Белозерцев В.Н. Теплотехника 2012. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования самарский государственный аэрокосмический университет имени академика сп
 Скачать 1.43 Mb.
|
|
Тема 12. Методы учета и контроля расхода энергии применительно к технике и технологиям предприятий ГА Технико-экономические показатели силовых установок авиационных транспортных средств и технологических установок при выборе и Таблица ПЗ 19 комплектации высокоэффективным энергопотребляющим оборудованием предприятий ГА. Тенденции энергосбережения в процессе разработки и эксплуатации перспективных двигателей. Методы и средства контроля функционирования систем двигателей: определение эффективности воз- душных перевозок методом эквивалентных масс. Технико-экономические критерии эффективности источников и преобразователей энергии и энер- гоносителей, а также средств их транспортировки в наземном оборудовании и технологических системах. Приборы контроля учета и регулирования: счетчики воды и газов, расходомеры, теплосчетчики. Энергосберегающее оборудование в централизованных и децен- трализованных источниках энергии: ГТУ, теплонасосные установки (ТНУ), дизель-генераторные установки, возобновляемые источники энергии, эко- логические вопросы энергетики. Энергосберегающие эксплуатационные технологии в теплосетях; современные методы диагностики функциониро- вания теплотрасс, бесканальная прокладка трубопроводов, перспективные теплоизоляционные материалы. Методы проведения энергетических обследований и аудитов тех- нических средств и энергетических комплексов предприятий ГА. Энерго- сберегающие технологии и экологическая обстановка. Методические рекомендации Изучая эту тему, студент должен осознавать основную цель учета и контроля энергии и энергоносителей энергосбережения как комплекса мероприятий, направленных на повышение эффективности как отдельных элементов, так и всего предприятия ГА. Энергопотребление предприятий, обеспечивающих организацию воздушных перевозок, складывается из суммарного потребления энергии и энергоносителей авиационными транспортными средствами и наземным технологическим оборудованием. Студент должен понимать, что энерго- сбережение должно осуществляться по всей технологической цепочке: от топливно-энергетических запасов до источников энергии транспортных средств и наземного оборудования к средствам транспортировки энергии и энергоносителей и далее к средствам преобразования энергии и потребления. Студент должен знать, как должны размещаться средства учета и контроля энергии и энергоносителей, а также иметь представление об основных тенденциях энергосбережения, методах оценки энергосберегающих мероприятий. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие основные технико-экономические показатели характеризуют энергосберегающее оборудование транспортных средств ГА? 2. Перечислите основные направления совершенствования современных ГГД. Таблица ПЗ 20 3. Приведите примеры систем и устройств передачи и транспортировки энергии. 4. Объясните принцип работы теплосчетчика. 5. В чем преимущество децентрализованных теплосетей по сравнению с централизованными? 6. Приведите примеры использования возобновляемых источников энергии как перспективного направления энергосберегающих технологий. 7. Каким образом энергосбережение влияет на экологическую обстановку? Приведите примеры. 8. Каким образом оценивается технико-экономическая эффективность от внедрения энергосбережения? 4. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ДЛЯ ВСЕХ СПЕЦИАЛИЗАЦИЙ Методические указания к выполнению контрольной работы К решению заданий контрольной работы следует приступать при наличии литературных источников, указанных в каждом задании. Это по- зволит лучше разобраться в задании и сократит затраты времени за счет правильного выполнения работы с первого предъявления. Контрольная работа включает в себя два задания. Вариант задания выбирается из таблиц в соответствии с порядковым номером в списке группы, рабочее тело выбирается по порядковому номеру группы. Работы, выполненные не по своему варианту или не из своего задания, нерассматриваются. Если при проверке работа была не зачтена, то к исправленной работе следует обязательно приложить незачтенную. Контрольная работа выполняется в тетради школьного образца с пронумерованными страницами и полями 25-30 мм для замечаний препо- давателя. При выполнении задач необходимо соблюдать следующие условия: а) выписывать условия задачи и соответствующие варианту исходные данные; б) решение сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором указывается, какая величина определяется и по какой формуле (в случае преобразований указать, из какой исходной формулы она получена); в) приводить численные значения всех величин, подставляемых в формулу. Указать размерность конечного результата, например: P = RT V = 300∗300 0.9 = 10 ∗ 10 5 Па; г) вычисления проводить только в Международной системе единиц (СИ). Соблюдение этого обязательного условия применительно к каждой используемой в задаче величине позволит значительно сократить количе- ство ошибок. В прил. 1 приведены единицы измерения в системе СИ основных величин, встречающихся при выполнении контрольной работы, и таблица приставок к ним; Таблица ПЗ 21 д) все справочные величины, необходимые для расчетов, приведены в конце методических указаний в прил. 2. ЗАДАНИЕ №1 ПО КУРСУ ТЕПЛООБМЕНА Рассчитать температурное поле (исходные данные в табл. 1) в 3- слойной стенке и определить тепловой поток (стационарная задача, граничные условия 3-го рода). Расчеты оформить в пояснительной записке. В записку отдельным пунктом включить: 1. Уравнение температурного поля для каждого слоя (в общем виде и численном). 2. График температурного поля по толщине, составной стенки (на милли- метровой бумаге). Масштабы: а) толщина 1: 1; б) температура 1 мм — 2°С. Условные обозначения: t f1 , t f 2 , °С- температуры горячей и холодной среды; α 1 ,α 2 , Вт/(м 2 *К) - коэффициенты теплоотдачи на горячей и холодной стороне; λ 1 , λ 2 , λ 2 ,Вт/(м*К) - коэффициенты теплопроводности материала слоев; t w1 , t w2 , t w3 , t w4 ,°С- температуры поверхностей слоев. Для криволинейных стенок t w1 , λ 1 , R 1 относятся к внутренней по- верхности. По толщине каждого слоя рассчитать две промежуточные точки. Указание к заданию 1 При решении задачи сначала рассчитывается коэффициент теплопередачи многослойной стенки, затем величина теплового потока. По найденной величине теплового потока определите распределение температурного поля в каждом слое. Таблица ПЗ 22 Таблица 1 Исходные данные к заданию № 1 по курсу теплообмена Форма Толщина слоев, Вт/(м*К) °С Вт/(м*К) R, № стенки мм мм δ 1 δ 2 δ 3 λ 1 λ 2 λ 3 t w1 t w1 α 1 α 1 1 100 80 30 0,5 2 1 600 100 100 20 - 2 10 100 30 2 4 0,5 750 250 100 100 3 пло- 30 50 50 2 5 1 500 100 50 50 - 4 ская 115 45 40 1 10 2 600 100 20 200 - 5 25 120 75 0,5 10 2 100 500 1000 20 - 6 100 50 50 5 9 1 700 200 20 20 - 7 50 100 50 1 5 0,2 800 300 500 50 - 8 60 50 100 0,5 0,2 ОД 900 400 100 150 - 9 50 50 100 10 1 20 950 450 20 100 - 10 100 50 30 2 0,5 0,1 850 350 50 20 - 11 135 25 50 15 1 0,5 500 0 200 80 25 12 125 50 50 20 5 1 100 600 100 500 80 13 цилинд- 50 50 50 10 15 10 700 200 1000 100 60 14 риче- 50 50 30 1 2 3 300 800 100 100 100 15 ская 50 50 50 1 3 2 900 400 200 200 125 16 120 70 30 4 0,8 0,1 500 1000 1000 50 130 17 115 65 35 3 10 0,7 600 100 700 100 100 18 125 80 40 5 2 0,15 50 530 150 50 120 19 50 40 30 2 5 1 650 150 100 20 110 20 120 80 50 3 I 3 250 750 500 10 130 21 120 130 50 5 10 1 850 330 100 50 200 22 50 50 50 2 5 1 450 950 50 300 150 23 сфери- 120 80 70 5 4 0.5 150 550 200 20 130 24 ческая 130 70 60 20 3 0,2 125 625 250 30 150 25 120 75 75 15 5 0,5 725 225 100 30 170 26 50 30 20 0,2 3 0,5 325 825 20 150 160 27 60 60 70 1 5 2 925 425 30 30 190 28 100 80 20 2 3 4 525 1025 30 150 200 29 130 100 70 5 0,2 0,1 600 100 20 20 210 30 120 80 20 0,2 1 0,5 0,25 200 700 50 500 220 ЗАДАНИЕ №2 КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ Рассчитать идеальный цикл ГТД тягой Rпри полете с числом М за время т (час) по заданной высоте Н при температуре Т 3 газа перед турбиной. Исходные данные приведены в табл. 4, 5, 6. Общими для всех вариантов заданий являются: Таблица ПЗ 23 • масса воздуха G = 1 кг; • расчетная схема ГТД (рис. 1 и 2); • топливо — керосин различных марок (выбирается по номеру и группы) с начальной температурой Т Г = 300 К (см.табл.6). Цель контрольной работы: научить студента методике расчета и основам исследования цикла теплового двигателя. В ходе выполнения работы проводится определение параметров состояния рабочего тела в термо- динамических процессах идеального цикла газотурбинного двигателя (ГТД), его энергетических показателей, графическое построение цикла. Результаты расчетов характеристик цикла идеального цикла ГТД, представленные в графической форме, позволяют произвести их сравнительный анализ. 1. Исходные данные к расчету В прил. 1 приведены варианты заданий (исходных данных) для расчета идеального цикла ГТД с тягой Rпри полете с числом М за время т (час) на заданной высоте Н при температуре Т 3 газа перед турбиной. В прил. 2 дана стандартная международная атмосфера (МСА), по которой определяются исходные р 0 , ρ, Т 0 и состав воздуха (табл. Ш, П2). Общими для всех вариантов заданий являются: • масса воздуха G = 1 кг: • расчетная схема ГТД (рис. 1, 3); • топливо - керосин различных марок (назначается консультантом) с начальной температурой Т Т = 300 К (см. прил. 2, табл. ПЗ). 2. Постановка задачи В ходе расчета идеального цикла ГТД следует определить для по- ступающего в диффузор двигателя воздуха и продуктов сгорания: • мольные доли, массовые доли, изохорные теплоемкости, газовые по- стоянные, показатели адиабаты; • оптимальное значение степени повышения давления воздуха в ком- прессоре двигателя; • потребный коэффициент избыткаа в камере сгорания; • параметры рабочего тела в узловых точках цикла 1,2,3,4,5; • изменение внутренней энергии, энтальпии, энтропии в процессах за цикл; • теплоту процессов и преобразованное тепло, работу и термический КПД цикла; • основные параметры рабочего тела в двух промежуточных точках про- цессов 1-2 и 3-5; • по результатам расчетов построить в P-V- и Т-S-координатах идеальный цикл ГТД; • энергетические характеристики двигателя. Таблица ПЗ 24 Рис. 1. Принципиальная схема ГТД с подводом тепла при р = const: 1-топливный насос; 2-компрессор: 3-камера сгорания; 4-газовая турбина Рис. 2 .Идеальный цикл ГТД при р = const. а-в координатах Р-V; б-в координатах T-S Рис. 3. Конструктивная схема ВРД с турбокомпрессором: 1 - диффузор;2 - центробежный компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - газовая турбина; 5 — сопло Таблица ПЗ 25 3. Методические указания по выполнению расчетов 3.1. Расчет состава рабочего тела Расчет массовых и мольных (объемных) долей компонентов для воздуха и продуктов сгорания, молекулярной массы, их теплоемкости (см. [3], с. 336) проводится по соотношениям ([1], см. с.18, 33 и 38, [2,3]) для каждого компонента: для газовой смеси: По таблице МСА (см. прил. 2) для заданной высоты полета принимаются для воздуха и его состав. Результаты расчетов по п. 3.1 сводятся в табл. 2 и 3. Расчетные соотношения для продуктов сгорания (реальные циклы) приведены в п. 3.4 и тоже сводятся в табл. 2 и 3. 3.2. Расчет оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД 3.3. Для заданного числа М полета оптимальное значение можно полу- чить аналитически из условия, что при его значении полезная работа цикла ГТД' - наибольшая. Обычно решение сводится к отысканию максимума функции Этот максимум в идеальном цикле достигается при значении равном Полученное значение используется в дальнейших расчетах параметров цикла. Таблица ПЗ 26 3.3. Определение коэффициента избытка воздуха Основано на обеспечении заданной температуры перед турбиной. Для расчета примем соотношение у" для заданного вида топлива (см. прил. 2, табл. ПЗ) Определяется коэффициент избытка воздуха по формуле [7] Здесь F , Т х промежуточные расчетные зависимости: 3.4. Расчет состава продуктов сгорания и рабочей смеси Проводится по указанию консультанта. Здесь определяются: • массы компонентов: • моли компонентов: • мольные (объемные) доли компонентов: • массовые доли компонентов: » количество топлива, сгорающего в 1 кг воздуха, находится по формуле Таблица ПЗ 27 массасса рабочей смеси (воздух и топливо) • массовые доли рабочей смеси: • теплоемкость рабочей смеси: • газовая постоянная: Указание к заданию При термодинамическом исследовании циклов полагают: • что циклы замкнуты (в действительности же продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело); • рабочее тело в цикле - идеальный газ с постоянной теплоемкостью; • процесс сгорания, связанный с химическими изменениями состава рабочего тела, - обратимый процесс подвода тепла q 1 извне; • процесс уноса теплоты, содержащейся в продуктах сгорания, обратимый процесс отвода теплоты q 2 от рабочего тела; • механические потери на трение и потери теплоты в окружающую среду отсутствуют. При таких предпосылках считают, что тепловые двигатели работают по обратимым термодинамическим циклам с постоянным составом и характеристиками рабочего тела. Поэтому в дальнейшем, приступая к расчетам по пп. 4 и 5 во всех соотношениях, описывающих процессы цикла, принимаются характеристики для воздуха Состав продуктов сгорания учитывается при расчетах реальных (действительных) циклов тепловых машин. Таблица ПЗ 28 Таблица 2 Состав рабочего тела цикла ГТД Характеристики Компоненты N 2 O 2 СО 2 Н 2 О R i , Дж кг∙К c pi , Дж кг∙К c vi , Дж кг∙К μ i , кг кмоль m i , кг Воздух Прод. сг М п ,кмоль Воздух Прод. сг g i Воздух Прод. сг r i Воздух Прод. сг Таблица 3 Характеристики рабочего тела в цикле ГТД Рабочее тело Характеристики c p , Дж кг∙К c v , Дж кг∙К R i , Дж кг∙К k = c p c v m, кг Воздух Продукты сгорания Таблица ПЗ 29 4. Расчет основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла ГТД Расчет параметров состояния проводится с учетом схем, представ- ленных на рис. 3, 4, 5. Точка 1. Процесс 0-1 - адиабатное сжатие воздуха в диффузоре: Точка 2 . Процесс 1 -2 - адиабатное сжатие в компрессоре: Точка 3. Процесс 2-3 - изобарный подвод тепла в камере сгорания, Точка 4. Процесс 3-4 - адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине: Точка 5. Процесс 4-5 - адиабатное расширение в реактивном сопле двигателя до давления окружающей среды р 0 =р 5 5. Расчет калорических величин цикла ГТД 5.1. Изменение калорических величии в процессах цикла определяется по соотношениям: • внутренняя энергия в процессе • энтальпия Таблица ПЗ 30 • энтропия 5.2. Расчет теплоты процессов и тепла за цикл делается по формулам: Преобразованное тепло 5.3. Расчет работы процессов и за цикл проводится по равенствам: -работа сжатия газа в диффузоре; - работа сжатия газа в компрессоре; -работа газа в турбине; - работа реактивного сопла; - работа цикла. Таблица 4 Значения основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла, изменение калорических параметров в процессах и за весь цикл идеального ГТД Значения Точки Для 0 1 2 3 4 5 цикла p i , Па - v i , м 3 /кг - T i , K - Значения Процесс Для 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-0 цикла Δи,Дж/кг Δh,Дж/кг Δs,Дж/кг |