Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Расчёт основных величин тепловых процессов регенеративного охлаждения в стенке камеры сгорания ракетного двигателя.

Цель курсовой работы

1) теоретическая отработка вопросов теплообмена при высоких скоростях и температурах газового потока продуктов сгорания с внутренней стенкой ракетного двигателя.

2) определение температурного поля во внутренней стенке сопла ракетного двигателя с учетом теплофизических свойств материала стенки и охлаждающей жидкости и вычисление толщины стенки камеры для двух случаев:

- с защитным покрытием;

- без защитного покрытия.

3) определение: величины проходного сечения канала для охлаждающей жидкости; величины необходимой скорости охлаждающего компонента в рассматриваемом сечении, обеспечивающей требуемое значение коэффициента теплоотдачи и величины температуры компонента на выходе из рассматриваемого сечения.

4) определение температурного поля неохлаждаемой стенки сопла РД в заданном сечении через указанные промежутки времени в процессе нестационарной теплопроводности, при решении можно пренебречь теплообменном с наружной стороны камеры, кривизной сечения.

 

Расчётная часть

Расчёт основных величин тепловых процессов регенеративного охлаждения в стенке камеры сгорания ракетного двигателя.

 

Состав продуктов №3. Теплофизические свойства продуктов сгорания представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Состав продуктов

«Г» «О» СО2, % СО, % Н2О, % Н2, % N2, % О2, % ОН, % Н, % О, % NO, % μ R Дж/кг·К к
керосин O2 22,4 27,5 37,5 5,8 - 1,28 3,42 1,28 0,52 - 25,61 324,7 1,219

 

Определяется молярная масса смеси:

 

μсм = ∑ ri · µi, (2.1)

 

где ri – объемная доля компонента

 

μсм = 0,224·44 + 0,275·28 + 0,375 · 18 + 0,058 · 2 = 24,422 [моль]

 

Определяется теплоёмкость для каждой компонента смеси:

 

µсрco2 = 62,985 кДж/моль·К, µсрco = 37,256 кДж/моль·К,

µсрн2о = 54,067 кДж/моль·К, µсрн2 = 37,093 кДж/моль·К.

 

Определяется молярная теплоёмкость смеси:

 

µсрсм = ∑ ri · µсрi (2.2)

 

µсрсм = 0,224·62985+0,275·37256+0,375·54067+0,058·37093 = 46780,559

[Дж/моль·К]

 

 

Теплоёмкость смеси определяется по формуле:

 

ссм = µсрсм ∕ μсм, (2.3)

 

ссм = 44588,38 / 20,896 = 2133,824 [Дж/К]

 

Для определения коэффициентов динамической вязкости и теплопроводности смеси применяются формулы:

(2.4)

  (2.5)

где ri – объемная доля компонента газовой среды, j, i – индексы, которые указывают на принадлежность к определенному компоненту топлива, Аijij – комплексы, функционально зависящие от температуры смеси.

Расчёты коэффициентов динамической вязкости и теплопроводности газовой смеси представлены в таблицах 2, 3.

 

Таблица 2 – Вычисление коэффициента динамической вязкости

 

  Вij Вij · rj ∑ Вij·rj ri 1+ ∑ Вij·rj / ri μi·10-6 (Н·с)/м2 μi·10-6/(1+∑Вij·rj/ri) μ·10-6 (Н·с)/м2
CO2   CO   H2O   H2   CO2   CO   H2O   H2  
CO2 - 0,799 0,575 0,204 - 0,2197 0,2156 0,0118 0,447 0,224 5,996 78,26 26,385 86,044
CO 1,311 - 0,90 0,347 0,2936 - 0,3375 0,0201 0,651 0,275 3,368 86,63 25,72
H2O 1,614 1,284 - 0,3838 0,3615 0,353 - 0,022 0,736 0,375 2,964 96,54 32,571
H2 2,202 2,280 1,478 - 0,493 0,627 0,554 - 1,674 0,058 29,86 40,86 1,368

 

Таблица 3 – Вычисление коэффициента теплопроводности

 

  Аij Аij · rj ∑ Аij·rj ri 1+ ∑ Аij·rj / ri λi·10-3 Вт/(К·м) λi·10-3/(1+∑Аij·rj/ri) λ·10-3 Вт/(К·м)
CO2   CO   H2O   H2   CO2   CO   H2O   H2  
CO2 - 0,828 0,675 0,515 - 0,227 0,253 0,0298 0,5105 0,224 3,279 161,34 49,204 286,35
CO 1,242 - 0,786 0,554 0,278 - 0,2947 0,032 0,6047 0,275 3,199 163,4 51,078
H2O 1,502 1,186 - 0,652 0,336 0,326 - 0,038 0,7 0,375 2,86 427,5 149,47
H2 2,721 2,039 1,407 - 0,61 0,56 0,5276 - 1,6976 0,058 29,269 1071,3 36,6

 

 

Определяется Критерий Прандтля:

 

Pr = μ · cсм ∕ λ (2.6)

 

Pr = 86,044 · 10-6 · 1915,509 / (286,352 · 10-3) = 0,575

 

 

Определяется плотность смеси из уравнения Менделеева - Клапейрона:

 

р · V= m / μ ·R · T (2.7)

р1 · υ = R · Tf (2.8)

 

где υ = 1/ρ – удельный объём смеси.

Следовательно, плотность смеси вычисляется по формуле:

 

ρ = р1 / (R · Tf1) = 40,8 · 105 / (394,4 · 3060) = 3,38 [кг/м3]

Вычисляется скорость:

 

w = G1 / (ρ · F) (2.9)

где F = π · (D / 2)2

w = 17,4 / (3,14 · (0,07)2/4) = 1338,348 [м/с]

 

Определяется скорость звука:

 

a = (2.10)

a = = 1212,9 [м/с]

 

Определяется число маха:

М = w / а (2.11)

М = 1338,348 /1212,9 = 1, 1034

Вычисляется температура восстановления:

Тr = Тf 1(1 + 0,5 r (к – 1) М2) (2.12)

где r = Pr1/3 – коэффициент восстановления температуры

r = (0,575)1/3 = 0,831

Тr = 3060 · (1 + 0,5 · 0,831· (1,219 – 1) · (1,1034)2) = 3399 К

Тw1 = 330 + 273 = 603 К

Тw2 = 200 С = 473 К

 

Таблица 4 – Данные вычислений

 

Определяющая температура Тэф μ·10-6 (Н·с)/м2 λ·10-3 Вт(К·м) ссм, Дж/К Pr
  86,044 286,352 1915,509 0,575

 

 

Вычисляется критерий Рейнольдса:

 

f = w ·ρ · х / μ (2.13)

 

f = 1338,348 · 3,38 · 0,07 / (86,044 · 10-6 ) = 3,68 · 106

 

Определяется критерий Нуссельта:

Nuf = 0,021 · Ref0,8 · Prf0,43 (2.14)

 

Nuf = 0, 021 · (3,68*106)0,8 · (0,575) 0,43 = 2961,8

Определяется коэффициент теплоотдачи из уравнения критерия Нуссельта:

 

Nuf = αк · х / λf (2.15)

откуда

αк = Nuf · λf / D = 2961,8 · 286,352 ·10-3 / 0,07 = 12116 [Вт/м·К]

 

Учитывая поправки, значение коэффициента имеет вид:

 

α1 =1,082 · αк = 1,082 · 12116 = 13109,5 [Вт/м·К]

 

Удельный конвективный тепловой поток вычисляется по формуле:

 

qк = α1r – Тf1) (2.16)

qк = 13109,5 · (3399-3060) = 4 444 120,5 [Вт/м2]

 

Суммарный удельный тепловой поток к стенкам ракетного двигателя состоит из конвективного и лучистого тепловых потоков:

 

q = qк + qл (2.17)

 

Величины конвективного потока по длине камеры меняется. Поэтому для упрощения расчета величина суммарного удельного потока рассчитывается из следующего соотношения:

- выходное сечение - qк = (0,97…0,99) q, отсюда

 

q = qк / 0,98 = 4444120,5 / 0,98 = 4 6534 816 [Вт/м2]

 

Удельный тепловой поток, который получает стенка, из условия непрерывности теплового потока должен равняться тепловому потоку, отводимому в силу теплопроводности в стенку. В стационарной задаче для цилиндрической стенки этот поток может быть записан в виде:

q = 2πλст(Tw1 – Tw2)/ln(D1/D) (2.18)

 

где D – внутренний диаметр (размер задан) рассматриваемого сечения, м;

D1 = D + 2 δст – внешний диаметр стенки. Отсюда

 

 

Определение толщины покрытия камеры сгорания ракетного двигателя:

 

 

 

По формуле Ньютона определяется значение коэффициента теплоотдачи охлаждения:

 

α2 = q / (Тw2 – Тf2) (2.20)

 

где Тw2 – температура стенки со стороны жидкости, К;

Тf2 – температура охлаждающей жидкости, К.

 

α2 = 4 534 816,8 / (473 – 302) =26519,4 [Вт/м2·К]

 

Уравнение конвективного теплообмена при турбулентном режиме движения среды в межрубашечном пространстве имеет вид:

 

Nuf = с · Refa · Prfb · (Prf ∕ Prw)n (2.21)

 

где с = 0,021; а = 0,8; b = 0,43; n = 0,25.

Nuf = α·L ∕ λ = α2 · (D + 2 · δст) / λf,

Ref = wf·ρ·L ∕μ = w · ρ · (D + 2 · δст) /μ

 

Критерии Прандтля Prf и Prw находятся из таблицы:

 

Prf = 13,5, Prw = 0,945

 

Скорость охлаждающего компонента вычисляется по формуле:

 

wf = (2.22)

 

wf = = 23,2 [м/с]

Степень подогрева жидкости на любом участке тракта охлаждения определяется из уравнения теплового баланса:

 

ΔTfi = Qi ∕ (Cfi·G2) (2.23)

 

где Qi - количество тепла, воспринимаемое охлаждающим компонентом на рассматриваемом участке,

G2 - массовый секундный расход компонента,

Cfi - теплоемкость компонента при средней температуре для данного участка.

Количество тепла, получаемое компонентом на участке, определяется по формуле:

 

Qi = (2.24)

 

где Di - внутренний диаметр участка,

γ - угол наклона образующей к оси камеры γ=15о,

x - расстояние вдоль оси камеры.

отсюда следует

Qi =

 

Qi = 32313,34 [Вт]

 

Степень подогрева жидкости на любом участке тракта охлаждения:

 

ΔTfi = 32313,34 ∕ (4,9 · 103 · 15) = 0,44 К

 

Кольцевой зазор, величина которого обеспечивает необходимый отвод тепла от стенки при найденной скорости движения компонента, определяется по формуле:

 

δi = G2 ∕ (π · Di · φ · ρ2 · wi) (2.25)

 

где δi - зазор в рассматриваемом сечении,

φ - коэффициент стеснения проточной части охлаждающего тракта (для неоребренной части межрубашечного канала равен 0,98),

ρ2 - плотность жидкости,

wi - скорость компонента через кольцевой зазор.

 

δi = 15 ∕ (3,14 · (0,07 + 2 · 0,001532) · 0,98 · 870 · 23,2) = 0,0033 [м]

 

Температура охлаждающего компонента на выходе из межрубашечнего канала определяется по формуле:

 

Тf2 вых = Тf2 + ∑ ΔTfi = Тf2 + ∑ [Qi ∕ (Cfi · G2)] (2.26)

 

Тf2 вых = 302 + 0,44 = 302,44 К

 

Температура Тf2 вых не превосходит температуру кипения или термического разложения жидкости.

 

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...