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.

1. рабочее тело – поток воздуха (открытая термодинамическая система);
2. 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;
3. 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;
4. 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:

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 .

 

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:

1. - удельная работа сжатия, Дж/кг;
2. - удельная работа расширения, Дж/кг;
3. - работа цикла (свободная энергия на выходе из тепловой машины), Дж/кг;
4. - количество тепла, подведенное к 1 кг рабочего тела в цикле, Дж/кг;
5. - - количество тепла, отводимое от рабочего тела в окружающую среду, Дж/кг;
6. - полезно использованное тепло в цикле, Дж/кг;

Совершенство  термодинамического цикла Брайтона без  регенерации тепла:

1. - термический КПД цикла Брайтона;
2. - 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;
3. - совершенство заданного термодинамического цикла Брайтона