Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет энергетики и систем управления

Кафедра теоретической и промышленной теплоэнергетики

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Техническая термодинамика»

Тема «Расчет наружного охлаждения»

Разработала студентка

К.В. Мерзликина

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

Список литературы

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 продуктов сгорания ;

состав смеси газов, протекающих через канал:

тепловой охладитель температура насос

2)термодинамические параметры продуктов сгорания:

температура и давление ;

3)геометрические размеры и форма канала:

- диаметр цилиндрической части камеры сгорания;

- диаметр критического сечения сопла;

- диаметр выходной части сопла;

- длина цилиндрической части сопла;

- высота канала.

4)материал стенки - бронза, толщина стенки ;

5)охлаждающая жидкость - вода,

расход ,

давление на входе: ,

температура на входе ;

6)углы раскрытия сопла: и.

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;

4) гидравлическое сопротивление межрубашечного зазора , Па;

5) мощность насоса для прокачки охлаждающей жидкости N, Вт.

Построить:

1) геометрический профиль сопла;

2) графики зависимостей q_л, q_к, q_?, T_f, T_wr, T_wf по длине сопла.

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

Теплоемкость С_pсм, кДж/(кг•К) газового потока вычисляем по формуле

Где С_pi - теплоемкость конкретного газа при заданной температуре смеси, кДж/(кг К);

r_i - доля газа в газовом потоке.

Определяем теплоемкость газов, пользуясь [1], применяя метод интерполяции

,

,

.

Подставляем найденные значения теплоемкостей в формулу

.

Находим молекулярную массу смеси М_см, кг/кмоль по формуле

Где М_i - молекулярная масса конкретного газа, кг/кмоль;

r_i - доля газа в газовом потоке.

.

Динамическая вязкость смеси , определяется по формуле

Где М_см - молекулярная масса смеси, кг/кмоль;

- динамическая вязкость конкретного газа, ;

r_i - доля газа в газовом потоке.

Определяем динамическую вязкость газов, пользуясь [1], применяя метод интерполяции

,

,

.

По формуле определяем динамическую вязкость смеси

1.2.2 Нахождение значения коэффициента теплоотдачи от газа к стенке

Коэффициент теплоотдачи , от газа к стенке, рассчитывается по формуле

Где С_pсм - 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.

1.2.3 Определение конвективного удельного теплового потока в стенку

Конвективный удельный тепловой поток q_к, Вт/м² определяется по формуле

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

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

Для нахождения необходимо рассчитать парциальное давление водяных паров по формуле

где - давление газовой смеси в камере сгорания, Па;

- массовая доля водяных паров в смеси.

МПа.

Для нахождения необходимо рассчитать парциальное давление углекислоты по формуле

где - давление газовой смеси в камере сгорания, Па;

- массовая доля углекислого газа в смеси.

МПа.

Определяем отношение длины камеры сгорания к ее поперечному сечению

где - диаметр поперечного сечения камеры сгорания, м;

- длина камеры сгорания, м.

Пользуясь [1], найдем длину пути луча l, м

,

м.

Определяем степень черноты водяных паров и углекислого газа пользуясь [1]

;

.

Подставляем найденные значения и в формулу

.

1.3.2 Определение удельного лучистого теплового потока

В общем случае лучистый тепловой поток q_л, Вт/м² определяется выражением

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 q_л.кс, Вт/м² в камере сгорания

Эффективную степень черноты стенки можно найти по формуле

где - степень черноты стенки, значение которой определяется из [1].

.

Подставляем полученное значение в формулу

Так как величина лучистых тепловых потоков определяется в первую очередь термодинамической температурой, по длине сопла всегда имеет место резкое снижение значений q_л. Поэтому при расчетах лучистых тепловых потоков можно с достаточной степенью точности принять следующую картину распределения q_л 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 q_У, Вт/м² находится как сумма конвективного и лучистого удельных тепловых потоков для рассчитываемого участка

Производим расчет суммарного теплового потока для каждого участка

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

гдеd_ср - средний диаметр участка, м;

Дl - длина участка, м.

Общий тепловой поток Q, Вт вычисляется по формуле

где - суммарный тепловой поток на участке, Вт/м²;

- площадь поверхности, омываемой газовой смесью, м²;

k - количество участков.

Ориентировочная температура выхода охладителя T_вых, К определяется по формуле

гдеQ - общий тепловой поток в стенку камеры сгорания, Вт;

m_f - массовый расход охладителя, кг/с;

- теплоемкость охладителя (воды) вне зависимости от изменения ее температуры;

T_вхf - температура охладителя на входе, 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 выше температуры кипения при давлении , значит при заданных параметрах (расход, давление) ее нельзя использовать для охлаждения газового потока. Для решения данной проблемы необходимо увеличить давление на входе до . Тогда давление на выходе составит

МПа.

Температура кипения воды при полученном давлении . Таким образом, при заданных параметрах (расход, давление) воду можно использовать для охлаждения газового потока в данном двигателе.

2.2 Определение подогрева охладителя и средней температуры охладителя на каждом участке

Подогрев охладителя вычисляется по формуле



К,

К,

К,

К,

К,

К,

К,

К.

Температура , К охлаждающей жидкости на выходе из каждого участка определяется по формуле

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 , К охлаждающей жидкости на каждом участке определяется по формуле

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 ДT_wi, К при заданной температуре газовой стенки для каждого участка рассчитывается по формуле

где - толщина стенки, м;

л - коэффициент теплопроводности материала стенки при температуре газовой стенки, Вт/(м К). Значения коэффициента теплопроводности найдем, пользуясь [1];

- суммарный тепловой поток на участке, Вт/м².

В данном случае, для бронзы, коэффициент теплопроводности не зависит от температуры и равен

K,

K,

K,

K,

K,

K,

K,

K,

K,

K,

K.

Температура «жидкостной стенки» T_wfi, K стенки определяется по формуле

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 F_охлi, м² щели на каждом участке

где - средний диаметр охлаждающей щели на рассчитываемом участке, м;

м - высота щели, м.

Средний диаметр охлаждающей щели d_охлi, м вычисляется по формуле

где - средний диаметр сопла на рассчитываемом участке, м;

- толщина стенки сопла, м;

- высота тракта охлаждения, м.

Коэффициент теплоотдачи , Вт/(м²•К) от жидкостной стенки к жидкости вычисляем по формуле

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

м,

Вычисляем коэффициент теплоотдачи жидкостной стенки к жидкости для каждого участка по формуле

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 , K, используя формулу



где - средняя температура жидкости на рассчитываемом участке, К;

- 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 , К газовой стенки

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 % - 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 w_fi, м/с определяется из уравнения расхода

гдеm_f - массовый расход жидкости, кг/с;

- плотность охладителя при средней температуре жидкости на участке, кг/м³. Определяем значение , пользуясь [1];

S_i - площадь сечения кольцевого зазора на рассчитываемом участке, м².

Площадь сечения кольцевого зазора рассчитывается по формуле

где- средний диаметр поперечного сечения канала на каждом участке, м;

- толщина стенки сопла, м;

м - высота щели, м.

Первый участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Второй участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Третий участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Четвертый участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Пятый участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Шестой участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Седьмой участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Восьмой участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Девятый участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Десятый участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

Одиннадцатый участок: K, м, кг/м³

м²,

м/с.

4.2 Определение гидросопротивления межрубашечного зазора

В охлаждающем тракте камеры происходит два вида потерь:

1) Потери на трение жидкости о стенки канала.

2) 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

где - коэффициент потерь;

- длина участка, м;

м - эквивалентный диаметр канала;

- плотность охлаждающей жидкости на рассчитываемом участке, кг/м³;

- скорость жидкости на участке, м/с.

Коэффициент потерь зависит от числа Рейнольдса

где, так как канал кольцевой.

Число Рейнольдса находим по формуле

гдеm_f - массовый расход охладителя, кг/с;

- средний диаметр охлаждающей щели на рассчитываемом участке, м;

- динамическая вязкость воды для рассчитываемого участка, . Определяем значения динамической вязкости воды, пользуясь [1].

Местные потери , Н/м² определяются формулой

где - коэффициент местных потерь;

- скорость жидкости на участке, м/с;

- плотность охлаждающей жидкости на рассчитываемом участке, кг/м³.

Первый участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Второй участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Третий участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Четвертый участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Пятый участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Шестой участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Седьмой участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Восьмой участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Девятый участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Десятый участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Одиннадцатый2участок:

кг/м³, м, м/с,

,

,

Па,

Па.

Суммарные потери , Н/м² вычисляются по формуле

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



где - суммарные потери на гидросопротивление межрубашечного зазора, Па;

m_f - 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 охлаждения сопла Лаваля. В результате расчета была определена величина удельного теплового потока по длине сопла, равная на выходе , в критическом сечении и на входе . Температура стенки со стороны продуктов сгорания в критическом сечении составила 1085 К, на выходе 510 К и на входе 735 К; температура стенки со стороны охлаждающей жидкости в критическом сечении 587.42 К, на выходе 431.91 К и на входе 596.74 К.

Температура охладителя в критике имеет значение 443.72 К, и на выходе 540.32 К. Вследствие достаточно высокой температуры газовой смеси имеет место вскипание охлаждающей жидкости в канале. Для предотвращения этого явления необходимо увеличить расход воды и давление на входе до

Скорость движения охлаждающей жидкости в критическом сечении 30.056 м/с, на входе 13.51 м/с и на выходе 7.284 м/с.

Гидравлическое сопротивление межрубашечного зазора равно .

Мощность насоса, необходимая для прокачки охлаждающей жидкости составляет .

Также, из графиков зависимости удельного конвективного и суммарного тепловых потоков и температур стенки со стороны газа и со стороны жидкости по длине сопла, можно сделать вывод, что своего максимального значения они достигают в критическом сечении сопла. Удельный лучистый тепловой поток, в свою очередь, максимальное значение имеет в камере сгорания и значительно убывает по мере движения продуктов сгорания к выходу сопла. Температура охладителя увеличивается по ходу его движения в канале.

Список литературы

1. Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Техническая термодинамика» для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» очной и заочной форм обучения / ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.Ю. Дубанин, А.М. Наумов, Д.А. Прутских. Воронеж, 2010. 30 с.

2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика: учебник для вузов / 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 496 с.

3. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика: учебное пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 1972. - 672 с.

4. Ривкин С. Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара: справочник / С. Л. Ривкин, А. А. Александров. М.: Энергоатомиздат, 1984. 80с.

5. СТП ВГТУ 62-2007. Текстовые документы (курсовые работы(проекты), рефераты, отчеты по лабораторным работам, контрольные работы). Правила оформления. Воронеж: ВГТУ, 2007. 53 с.

Размещено на Allbest.ru