ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ГОУВПО «ВГТУ»)
Авиационный факультет
Кафедра Теоретической и Промышленной теплоэнергетики
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Техническая термодинамика»
Тема «Расчет наружного охлаждения»
2010
Содержание
Введение
1. Определение удельного теплового потока
1.1 Выбор температуры газовой стенки
1.2 Определение конвективного удельного теплового потока
1.2.1 Расчет теплоемкости и вязкости газового потока
1.2.2 Нахождение значения коэффициента теплоотдачи от газа к стенке
1.2.3 Определение конвективного удельного теплового потока в стенку
1.3 Определение лучистого и суммарного удельных тепловых потоков
1.3.1 Определение степени черноты продуктов сгорания
1.3.2 Определение удельного лучистого теплового потока
1.3.3 Определение суммарного теплового потока
2. Определение подогрева охладителя
2.1 Определение температуры выхода охладителя
2.2 Определение подогрева охладителя и средней температуры охладителя на каждом участке
3. Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к охладителю и температуры «жидкостной стенки»
3.1 Определение температуры «жидкостной стенки»
3.2 Определение коэффициента теплоотдачи от жидкостной стенки к охладителю
3.3 Оценка погрешности при выборе температуры газовой стенки
4. Расчет мощности насоса
4.1 Определение скорости движения охладителя
4.2 Определение гидросопротивления межрубашечного зазора
4.3 Расчет мощности насоса
Заключение
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  , кг/c и состав  смеси газов, протекающих через канал;
2) термодинамические параметры смеси: температура  , K, и давление  МПа;
3) геометрические размеры и форма канала:
 – диаметр цилиндрической части камеры сгорания, м;
 – диаметр критического сечения сопла, м ;
 – диаметр выходной части сопла, м;
 – длина цилиндрической части сопла, м;
4) материал стенки и ее толщина  , м;
5) тип охлаждающей жидкости, ее расход  кг/c, давление и температура на входе,  ,К,  , МПа;
6) углы  и раскрытия сопла;
В результате расчета необходимо определить:
1) величину удельного теплового потока по длине сопла
2) температурное поле стенки со стороны газа и со стороны жидкости:
3) скорость движения охлаждающей жидкости в межрубашечном зазоре  , м/с; гидравлическое сопротивление межрубашечного зазора  , Н/м2
, мощность насоса для прокачки охлаждающей жидкости N
,
Вт.
1. Определение удельного теплового потока
1.1 Выбор температуры газовой стенки
Для расчета наружного охлаждения канал разбивается на участки.Схема разбивки канала на 11 участков прилагается в качестве приложения к курсовой работе.
Для каждого из участков выбираем температуру газовой стенки со стороны продуктов сгорания, учитывая свойства материала стенки.
1.2 Определение конвективного удельного теплового потока
1.2.1 Расчет теплоемкости и вязкости газового потока
Вычисляем теплоемкость газового потока по формуле (1.1):
 (1.1)
где Сpi
–теплоемкость конкретного газа при заданной температуре смеси, кДж/(кг К); ri
– доля газа в газовом потоке.
Определяем теплоемкость газов, пользуясь данными приложения А [1], применяя метод интерполяции:
 кДж/(кг К);
 кДж/(кг К);
 кДж/(кг К).
Подставляем найденные значения теплоемкостей в формулу (1.1):
 кДж/(кг К).
Находим молекулярную массу смеси по формуле (1.2):
 (1.2)
где Мi
–молекулярная масса конкретного газа, кг/(кмоль);
ri
– доля газа в газовом потоке.
 кг/(кмоль).
Динамическая вязкость определяется по формуле (1.3):
 , (1.3)
где Мi
–молекулярная масса смеси, кг/(кмоль);
 - динамическая вязкость конкретного газа,  ;
ri
– доля газа в газовом потоке.
Определяем динамическую вязкость газов, пользуясь данными приложения А [1],применяя метод интерполяции:
 ;
 ;
 .
1.2.2 Нахождение значения коэффициента теплоотдачи от газа к стенке.
Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке рассчитывается по формуле:
 (1.4)
где Сp
см
– теплоемкость газового потока, кДж/(кг К);
 - динамическая вязкость потока,;
 - массовый расход газа, кг/с;
 - средний диаметр поперечного сечения канала на каждом участке, м;
 - температура газовой смеси, К;
 - температура стенки со стороны продуктов сгорания для каждого участка, К.
 Вт/(м2
К).
 Вт/(м2
К).
 Вт/(м2
К).
 Вт/(м2
К).
 Вт/(м2
К).
 Вт/(м2
К).  Вт/(м2
К)
 Вт/(м2
К).
 Вт/(м2
К).
 Вт/(м2
К).
 Вт/(м2
К).
1.2.3 Определение конвективного удельного теплового потока в стенку
Конвективный удельный тепловой поток определяется по формуле:
 (1.5)
где  - коэффициент теплоотдачи для рассчитываемого участка, Вт/м2
;
- температура газовой смеси, К;
 - температура стенки для данного участка, К.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
1.3 Определение лучистого и суммарного удельных тепловых потоков
1.3.1 Определение степени черноты продуктов сгорания
Из составляющих продуктов сгорания числа газов практическое значение для расчета удельного лучистого теплового потока имеет только излучение  и  .
Это означает, что степень черноты продуктов сгорания зависит от степени черноты паров и углекислоты:
 , (1.6)
где  - степень черноты углекислого газа;
 - поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара;
 - степень черноты водяных паров;
Последний член в данном выражении означает, что излучение смеси и несколько меньше суммы излучений этих газов, так как полосы излучения и поглощения для и частично совпадают. Тогда формула принимает вид:
 . (1.7)
Для нахождения необходимо рассчитать парциальное давление водяных паров по формуле (1.8):
 , (1.8)
где  - давление газовой смеси в камере сгорания, Па;
 - массовая доля водяных паров в смеси.
 МПа.
Для нахождения необходимо рассчитать парциальное давление углекислоты по формуле (1.9):
 , (1.9)
где - давление газовой смеси в камере сгорания, Па;
 - массовая доля водяных паров в смеси.
 МПа.
Определяем отношение длины камеры сгорания к ее поперечному сечению:
 , (1.10)
где  - диаметр поперечного сечения камеры сгорания, м;
 - длина камеры сгорания, м.
Используя данные таблицы 1, найдем длину пути луча, l,м:
 ;
 м.
Определяем по графику зависимости и от T (T=2550 K) и произведений ( ) и  соответственно степени черноты водяных паров и углекислого газа. График представлен в приложении Д [1],
 ;
 .
Подставляем найденные значения  и  в формулу (1.7):
.
 .
1.3.2 Определение удельного лучистого теплового потока
В общем случае лучистый тепловой поток qл
,  определяется выражением:
 , (1.11)
где и  - соответственно температуры продуктов сгорания и газовой стенки, K;
 - эффективная степень черноты стенки;
 - степень черноты продуктов сгорания;
 Вт/(м2
K4
) коэффициент излучения абсолютно черного тела;
 - поглощательная способность газа при температуре газовой смеси.
В двигателях с медными и стальными охлаждаемыми стенками, не имеющими никаких специальных жароупорных покрытий, сравнительно невелика, значит, лучеиспусканием стенки можно пренебречь.
В этом случае лучистый тепловой поток qл.кс
, в камере сгорания:
 , (1.12)
Эффективную степень черноты стенки можно найти по формуле (1.13):
 , (1.13)
где  - степень черноты стенки, значение которой определяется из таблицы 1.
 ;
 .
Подставляем полученное значение  в формулу (1.12):
,
 Вт/м2
.
Так как величина лучистых тепловых потоков определяется в первую очередь термодинамической температурой, по длине сопла всегда имеет место резкое снижение значений qл
. Поэтому при расчетах лучистых тепловых потоков можно с достаточной степенью точности принять следующую картину распределения qл
по длине сопла:
 Вт/м2
;
 Вт/м2
;
 Вт/м2
;
 Вт/м2
;
 Вт/м2
;
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
1.3.3 Определение суммарного теплового потока
Суммарный тепловой поток qΣ
, находится как сумма конвективного и лучистого удельных тепловых потоков для рассчитываемого участка.
 , (1.14)
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
 Вт/м2
.
2. Определение подогрева охладителя
2.1 Определение температуры выхода охладителя
Рассчитываем для каждого участка площадь поверхности, омываемой газовой смесью:
 , (2.1)
где dср
– средний диаметр участка, м;
Δl – длина участка, м.
 м; м.
 м2
.
 м; м.
 м2
.
 м; м.
 м2
.
 м; м.
 м2
.
 м;  м.
 м2
.
 м; м.
 м2
.
 м; м.
 м2
.
 м; м.
 м2
.
 м; м.
 м2
.
 м; м.
 м2
.
 м; м.
 м2
.
Суммарный тепловой поток Q, Вт на каждом участке вычисляется по формуле (2.2):
 , (2.2)
где  - суммарный тепловой поток на участке, Вт/м2
;
 - площадь поверхности, омываемой газовой смесью, м2
;
k – количество участков.
 Вт.
Ориентировочная температура выхода охладителя Tвых
, К определяется по формуле (2.3):
 (2.3)
где Q – общий тепловой поток в стенку камеры сгорания, Вт;
mf
– массовый расход охладителя, кг/с;
 - теплоемкость охладителя (воды) вне зависимости от изменения ее температуры;
Tвх
f
– температура охладителя на входе, K.
 K.
Сравним температуру охладителя на выходе с температурой кипения воды при данном давлении.
Предположим, что потери давления в рубашке охлаждения составляют не более 2 МПа. Тогда давление на выходе из канала:
 ,
 МПа.
Температура воды на выходе из тракта охлаждения  K ниже температуры кипения  K при  МПа., значит при заданных параметрах (расход, давление) ее можно использовать для охлаждения газового потока.
2.2 Определение подогрева охладителя и средней температуры охладителя на каждом участке
Подогрев охладителя  вычисляется по формуле:
 (2.5)
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
Температура охлаждающей жидкости на выходе из каждого участка равна:
 , (2.6)
где  - температура охладителя на входе в рассчитываемый участок;
 - перегрев на участке, К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
 К.
Средняя температура охлаждающей жидкости на каждом участке определяется по формуле (2.7):
 (2.7)
где и  - температуры охладителя соответственно на входе и выходе из рассчитываемого участка, K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.`
3. Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к охладителю и температуры «жидкостной» стенки
3.1 Определение температуры «жидкостной» стенки
Перепад температур по толщине стенки ΔTwi
, К при заданной температуре газовой стенки для каждого участка рассчитывается по формуле (3.1):
 (3.1)
где  - толщина стенки, м;
λ – коэффициент теплопроводности материала стенки при температуре газовой стенки, Вт/(м К). Значения коэффициента теплопроводности найдем, пользуясь данными приложения В[1].
- суммарный тепловой поток на участке, Вт/м2
.
 Вт/(м К).
 K.
 Вт/(м К).
 K.
Вт/(м К).
 K.
Вт/(м К).
 K.
Вт/(м К).
 K.
Вт/(м К).
 K.
 Вт/(м К).
 K.
Вт/(м К).
 K.
Вт/(м К).
 K.
Вт/(м К).
 K.
Вт/(м К).
 K.
Температура «жидкостной стенки» Twfi
, K стенки определяется по формуле (3.2):
 (3.2)
где  - температура газовой стенки, К.
 - перепад температур по толщине стенки, К.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
 K.
3.2 Определение коэффициента теплоотдачи от жидкостной стенки к охладителю
Площадь проходного сечения Fохл
i
, м2
щели на каждом участке:
 , (3.3)
где  - средний диаметр охлаждающей щели на рассчитываемом участке, м;  м – высота щели, м.
Средний диаметр охлаждающей щели dохл
i
, м вычисляется по формуле (3.4):
 (3.4)
где  - средний диаметр сопла на рассчитываемом участке, м;
 - толщина стенки сопла, м;
 - высота тракта охлаждения, м.
Коэффициент теплоотдачи от жидкостной стенки к жидкости  вычисляем по формуле (3.5):
 , (3.5)
где  - массовый расход жидкости, кг/с;
 - проходное сечение щели на рассматриваемом участке, м2
;
 - эквивалентный диаметр канала охлаждающего тракта, м;
 - комплекс теплофизических свойств для жидкости при средней температуре жидкости на участке,  .
Определяем значение , пользуясь графиком зависимости комплекса от температуры для воды [1].Эквивалентный диаметр канала:
 (3.6)
 м.
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
 м;  .
 м.
 м2
.
 Вт/(м2
К).
3.3 Оценка погрешности при выборе температуры газовой стенки
Найдем уточненную температуру «жидкостной» стенки Т´, K, используя формулу (3.7):
 (3.7)
где  - средняя температура жидкости на рассчитываемом участке;
 - суммарный тепловой поток на рассчитываемом участке, Вт/м2
;
 - коэффициент теплоотдачи от «жидкостной» стенки к жидкости, Вт/(м2
К).
Зная перепад температур по толщине стенки, можно определить температуру газовой стенки:
 , (3.8)
где  - уточненная температура «жидкостной стенки» стенки из формулы (3.7), К;
 - перепад температур по толщине стенки, К.
Сравнивая полученную температуру газовой стенки с выбранной в начале вычислений, определяем погрешность для каждого участка:
 . (3.9)
 К.
 К.
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - это означает, что температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
 К.
 К.
 .
Погрешность не превышает 5% - температура газовой стенки определена с достаточной степенью точности.
4. Расчет мощности насоса
4.1 Определение скорости движения охладителя
Скорость движения охладителя wfi
,  определяется из уравнения расхода (4.1):
 (4.1)
где mf
– массовый расход жидкости, кг/с;
 - плотность охладителя при средней температуре жидкости на участке, кг/м3
. Определяем значение , пользуясь данными приложения Б [1].
Si
– площадь сечения кольцевого зазора на рассчитываемом участке, м2
.
Площадь сечения кольцевого зазора  рассчитывается по формуле (4.2):
 (4.2)
где - средний диаметр поперечного сечения канала на каждом участке, м;
- толщина стенки сопла, м;
м – высота щели, м.
Первый участок:  K; м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы
 кг/м3
.
 м/с.
Второй участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
Третий участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
Четвертый участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
Пятый участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
Шестой участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
Седьмой участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
Восьмой участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
Девятый участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
Десятый участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
Одиннадцатый участок:  K;  м.
 м2
.
Возьмём плотность из таблицы:
 кг/м3
.
 м/с.
4.2 Определение гидросопротивления межрубашечного зазора
В охлаждающем тракте камеры происходит два вида потерь:
Потери на трение жидкости о стенки канала.
Местные потери на скреплениях внешних и внутренних оболочек двигателя, штамповках, поворотах, плавных и внезапных сужениях (расширениях) тракта двигателя.
Потери на трение  Н/м2
определяются формулой Дарси-Вейсбаха (4.3):
 (4.3)
где  - коэффициент потерь;
 - длина участка;
 м – эквивалентный диаметр канала;
- плотность охлаждающей жидкости на рассчитываемом участке, кг/м3
. Определяем плотность охлаждающей жидкости, пользуясь данными приложения Б [1].
 - скорость жидкости на участке, м/с.
Коэффициент потерь зависит от числа Рейнольдса:
 , (4.4)
где  , так как канал кольцевой.
Число Рейнольдса находим по формуле (4.5):
 , (4.5)
где mf
– массовый расход охладителя, кг/с;
- средний диаметр охлаждающей щели на рассчитываемом участке, м;
 - динамическая вязкость воды для рассчитываемого участка, ( ). Находим значения динамической вязкости воды, пользуясь данными приложения WaterSteamPro при температуре насыщения
Первый участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Второй участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Третий участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Четвертый участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Пятый участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Шестой участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Седьмой участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Восьмой участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Девятый участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Десятый участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Десятый участок:  кг/м3
;  м;  м/с.
 ();
 ;
 ;
 Па.
Местные потери  , Н/м2
определяются формулой (4.6):
 (4.6)
где  - коэффициент местных потерь;
- скорость движения жидкости на участке, м/с;
- плотность жидкости, кг/м3
.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
 м/с;  кг/м3
.
 Па.
м/с;  кг/м3
.
 Па.
Суммарные потери  , Н/м2
вычисляются по формуле (4.7):
 (4.7)
где  - потери на трение на i –том участке, Па;
 - потери на местные сопротивления на i –том участке, Па.
4.3 Расчет мощности насоса
Мощность насоса N, Вт, необходимая для прокачки жидкости, определяют по формуле (4.8):
 (4.8)
где  - суммарные потери на гидросопротивление межрубашечного зазора, Па; mf
– расход охлаждающей жидкости, кг/с;
 кг/м3
– среднее значение плотности жидкости между входом в канал и выходом;
 - коэффициент полезного действия.
 Вт.
Заключение
В данной курсовой работе, был проведен расчет конвективного охлаждающего сопла Лаваля . В результате расчета была определена величина теплового потока по длине сопла , равная на выходе 5230845  , в критическом сечении 525161  и на входе 2829790 . А также температурное поле стенки со стороны продукта сгорания для критического сечения составило 1120 К, для выхода 429 К , а на входе 705 К. Скорость движения охлаждающей жидкости составила в критическом сечении 45,635 м/с ,а на входе 18,693 м/с и на выходе 10,279 м/с Гидравлическое сопротивление межрубашечного зазора равно Па. Мощность насоса для прокачивания охлаждающей жидкости составило 50508,201Вт.
Также из графиков зависимости тепловых потоков и температур по длине сопла, мы можем сделать вывод, что своего максимального значения они достигают в критическом сечении сопла.
Список литературы
1. Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине "Техническая термодинамика" для студентов специальности 140104 "Промышленная теплоэнергетика" очной форм обучения / В.Ю. Дубанин, С.В. Дахин, Н.Н. Кожухов, А.М. Наумов - Воронеж. ВГТУ: Воронеж, 2004. - 29с.
2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е.. Техническая термодинамика: учебник / 4-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1983. - 416 с.
3. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика: учебное пособие для вузов. – М.:Машиностроение, 1972. – 672 с.
4. Сертифицированный набор программ для вычислений свойств воды и водяного пара, газов и смесей газов "WaterSteamPro"TM
6.0/ Орлов К.А., Александров А. А., Очков В. Ф. – М.: МЭИ, 2005.
5. Техническая термодинамика: учебник для вузов /Под ред.
В.И. Крутова - 2-е изд., перераб. и доп – М.: Высш. школа, 1981. - 439 с., ил.
|