Белозерцев В.Н. Теплотехника 2012. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования самарский государственный аэрокосмический университет имени академика сп
 Скачать 1.43 Mb.
|
|
Тема 5. Основные виды теплообмена Основные виды теплообмена. Основные понятия и определения: температурное поле, температурный градиент, тепловой поток, плотность теплового потока. Теплопроводность. Гипотеза Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности. Теплопроводность плоской, цилиндрической и сферической стенки. Контактный теплообмен. Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент тепло- отдачи. Связь конвективного теплообмена с картиной гидродинамического течения теплоносителя. Основы теории подобия. Теоремы подобия. Критериальные уравнения. Лучистый теплообмен. Основные определения. Законы излучения абсолютно черного тела: Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана- Больцмана. Теплообмен излучением тел различной формы. Теплопередача как вид теплообмена. Коэффициент теплопередачи. Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенки. Способы интенсификации теплопередачи. Таблица ПЗ 11 Теплообменные аппараты, классификация, тепловой и гидравлический расчеты теплообменных аппаратов. Методические рекомендации При изучении этого материала студент должен усвоить, что процесс переноса теплоты в пространстве возможен при наличии разности температур. Студент должен представлять механизм переноса теплоты в основных видах теплообмена, записать их законы, объяснить физический смысл коэффициентов пропорциональности и их размерность. Следует обратить внимание на влияние ряда факторов на коэффициенты пропорциональности. При рассмотрении процесса теплопроводности - учитывать зависимость теплопроводности от температуры и наличия посторонних примесей в теле, от наличия контактных термических сопротивлений. При изучении темы конвективного теплообмена - учитывать влияние на коэффициент теплоотдачи теплофизических параметров теплоносителя, гидродинамической картины течения, формы, размеров тела и т.д. Студент должен различать понятия локального и осредненного по поверхности коэффициента теплоотдачи, а также уметь пользоваться критериальными соотношениями для его нахождения и, опираясь на теорию подобия, обобщать результаты эксперимента в критериальном виде. При рассмотрении лучистого теплообмена необходимо различать тела по их реакции на падающее извне излучение, знать определение эф- фективного и результирующего излучения. Студент должен знать основные законы излучения для абсолютно черного тела, уметь решать задачу интенсификации лучистого теплообмена тел различной формы. При рассмотрении процесса теплопередачи студент должен владеть понятием лимитирующего звена процесса, знать как оно влияет на уровень теплопередачи для плоской и цилиндрической стенки при решении задач интенсификации теплопередачи и тепловой защиты. Уметь выбирать материал изоляции, пользуясь понятием ее критического диаметра. При выборе типа теплообменных аппаратов следует помнить, что противоточные теплообменники имеют меньшие массогабаритные харак- теристики по сравнению с прямоточными, а пластинчатые более компактны, чем трубчатые при большей теплопередающей поверхности. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Поясните механизм переноса теплоты посредством теплопроводности, конвективного теплообмена, излучения. 2. Дайте определение и напишите размерность теплового потока, плотности теплового потока, температурного градиента. 3. Почему в выражении гипотезы Фурье стоит знак минус? 4. Сформулируйте физический смысл коэффициента теплопроводности. Таблица ПЗ 12 5. Изобразите распределение температурного поля цилиндрической стенки при различном направлении теплового потока. 6. Каков механизм теплопереноса в зоне стыка? Дайте определение кон- тактного термического сопротивления. 7. Как выглядит распределение температурного поля в многослойной стенке с идеальным и реальным контактом? 8. Напишите выражение закона Ньютона-Рихмана. Сформулируйте фи- зический смысл и напишите размерность коэффициента теплоотдачи. 9. Поясните характер влияния режима течения теплоносителя на уровень теплоотдачи. 10. Что такое естественная теплоотдача? Поясните механизм образования. 11. Основные критерии подобия: Nu, Re, Pr, Gr.Их физический смысл, определяющие и определяемые критерии. 12. Запишите критериальные уравнения для вынужденной и естественной конвекции. Что такое определяющая температура и характерный размер? 13. Поясните, как обобщить результаты эксперимента в критериальной форме. Приведите пример. 14. Что такое абсолютно черное тело? Приведите примеры реальных тел, близких по свойству с абсолютно черным телом. 15. Что такое плотность потока монохроматического излучения, поверх- ностная плотность излучения, поглощательная, отражательная, пропускательная способность? 16. Что такое степень черноты? 17. Напишите закон Стефана-Больцмана. 18. Как можно сократить нагрев изделия в печи излучения? 19. Что такое теплопередача? Напишите формулу расчета теплового потока при теплопередаче. 20. Что такое коэффициент теплопередачи, размерность? Понятие о ли- митирующем звене процесса. 21. Сформулируйте основные правила целесообразности оребрения стенки. 22. Что называется критическим диаметром тепловой изоляции цилинд- рической стенки? Приведите пример выбора материала тепловой изо- ляции цилиндрической стенки по величине критического диаметра. 23. Нарисуйте эпюру распределения температурного поля в противоточ-ном и прямоточном теплообменнике. 24. Что такое среднерасходная теплоемкость? 25. Какой параметр определяет картину теплопередачи и величину гид- ропотерь? 26. Что такое регенеративный теплообменник? Приведите примеры ис- пользования регенераторов в технике. Таблица ПЗ 13 3. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АВИАПРЕДПРИЯТИЙ Тема 6. Виды и формы произведенной и потребляемой энергии в технике и на предприятиях воздушных перевозок Анализ использования топливных ресурсов и нетрадиционных источников энергии в технике и технологии воздушных перевозок: невозобновляемые и возобновляемые источники энергии. Перспективы энергопотребления. Теплоты сгорания топлив. Стехиометрическое соотношение окислителя и горючего; коэффициент избытка воздуха. Физико- химические и эксплуатационные свойства твердых, жидких и газообразных топлив. Горение и способы сжигания. Продукты сгорания топлив. Теплота и холод природных источников как полезная энергия. Методические рекомендации При изучении этой темы рассматриваются основные ресурсы энергии и проблемы их использования. Анализируется использование невозоб- новляемых источников энергии, в основном органического происхождения, жидкого и газообразного в гражданской авиации, а также твердого топлива в технологических нуждах комплекса предприятий, обеспечивающих воз- душные перевозки. Основной энергетической характеристикой топлив служит их теплота сгорания. В реальных условиях эксплуатации большинства тепловых машин продукты сгорания выбрасываются в окружающую среду при температуре 120-400°С, более высокой, чем температура конденсации паров воды. Поэтому при расчете рабочего процесса таких машин следует брать низшую теплоту сгорания. При рассмотрении характеристик топлива следует обратить вни- мание на роль каждого элемента, входящего в топливо, распределение раз- личных видов топлив по их энергетической ценности. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что понимается под теплотой сгорания топлив? 2. Что такое стехиометрическое соотношение компонентов? 3. Как связан коэффициент избытка воздуха с качеством смесеобразования? 4. От каких факторов зависит скорость и полнота сгорания углеводородного топлива? 5. Понятие об условном топливе. 6. Перечислите эксплуатационные свойства жидкого топлива. Таблица ПЗ 14 Тема 7. Газотурбинные двигатели и силовые установки Классификация газотурбинных установок и двигателей ГА. Схема устройства, принцип работы: цикл ГТУ с подводом теплоты при p=const, цикл ГТУ с подводом теплоты при v=const, цикл ПВРД, цикл ПуВРД, циклы ГТД: ТВД, ТРД, ТРДД. Термический КПД. Параметры и показатели эффективности дейст- вительного цикла ГТД. Влияние параметров цикла на эффективную работу и эффективный КПД. Основные показатели авиационных ГТД: тяга и удельная тяга, мощность и удельная мощность, КПД и удельный расход топлива. Эффек- тивный и полный КПД. Цикл ГТД с регенерацией тепла как мера энерго- сбережения и повышения эффективности цикла. Внутренние и внешние показатели эффективности. Основные ха- рактеристики работы двигателей: детонационные, скоростные, нагрузочные, регулировочные, винтовые. Эксплуатационные характеристики. Методические рекомендации Приступая к изучению материала, рассмотрите вначале назначение основных узлов каждого типа ГТУ и двигателей. Изучение двигательных установок следует начать с наиболее простого ПВРД и ПуВРД. В чистом виде они в гражданской авиации (ГА) не применяются, но анализ их работы позволяет обосновать необходимость турбокомпрессорного узла как для обеспечения стартовой тяги, так и для повышения работы и эффективности цикла авиационного двигателя. Необходимо усвоить основные внутренние показатели: коэффициент наполнения, степень сжатия, степень повышения давления, степень подогрева, степень предварительного расширения, степень повышения давления в компрессоре, степень расширения в сопле. Внешние показатели эффективности: экономичность, удельный расход топлива, коэффициенты полезного действия: (термический, относительный, внутренний, абсолютный внутренний, механический, эффективный), индикаторная мощность, эффективная мощность. Сила тяги, удельный импульс. При анализе идеального и реального циклов обратите внимание на зависимости КПД и работы цикла от степени повышения давления и степени повышения температуры (степени подогрева газа), на характер изменения работы и КПД реального цикла, а также на наличие двух оптимальных степеней повышения давления в реальном цикле. Заканчивая рассмотрение циклов, необходимо установить, что сте- пень повышения давления и максимальная температура в цикле выбираются не произвольно: каждому значению максимальной температуры, зависящему от механических свойств применяемых материалов и ресурса двигателя, соответствует свое оптимальное значение степени повышения давления. Таблица ПЗ 15 Необходимо четко представлять, на что расходуется эффективная работа цикла у различных типов ГТД, в чем заключается различие между двигателем и движителем, эффективным, тяговым и полным КПД, в чем смысл применения удельных параметров и чем вызвано применение различных типов ГТД в ГА. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Изобразите цикл Брайтона в P-V-диаграмме. Укажите все его процессы и узлы, в которых они протекают. 2. Что такое степень подогрева газа? 3. Чем обусловлено различие между идеальным и реальным циклом ГТД? 4. У какого из двигателей (ГТД или дизеля) будет выше термический КПД при одинаковых максимальных температурах и давлениях цикла? Какое влияние оказывают на него существующие ограничения по температуре в цикле ГТД? 5. Что характеризует эффективный, тяговый и полный КПД ГТД? 6. Напишите уравнения для определения тяги и удельной тяги. Укажите размерности всех величин. 7. Что такое удельная тяга (мощность), удельный расход топлива и удельный вес ГТД? Укажите размерности и численные значения этих величин для современных ГТД. 8. Нарисуйте схемы ТРД, ТВД И ТРДД и объясните принцип работы двигателей. 9. Какие характеристики ГТД называются внутренними? Какие внешними? 10. Как влияет состав смеси на регулировочную характеристику ГТД? 11. Дайте определение скоростной характеристики ГТД. 12. Дайте определение дроссельной характеристики. Опишите методику снятия характеристики. 13. Как влияют на эффективность работы ГТД основные внутренние па- раметры:ɛ,ρ,λ,π K ? Тема 8. Термодинамические основы работы компрессоров и детандеров Основные принципы компримирования газов. Компрессоры: объемные, лопаточные, струйные. Работа одноступенчатого компрессора. Многоступенчатое сжатие. Распределение давления между ступенями. Типы компрессоров ГТД. Детандерные устройства, классификация, назначение. Турбодетандеры. h-S-диаграмма и ее свойства. Таблица ПЗ 16 Методические рекомендации Рассматривая процессы, необходимо четко представлять энергети- ческие преобразования, происходящие в компрессоре и детандере. Нужно помнить, что при конструктивном разнообразии компрессоров термодина- мические основы их работы одинаковы и выражение для работы подводимой извне будет иметь одинаковый для всех вид. Необходимо четко понять и обосновать необходимость в многоступенчатом сжатии и многоступенчатом расширении. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какой процесс сжатия является наиболее эффективным? 2. Почему выражение для работы, подводимой к компрессору, имеет одинаковый вид для объемных и лопаточных компрессоров? 3. Поясните с помощью P-V- или T-S- диаграмм преимущество многосту- пенчатого сжатия в компрессоре. 4. Почему лопатки компрессоров ступеней высокого давления имеют меньшие размеры по сравнению с лопатками ступеней низкого давления? 5. Поясните принцип действия турбодетандера. Почему снижается тем- пература газа на выходе из турбины? 6. Изобразите процесс расширения на турбине в P-V- и h-S-координатах. 7. Чем отличается работа идеального процесса расширения от работы расширения реального процесса? Тема 9. Конструкция и работа камеры сгорания (КС) авиационных двигателей Назначение и особенности конструкции камеры сгорания. Органи- зация рабочего процесса в КС. Основные параметрические показатели КС. Методические рекомендации Изучая эту тему, студент должен иметь представление об особен- ностях трубчатых, секционных, кольцевых, угловых КС и почему в них требуются высокие значения коэффициентов избытков воздуха. Он должен понимать, чем принципиально отличаются КС печей и котлов от камер сгорания ГТД, ГТУ. Студент должен объяснять, с какой целью воздух, по- ступающий в КС, делится на три потока и какими средствами достигается полнота сгорания топлива, уменьшение выбросов вредных компонентов? Таблица ПЗ 17 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие требования предъявляются к КС ГТД? 2. С какой целью КС разделена на зоны горения и смешения? 3. Чем объяснить повышенные по сравнению со стехиометрическим со- отношением значения коэффициента избытка воздуха? 4. Перечислите основные параметрические требования к КС. 5. Что называется коэффициентом полноты сгорания топлива? 6. Перечислите температурные диапазоны образования вредных выбросов в СО, С0 2 , Н 2 , N0 x Тема 10. Установки теплоснабжения авиапредприятий. Принципы и схемы систем теплоснабжения Теплогенераторы систем теплоснабжения: химические, электриче- ские, солнечные, гидравлические, тепловые насосы. Тепловой и энергети- ческий баланс теплогенераторов. Теплотрассы, устройство и эксплуатация тепловых сетей. Основы расчета теплотрасс. Горячее водоснабжение, классификация, теплоносители, оборудование. Назначение и основы расчета отопительно-вентиляционных установок. Системы отопления: классификация, основные устройства. Классификация и устройство вентиляционных систем. Системы кондиционирования: классификация, принципиальные схемы, анализ процессов. Методические рекомендации Рекомендуется изобразить схему пункта теплоснабжения, последо- вательно разобрать, какие основные устройства и системы входят в него, их назначение, взаимодействие между собой, путь движения топлива, теп- лоносителя и продуктов сгорания (если таковые имеются). Следует усвоить, как определяется КПД всего комплекса теплоснабжения, какое влияние на него оказывают расход теплоносителя и условия эксплуатации. Следует знать, в чем заключается преимущество и недостатки различного типа теплоносителей. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Изобразите принципиальную схему системы теплоснабжения (ко- тельную). 2. Перечислите основные элементы системы теплоснабжения. 3. Поясните их назначение. 4. Что такое КПД установки теплоснабжения? Таблица ПЗ 18 5. Чем вызваны высокие требования к качеству теплоносителей отопи- тельных систем? Почему очень важно возвращать конденсат от по- требителей? 6. Как определяют производительность вентиляторов отопительно- вентиляционных систем? 7. Какие процессы с воздухом осуществляются в кондиционерах. Принцип кондиционирования. 8. Поясните принцип кондиционирования на примере теплового насоса. 9. Опишите принцип работы вихревого гидравлического теплогенератора. Приведите выражение коэффициента эффективности. Тема 11. Холодильные установки Классификация холодильных установок Схема, устройство и принцип работы: дроссельных, вихревых, воздушных турбодетандерных, термоэлектрических, парокомпрессионных газовых холодильных машин (цикл Стирлинга, Джиффорда-Мак-Магона). Методические рекомендации При изучении этой темы необходимо помнить 2-е начало термоди- намики, свойства реальных газов, знать определение холодопроизводительности и холодильного коэффициента, понимать физическую картину процессов, происходящих в рабочих узлах холодильных установок. Студент должен знать интервалы оптимальных достижимых уровней температур термостатирования и холодопроизводительностей для различного типа установок. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие параметры характеризуют эффективность холодильной установки? 2. Рабочие тела, использующиеся в холодильных установках, их харак- теристики. 3. Какими специфическими свойствами хладагента обладают рабочие тела парокомпрессионных и абсорбционных холодильных машин? 4. Напишите уравнение теплового баланса для рассмотренных холодильных установок. |