Расчет наружного охлаждения стенки камеры сгорания

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика» 
 
 
 
 
 
 
 

    КУРСОВАЯ  РАБОТА

    РАСЧЕТ  НАРУЖНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНКИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ 

                                          Вариант-18 
 
 
 
 
 
 

                                                                                          
 
 
 

                                                                                          Выполнила:

                                                                                          студентка гр. ТЭд-31

                                                            Сагитова К. Р.

                                                                                         Проверил:

                                                                                         Ртищева А. С. 
 
 

Ульяновск  2009 г.

    СОДЕРЖАНИЕ 

    Введение 3

    1. Задание курсовой работы 4

    2. Расчета конвективно-радиационного  теплообмена 6

        2.1. Теплоотдача с газовой стороны  стенки 6

    2.2. Радиационный теплообмен между  газом и стенкой 12

2.3. Теплоотдача  с жидкостной стороны стенки 14

Заключение  16

        Список литературы 17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Основной  тенденцией развития энергетической техники  является увеличение максимальных температур и давлений теплоносителей и рабочих  тел. Максимальные температуры газа в энергетических установках намного  превышают допустимые температуры  материалов, из которых изготовлены  элементы проточной части тепловых двигателей (ракетных, атомных, плазменных и т. д.). В этих условиях существенное значение для надежной работы теплонапряженных деталей машины имеет система  охлаждения. Эффективность и надежность работы в конечном итоге определяется надежностью инженерных методов  расчета теплообмена.

    Цель  данной курсовой работы “Расчет наружного охлаждения стенки без защитного покрытия”– научить студентов решать практические задачи по расчету процессов теплообмена. При расчетах понадобятся знания по всем видам передачи теплоты: теплопроводности, конвекции, тепловому излучению.

    При решении практических задач по теплообмену  можно выделить несколько этапов [4].

    На  первом этапе необходимо проанализировать процесс или явление, расчету  которого посвящена данная задача. Анализ ведется с целью выявления  видов теплообмена, участвующих  в этом процессе или явлении, и  сопровождающих их особенностей. На основе такого анализа удается выяснить тип задачи и сформулировать ее в  терминах теории теплообмена.

    На  втором этапе по учебной и справочной литературе необходимо подобрать расчетные  формулы, которые подходят для расчетов видов теплообмена.

    На  третьем этапе устанавливается  порядок расчета – последовательность вычисления отдельных искомых величин.

    На  четвертом этапе – расчет в  численной форме.

    На  пятом этапе – анализ полученных расчетных величин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Задание курсовой  работы

Температура Т_f1=2670 К;

Давление  р₁=21,8×10⁵ Па;

Расход  G₁=19,5 кг/с;

Состав  продуктов сгорания:

Топливо горючее – жидкий водород

               окислитель - жидкий кислород 
 
 
 
 
 

Средней молекулярной массы m = 10,21 кг;

Газовой постоянной R = 742,6 Дж/(кг·К);

Коэффициентом адиабаты к =1,224;

Диаметр (размер сечения) D = 0,15 м;

Материал  – Х20Н77Т2ЮР;

Толщина стенки δ_w = 1,5 мм;

Род охладителя – вода;

Расход  G₂ = 15,0 кг/с;

Давление  р₂ =49×10⁵ Па;

Температура = 9,5 °С охладителя на входе в канал;

Длина рассматриваемого участка камеры сгорания ΔL = 130 мм. 

    Достаточная прочность стенок камер сгорания двигателей, ядерных реакторов обеспечивается поддержанием ее температуры в определенных пределах за счет охлаждения с наружной стороны. Необходимая интенсивность охлаждения при заданном ограниченном расходе охладителя достигается подбором проходного сечения кольцевого щелевого канала для охладителя. Необходимо рассчитать ширину этого канала δ₁ (см. рис. 1) так, чтобы температуру стенки Т_w1 омываемой газом, можно было поддержать в пределах допустимых значений при стационарном режиме теплообмена.

    Указания  к расчету:

1. Возможные  изменения в составе газа из-за  изменения его температуры во  внимание не принимаются.

2. При  вычислении определяющей температуры  коэффициент восстановления температуры  принимаем равным r = 0,88.

3. Температура  стенки, со стороны, омываемой  газом, ограничивается допустимой  температурой материала стенки для никеля t_доп. _м. = 1200^оС;

4. С  жидкостной стороны (со стороны  охладителя) накладывается ограничение,  связанное с кипением охлаждающей  жидкости. Температура кипения жидкостей  200-250 ^оС при заданных давлениях 30…50 ат.

5. Степень  черноты материала стенки принимаем для Х20Н77Т2ЮР равным ε_w = 0,8.

6. При  определении теплофизических свойств  рабочего тела, охладителя по  таблицам необходимо проводить  интерполирование табличных данных. 
 

 

Рис. 1. Схема  наружного охлаждения стенки камеры сгорания 
 
 

2. Расчета конвективно-радиационного  теплообмен

    Радиационно-конвективный теплообмен состоит из двух параллельно  протекающих процессов теплообмена. Тепловой поток от газа к стенке складывается из конвективной и радиационной составляющих q = q_р + q_к. 

    2.1. Теплоотдача с газовой стороны стенки 

    Стенки  камеры сгорания с внутренней стороны омывает высокотемпературный газ, имеющий большую скорость движения. Этот газ представляет собой продукты сгорания топлива и является многокомпонентной газовой смесью.

    В силу сложности и недостаточной  изученности процесса теплоотдачи  возникают большие (а иногда непреодолимые) трудности в теоретическом исследовании этого явления. Поэтому в подавляющем большинстве случаев расчетная методика теплоотдачи основана на экспериментальных исследованиях. Результаты опытного исследования представляются в виде уравнений подобия. Результаты большинства имеющихся теоретических и полуэмпирических исследований также представлены в виде уравнений подобия. Поэтому одна из целей данной курсовой работы – научить студентов пользоваться уравнениями подобия для расчета процессов теплоотдачи.

    Итак, в первую очередь необходимо выбрать подходящее уравнение подобия для расчета теплоотдачи при заданных условиях.

      Конвективный  теплообмен между стенкой камеры и высокотемпературным потоком рассматривается как теплоотдача между газовым потоком, имеющим большую скорость, и стенкой канала, Для расчета коэффициента теплоотдачи в литературе имеются уравнения подобия, рекомендованные различными авторами (в курсовой работе необходимо рассчитать коэффициент теплоотдачи по обеим формулам для последующего сравнения результатов):

      1. Уравнение подобия, предложенное М. А. Михеевым [2, 5, 7, 8]:

     , (1) 

где , – число Рейнольдса и число Прандтля соответственно, подсчитанные по определяющей температуре Т_f; – число Прандтля, подсчитанное по температуре стенки Т_w.

    2. Уравнение, предложенное для расчета  теплоотдачи в ракетных двигателях  [1]:

 (2) 

    В обоих случаях в качестве определяющего  размера принят эквивалентный диаметр  сечения  , где f – площадь сечения канала; u – периметр канала.

    В качестве определяющей температуры  принимается, в первом случае – температура  потока Т_f1, во втором случае – Т = (Т_r + T_w)/2 (для чисел Маха 0,3 < < Ма < 1,6), где Т_r – температура восстановления потока.

    Температура восстановления потока определяется по формуле

, (3)

где – коэффициент восстановления для турбулентного потока (для ламинарного потока ); к – показатель адиабаты; Ма = w/a – число Маха; w – скорость потока; а – скорость звука.

    Число Маха вычисляется с помощью формул

, (4)

где R – газовая постоянная продуктов сгорания.

    После определения определяющей температуры  записывают все теплофизические  свойства продуктов сгорания, необходимые  для вычисления коэффициента теплоотдачи  в таблицу

    Для определения динамического коэффициента вязкости газовой смеси рекомендуется  формула

, (5)

где – объемная доля компонента в смеси; – коэффициент динамической вязкости отдельного компонента, который берется при определяющей температуре; N – число компонентов.

    Для приближенной оценки коэффициента теплопроводности газовой смеси применяется следующая  формула

, (6)

где , mR = 8,314 кДж/(моль∙К); – теплоемкость отдельного компонента.

    Для приближенной оценки теплоемкости смеси  в [4] предлагается формула

. (7)

    Теплофизические свойства основных компонентов продуктов  сгорания приведены в таблице  П1 (см. приложения), некоторые данные необходимо взять из специальной  литературы, например [3]

    Для вычисления определяющей температуры  Т число восстановления принимается  в первом приближении r = 0,88, впоследствии это число будет уточнено.

    После уточнения коэффициента восстановления определяется температура восстановления (3).

    После вычисления числа Нуссельта по формулам (1), (2), определяется коэффициент теплоотдачи  α_к. С учетом нестабилизированности потока α_к необходимо умножить на коэффициент ε_l = 1,082 (по рекомендациям).