
Удельный объем:
Плотность:
Точка 4:
Давление:
Температура:
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:
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)
д)
е)
Совершенство термодинамического цикла Брайтона без регенерации тепла:
а)
б)
в)
| |
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):
К;
Па;
Выход (точка 2та): ;
б) горячий теплоноситель:
Вход (точка 4):
;
Выход (точка
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 (Т4³Т2):
Часть 2. Расчёт теплообменного аппарата.
Исходными данными для решения задачи являются:
1. Параметры состояния на входе в теплообменный аппарат холодного
2. Параметры состояния на выходе из теплообменного аппарата холодного
3. Массовый расход холодного и горячего теплоносителей Gхол=Gгор, кг/с.
4. Форма канала – равносторонний треугольник со стороной l1 для холодного теплоносителя и l
2 для горячего теплоносителя.
5. Скорость течения холодного с1 и горячего с2 теплоносителей, м/с.
Значения исходных данных, перечисленных в п.3,4,5, берутся из табл. 3
| Вариант | G, кг/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:
; ;
Точка 4:
; ;
;
3.3.2. Далее рассчитываются:
а) определяющая температура для горячего (Топ1) и холодного (Топ2) теплоносителей (для расчёта 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;
с1 – средняя скорость движения холодного теплоносителя по каналам теплообменного аппарата,м/с;
с2 – средняя скорость движения горячего теплоносителя по каналам теплообменного аппарата,м/с;
г) необходимое количество каналов для теплоносителей:
где Fкан1, Fкан2 – соответствующие площади поперечного сечения каналов. Для равностороннего треугольника со стороной L1 или L2 имеем:
д) по значению температуры Топ1 (или Топ2) 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/с | μ·106, Н·с/м2 | ν·106, м2/с | 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:
