Реферат: Оценка термодинамического совершенства цикла Брайтона с регенерацией тепла. Расчёт теплообменн

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 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 (для цикла Брайтона с регенерацией тепла).

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:

, где π – степень повышения давления.;

Па;

Температура

, подставляем в формулу, получаем:

К;

Удельный объем:

;

Плотность:

Точка 3:

Давление:

Па;

Температура:

К, где – степень подогрева.

Удельный объем:

;

Плотность:

Точка 4:

Давление:

Па;

Температура:

К;

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:

(уравнение Майера );

(показатель адиабаты ).

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) — количество тепла, подведенное к 1 кг рабочего тела в цикле, Дж/кг;

д) — — количество тепла, отводимое от рабочего тела в окружающую среду, Дж/кг;

е) — полезно использованное тепло в цикле, Дж/кг;

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 Т 1 – Т 3, является базовым для любого термодинамического цикла;

в) — совершенство заданного термодинамического цикла Брайтона

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): Па;

К;

;

К;

Па;

Выход (точка 2та ): ;

б) горячий теплоноситель:

Вход (точка 4): Па;

;

К;

;

Выход (точка ): Па;

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 (Т 4 ³Т 2 ):

Часть 2. Расчёт теплообменного аппарата.

Исходными данными для решения задачи являются:

1. Параметры состояния на входе в теплообменный аппарат холодного и горячего теплоносителей.

2. Параметры состояния на выходе из теплообменного аппарата холодного и горячего теплоносителей. Значения всех параметров состояния берутся из первой части контрольной работы при расчете цикла Брайтона с регенерацией тепла при оптимальном значении pорт .

3. Массовый расход холодного и горячего теплоносителей G хол =G гор, кг/с.

4. Форма канала – равносторонний треугольник со стороной l 1 для холодного теплоносителя и l 2 для горячего теплоносителя.

5. Скорость течения холодного с 1 и горячего с 2 теплоносителей, м/с.

Значения исходных данных, перечисленных в п.3,4,5, берутся из табл. 3

Вариант	G, кг/с	, мм	, мм	, м/с	, м/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:

Па; Па;

К; К;

; ;

Точка 4:

Па; Па;

К; К;

; ;

;

3.3.2. Далее рассчитываются:

а) определяющая температура для горячего (Т оп1 ) и холодного (Т оп2 ) теплоносителей (для расчёта критериев подобия):

К;

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;

с 1 – средняя скорость движения холодного теплоносителя по каналам теплообменного аппарата, м/с;

с 2 – средняя скорость движения горячего теплоносителя по каналам теплообменного аппарата, м/с;

г) необходимое количество каналов для теплоносителей:

где F кан1, F кан2 – соответствующие площади поперечного сечения каналов. Для равностороннего треугольника со стороной L 1 или L 2 имеем:

д) по значению температуры Т оп1 (или Т оп2 ) с помощью табл. 5 находятся коэффициенты теплопроводности l1 (или l2 ) и динамической вязкости m1 (или m2 ) теплоносителей методом линейной интерполяции:

Т,

кг/м3

Ср,

кДж/кг·К

λ·102 ,

Вт/м·К

а·105 ,

м2 /с

μ·106 ,

Н·с/м2

ν·106 ,

м2 /с