Расчет наружного охлаждения

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:

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 Сpсм – 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/(м2К)

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.