Оценка термодинамического совершенства цикла Брайтона с регенерацией тепла. Расчёт теплообменн

Рефераты по промышленности и производству » 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:

Все процессы, образующие цикл, считаются обратимыми.

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.

Цикл считается замкнутым, т.е. процессы смены рабочего тела не рассматриваются, а заменяются условным политропным процессом отвода теплоты q2.

Процесс горения топлива заменяется условным политропным процессом подвода теплоты q1.

Особенности цикла Брайтона.

рабочее тело – поток воздуха (открытая термодинамическая система);

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;

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;

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 209

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:

Степень повышения давления рабочего тела

Степень подогрева

Степень регенерации (для цикла Брайтона с регенерацией тепла).

Параметры состояния в начальной точке цикла для всех вариантов:

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:

- удельная работа сжатия, Дж/кг;

- удельная работа расширения, Дж/кг;

- работа цикла (свободная энергия на выходе из тепловой машины), Дж/кг;

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

- - количество тепла, отводимое от рабочего тела в окружающую среду, Дж/кг;

- полезно использованное тепло в цикле, Дж/кг;

Совершенство термодинамического цикла Брайтона без регенерации тепла:

- термический КПД цикла Брайтона;

- термический КПД цикла Карно. Цикл Карно, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов (рис.2) и совершаемый в диапазоне температур Т1 – Т3, является базовым для любого термодинамического цикла;

- 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:

холодный теплоноситель:

Вход (точка 2): Па;

К;

;

К;

Па;

Выход (точка 2та): ;

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:

;

3.2.9. Оценка возможности использования регенерации тепла в цикле Брайтона

Определяется максимальное значение степени повышения давления из условия (Т4Т2):

Часть 2. Расчёт теплообменного аппарата.

Исходными данными для решения задачи являются:

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

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 орт.

Массовый расход холодного и горячего теплоносителей Gхол=Gгор, кг/с.

Форма канала – равносторонний треугольник со стороной l1 для холодного теплоносителя и l2 для горячего теплоносителя.

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	, 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 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:

определяющая температура для горячего (Топ1) и холодного (Топ2) теплоносителей (для расчёта критериев подобия):

К;

плотность горячего и холодного теплоносителей при данных температурах из уравнения состояния:

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;

необходимое количество каналов для теплоносителей:

где Fкан1, Fкан2 – соответствующие площади поперечного сечения каналов. Для равностороннего треугольника со стороной L1 или L2 имеем:

по значению температуры Топ1 (или Топ2) с помощью табл. 5 находятся коэффициенты теплопроводности 1 (или 2) и динамической вязкости 1 (или 2) 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,