Учебное пособие 1215
.pdf329-2021
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению курсового проекта для студентов направления подготовки
13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Промышленная теплоэнергетика») всех форм обучения
Воронеж 2021
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
Кафедра теоретической и промышленной теплоэнергетики
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению курсового проекта для студентов направления подготовки
13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Промышленная теплоэнергетика») всех форм обучения
Воронеж 2021
УДК 621.1.016(07) ББК 31.311я7
Составители: В. Ю. Дубанин, А. М. Наумов, Д. А. Прутских, А. А. Надеев
Техническая термодинамика: методические указания к выполнению курсового проекта для студентов направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Промышленная теплоэнергетика») всех форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост.: В. Ю. Дубанин, А. М. Наумов, Д. А. Прутских, А. А. Надеев. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. 26 с.
Методические указания включают порядок расчета и справочный материал для выполнения курсового проекта по курсу «Техническая термодинамика».
Предназначены для студентов второго курса очной формы обучения, второго курса заочной формы обучения.
Ил. 2. Табл. 3. Библиогр.: 5 назв.
УДК 621.1.016(07) ББК 31.311я7
Рецензент – В. В. Портнов, канд. техн. наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплоэнергетики ВГТУ
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
2
ВВЕДЕНИЕ
Расчет конвективного охлаждения сводится к определению температурных полей стенки и охлаждающей жидкости по длине канала, а также определению размеров и гидросопротивления межрубашечного зазора и мощности насоса для прокачки охлаждающей жидкости.
Исходными данными являются:
1)массовый расход mг и состав ri смеси газов, протекающих через канал;
2)термодинамические параметры смеси: температура Тг и давление Pг;
3)геометрические размеры и форма канала:
d1 - диаметр цилиндрической части камеры сгорания; dmin - диаметр критического сечения сопла;
d2 - диаметр выходной части (юбки) сопла;
l1; l2; l3 - длины соответственно цилиндрической, суживающейся и расширяющейся частей сопла;
4)материал стенки и ее толщина w;
5)тип охлаждающей жидкости, ее расход mf, давление и температура на
входе Pвх f, Твх f;
6) углы раскрытия сопла и .
В результате расчета необходимо определить:
1)удельный тепловой поток как функцию координаты х: q = f(x);
2)температурное поле стенки со стороны газа и со стороны жидкости: Тwг
=(х), Тwf = (х);
3)скорость движения охлаждающей жидкости в межрубашечном зазоре Wf ; гидравлическое сопротивление межрубашечного зазора Pf, мощность насоса для прокачки охлаждающей жидкости N.
3
1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
1.1.Выбор температуры газовой стенки
Для расчета наружного охлаждения канал разбивается на участки следующим образом: в местах, где площадь сечения изменяется наиболее сильно, длины участков выбирают более мелкими. Один из участков включает в себя критическое сечение сопла в качестве среднего сечения, так как здесь тепловой поток изменяется особенно резко.
Схему разбивки канала на 10-12 участков необходимо привести в тексте курсовой работы в качестве рисунка или как приложение к курсовой работе.
Рис. 1. Геометрический профиль сопла
Для каждого из участков выбирается температура газовой стенки со стороны продуктов сгорания. При выборе температуры необходимо учитывать свойства материала стенки. При этом в качестве исходных можно принять следующие значения Тwг : в критическом сечении сопла от 1000 до 1300 К для жаропрочной стали, от 700 до 900 К для обычных конструкционных сталей и от 500 до 700 К для стенок из меди или ее сплавов; на выходе из сопла (в зависимости от степени расширения сопла) от 400 до 700 К для стальных стенок и от 300 до 600 К для медных. В камере сгорания и на входе в сопло Тwг: на 20-40 % ниже температуры стенки в критическом сечении.
Если нет никаких предварительных соображений о характере распределения Тwг : по длине (данные сходных конструкций и т. д.), то в первом приближении распределение промежуточных значений Тwг можно считать линейным.
4
Длины участков, средние диаметры сечений и температуры газовой стенки для каждого участка необходимо привести в приложении в конце работы в форме таблицы (Приложение Г).
1.2.Определение конвективного удельного теплового потока
1.2.1.Расчет теплоемкости и вязкости газового потока
Теплоемкость газового потока вычисляется по формуле
n |
|
Ср см = Cpi ri , |
(1.1) |
i 1
где Срi - теплоемкость конкретного газа при заданной температуре смеси, кДж/(кг К);
ri - доля газа в газовом потоке.
Теплофизические свойства газов определяются из соответствующей таблицы, приведенной в приложении А данных методических указаний.
Молекулярная масса смеси находится по формуле
|
n |
|
|
|
|
|
M р см Мi |
ri , |
(1.2) |
||||
|
i 1 |
|
|
|
|
|
где Мi – молекулярная масса конкретного газа, кг/кмоль; |
|
|||||
ri – доля газа в смеси. |
|
|
|
|
|
|
Для определения динамической вязкости используют формулу |
|
|||||
см |
М см |
|
|
, |
(1.3) |
|
n |
М |
|
||||
|
ri |
см |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
i |
|
|||
|
|
|
где Мсм - молекулярная масса смеси, кг/кмоль;
i - динамическая вязкость конкретного газа, (с Н)/м2; ri – доля газа в газовой смеси.
1.2.2. Нахождение значения коэффициента теплоотдачи от газа к стенке
Для нахождения коэффициента теплоотдачи от газа к стенке необходимо воспользоваться формулой:
5
|
0,0206 С |
|
0,18 |
|
m0,82 |
|
Т |
г |
0,35 |
|
|
г |
|
|
, |
(1.4) |
|||||
рсм |
1,82 |
|
|
|||||||
|
гi |
см |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
dсрi |
|
Тwг i |
|
где Срсм - теплоемкость газового потока, кДж/(кг К);
см – динамическая вязкость потока, (Н.с)/м2; mг – массовый расход газа, кг/с;
– средний диаметр поперечного сечения канала на каждом участке, м; Тг – температура газовой смеси, К;
– температура стенки со стороны продуктов сгорания для каждого участка, К.
Используя данную формулу для цилиндрической части канала, критического сечения и выходной части получают соответствующие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке. Значения коэффициентов теплоотдачи для всех участков приводят в тексте работы или в приложении к ней (рекомендуемая форма таблицы результатов – приложение Г).
1.2.3.Определение конвективного удельного теплового потока
встенку
Конвективный удельный тепловой поток определяется по формуле
qкi гi (Тг - Тwг i ) , |
(1.5) |
где гi - коэффициент теплоотдачи для рассчитываемого участка, Вт/м2; Тг - температура газовой смеси, К;
Тwгi - температура "газовой" стенки для данного участка, К.
Значения конвективного удельного теплового потока для всех участков приводятся в тексте работы или в приложении к ней (см. Приложение Г).
1.3. Определение лучистого и суммарного удельных тепловых потоков
1.3.1. Определение степени черноты продуктов сгорания
Из числа газов, составляющих продукты сгорания, практическое значение для расчета удельного лучистого теплового потока имеет только излучение Н2О и СО2. Поэтому принимается, что степень черноты продуктов сгорания зависит от степени черноты паров воды и углекислоты и определяется выражением
г |
СО |
|
- , |
(1.6) |
H O |
||||
|
2 |
2 |
|
|
6
где СО2 - степень черноты углекислого газа;
=0,9 - поправочный коэффициент на парциальное давление водяного
пара;
H2O - степень черноты водяных паров.
Последний член в данном выражении означает, что излучение смеси Н2О и СО2 несколько меньше суммы излучений этих газов, так как полосы излучения и поглощения для Н2О и СО2 частично совпадают. В учебном расчете этой поправкой можно пренебречь. Тогда формула принимает вид:
г |
CO |
0,9 H O . |
(1.7) |
|
2 |
2 |
|
Для нахождения CO2 и H2O необходимо рассчитать парциальные давления водяных паров и углекислоты по формулам
рH |
O |
рг |
rH O , |
(1.8) |
2 |
|
|
2 |
|
рCO |
рг |
rCO , |
(1.9) |
|
|
2 |
|
2 |
|
где рг – давление газовой смеси в камере сгорания, Па; rH2O - массовая доля водяных паров в смеси;
rCO2 - массовая доля углекислого газа.
Далее в работе определяется отношение длины камеры сгорания к ее поперечному сечению: Lкс/Dкс (где Dкс - диаметр поперечного сечения камеры сгорания, м). В зависимости от величины этого отношения по табл. 1 определяется длина пути луча l , м.
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Форма газового тела |
|
l/ DК |
Сфера диаметром DК; |
|
0,6 |
сферическая камера сгорания диметром DК |
|
|
Цилиндр диаметром DК, бесконечно длинный; излучение на боковую |
|
0,9 |
поверхность |
|
|
Цилиндр длиной h = DК; |
|
0,6 |
излучение на боковую поверхность |
|
|
Камера сгорания цилиндрическая LK/ DК |
|
|
1 |
|
0,6 |
1,5 |
|
0,75 |
2 3 |
|
0,85 |
>4 |
|
0,9 |
|
|
|
7
По графику зависимости H2O и CO2 от Т и произведений рH2O l ирCO2 l соответственно определяются степени черноты водяных паров и углекислого газа (Приложение Д).
1.3.2.Определение удельного лучистого теплового потока
Вобщем случае лучистый тепловой поток определяется выражением
|
|
|
|
|
Т |
|
|
4 |
|
|
Т |
|
|
4 |
|
|
|
Со |
wэф |
|
г |
|
|
wг |
|
, |
|
||||||
qл |
г |
|
|
|
- Аг |
|
|
|
|
(1.10) |
||||||
|
|
|
100 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Тг и Тwг - соответственно температуры продуктов сгорания и газовой стенки, К;
wэ ф – эффективная степень черноты стенки;
г – степень черноты продуктов сгорания;
Со=5,67 Вт/(м2К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Аг – поглощательная способность газа при температуре газовой смеси.
Первый член этого уравнения определяет лучеиспускание от газов к стенке. Второй - от стенки к газам.
В двигателях с медными и стальными охлаждаемыми стенками, не имеющими никаких специальных жароупорных покрытий, Тwг сравнительно невелика, следовательно, лучеиспусканием стенки можно пренебречь. В этом случае лучистый тепловой поток в камере сгорания:
qл.кс |
wэ ф Со |
|
|
Т |
г |
4 |
|
г |
|
. |
(1.11) |
||||
|
|
||||||
|
|
|
100 |
|
|
Эффективная степень черноты стенки определяется выражением
|
wэ ф |
w 1 , |
(1.12) |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
где w - степень черноты стенки, |
значения которой для различных мате- |
риалов приведены в табл. 2.
8