«РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Термодинамика и теплопередача, СД.04 (наименование, шифр по ГОС) Специальность 160901 Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей (шифр по ГОС) Факультет - ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по УМР

В.В.Криницин

«»_2007г.

РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

«Термодинамика и теплопередача», СД.04 (наименование, шифр по ГОС) Специальность 160901 Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей (шифр по ГОС) Факультет - Механический Кафедра - Двигатели летательных аппаратов Курс - 3 Форма обучения - очная Семестр Общий объём учебных часов на дисциплину - 110 (ч.) Объём аудиторных часов - 60 (ч.), в том числе:

Лекции - 32 (ч.) Лабораторные занятия - 28 (ч.) Самостоятельная работа - 50 (ч.) Контрольное домашнее задание - 3 курс (семестр – 5-й) Зачет - 3 курс (семестр – 5-й) Москва – Рабочая учебная программа составлена на основании примерной учебной программы дисциплины и в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника по специальности.

Рабочую учебную программу составил:

Шулекин В.Т., доцент, к.т.н..

(Ф.И.О., звание, степень) (подпись) Рабочая учебная программа утверждена на заседании кафедры, протокол № _ от «_»2007г.

Заведующий кафедрой Никонов В.В., проф.,д.т.н..

(Ф.И.О., звание, степень) (подпись) Рабочая учебная программа одобрена методическим советом специальности 160901 Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей (наименование специальности) «»2007 г. протокол №.

Председатель методического совета Чинючин Ю.М., проф., д.т.н.

(Ф.И.О., звание, степень) (подпись) Рабочая учебная программа согласована с Учебно-методическим управлением (УМУ) Начальник УМУ Логачев В.П., доц., к.т.н..

(Ф.И.О., звание, степень) (подпись) 3.

1. Цели и задачи дисциплины 1.1. Цель преподавания дисциплины Цель преподавания дисциплины «Термодинамика и теплопередача»

состоит в изучении:

- термодинамических процессов, составляющих циклы современных и перспективных тепловых машин;

- основных закономерностей преобразования теплоты в работу в тепловых машинах;

- основных законов энергообмена в газовых потоках;

- основных законов теплопроводности, конвективного теплообмена, теплового излучения и сложного теплообмена (теплопередачи).

1.2. Задачи изучения дисциплины (необходимый комплекс знаний и умений).

1.2.1. Иметь представление о проблемах технической термодинамики и теплообмена в авиационных газотурбинных двигателях гражданской авиации и обеспечении летной годности воздушных судов и их силовых установок в процессе эксплуатации.

1.2.2. Знать:

- термодинамические процессы, составляющие циклы тепловых машин;

- основные законы преобразования теплоты в работу в авиационных двигателях;

- современные методы анализа эффективности циклов тепловых машин;

- принципы работы авиадвигателей;

- особенности теплообмена в авиационных двигателях;

- методы поиска и устранения неисправностей авиадвигателей на основе анализа их работы как тепловых машин.

1.2.3. Уметь:

- производить анализ эффективности термодинамических процессов, в которых осуществляется преобразование теплоты в работу;

- осуществлять анализ безопасной работы и оценки эффективности циклов тепловых установок;

- производить расчеты различных видов теплообмена при взаимодействии рабочего тела с конструкцией авиационных двигателей.

1.2.4. Иметь навыки:

- в определении параметров состояния рабочего тела в контрольных точках циклов авиационных двигателей;

- в оценке эффективных различных циклов тепловых установок;

- в определении основных параметров теплообмена при регенерации тепла в силовых установках летательных аппаратов.

2. Содержание дисциплины 2.1. Наименование разделов (подразделов), объём часах.

Содержание лекций, ссылки на литературу Раздел 1. Уравнение состояния, виды уравнения состояния.

Реальный и идеальный газ. 2 часа Тема 1.1. Уравнение состояния реальных и идеальных газов Предмет курса термодинамики и теплопередачи. Значение курса в подготовке инженера-механика по технической эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей в обеспечении безопасности полетов летательных аппаратов гражданской авиации. Краткий исторический очерк. Роль отечественных учёных в развитии данной науки.

Краткая характеристика идеального и реального газа. Газовая постоянная для идеального газа и её роль при оценке эффективности использования отработавших ресурс авиадвигателей в других отраслях промышленности.

Уравнение состояния идеального газа в дифференциальной и интегральной формах. Понятие о деформационной и технической работах при взаимодействии рабочего тела с внешней средой. Уравнение состояния для реального газа.

Литература: [1,2,3,4] Раздел 2. Теплоёмкость. Виды теплоёмкости. Теплоёмкость смеси газов. 2 часа Тема 2.1. Теплоёмкость рабочего тела авиационных двигателей Определение теплоёмкости рабочего тела. Понятие об удельной массовой, объёмной, мольной и других видах теплоёмкости и их практическое использование в авиационной и космической технике.

Зависимость теплоёмкости от температуры рабочего тела.

Теплоёмкость смеси газов.

Литература: [1,2,3,4] Раздел 3. Основные термодинамические законы. 2 часа авиадвигателях Первый и второй законы термодинамики. Изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный процессы и примеры их использования в авиационной и космической технике. Энергетические показатели политропного процесса Особенности преобразования теплоты в работу в названных процессах.

Литература: [1,2,3,4] Раздел 4. Циклы тепловых двигателей. Цикл Брайтона и его применение в ГТД. Цикл Гемфри, его применение в авиационной и космической технике. 4 часа Тема 4.1. Циклы тепловых двигателей Цикл Н.Л.С. Карно (1824г.) – базовый цикл для тепловых двигателей.

Энергетические показатели цикла Карно. Термический КПД цикла Карно.

Циклы Н.А. Отто (1876г.), Р. Дизеля (1897г.) и их применение в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Энергетические показатели циклов Отто и Дизеля. Оценка эффективности термодинамического совершенства циклов Отто и Дизеля.

Литература: [1,2,3,4] Тема 4.2. Циклы газотурбинных двигателей Цикл Брайтона газотурбинных двигателей, обеспечивший качественный скачок в развитии авиации. Энергетические показатели цикла Брайтона и оценка его термодинамического совершенства.

Цикл Гемфри газотурбинной установки с подводом теплоты при v=const. Энергетические показатели цикла Гемфри и оценка его термодинамического совершенства.

Регенеративные циклы. Оценка термодинамического совершенства регенеративных циклов авиационных ГТД.

Литература: [1,2,3,4] Раздел 5. Уравнения движения газового потока. Газовая динамика сверхзвуковых газовых течений. 2 часа Тема 5.1. Уравнения движения газового потока Система основных уравнений движения для потока газа. Уравнение неразрывности. Уравнение сохранения энергии. Уравнение Бернулли.

Уравнения Эйлера о количестве движения и о моменте количества движения.

Параметры заторможенного потока газа. Число М и для оценки движения газовых потоков. Газодинамические функции и их использование в термодинамических расчетах авиационных двигателей.

Литература: [1,2,3,4] Раздел 6. Течение в соплах и диффузорах. 2 часа Тема 6.1. Течение в соплах и диффузорах Уравнение обращения воздействий в газовых потоках и его использование для конструирования конфузоров и диффузоров.

Особенности течения сверхзвуковых потоков в соплах и диффузорах.

Литература: [1,2,3] Раздел 7. Краткая характеристика основных видов теплообмена и примеры их использования в авиационных двигателях. Закон Ньютона-Рихмана для расчета конвективного теплообмена. 2 часа Тема 7.1. Краткая характеристика основных видов теплообмена и примеры их использования в авиационных двигателях. Закон Ньютона-Рихмана для расчета конвективного теплообмена Основные виды теплообмена и их краткая характеристика. Основные понятия теплообмена. Градиент температуры и его представление в различных системах координат. Закон Фурье для оценки теплопроводности. Закон Ньютона-Рихмана для расчета конвективного теплообмена.

Литература: [1,2,3] Раздел 8. Основной закон теплопроводности и его использование в расчетах тепловых потоков в твердых и газообразных телах различной конфигурации. 2 часа Тема 8.1. Основной закон теплопроводности и его использование в расчетах тепловых потоков в твердых и газообразных телах различной конфигурации Дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа для теплопроводности.

Частные случаи использования этого уравнения для описания тепловых потоков в твердых телах различной конфигурации.

Литература: [1,2,3] Раздел 9. Система основных уравнений конвективного теплообмена при вынужденном и свободном движении теплоносителя.

2 часа Тема 9.1. Система основных уравнений конвективного теплообмена при вынужденном и свободном движении теплоносителя Уравнение движения Навье-Стокса для жидкости или газа. Уравнение сплошности. Уравнение переноса тепла. Краевые условия.

Система дифференциальных уравнений для описания вязкой жидкости при вынужденном движении теплоносителя в каналах.

Система дифференциальных уравнений для описания вязкой жидкости при свободном (естественном) движении теплоносителя в каналах.

Литература: [1,2,3] Раздел 10. Основы теории подобия. Приведение уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду. 2 часа Тема 10.1. Основы теории подобия. Приведение уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду Геометрическое, кинематическое, тепловое подобие. Первая, вторая и третья теоремы теории подобия. Константы подобия.

Система уравнений конвективного теплообмена с константами подобия для вынужденного и свободного движения теплоносителя.Литература:

[1,2,3] Раздел 11. Критерии подобия и их физический смысл. 2 часа Тема 11.1. Критерии подобия и их физический смысл Критерии подобия и их физический смысл. Критериальные уравнения.

Литература: [1,2,3] Раздел 12. Критериальные уравнения и их практическое использование для расчета конвективного теплообмена. 2 часа Тема 12.1. Критериальные уравнения и их практическое использование для расчета конвективного теплообмена Критериальные уравнения при описании конвективного теплообмена:

при обтекании пластины; при течении в трубе; при обтекании одиночной трубы и пучка труб; при изменении агрегатного состояния вещества; при больших скоростях движения.

Литература: [1,2,3] Раздел 13. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа теплового излучения. Особенности расчета теплового излучения в камерах сгорания тепловых двигателей. 2 часа Тема 13.1. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа теплового излучения. Особенности расчета теплового излучения в камерах сгорания тепловых двигателей Краткая характеристика теплового излучения. Законы Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Ламберта и Кирхгофа для описания теплового излучения.

Теплообмен излучением между газом и твердой стенкой на примере работы камеры сгорания авиационного ГТД.

Литература: [1,2,3] Интенсификация процессов теплопередачи. Теплообменные аппараты и их применение в авиационной и космической технике. 4 часа Тема 14.1. Сложный теплообмен (теплопередача). Интенсификация процессов теплопередачи. Теплообменные аппараты и их применение в авиационной и космической технике Теплопередача от горячего к холодному теплоносителю через:

- твердую стенку; - цилиндрическую поверхность; сферическую стенку.

Интенсификация теплопередачи.

Понятие о тепловой изоляции. Критический размер изоляции.

Теплообменные аппараты. Расчет теплопередачи в теплообменных аппаратах систем кондиционирования воздушных судов и в авиационных двигателях.Литература: [1,2,3] 2.2. Перечень лабораторных занятий, и их объём в часах ЛБ-1 Определение теплоёмкости воздуха. 4 часа Литература: [6] ЛБ-2 Исследование газовых процессов в элементах ТРД. 4 часа Литература: [6] ЛБ-3 Исследование циклов тепловых машин. 4 часа.

Литература: [6] ЛБ-4 Новые циклы авиадвигателей. 4 часа Литература: [6] ЛБ-5 Исследование сопла с трением и подогревом. 4 часа Литература: [6] ЛБ-6 Определение коэффициента теплопроводности латунного стержня. 4 часа Литература: [6] ЛБ-7 Определение коэффициента теплоотдачи в условиях естественной конвекции. 4 часа Литература: [6] 2.3. Тематика контрольного домашнего задания.

Исследование авиационного ГТД с регенерацией тепла.

Задача имеет комплексный характер. Знания и умения приобретаются при расчете и анализе:

- адиабатных процессов сжатия воздуха в компрессоре и расширения - изобарных процессов подвода теплоты в камере сгорания ГТД и в теплообменном аппарате (по воздушной стороне);

- изобарных процессов охлаждения выхлопных газов в атмосфере и в теплообменном аппарате (по газовой стороне);

- энергетических показателей цикла Брайтона и его эффективности;

- влияния степени регенерации на экономию топлива;

- критериев Рейнольдса, Нуссельта и критериального уравнения конвективного теплообмена;

- коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи в теплообменном - потребной площади теплообмена и габаритов теплообменного Литература: [7] 3. Рекомендуемая литература.

п/п 1. Шулекин В.Т. Теплотехника. Ч.1 Тексты лекций. – 2. Шулекин В.Т. Гидрогазодинамика и теплдомассообмен. Ч.2.

6. Шулекин В.Т. Лабораторный практикум по дисцип лине Тихонов Н.Д. студентов специальности 160901 дневной и Дворниченко В.В. заочной форм обучения. - М.:МГТУГА,2007.

4. Рекомендуемые программные средства и компьютерные системы обучения и контроля знаний студентов.

Программа расчёта циклов тепловых установок с регенерацией тепла на ПЭВМ.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

УТВЕРЖДАЮ

РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

«Термодинамика и теплопередача», СД. Специальность 160901 Техническая эксплуатация летательных Факультет - Механический Кафедра - Двигатели летательных аппаратов Курс - 3 Форма обучения - заочная Семестр Общий объём учебных часов на дисциплину - 110 (ч.) Рабочая учебная программа составлена на основании примерной учебной программы дисциплины и в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника по специальности.

Рабочую учебную программу составил:

Рабочая учебная программа утверждена на заседании кафедры, протокол № _ от «»_2007г.

Заведующий кафедрой Никонов В.В., проф.,д.т.н..

Рабочая учебная программа одобрена методическим советом специальности 160901 Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей «»2007 г. протокол №.

Председатель методического совета Чинючин Ю.М., проф., д.т.н.

Рабочая учебная программа согласована с Учебно-методическим управлением (УМУ) «Согласовано»

Декан эаочного факультета Ермаков А.Л., проф., к.т.н..

1. Цели и задачи дисциплины 1.1. Цель преподавания дисциплины Цель преподавания дисциплины «Термодинамика и теплопередача»

состоит в изучении:

- термодинамических процессов, составляющих циклы современных и перспективных тепловых машин;

- основных закономерностей преобразования теплоты в работу в тепловых машинах;

- основных законов энергообмена в газовых потоках;

- основных законов теплопроводности, конвективного теплообмена, теплового излучения и сложного теплообмена (теплопередачи).

1.2. Задачи изучения дисциплины (необходимый комплекс знаний и умений).

1.2.1. Иметь представление о проблемах технической термодинамики и теплообмена в авиационных газотурбинных двигателях гражданской авиации и обеспечении летной годности воздушных судов и их силовых установок в процессе эксплуатации.

1.2.2. Знать:

- термодинамические процессы, составляющие циклы тепловых машин;

- основные законы преобразования теплоты в работу в авиационных двигателях;

- современные методы анализа эффективности циклов тепловых машин;

- принципы работы авиадвигателей;

- особенности теплообмена в авиационных двигателях;

- методы поиска и устранения неисправностей авиадвигателей на основе анализа их работы как тепловых машин.

1.2.3. Уметь:

- производить анализ эффективности термодинамических процессов, в которых осуществляется преобразование теплоты в работу;

- осуществлять анализ безопасной работы и оценки эффективности циклов тепловых установок;

- производить расчеты различных видов теплообмена при взаимодействии рабочего тела с конструкцией авиационных двигателей.

1.2.4. Иметь навыки:

- в определении параметров состояния рабочего тела в контрольных точках циклов авиационных двигателей;

- в оценке эффективных различных циклов тепловых установок;

- в определении основных параметров теплообмена при регенерации тепла в силовых установках летательных аппаратов.

2. Содержание дисциплины 2.1. Наименование разделов (подразделов), объём часах.

Содержание лекций, ссылки на литературу:

а) в период зачетно-экзаменационной сессии Раздел 1. Циклы тепловых двигателей. Цикл Брайтона и его применение в ГТД. Цикл Гемфри, его применение в авиационной и космической технике. 2 часа Тема 1.1. Циклы тепловых двигателей Цикл Н.Л.С. Карно (1824г.) – базовый цикл для тепловых двигателей.

Энергетические показатели цикла Карно. Термический КПД цикла Карно.

Циклы Н.А. Отто (1876г.), Р. Дизеля (1897г.) и их применение в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Энергетические показатели циклов Отто и Дизеля. Оценка эффективности термодинамического совершенства циклов Отто и Дизеля.

Литература: [1,2,3,4] Тема 1.2. Циклы газотурбинных двигателей Цикл Брайтона газотурбинных двигателей, обеспечивший качественный скачок в развитии авиации. Энергетические показатели цикла Брайтона и оценка его термодинамического совершенства.

Цикл Гемфри газотурбинной установки с подводом теплоты при v=const. Энергетические показатели цикла Гемфри и оценка его термодинамического совершенства.

Регенеративные циклы. Оценка термодинамического совершенства регенеративных циклов авиационных ГТД.

Литература: [1,2,3,4] Раздел 2. Краткая характеристика основных видов теплообмена и примеры их использования в авиационных двигателях. Закон Ньютона-Рихмана для расчета конвективного теплообмена. 2 часа Тема 2.1. Краткая характеристика основных видов теплообмена и примеры их использования в авиационных двигателях. Закон Ньютона-Рихмана для расчета конвективного теплообмена Основные виды теплообмена и их краткая характеристика. Основные понятия теплообмена. Градиент температуры и его представление в различных системах координат. Закон Фурье для оценки теплопроводности. Закон Ньютона-Рихмана для расчета конвективного теплообмена.

Литература: [1,2,3] б) самостоятельная работа студента Раздел 1. Уравнение состояния, виды уравнения состояния.

Реальный и идеальный газ Тема 1.1. Уравнение состояния реальных и идеальных газов Предмет курса термодинамики и теплопередачи. Значение курса в подготовке инженера-механика по технической эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей в обеспечении безопасности полетов летательных аппаратов гражданской авиации. Краткий исторический очерк. Роль отечественных учёных в развитии данной науки.

Краткая характеристика идеального и реального газа. Газовая постоянная для идеального газа и её роль при оценке эффективности использования отработавших ресурс авиадвигателей в других отраслях промышленности.

Уравнение состояния идеального газа в дифференциальной и интегральной формах. Понятие о деформационной и технической работах при взаимодействии рабочего тела с внешней средой. Уравнение состояния для реального газа.

Литература: [1,2,3,4] Контрольные вопросы 1. Что такое термодинамическая система? Приведите примеры различных рабочих тел, используемых в тепловых и холодильных машинах [1].

2. Давление газа 750 мм рт.ст. Выразите это давление в следующих единицах: кгс/см2; Па; атм; бар; мм вод.ст. [1].

3. Температура газа равна 600оС. Выразите эту температуру по шкале Кельвина, Фаренгейта, Реомюра, Ренкина [1].

4. Во сколько раз требуется больше энергии при сжатии водорода по сравнению с воздухом (при прочих равных условиях)? [1].

5. Определить плотность воздуха при стандартных атмосферных условиях, пользуясь уравнением состояния для идеальных газов [1].

Раздел 2. Теплоёмкость. Виды теплоёмкости. Теплоёмкость смеси газов.

Тема 2.1. Теплоёмкость рабочего тела авиационных двигателей Определение теплоёмкости рабочего тела. Понятие об удельной массовой, объёмной, мольной и других видах теплоёмкости и их практическое использование в авиационной и космической технике.

Зависимость теплоёмкости от температуры рабочего тела.

Теплоёмкость смеси газов.

Литература: [1,2,3,4] Контрольные вопросы 1. Изобразите и поясните зависимость теплоёмкости от показателя политропы.

2. Напишите и поясните уравнение Майера.

Раздел 3. Основные термодинамические законы авиадвигателях Первый и второй законы термодинамики. Изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный процессы и примеры их использования в авиационной и космической технике. Энергетические показатели политропного процесса Особенности преобразования теплоты в работу в названных процессах.

Литература: [1,2,3,4] Контрольные вопросы 1. Проанализируйте формулу Джоуля для изменения внутренней энергии. Зависит ли изменение внутренней энергии тела от температуры?

2. Проанализируйте уравнение первого закона термодинамики в дифференциальной и интегральной формах.

Раздел 4. Уравнения движения газового потока. Газовая динамика сверхзвуковых газовых течений Тема 4.1. Уравнения движения газового потока Система основных уравнений движения для потока газа. Уравнение неразрывности. Уравнение сохранения энергии. Уравнение Бернулли.

Уравнения Эйлера о количестве движения и о моменте количества движения.

Параметры заторможенного потока газа. Число М и для оценки движения газовых потоков. Газодинамические функции и их использование в термодинамических расчетах авиационных двигателей.

Литература: [1,2,3,4] Контрольные вопросы 1. Напишите уравнение расхода. Почему при резком увеличении температуры расход газа в сечении уменьшается?

2. Напишите уравнение сохранения энергии для входа в компрессор, на выходе из компрессора.

3. Напишите уравнение Бернулли для несжимаемого потока.

4. Напишите уравнение Бернулли в интегральной и дифференциальной формах.

5. Напишите формулы для критических параметров газа.

6. Соотношения для М и.

Раздел 5. Течение в соплах и диффузорах Тема 5.1. Течение в соплах и диффузорах Уравнение обращения воздействий в газовых потоках и его использование для конструирования конфузоров и диффузоров.

Особенности течения сверхзвуковых потоков в соплах и диффузорах.

Литература: [1,2,3] Контрольные вопросы 1. Изобразите графики газодинамических функций температуры, давления, плотности и относительной плотности тока от приведенной скорости.

2. Напишите уравнение обращения воздействий. Выполните анализ этого уравнения.

Раздел 6. Основной закон теплопроводности и его использование в расчетах тепловых потоков в твердых и газообразных телах различной конфигурации Тема 6.1. Основной закон теплопроводности и его использование в расчетах тепловых потоков в твердых и газообразных телах различной конфигурации Дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа для теплопроводности.

Частные случаи использования этого уравнения для описания тепловых потоков в твердых телах различной конфигурации.

Литература: [1,2,3] Контрольные вопросы 1. Поясните содержание понятий: температурное поле, температурный градиент, тепловой поток.

2. Что называют коэффициентом теплопроводности и от каких факторов он зависит?.

3. Напишите и поясните формулы теплопроводности через плоскую, цилиндрическую и сферическую стенки.

4. Изобразите и поясните график изменения температуры через плоскую, цилиндрическую и сферическую стенки.

Раздел 7. Система основных уравнений конвективного теплообмена при вынужденном и свободном движении теплоносителя Тема 7.1. Система основных уравнений конвективного теплообмена при вынужденном и свободном движении теплоносителя Уравнение движения Навье-Стокса для жидкости или газа. Уравнение сплошности. Уравнение переноса тепла. Краевые условия.

Система дифференциальных уравнений для описания вязкой жидкости при вынужденном движении теплоносителя в каналах.

Система дифференциальных уравнений для описания вязкой жидкости при свободном (естественном) движении теплоносителя в каналах.

Литература: [1,2,3] Контрольные вопросы 1. Поясните механизм переноса теплоты при конвективном теплообмене.

2. Напишите и поясните уравнение Ньютона-Рихмана для конвективного теплообмена.

3. Перечислите факторы, от которых зависит коэффициент теплоотдачи.

5. Способы интенсификации конвективного теплообмена.

Раздел 8. Основы теории подобия. Приведение уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду Тема 8.1. Основы теории подобия. Приведение уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду Геометрическое, кинематическое, тепловое подобие. Первая, вторая и третья теоремы теории подобия. Константы подобия.

Система уравнений конвективного теплообмена с константами подобия для вынужденного и свободного движения теплоносителя.

Критерии подобия и их физический смысл. Критериальные уравнения.

Литература: [1,2,3] Контрольные вопросы 1. Напишите и поясните критерия подобия, отражающие: режим течения теплоносителя; характер движения теплоносителя;

конвективный теплообмен; теплопроводность.

Раздел 9. Критериальные уравнения и их практическое использование для расчета конвективного теплообмена Тема 9.1. Критериальные уравнения и их практическое использование для расчета конвективного теплообмена Критериальные уравнения при описании конвективного теплообмена:

при обтекании пластины; при течении в трубе; при обтекании одиночной трубы и пучка труб; при изменении агрегатного состояния вещества; при больших скоростях движения.

Литература: [1,2,3] Контрольные вопросы.

1. Что называют коэффициентом восстановления температуры и какова его зависимость от режима течения газа?

2. Каков характер температурного поля в слоях газа, прилегающих к стенке, при теплоотдаче в условиях большой скорости течения теплоносителя?.

Раздел 10. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа теплового излучения. Особенности расчета теплового излучения в камерах сгорания тепловых двигателей Тема 10.1. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа теплового излучения. Особенности расчета теплового излучения в камерах сгорания тепловых двигателей Краткая характеристика теплового излучения. Законы Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Ламберта и Кирхгофа для описания теплового излучения.

Теплообмен излучением между газом и твердой стенкой на примере работы камеры сгорания авиационного ГТД.

Литература: [1,2,3] Контрольные вопросы 1. Каковы физические основы лучистого теплообмена? Напишите уравнение и дайте формулировку закона Стефана-Больцмана для теплового излучения газов.

2. Изложите суть закона Кирхгофа.

3. В чём отличие газового излучения от твёрдых тел?

Интенсификация процессов теплопередачи. Теплообменные аппараты и их применение в авиационной и космической технике Тема 11.1. Сложный теплообмен (теплопередача). Интенсификация процессов теплопередачи. Теплообменные аппараты и их применение в авиационной и космической технике Теплопередача от горячего к холодному теплоносителю через:

- твердую стенку; - цилиндрическую поверхность; сферическую стенку.

Интенсификация теплопередачи.

Понятие о тепловой изоляции. Критический размер изоляции.

Теплообменные аппараты. Расчет теплопередачи в теплообменных аппаратах систем кондиционирования воздушных судов и в авиационных двигателях.Литература: [1,2,3] Контрольные вопросы 1. Перечислите существующие типы теплообменных аппаратов [2].

2. Что такое среднелогарифическая разность температур? [2].

3. Поясните работу теплообменных аппаратов, работающих по схеме прямотока, противотока и перекрёстного тока [2].

2.2. Перечень лабораторных занятий, и их объём в часах (выполняется в период лабораторно-экзаменационной сессии) ЛБ-1 Определение теплоёмкости воздуха. 4 часа Литература: [5] ЛБ-2 Определение коэффициента теплоотдачи в условиях естественной конвекции. 4 часа Литература: [5] 2.3. Тематика контрольной работы.

Исследование авиационного ГТД с регенерацией тепла.

Задача имеет комплексный характер. Знания и умения приобретаются при расчете и анализе:

- адиабатных процессов сжатия воздуха в компрессоре и расширения - изобарных процессов подвода теплоты в камере сгорания ГТД и в теплообменном аппарате (по воздушной стороне);

- изобарных процессов охлаждения выхлопных газов в атмосфере и в теплообменном аппарате (по газовой стороне);

- энергетических показателей цикла Брайтона и его эффективности;

- влияния степени регенерации на экономию топлива;

- критериев Рейнольдса, Нуссельта и критериального уравнения конвективного теплообмена;

- коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи в теплообменном - потребной площади теплообмена и габаритов теплообменного Литература: [6] 3. Рекомендуемая литература.

п/п 1. Шулекин В.Т. Теплотехника. Ч.1 Тексты лекций. – 2. Шулекин В.Т. Гидрогазодинамика и теплдомассообмен. Ч.2.

5. Шулекин В.Т. Лабораторный практикум по дисцип лине Тихонов Н.Д. студентов специальности 160901 дневной и Дворниченко В.В. заочной форм обучения. - М.:МГТУГА,2007.

по дисциплине «Термодинамика и теплопередача» учебного плана специальности 160901 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов идвигателей» для студентов 3 курса Механического факультета Раздел 1. Уравнение состояния, виды уравнения состояния. Реальный и идеальный газ.

1. Поясните содержание понятий «Рабочее тело тепловых машин» и «Внешняя среда».

Задача. Определить газовую постоянную для следующих газов: СО2; Н2; СН4.

2. Поясните содержание понятия «Параметры состояния рабочего тела»..

Задача. Определить газовую постоянную смеси газов, состоящую из 78 % азота и 22 % кислорода.

3. Напишите и поясните уравнение состояния для идеального газа в дифференциальной и интегральной форме.

Задача. На весах стоят две одинаковые банки. В одной из них сухой воздух, в другой – влажный. Какая банка тяжелее?

4. Уравнение состояния реального газа.

Задача. Часть воздуха из баллона ёмкостью 40 литров, находящегося под давлением 150 МПа при температуре 20оС была использован для запуска двигателя. Определить массу использованного воздуха, если конечные параметры состояния равны р=1 МПа, t=20оС.

Раздел 2. Теплоёмкость. Виды теплоёмкости. Теплоёмкость смеси газов.

5. Теплоёмкость рабочего тела (определение; виды теплоёмкостей; истинная и средняя теплоёмкость; зависимость теплоёмкости от процесса).

Задача. Определить среднюю теплоёмкость в интервале температур от 200оС до 600оС, если известна зависимость теплоёмкости от температуры 6. Поясните содержание понятия «Внутренняя энергия рабочего тела».

Формула Джоуля для расчета изменения внутренней энергии рабочего тела.

Задача. В баллоне объёмом 40 литров под давлением 150 МПа температура воздуха возросла с t1=20оС до t2=40оС. Определить изменение внутренней энергии рабочего тела.

Раздел 3. Основные термодинамические законы.

7. Поясните содержание понятий «Работа деформационная» и «Работа техническая».

Задача. Определить деформационную и техническую работы для 1 кг сухого воздуха в политропном процессе, если известны: р1=740 мм рт.ст., t1=20 С, р2=1 Мпа, п=1.5.

8. Напишите и поясните уравнение первого закона в дифференциальной и интегральной формах.

Задача. В результате подвода 100 кДж тепла удельная внутренняя энергия возросла на 75 кДж/кг. Зная, что количество сухого воздуха равно 2 кг, определить работу деформации.

9. Поясните содержание понятий «Теплота рабочего тела» и «Энтальпия рабочего тела».

Задача. В результате подвода 100 кДж тепла удельная энтальпия возросла на 75 кДж/кг. Зная, что количество сухого воздуха равно 2 кг, определить 10. Вывод уравнения политропного процесса.

Задача. Изобразите и поясните график изменения теплоёмкости процесса от 11. Изобарный процесс (формула процесса; связь между параметрами состояния в процессе; примеры использования процесса; преобразование энергий в процессе). Изобразите и поясните изобарный процесс в р-v и T-S координатах.

Задача. Определить количество тепла, подведенное к 1 кг сухого воздуха в камере горания газотурбинного двигателя, если известны: Т1=600 К, Т2=1600 К.

Принять ср=1.28 кДж/(кг.К).

12. Изотермический процесс (формула процесса; связь между параметрами состояния в процессе; примеры использования процесса; преобразование энергий в процессе). Изобразите и поясните изотермический процесс в р-v и T-S координатах.

Задача. Определить удельную техническую работу сжатия для сухого воздуха в изотермическом процессе сжатия, если известны: р1=760 мм рт. ст., 13. Поясните содержания понятия «Энтропия рабочего тела».

Задача. Определить изменение удельной энтропии в изобарном процессе, если известны: Т1=600 К, Т2=1600 К. Принять ср=1.28 кДж/(кг.К).

14. Изохорный процесс (формула процесса; связь между параметрами состояния в процессе; примеры использования процесса; преобразование энергий в процессе). Изобразите и поясните изохорный процесс в р-v и T-S координатах.

Задача. Определить давление и температуру при подводе 1000 кДж/кг тепла к воздуху в камере сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания, если известны: р1=1 МПа, Т1=450 К.

15. Адиабатный процесс (формула процесса; связь между параметрами состояния в процессе; примеры использования процесса; преобразование энергий в процессе). Изобразите и поясните адиабатный процесс в р-v и T-S координатах.

Задача. Определить адибатную работу сжатия воздуха в компрессоре газотурбинного двигателя, если известны: р1=760 мм рт.ст., Т1=288 К, Раздел 4. Циклы тепловых двигателей. Цикл Брайтона и его применение в ГТД. Цикл Гемфри, его применение в авиационной и космической технике.

16. Цикл С.Карно (изображение цикла в р-v и T-S координатах; работа сжатия и расширения в цикле; количество тепла, подведенное и отведенное от рабочего тела в цикле; работа цикла; полезно использованное тепло в цикле).

Задача. Определить работу цикла и термический КПД цикла С.Карно, если известны: Т1=288 К, Т2=1500 К.

17. Сущность второго закона термодинамики. Поясните, почему цикл С.Карно является базовым для всех остальных циклов тепловых машин.

Задача. Определить степень повышения давления воздуха в цикле С.Карно, если известны: Т1=288 К, Т2=1500 К.

18. Цикл Н.А.Отто (изображение в р-v и T-S координатах; параметры цикла;

работа сжатия и расширения в цикле; количество тепла, подведенное и отведенное от рабочего тела в цикле; работа цикла; полезно использованное тепло в цикле).

Задача. Проверить, соответствует ли степень сжатия в поршневом двигателе результатам измерений адиабатного сжатия получена степень повышения давления 19. Цикл Р.Дизеля (изображение в р-v и T-S координатах; параметры цикла;

работа сжатия и расширения в цикле; количество тепла, подведенное и отведенное от рабочего тела в цикле; работа цикла; полезно использованное тепло в цикле).

Задача. Поясните, почему в цикле Отто имеет место ограничение по степени сжатия, а в цикле Дизеля это ограничение отсутствует?

20. Цикл Брайтона (изображение в р-v и T-S координатах; параметры цикла;

работа сжатия и расширения в цикле; количество тепла, подведенное и отведенное от рабочего тела в цикле; работа цикла; полезно использованное тепло в цикле).

Задача. Определить работу цикла и термический КПД цикла Брайтона, если известны: Т1=288 К, =р2/р1=25, =Т3/Т1=5.

21. Анализ термодинамического совершенства циклов Отто, Дизеля и Брайтона при заданных параметрах циклов =25; =5; Т1=288 К.

Задача. Изобразите и поясните циклы Отто, Дизеля и Брайтона в р-v и T-S координатах при одинаковых параметрах цикла (=idem; = idem;

22. Понятие об утилизации (регенерации) тепла в циклах Отто, Дизеля и Брайтона. Термический КПД тепловых машин с утилизацией тепла.

Задача. Определить термический КПД цикла Отто без учета утилизации тепла и при наличии утилизатора, если известны: =25; =5; Т1=288 К.

23. Цикл Брайтона с регенерацией тепла (изображение цикла в р-v и T-S координатах; понятие о степени регенерации). Работа цикла и термический КПД цикла Брайтона с регенерацией тепла.

Задача. Определить работу цикла и термический КПД цикла Брайтона с регенерацией тепла, если известны: =10; =5; Т1=288 К; р=0.7.

Раздел 5. Уравнения движения газового потока. Газовая динамика сверхзвуковых газовых течений.

24. Напишите и поясните уравнение неразрывности, примеры его использования.

Задача. Как изменится расход воздуха через двигатель, если на его вход поступают:

- горячие газы от других двигателей?

25. Напишите и поясните уравнение сохранения энергии, примеры его использования.

Задача. Определить температуру заторможенного потока воздуха в полете ВС с числом М=2.5, если известна температура атмосферного воздуха Тн=216 К.

26. Параметры заторможенного потока. Приборы для измерения параметров заторможенного потока газа.

Задача. Определить температуру заторможенного потока воздуха, если по результатам измерений известны: р*=760 мм рт.ст., р=740 мм рт.ст., 27. Напишите и поясните уравнение первого закона термодинамики для газового потока.

Задача. Определить режим течения потока воздуха, если по результатам измерений 28. Напишите и поясните обобщенное уравнение Бернулли, примеры его использования.

Задача. Определить скорость истечения газа из сопла турбореактивного если известны: рс=105 Па, р*с=2*105 Па, Т*с=900 К.

двигателя, 29. Напишите и поясните уравнение Эйлера о количестве движения, примеры его использования.

Задача. Определить силу реакции струи, вытекающей из сопла турбореактивного двигателя, если известны: рс=105 Па, р*с=2*105 Па, Fс=1 м2.

30. Приведите и поясните уравнение Эйлера о моменте количества движения и примеры его использования.

Задача. Определить работу на окружности рабочего колеса турбомашины, если известны: и=300 м/с, w1и=300 м/с, w2и=250 м/с.

31. Приведите и поясните уравнения обращения воздействий, примеры его использования.

Задача. Изобразите и поясните формы каналов для ускорения и торможения дозвукового и сверхзвукового потока газа. Приведите примеры использования таких каналов.

Раздел 6. Течение в соплах и диффузорах.

32. Приведите и поясните схемы диффузоров и сопел, примеры их использования.

Задача. Изобразите и поясните графики изменения параметров состояния рабочего тела во входном и выходном устройствах газотурбинного двигателя.

Раздел 7. Краткая характеристика основных видов теплообмена и примеры их использования в авиационных двигателях. Закон Ньютона-Рихмана для расчета конвективного теплообмена.

33. Приведите и поясните виды теплообмена в рабочих лопатках турбины газотурбинного двигателя.

Задача. Определить количество теплоты, передаваемой горячим газом, к поверхности турбинной лопатки, если известны:

= 860 Вт, Fл = 100 см3, разность температур газа и поверхности лопатка равна 650 К.

Раздел 8. Основной закон теплопроводности и его использование в расчетах тепловых потоков в твердых и газообразных телах различной конфигурации.

34. Напишите и поясните основной закон теплопроводности.

Задача. Определить потерю теплоты через кирпичную стенку длиной 5 м, высотой 3 и толщиной 250 мм, если на поверхностях стенки поддерживаются температуры tст1=20оС и tст2= - 30оС. Коэффициент теплопроводности Раздел 9. Система основных уравнений конвективного теплообмена при вынужденном и свободном движении теплоносителя.

35. Напишите и поясните уравнение движения Навье-Стокса в проекции на ось х.

Задача. Плоская пластина длиной l=2.5 м омывается потоком воздуха со скоростью 2 м/с при температуре tж=20оС. Определить характер пограничного слоя и его толщину на расстоянии от передней кромки пластины х = 0.2, а также коэффициент теплоотдачи в этом сечении, если известны следующие теплофизические свойства теплоносителя:

Раздел 10. Основы теории подобия. Приведение уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду 36. Основные понятия теории подобия (геометрическое, кинематическое, тепловое подобие). Сформулируйте три основные теоремы подобия.

Задача. Для отопления испытательного бокса используют трубу, в которой протекает горячая вода. Рассчитать коэффициент теплоотдачи и конвективный тепловой поток, если известны: размеры трубы dн=0.1, l=10 м; температура стенки трубы tст=85оС и воздуха tж=20оС;

теплофизические свойства воздуха при определяющей температуре =2.8410-2 Вт/(м.К), =18.210-6 м2/с, Pr=0.697.

Раздел 11. Критерии подобия и их физический смысл.

37. Напишите соотношения для критериев подобия Re, Nu, Fo, Eu и поясните их физический смысл.

Раздел 12. Критериальные уравнения и их практическое использование для расчета конвективного теплообмена Задача. Определить среднее значение коэффициента теплоотдачи и количество передаваемой теплоты при течении воды в горизонтальной трубе диаметром d=3 мм и длиной l=0.5 м, если скорость воды с=0.3 м/с, средняя по длине температура воды tж=60оС (теплофизические свойства воды:

ж=0.659 Вт/(м.К), ж=0.47810-6 м2/с, Prж=2.98), средняя температура стенки tст=20оС (Prст=7.02).

Раздел 13. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа теплового излучения.

Особенности расчета теплового излучения в камерах сгорания тепловых двигателей.

38. Тепловое излучение и его основные законы.

Задача. Определить потерю теплоты путем излучения с поверхности стальной трубы диаметром d=70 мм и длиной l=\3 м при температуре поверхности t1=227оС, если эта труба находится: а) в большом кирпичном помещении, температура стенок которого t2=27оС; б) в кирпичном канале, площадь которого равна 0.3х0.3 м при температуре стенок t2=27оС. Принять степень черноты для окисленной стали 1=0.79, для кирпича 2=0. Раздел 14. Сложный теплообмен (теплопередача). Интенсификация процессов теплопередачи. Теплообменные аппараты и их применение в авиационной и космической технике.

39. Мероприятия по интенсификации теплопередачи.

Задача. Определить плотность теплового потока через стенку, холодная торона которой оребрена и коэффициент оребрения F2/F1=13. Толщина стенки =10 мм и коэффициент теплопроводности материала =40 Вт/(м.К).

Коэффициенты теплоотдачи соответственно 1=200 и 2=10 Вт/(м2К) и температуры tж1=75оС и tж2=15оС.

40. Задача. Определить температуру воздуха на выходе из теплообменного аппарата ГТД, если известны: температура воздуха на входе в этот аппарат Тк=556 К, температура газа на входе в теплообменный аппарат Тт=699 К и степень регенерации рег=0.7.

Раздел 1. Уравнение состояния, виды уравнения состояния.

Реальный и идеальный газ. 2 часа Тема 1.1. Уравнение состояния реальных и идеальных газов Предмет курса термодинамики и теплопередачи. Значение курса в подготовке инженера-механика по технической эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей в обеспечении безопасности полетов летательных аппаратов гражданской авиации. Краткий исторический очерк. Роль отечественных учёных в развитии данной науки.

Краткая характеристика идеального и реального газа. Газовая постоянная для идеального газа и её роль при оценке эффективности использования отработавших ресурс авиадвигателей в других отраслях промышленности.

Уравнение состояния идеального газа в дифференциальной и интегральной формах. Понятие о деформационной и технической работах при взаимодействии рабочего тела с внешней средой. Уравнение состояния для реального газа.

Литература: [1,2,3,4] Термодинамика – наука о закономерностях превращения теплоты.

Теплопередача – наука, изучающая процессы переноса тепла в пространстве с неоднородным температурным полем.

На рис.1 (на экране в специализированной аудитории) приведена структура курса термодинамики и теплопередачи, для изучения которой требуются базовые учебные дисциплины: физика; химия; высшая математика. В свою очередь, термодинамика и теплопередача сама является базовой для следуюших учебных дисциплин: теория авиационных двигателей; конструкция и прочность авиадвигателей;

техничексая эксплуатация ЛА и АД; безопасноть полётов;

производство и ремонт ЛА и АД; экономика гражданской авиации.

Рис.1. Значение курса в подготовке инженера-механика по технической эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей в обеспечении безопасности полетов летательных аппаратов гражданской авиации.

На рис.2 (на экране) приведена галерея ученых (Авогадро Амадео (1776 – 1856), итальянский физик и химик. В 1811 году открыл закон – в равных объёмах разных идеальных газов, находящихся при одинаковых температурах и одинаковых давлениях, заключено равное число молекул или один киломоль любого идеального газа при нормальных условиях: давление 760 мм рт.ст. = 101325 Па, температура +15оС=273.15 К, занимает объём, равный 22,4136 м3 ;

Джоуль Джеймс Прескотт (1818 – 1889) английский физик. В 1843 году открыл закон – внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и не зависит от его плотности (объёма); Ломоносов Михаил Васильевич (1711-1765), первый русский ученый – естествоиспытатель = сформулировал принцип сохранения материи и движения; Майер Юлиус Роберт (1814 – 1878), немеций естествоиспытатель, врач. Первым сформулировал закон сохранения энергии (эквивалентности механической работы и теплоты); Дальтон Джон (1766 – 1844). ангийский химик и физик. Первым определил атомные веса (массы) ряда элементов. В 1801 и 1803 годах открыд законсумма пациальных давлений составляющих смесь газов, равна общему давлению смеси; Амага (1841-1915) сформулировал закон:

сумма парциальных объёмов составляющих смесь газов равна объему все смеси; Томсон Уильям (1824-1907), английский физик. В 1892 году за научные заслуги получил титул барона Кельвина. Открыд второй закон термодинамики, предложил абсолютную шкалу температур;

Отто Николаус Август (1832-1891), немецкий конструктор. В 1895 году создал 4-х тактный газовый двигатель внутреннего сгорания; Карно Никола Лазар Сади (1796-1832), французский физмк и инженер, один из основателей термодинамики. Рассмотрел идеальный термодинамический цикл и доказал теорему, названную его именем;

Дизель Рудольф ((1858-1913), немецкий инженер. В 1897 году создал двигатель внутреннего сгорания, названный его именем и др.), которые открыли важнейшие законы термодинамики, позволившые создать совершенные тепловые двигатели, втом числе и для гражданской авиации Амадео (1776 Прескотт (1818 – Васильевич (1711- Роберт (1814 – Джон ( итальянский физик. В 1843 году русский ученый – естествоиспытатель, ангийский температура +15оС=273. К, занимает объём, равный 22,4136 м году за научные заслуги получил титул 1895 году Рассмотрел барона Кельвина.

Открыд второй закон термодинамики, предложил абсолютную шкалу температур;

Рис.2. Краткий исторический очерк Из советских ученых наиболее значительный вклад в термодинамику внесли: академик Кириллин Владимир Алексеевич (1913-1999). Труды по теплофизическим свойствам различных вешеств и термодинамическим свойствам веществ при высоких температурах; академик Сычев Вячеслав Владимирович (1924 - ). Труды по механике жидкостей и газов; труды М.П. Вукаловича, И.И.Новикова в МЭИ, Д.А. Тимрота и Н.Б. Варгафтика в ВТИ и др.

На рис.3 приведена структура основных понятий технической термодинамики. Первое из них «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА»

представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействиях, второе - «ВНЕШНЯЯ СРЕДА» - это совокупность материальных тел в термодинамической системе, окружающих «РАБОЧЕЕ ТЕЛО» и взаимодействующих через «КОНТРОЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ» или «ОБОЛОЧКУ» с этим телом. В качестве внешней среды могут выступать поверхности лопаток, корпусов и других деталей тепловых двигателей.

РАБОЧЕЕ ТЕЛО – это вещество, находящееся в термодинамической системы в виде газа, жидкости, твердого тела и плазмы. В тепловых двигателях в качестве рабочего тела рассматривается газ.

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ- это совокумность молекул, соударение между которыми отсуствует. Молукулы совершают потупательное, вращательное и колебательное движения.

РЕАЛЬНЫЙ ГАЗ – это совокупность молекул, которые между собой взаимодействуют различным образом, в том числе при соударении.

Рабочее тело имеет конкретные физические условия, которые принято называть ПАРАМЕТРАМИ СОСТОЯНИЯ. К ним относится:

ДАВЛЕНИЕ – отношение распределенной силы на единицу поверхности.

Измеряется в ПАСКАЛЯХ – давление силой в 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2. Наряду с паскалем употребляются более крупные единицы – килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа);

1 Па=10-3кПа=10-6МПа.

Различают абсолютное давление р и избыточное давление ризб ;

последнее измеряется различными типами манометров. Абсолютное (барометрического) давления Во. Если абсолютное давление внутри рабочего тела меньше атмосферного, то регистрирующие приборы (вакууметры) измеряют разрежение рвак - разность между атмосферным давлением и давлением внутри тела.

В термодинамике всегда используется абсолютное давление. Оно измеряется в Н ( Паскаль Па), а также в кгс, мм рт. ст., мм вод. ст.

Если манометр U - образный, то пересчёт показаний манометра производится следующим образом:

или р = 133.2 Н ) Рис.3. Структура основных понятий в технической термодинамике ТЕМПЕРАТУРА – степень нагретости рабочего тепла. Измеряется по шкалам Цельсия (оС), Фарегейта (оФ), Кельвина (К), Ренкина (Ra), Реомюра (оR).

УДЕЛЬНЫЙ ОБЪЁМ – это объём, занимаемый единицей массы вещества, измеряется в м3/кг или см3/г.

ПЛОТНОСТЬ, величина, обратная удельному объёму..

На рис.4 (на экране) показано развитие уравнения состояния идеального газа. В основе этого уравнения лежат:

закон Бойля Роберта ((1627-1691), английского физика и химика, открытый им в 1662 году, и Мариотта Эдм (1620-1684), французского физика, открывшего этот же закон в 1676 году: при постоянной температуре произведение давления на его объём постоянно pV = const :

закон Шарля Жореса (1745-1823), французского ученого, открывшего в 1787 году: давление идеального газа неизменной массы и объёма возрастает при нагревании линейно pi = po (1 + t ), где ро давление при температуре 0оС; = 1 К 1 коэффициент пропорциональности;

закон Гей-Люссака Жоржа, открывшего этот закон в 1802 году; если давление газа в процессе нагрева поддерживается неизменным, то его объём при нагреве будет увеличиваться с ростом температуры линейно Vi = Vo (1 + t ) ;

закон Клапейрона Бенуа Поля Эмиля (1799-1864), фпанцузского физика и инженера, открвышего этот закон в 1834 году: зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа pV = BT, где B = m, m масса газа; молекулярная масса;

Закон Менделеева Дмитрия Ивановича (1834-1907), русского химика и физика, открывшего закон состояния в 1874 году для одного моля идеального газа pv = RT.

Для определения газовой постоянной идеального газа используем уравнение Менделеева – Клапейрона pv = R T. Подставляя в эту формулу нормальные условия, получаем R = 10132522.4136 = 8314 кмоль К универсальная газовая постоянная. Отсюда получаем соотношение газовой постоянной для любого идеальнаго газа R = 8314, где кг молярная масса газа – масса одного киломоля газа.

Задача. На весах стоят две одинаковые банки. В одной из них сухой воздух, в другой - влажный. Какая банка тяжелее?

Решение.

Напишем уравнение состояния для сухой и влажной банок:

р1V1 = m1R1T1 сухая банка;

р2V 21 = m2 R2T2 влажная банка.

Имея в виду, что p1 = p2, V1 = V2, T1 = T2 после деления этих соотношений друг на друга, получаем 1 = 2.

Масса одного киломоля сухого воздуха равна 1 = 28.966 кг, отсюда газовая постоянная сухого воздуха равна R1 = 8314 = 287.

Масса одного киломоля влажного пара Н 2О равна 2 = 18 кг. Отсюда газовая постоянная влажного пара равна R2 = 8314 = 462.

Таким образом 1 = 2 = 462. = 1.6. Имея в виду одинаковое для обеих банок ускорение свободного падения, получае, что банка с сухим воздухом тяжелее в 1.6 раза.

Рис.4. Развитие уравнения состояния идеального газа Задача. Определить газовую постоянную для следующих газов: СО2; Н2; СН4.

Решение.

RCН = 8314 = 8314 = Задача. Определить газовую постоянную смеси газов, состоящую из 78 % азота и 22 % кислорода.

Решение.

На основании уравнения Клапейрона для i-го компонента идеальногазовой смеси, занимающей объём Vсм можно написать:

Записав эти уравнения для всех компонентов смеси и просуммировав их левые и правые части, получим:

В соответствии с законом Дальтона pсмVсм = mсм Rсс Tсм, где Rсм газовая постоянная смеси.

Rсм = i = Уравнение состояния идеального газа написанное выше представляется в интегральной форме. Если продифференцировать уравнение состояния то получим pdv + vdp = RdT, которое представляет собой процесс, показанный на рис.5 (на экране). Здесь произведение dlv = pdv назвают ДЕФОРМАЦИОННОЙ РАБОТОЙ, а произведение dl p = vdp ТЕХНИЧЕСКОЙ РАБОТОЙ.

В первом случае работа связана с изменением объёма (например, в цилиндре поршневого двигателя), а во втором случае – с изменением давления (например, в компрессоре или турбине газотурбинного двигателя).

Уравнение состояния для реального газа было составлено Ван-дер-Ваальсом Йоханнес Дидериком (1837-1923), нидерландским физиком (Лауреатом Нобелевской премии в 1910 г.) в 1873 году, которое учитывает размеры молекул и межмолекулярные силы притяжения; для одного моля представляется так:

( р + а )(v b) = RT,. где b учитывает конечность объёма молекул;

a учитывает межмолекулярное давление.

Рис.5. Уравнение состояния идеального газа в дифференциальной форме билетов к зачету по дисциплине «Термодинамика и теплопередача»

для студентов 3 курса Механического факультета по спец. Московский государственный технический Университет гражданской авиации Кафедра «Двигатели летательных аппаратов»

Учебная дисциплина «Термодинамика и теплопередача»

1. Поясните содержание понятий «Рабочее тело тепловых машин» и внешняя среда».

Задача. Определить газовую постоянную для следующих газов: СО 2, Н2, СН4.

2. Изобразите и поясните цикл С.Карно в p, v и T, S координатах. Укажите на графиках площади фигур, соответствующих: работе сжатия и расширения в цикле: количество теплоты, подведенное и отведенное от рабочего тела в цикле.

Задача. Определить термический КПД цикла С.Карно, если известны:

Т1 = 288 К, Т 2 = 1500 К.

3. Напишите и поясните уравнение неразрывности.

Задача. Как изменитеся расход воздуха через двигатель, если на вход его поступают:

- посторонние предметы; - горячие газы от других двигателей.

Московский государственный технический Университет гражданской авиации Кафедра «Двигатели летательных аппаратов»

Учебная дисциплина «Термодинамика и теплопередача»

1. Поясните содержание понятия «Параметры состояния рабочего тела». Укажите, какие параметры состояния измеряются в эксплуатации авиационных двигателей термометрами сопротивления, термопарами и трубками Пито.

Задача. Определить газовую постоянную смеси газов, состоящую из 78 % азота 22 % кислорода.

2. Приведите и поясните алгоритм расчета параметров состояния в контрольных точках цикла С.Карно.

Задача. Определить удельную работу сжатия Lv в адиабатном процессе, если известны параметры состояния в начале процесса ( T1, p1, v1 ) и в конце процесса ( T2, p2, v2 ).

3. Напищите и поясните уравнение сохранения энергии в общем виде с учетом трения.

Задача. Определить число Маха воздушного судна в полете со скоростью км/ч, на высоте 18 км ( Т н = 295К ).

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Кафедра «Двигатели летательных аппаратов»

В.Т. Шулекин, В.В. Медведев, Н.Д. Тихонов, В.В. Дворниченко

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

«ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА»

специальности дневной и заочной форм обучения Настоящий лабораторный практикум издается в соответствии с учебным планом для студентов специальности 160901 всех форм обучения. Практикум содержит описание семи лабораторных работ по дисциплине «Термодинамика и теплопередача».

Рассмотрено и одобрено на заседаниях кафедры от 27.03.2007г., протокол № 6 и методического совета специальности от 27.03.2007 г.

Рецензент, профессор, д.т.н. Коняев Е.А.

4. Новые циклы авиадвигателей..................... 6. Определение коэффициента тепловодности 7. Определение коэффициента теплоотдачи в условиях Список использованных источников................... Введение Учебная дисциплина "Термодинамика и теплопередача" является общей профессиональной дисциплиной учебного плана подготовки студентов по специальности 160901 "Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей".

Настоящий лабораторный практикум имеет целью привить студентам практические навыки и умения по экспериментальному и расчетному исследованию типовых задач термодинамики и теплопередачи.

Авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) является тепловой машиной, в которой подводимое за счет химических реакций окисления топлива выделяемое количество теплоты преобразуется в полезную работу либо в виде приращения кинетической энергии струи рабочего тела (воздуха), проходящего через двигатель, либо в виде избыточного крутящего момента, который с помощью вала передается на воздушный винт.

Основными элементами ГТД являются входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина и выходное устройство. Сумму механической работы, отводимой от двигателя, и кинетической энергии на его выходе называют свободной или полезной работой ГТД.

Предметом технической термодинамики является изучение процессов, происходящих в ГТД как тепловой машине, определение условий, при которых эффективность этой машины является максимальной, исследование основных закономерностей преобразования теплоты в работу.

Предметом теплопередачи является изучение процессов теплообмена, которые играют определяющую роль в теплотехнике при создании конкретных элементов ГТД (турбинных лопаток, корпусов, дисков, теплоизоляционных покрытий и т.д.). К основным видам теплообмена относятся теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводностью называют молекулярный перенос теплоты в сплошной среде. Этот процесс возникает при неравномерном распределении температур в среде. В этом случае теплота передается путем непосредственного соприкосновения частиц, имеющих различную скорость, что приводит к обмену энергией между молекулами, атомами или свободными электронами.

Конвекцией называют движение теплоносителя (жидкости или газа) и перенос теплоты при этом в пространстве. Теплообмен между жидкостью или газом с поверхностью твердого тела называют конвективным теплообменом. Процесс теплообмена между двумя теплоносителями, разделенными твердой стенкой, называют теплопередачей.

Конвективный теплообмен - весьма сложное явление, которое описывается системой дифференциальных уравнений, состоящей в общем случае из уравнений теплообмена, энергии, движения, неразрывности, диффузии и состояния. Дифференциальные уравнения отражают лишь самые общие черты явления, в них отсутствуют индивидуальные признаки конкретного единичного случая. Выделение конкретного случая из общего класса явлений конвективного теплообмена осуществляется дополнением системы уравнений условиями однозначности.

Ввиду чрезвычайной сложности системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена и условий однозначности, содержащих большое количество переменных, аналитическое решение ее не может быть получено в общем случае. Эти уравнения могут быть решены в отдельных случаях при существенных упрощающих предположениях.

Теория подобия устанавливает условия подобия физических явлений и на этой основе дает возможность существенно сократить число переменных. Она также дает правила рационального объединения физических величин в безразмерные комплексы - критерии, число которых существенно меньше числа величин, из которых они состоят. В результате использования этих критериев расчет конвективного теплообмена сводится к решению критериальных уравнений, и определению, в конечном итоге, коэффициента теплоотдачи.

Тепловое излучение - процесс распространения теплоты электромагнитными волнами. Этот вид теплоты обусловлен превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения и его поглощением веществом.

ЛР-1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА (4 часа) Цель работы: 1. Экспериментальное определение средней Задание на работу 1. В рабочей тетради изобразить схему лабораторной установки для определения теплоемкости воздуха и указать ее основные элементы.

2. Ознакомиться с принципом действия установки. Подготовить установку для проведения эксперимента.

3. Ознакомиться с основными сведениями и с методикой обработки опытных данных.

4. Произвести измерения:

- температуры to и давления po наружного воздуха в лаборатории;

- температуры воздуха на выходе из термостата t1 ;

- напряжения uв и силы тока I в в цепи нагревателя;

- перепада давлений на мерной диафрагме hв.

5. Выполнить обработку экспериментальных данных.

6. Оформить отчет по лабораторной работе.

Основные сведения Отношение количества теплоты Q, полученного рабочим телом при бесконечно малом изменении его состояния, к связанному с этим изменением температуры dT называют теплоемкостью рабочего тела [1,2,3]:

Обозначение Q вместо dQ показывает на их различие в зависимости от процесса подвода теплоты. Индекс «х» используется для обозначения того или иного процесса. Например, обозначая х р получаем выражение для теплоемкости в изобарном процессе ( p = const ) :

При x T получаем выражение для теплоёмкости в изотермическом процессе ( T = const ) cT ; при x k получаем ck = 0 (теплообмен между внешней средой и рабочим телом в адиабатном процессе pv k = const отсутствует); при x v получаем cv в изохорном процессе ( v = const ).

Обычно теплоемкость относят к единице количества вещества и в зависимости от выбранной единицы различают:

- удельную массовую теплоемкость ст, ;

- удельную объемную теплоемкость cv, ;

Зависимость теплоемкости от характера процесса может быть представлена графически (рис.1.1). Здесь произвольный процесс представляется политропным Рис.1.1. Зависимость удельной массовой теплоемкости от показателя политропы п ( pv n = const ), где п – показатель политропы, может принимать значения < n < +. Теплоёмкость политропного процесса находится по формуле:

Для идеального газа, молекулы которого имеют массу, бесконечно малые размеры и не взаимодействуют друг с другом (кроме столкновений), существует связь между теплоёмкостями с p и cv, полученная впервые Юлиусом Робертом Майером (1814 – 1878) – немецким естествоиспытателем и врачом, в 1847 году:

где R - газовая постоянная идеального газа представляет собой работу совершаемую 1 кг газа в процессе постоянного давления при изменении температуры на один градус,. Численное значение R определяется из соотношения:

Здесь R = 8314 - универсальная газовая постоянная (для всех газов);, кг - масса одного моля газа. Например, для сухого воздуха Чем больше R, тем больше требуется работы, например, для сжатия газа в компрессоре газотурбинного двигателя.

В изохорном процессе ( v = const ) теплота, сообщаемая газу, идёт только на изменение его внутренней энергии (впервые установлено в году английским физиком Деймсом Прескотт Джоулем (1818 – 1889)).

Это видно из уравнения первого закона термодинамики:

где pdv = 0, тогда как в изобарном процессе ( p = const ) теплота расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил ( pdv > 0 ). Поэтому c p больше cv на величину этой работы.

В адиабатном процессе ( pv k = const ), протекающем без теплообмена между рабочим теплоёмкостей k = называют показателем адиабаты. Для воздуха как идеального газа (доля кислорода в сухом воздухе составляет 20.9476 % [4], доля азота - 78.064 %), теплоёмкость которого не зависит от температуры к = 1.4, для продуктов сгорания авиационного керосина k = 1.33.

Величина теплоёмкостей с p и cv с учётом показателя адиабаты находится из решения системы уравнений:

Отсюда Для реальных газов с p cv > R, поскольку при их расширении в изобарном процессе совершается работа не только против внешних сил, но и против сил притяжения, действующих между молекулами, что вызывает дополнительный расход теплоты. При увеличении температуры у многоатомных молекул происходит возбуждение внутренних степеней свободы за счет возникновения колебательного движения атомов молекулы (молекула становится осциллятором). Это приводит к увеличению внутренней энергии, а следовательно, и теплоемкости с ростом температуры.

Поскольку теплоемкость реального газа зависит от температуры, в технической термодинамике различают истинную (найденную по формуле (1.1)) и среднюю теплоемкости.

Средняя теплоемкость процесса находится по формуле:

В теплотехнических расчетах теплоемкости c p или cv находят по формуле:

Например, для расчета теплоемкости сухого воздуха рекомендуется следующая формула:

Описание лабораторной установки Установка (рис.1.2) состоит из электромотора 1, частота вращения которого регулируется реостатом 2; вентилятора 3; мерной диафрагмы 4;

электрического нагревателя 5, мощность которого регулируется реостатом 6; термостата 7; амперметра 8; вольтметра 9, с помощью которых определяется мощность нагревателя на каждом режиме, термометра 10, с помощью которого измеряется температура нагретого воздуха в термостате; микроманометра 11, с помощью которого измеряется перепад статического давления на мерной диафрагме 4.

Рис.1.2. Принципиальная схема лабораторной установки для определения теплоемкости воздуха:

1 - электромотор; 2,6 - реостаты; 3 - вентилятор; 4 - мерная диафрагма;

5 - нагревательный элемент; 7 - термостат; 8 - амперметр;

9 - вольтметр; 10 – термометр; 11 – микроманометр;

- угол наклона микроманометра к горизонтали Принцип действия установки состоит в следующем. Воздух из лаборатории с температурой to и давлением po засасывается вентилятором 3 и подаётся по трубопроводу 10 к электронагревателю открытого типа. Для полного исключения потерь тепла в окружающую среду нагреватель помещён в термостат.

Расход воздуха через трубопровод регулируется частотой вращения вентилятора.

Для определения расхода в трубопроводе 10 установлена мерная диафрагма (рис.1.3), представляющая собой диск с отверстием круглого сечения, центр которого лежит на оси трубопровода. Сужение воздушного потока начинается на некотором расстоянии от диафрагмы и на некотором расстоянии за диафрагмой поток достигает минимального сечения [5].

Далее поток постепенно расширяется до полного мечения трубопровода.

Как видно из рис.1.3, давление за диафрагмой полностью не восстанавливается (перед диафрагмой происходит дросселирование струи – ускорение потока, а непосредственно за диафрагмой давление не может сразу восстановиться, поэтому появляется разность давлений р = р2 р1 ). Разность давлений на диафрагме зависит от скорости потока в отверстии, или, что то же самое, от объёмного расхода воздуха V = Fотв сотв, где Fотв - площадь отверстия, сотв - скорость воздуха в отверстии, а также от интенсивности вихрей, образующихся до и после диафрагмы («мертвая» зона на рис.1.3).

Рис.1.3. Характер потока и распределение статического давления при установке в трубопроводе диафрагмы Таким образом, в лабораторной установке реализуется изобарный подвод теплоты к потоку воздуха. Уравнение теплового баланса для установки представляется так:

где Gв = V в - массовый расход воздуха в трубопроводе, кг/с;

в - плотность воздуха, кг ; Т1 – температура воздуха на выходе из термостата; с рт - средняя массовая теплоёмкость воздуха при постоянном давлении; I в,Vв - сила тока и напряжение в цепи нагревателя.

Для определения объёмного расхода воздуха, проходящего через диафрагму, рекомендуют следующую формулу [5]:

где = 0.82 - коэффициент расхода мерной диафрагмы; = 1.0 коэффициент, учитывающий сужение струи; kt = 1.0 - температурный диаметр отверстия в диафрагме;

р = hв sin - перепад давления в диафрагме, Н ; = 30о - угол наклона микроманометра к горизонту.

Подставляя значения коэффициентов в формулу, с учётом масштаба измерительной части микроманометра и его показаний в мм водяного столба, получаем расчётную формулу:

Порядок проведения экспериментов и методика обработки опытных данных Перед началом проведения экспериментов необходимо подготовить таблицы 1.1 и 1.2.

Порядок обработки опытных данных следующий:

1. Определяются параметры состояния окружающего воздуха в лаборатории:

где Во - барометрическое давление, мм рт.ст.

Номер Перепад Температура Сила тока в Напряжение на Номер Объёмны Массовы Количество Повышение Средняя Опыта й расход й расход теплоты, температур массовая воздуха, воздуха, подведенно ы воздуха в теплоемкост 2. Рассчитывается плотность воздуха из уравнения состояния (выведено Клапейроном Бенуа Полем Эмилем (1799 – 1864) французским физиком и инженером в 1834 году и дополнено Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834 – 1907), российским химиком, для одного моля идеального газа в 1874 году):

в = о, кг, где R = 287 - газовая постоянная сухого воздуха.

3. Определяется объёмный расход воздуха в трубопроводе по формуле (1.12).

4. Рассчитывается массовый расход воздуха:

5. Количество теплоты, подведенное к воздуху в нагревателе:

6. Повышение температуры в нагревателе:

7. Удельная средняя массовая теплоемкость воздуха в процессе при постоянном давлении:

Отчетность по лабораторной работе Включает:

1. Принципиальную схему лабораторной установки с указанием ее основных элементов.

2. Результаты измерений параметров установки при проведении опытов и их обработки (табл.1.1-1.2).

3. Алгоритм обработки экспериментальных данных.

Ответы на контрольные вопросы:

1. Что называют теплоемкостью рабочего тела?

2. Напишите и поясните уравнение первого закона термодинамики в дифференциальной форме.

3. Напишите и поясните уравнение состояния идеального газа.

4. Напишите и поясните уравнение Ю.Майера.

5. Напишите и поясните уравнение теплового баланса для лабораторной установки.

6. Приведите примеры использования теплоёмкостей с р и cv в авиационной технике.

7. Принцип действия лабораторной установки.

8. Чем объяснить увеличение теплоемкости с ростом температуры?

ЛР-2 ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫХ ПРОЦЕССОВ В

Цель работы: 1. Практическое освоение схемы и принципа действия 2. Приобретение навыков по расчету параметров 3. Сделать выводы, ответить на контрольные Задание на работу 1. Для заданного значения степени повышения давления в компрессоре * = 20 и степени подогрева воздуха в двигателе = г = 6.5 (величины к и называются параметрами рабочего проТн цесса (цикла) двигателя) определить:

- параметры состояния (действительные и заторможенные) воздуха или газа в контрольных сечениях проточной части (газовоздушного тракта) турбореактивного двигателя;

- энергетические показатели процессов в элементах ТРД:

а) количество теплоты, участвующее в процессе;

б) работу сжатия и расширения;

в) полезную работу цикла двигателя;

Исходные данные:

- рабочее тело - воздух (показатель адиабаты к = 1.4, газовая постоянная Rв = 287, для газа кг =1.33, Rг = 287.5 );

- давление и температура в начальной точке "н":

- скорость полета V=0.

2. Оформить отчет по лабораторной работе.

Основные сведения Газотурбинным двигателем (ГТД) согласно ГОСТ 23851-79 [1] называют тепловую машину, в которой энергия сгорания топлива преобразуется в кинетическую энергию струи и в механическую работу на валу; основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Турбореактивным двигателем (ТРД) или двигателем прямой реакции называют ГТД, в котором преобладающая часть энергии топлива преобразуется в кинетическую энергию струи. То есть основой ТРД является ГТД со следующими элементами: входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина и выходное устройство (рис.2.1).

Рис.2.1. Принципиальная схема турбореактивного двигателя с осевым компрессором:

1 - входное устройство; 2 - компрессор; 3 - камера сгорания;

4 -турбина; 5 - выходное устройство;

вх, в, к, г, т, с -обозначения контрольных сечений проточной части двигателя Рассмотрим принцип действия ТРД при работе на стенде (Н=0, V =0).

1. Воздух из атмосферы поступает во входное устройство (в воздухозаборник), где происходит его ускорение до скорости cв =180...220 м/с. То есть воздухозаборник на старте воздушного судна работает в режиме расширения.

Если принять течение воздушного потока в воздухозаборнике энергоизолированным и без трения, то течение воздуха адиабатное.

Параметры состояния воздуха на выходе из воздухозаборника (сечение «В-В») находятся по формулам:

а) давление и температура заторможенного потока воздуха б) действительная температура (из выражения для полной энергии потока в сечении) и статическое давление (из уравнения адиабатного процесса торможения от рв до рв ) в потоке в) плотность и удельный объем воздуха (из уравнения состояния) В этих формулах:

срв - средняя теплоемкость воздуха в изобарном процессе; Rв - газовая постоянная для воздуха.

2. Из воздухозаборника воздух поступает в компрессор, в котором происходит сжатие (плотность увеличивается). При отсутствии теплообмена рабочего тела - воздушного потока с окружающего средой (лопатками, корпусом и т.п.) и трения процесс сжатия в компрессоре адиабатный (температура и давление в процессе сжатия также возрастают).

Параметры состояния воздуха на выходе из компрессора (сечение «К-К») находятся по формулам:

Скорость воздушного потока на выходе из компрессора принимается равной ск =100...120 м/с.

3. Из компрессора воздух направляется в камеру сгорания, где к нему подводится теплота при сгорании топлива, впрыскиваемого топливными форсунками в камеру. Принимая процесс подвода теплоты изобарным, определяем параметры состояния газа на выходе из камеры сгорания (сечение «Г-Г»):

Скорость потока газа на выходе из камеры сгорания принимается равной сг = 150...160 м/с.

4. Из камеры сгорания поток газа направляется в турбину (сечение «Г-Г»), где происходит расширение газа (плотность уменьшается).

Пренебрегая теплообменом между газом и лопатками и корпусом турбины, а также трением, процесс расширения газа принимается адиабатным (при расширении газа температура и давление также уменьшаются). Параметры состояния газа на выходе из турбины (сечение «Т-Т») находятся следующим образом:

а) из условия баланса мощностей турбины и компрессора в ТРД (или баланса удельных эффективных работ):

определяется температура заторможенного потока газа за турбиной Т т.

б) задается приведенная скорость газа на выходе из турбины т = 0.5...0.6.

Действительная температура и статическое давление в потоке газа в данном сечении проточной части двигателя:

в) давление заторможенного потока газа (полное давление) за турбиной 5. Из турбины (сечение «Т-Т») газы направляются в выходное устройство ( в реактивное сопло) двигателя, где происходит ускорение потока (температура, давление и плотность уменьшаются, а скорость увеличивается). Если принять, что течение в реактивном сопле энергоизолированное и трение отсутствует, то процесс расширения газа можно считать адиабатическим. Параметры состояния газа на выходе из сопла (сечение «С-С») при расширении до атмосферного давления рн находятся по формулам:

2. Энергетические показатели процессов в элементах ТРД:

а) входное устройство Изменение внутренней энергии ивх = сvв (Т в Т н ), энтальпии (теплосодержания) iвх = срв (Т в Т н ) и энтропии sвх = 0 (так как теплообмен между потоком воздуха и внешней средой отсутствует, qвх = 0 ). Работа против сил давления lр вх (техническая работа) во входном устройстве находится из уравнения первого закона термодинамики:

б) компрессор Работа, подводимая к валу ротора компрессора: Lк = срв (Т к Т в );

в) камера сгорания Количество теплоты, подводимое к воздуху в камере сгорания г) турбина Работа на валу турбины: Lт = срг (Т г Т т );

д) выходное устройство Работа расширения в реактивном сопле: Lрс = срг (Т т Т с ).

Полезная энергия, которой располагает двигатель,как тепловая машина, представляет собой разность работ расширения газа и сжатия воздуха:

двигателе.

ТРД можно рассматривать также как движитель, в котором полезная энергия преобразуется в приращение кинетической энергии газового потока:

Порядок выполнения задания 1.В соответствии с заданием определить параметры состояния в контрольных сечениях газовоздушного тракта ТРД.

2.Выполнить расчет энергетических показателей процессов в компрессоре, камере сгорания, в турбине и в двигателе в целом.

3.Проанализировать влияние параметров рабочего процесса на тягу и КПД турбореактивного двигателя.

Отчет по лабораторной работе Включает:

1.Значения параметров состояния рабочего тела в контрольных сечениях проточной части ТРД.

2.Энергетические показатели процессов.

3.Ответы на контрольные вопросы:

- принцип действия ГТД и ТРД;

- напишите и поясните систему уравнений движения газа, которая использовалась в данной работе;

- поясните, как представляется Вам зависимость удельной тяги Руд=сс - V от параметров рабочего процесса ТРД.

ЛР-3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Цель работы: 1. Исследование циклов Карно, Брайтона, Отто, Дизеля.

2. Сравнение эффективности циклов тепловых 3. Сделать выводы, ответить на контрольные вопросы Задание на работу 1. Принимаются следующие начальные условия:

Т1=288К; р1=101325Н/м2; R=287Дж/(кг К); k=1,4.

2. Степень повышения давления в адиабатных процессах сжатия 1- цикла Брайтона (=р2/р1=20); степень сжатия в тех же процессах сжатия циклов Отто ( = 1 ) и Дизеля ( = 20).

3. Для всех циклов количество подводимой теплоты к рабочему телу (воздуху) q1=1000кДж/кг.

4. Необходимо выполнить:

- определение параметров состояния в контрольных точках циклов Брайтона, Отто и Дизеля;

- найти работу цикла Lц и термический КПД t;

- сравнить эффективность каждого из перечисленных циклов между собой (по отношению к термическому КПД цикла Карно t карно);

- изобразить каждый из циклов в рабочей тетради в р-v и Т-s координатах.

5. Для сокращения времени на выполнение необходимых расчётов подгруппа студентов может быть разделена по заданным циклам (2 – 3 чел.

на цикл).

Основные сведения Циклом называют последовательность термодинамических процессов, в результате совершения которых рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Цикл Брайтона реализуется в авиационных газотурбинных двигателях (открытая термодинамическая система – поток рабочего тела (воздуха)). Он состоит из двух адиабатных и двух изобарных процессов (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Цикл Брайтона в р-v и Т-s координатах Исходные данные для расчета цикла Брайтона:

параметры состояния в исходной точке «1» (начало цикла) p1, T1, v1;

степень повышения давления = 2 ;

степень подогрева рабочего тела в цикле = 3 ;

показатель адиабаты и газовая постоянная k, R.

1. Расчет параметров состояния в контрольных точках цикла Отто производится в следующей последовательности:

1 2 : pv k = const (адиабатный процесс сжатия) Точка «2»:

2 3; p = const (изобарный процесс подвода теплоты) Точка «3»:

3 4 : pv k = const (адиабатный процесс расширения) Точка «4»:

2. Расчёт энергий, участвующих в термодинамических процессах цикла Брайтона:

расширения);

рабочему телу в изобарном процессе «2 – 3»;

рабочего тела во внешнюю среду в изобарном процессе «4 - 1»;

работа цикла Брайтона);

В 1876 году немецкий конструктор Август Николаус Отто (1832 – 1891) создал поршневой четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания (закрытая термодинамическая система), работающий по циклу, состоящему из двух адиабатных и двух изохорных процессов (рис.3.2).

Особенности цикла Отто:

а) рабочее тело представляет собой топливовоздушную смесь (бензин + воздух);

б) бензины для авиационных и автомобильных двигателей представляют собой смеси углеводородов, которые выкипают при нагреве нефти до 40…200оС. В Российской Федерации производят бензины марок А-74, АИ-93, АИ-95, АИ-98, а также бензины с улучшенными экологическими свойствами. Цифры в марке бензина характеризуют его антидетонационные свойства, которые оценивают октановым числом (ОЧ). Оно численно равно процентному содержанию в смеси изооктана с ОЧ=100 и Н – гептана с ОЧ=0, которая имеет такую же детонационную стойкость, как и испытуемый бензин. Октановое число оценивают по моторному методу в единицах ОЧМ и по исследовательскому методу в Рис. 3.2. Цикл Отто в р-v и Т-s координатах единицах ОЧИ. ОЧИ >ОЧМ на 8…12 единиц. Эту разницу называют чувствительностью бензинов к октановому числу;

в) при сжатии этой смеси температура рабочего тела возрастает и может превысить температуру самовоспламенения топлива. В этом случае в процессе сжатия возникает пламя и резко увеличивается давление на поршень. Явление называют детонацией двигателя.

Для того, чтобы увеличить температуру самовоспламенения топлива, в него добавляют октан СН 3 (СН 2 ) 6 СН 3 (бесцветная жидкость, температура кипения 125.7оС, имеет детонационную способность (октановое число 17…19)). Октановое число наиболее распространенных отечественных марок автомобильных бензинов 76…89, авиабензинов 91…95.

Исходные данные для расчета цикла Отто:

параметры состояния в исходной точке «1» (начало цикла) p1, T1, v1;

степень сжатия = 2 = 1 или степень повышения давления степень подогрева рабочего тела в цикле = 3 ;

показатель адиабаты и газовая постоянная k, R.

1. Расчет параметров состояния в контрольных точках цикла Отто производится в следующей последовательности:

1 2 : pv k = const (адиабатный процесс сжатия) Точка «2»:

2 3; v = const (изохорный процесс подвода теплоты) Точка «3»:

3 4 : pv k = const (адиабатный процесс расширения) Точка «4»:

2. Расчёт энергий, участвующих в термодинамических процессах цикла Отто:

Lv12 = 1 k 1 1 (деформационная работа сжатия;

расширения;

q1 = cv (T3 T2 ) = cvT1 ( k 1) (количество теплоты, подведенное к рабочему телу в изохорном процессе «2 – 3»;

q2 = cv (T1 T4 ) = cvT1 (1 ) (количество теплоты, отведенное от рабочего тела во внешнюю среду в изохорном процессе «4 - 1»;

работа цикла Отто);

В 1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель (1858 – 1913) создал поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (закрытая термодинамическая система). Двигатель работает на дизельном топливе (керосино-газойлевые фракции прямой перегонки нефти (для быстроходных дизелей) или остаточные нефтепродукты (для тихоходных дизелей).

Для характеристики дизельного топлива применяется цетановое число – условная количественная характеристика воспламенительных свойств дизельного топлива. Численно равно процентному (по объёму) содержанию цетана (гексадекан СН 4 [СН 2 ]14 СН 3 - бесцветная жидкость, температура воспламенения 285оС, цетановое число которого принято за 100 %) в смеси с метилнафталином (цетановое число которого равно нулю), эквивалентной по воспламенительным свойствам испытуемому топливу при стандартных условиях испытания.

Цикл Дизеля состоит из двух адиабатных процессов, изобарного процесса подвода тепла и изохорного процесса отвода тепла (рис.3.3).

Рис. 3.3. Цикл Дизеля в р-v и Т-s координатах Исходными данными для расчёта цикла Дизеля являются:

параметры состояния в исходной точке «1» (начало цикла) p1, T1, v1;

степень сжатия = 1 (или степень повышения давления = 2 );

степень подогрева рабочего тела в цикле = 3 ;

показатель адиабаты и газовая постоянная k, R.

1. Порядок расчета параметров состояния в контрольных точках цикла Дизеля следующий:

1 2 : pv k = const (адиабатный процесс сжатия) Точка «2»:

2 3; p = const; (изобарный процесс подвода теплоты q1 ) Точка «3»:

3 4 : pv k = const ; (адиабатный процесс расширения) Точка «4»:

2. Расчет энергий, участвующих в процессах цикла Дизеля, следующий:

Работа сжатия в цикле Дизеля Lсж = Lv12 = 1 k 1 1 (деформационная работа сжатия).

Работа расширения в цикле Дизеля где расширения);

Lv 23 = p2 (v3 v2 ) = R(T3 T2 ) = RT1 ( k 1 ) (деформационная работа расширения).

Количество теплоты, подведенное к рабочему телу в цикле Дизеля рабочему телу);

Количество теплоты, отведенное от рабочего тела в цикле Дизеля рабочего тела в цикле Дизеля);

Полезная работа цикла Дизеля:

Термический КПД цикла Дизеля Базовым циклом для всех тепловых двигателей является цикл, который впервые в 1824 году предложил французский физик и инженер Карно Никола Леонар Сади (1796 – 1832). Этот цикл состоит из двух адиабатических и двух изотермических процессов (рис.3.4).

Рис. 3.4. Цикл Карно в р-v и Т-s координатах Исходные данные:

- параметры состояния точки «1» (начало цикла): T1, p1, v1 ;

- степень сжатия в адиабатном процессе «1 – 2» = 2 = 1 ;

- удельное количество теплоты, подводимое к рабочему телу в изотермическом процессе «2 – 3» q1;

- показатель адиабаты и газовая постоянная рабочего тела k, R.

1. Расчет параметров состояния в контрольных точках цикла Карно производится в следующей последовательности:

Точка «2»:

Точка «3»:

Точка «4»:

термодинамических процессах цикла Карно:

«1 – 2» - адиабатический процесс сжатия Lv12 = 1 k 1 1; (деформационная работа сжатия) «2 – 3» - изотермический процесс расширения работа расширения) «3 – 4» - адиабатический процесс расширения (деформационная работа расширения) «4 – 1» - изотермический процесс сжатия Lv 41 = RT1 ln 4 = 1 ; (деформационная работа сжатия) Работа цикла или свободная энергия на выходе из тепловой машины представляет собой алгебраическую сумму деформационных работ цикла Карно или разность деформационных работ расширения и сжатия:

Lц = L расш Lсж = ( Lv34 + Lv 23 ) ( Lv12 + Lv 41) = Эффективность цикла Карно оценивается по величине термического коэффициента полезного действия (КПД), определяемого отношением полезной работы цикла Lц к подведенной теплоте q1 :

Рассмотрим теперь тепловую диаграмму T, S (рис.3.4). Термический КПД цикла Карно можно представить так:

где q1 - теплота, подведенная к рабочему телу в изотермическом процессе расширения;

q2 - теплота, отведенная от рабочего тела в изотермическом процессе сжатия «4 – 1».

В изотермических процессах теплота равна работе процесса, то есть q1 = RT3 ln 3 = RT3 ln 2 ; q2 = RT1 ln 4 = RT1 ln С другой стороны, для адиабатных процессов «1 – 2» и «3 – 4»

справедливы зависимости:

Полезно использованная теплота qц в T, S диаграмме представляет собой разность подведенной и отведенной теплот, то есть qц = q1 q На рис.3.4 эта теплота численно равна работе цикла и находится по формуле:

qц = RT3 ln 3 RT1 ln 3 = ln 3 R(T3 T1 ) Термический КПД цикла равен отношению полезной теплоты, к подведенной, то есть Из полученного выражения для термического КПД цикла Карно следует:

1) термический КПД определяется лишь интервалом температур, в котором цикл осуществляется;

2) чем ближе значения Т 3 и Т1, тем меньше термический КПД;

3) термический КПД не может быть равен единице, так как неосуществимо ни Т1 = 0, ни Т 3 = ;

4) при отсутствии тел с разной температурой ( Т 3 Т1 ) невозможно осуществить периодическое преобразование теплоты в работу;

5) любой произвольный цикл, осуществленный в том же интервале температур Т 3 и Т1, имеет меньший термический КПД, чем КПД цикла Карно. Это означает, что работа произвольного цикла оказывается меньше таковой для цикла Карно. Поэтому цикл Карно является базовым для всех произвольных циклов, а отношение термического КПД произвольного цикла к термическому КПД цикла Карно (в том же интервале температур) является показателем термодинамического совершенства произвольного цикла.