Учебное пособие 1215

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

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

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

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

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

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:

Для нахождения CO2 и H2O необходимо рассчитать парциальные давления водяных паров и углекислоты по формулам

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.

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

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:

Эффективная степень черноты стенки определяется выражением

риалов приведены в табл. 2.

8