Дрейцер Г.А., 1988 (Дрейцер Г.А., 1988 - Методические указания к курсовой работе Расчет регенеративного теплообменного аппарата ПВРД)

МИНИСТЕРСТВО ВЫОЖГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИИ СССР МОСКОВСИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЗХ1ИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЕОНИКИДЗЕ МЕТОДИЧЕСНИЕ УКАЗАНИИ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ "РАСЧЕТ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА ПВВРД" Утввридено на эасеиании редсоеета 30 марта 1987 г. ( 1 \ МОСКВА 1988 М 43.87 (075) М 645 УДК 629.7.036~-636.24] (071.1) Автор-составитель Г.А. Дрейцер "Теплопередача". сгорания водорода в воздухе. Методические указания к курсовон работе "Расчет регенеративного теплообменного аппарата ПВВРД" / Авт.-сост. Г.А.

Дрейцер. — М.: МАИ, 1988. — 36 с.: ил. Изложены методики расчета трубчатого теплообменного аппарата регенеративного подогрева водорода пароводсроднсго воздушно-реактивного двигателя. В целях интенсификации теплообмена в аппарате используются трубы с накатанными на их внешней поверхности периодически расположенными кольцевыми канавками и соответствующими им кольцевики диафрагмами внутри труб. Представлены методики теплового и гидравлического расчета теплосбменных аппаратов. Предложена новая методика конструкторского расчета теплсобменников при заданном гитравлическом сопротивлении по горячеЛ и холодной сторонам аппарата. Методические указания предназначены для студентов авиационных вузов и факультетов. Рецензенты: Б.Н.

Юлаев, Г.Б. Петражицкий ® Московский авиацисннгй институт, 1988 г. Методические указания предназначены для выполнения студентами авиационньпс вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Воздушно-реактивные двигатели", курсовых работ по дисципдине Основной целью денной работы является обучение студентов современныи методам теплового и гидравлического расчетов трубчатых теплообменных аппаратов, предназначенных для подогрева воздуха пароводородного воздушно-реактивного двигателя (ПВВРД). В этих аппаратах в качестве горячего теплоносителя исцольэуются продукты Предложенные методики и алгоритмы позволяют рассчитать поверхность теплообыена и габзритные размеры трубчатого теплообменного аппарата для заианных значений расходов теплоносителей, их температур на входе и выходе, лавлений и гидравлических сопро- тивлений по обеим сторонам аппарата.

Рассматриваемые методики могут применяться при использовании ЭВМ и САПР. Щ;пиксовы бг — горячий; гл— м — меньший; мест и — патрубок; пов сук — сумение; тр 1,2 — вопяной пар " - выход. больший; в — внутренний; вх — вход; вых - выход; глэлкий; з — ээпанный; лог - логарифмический; — местный; н — наружный; прот — противоток; — поворот; расы — раавирение; ст — стенка; — трение; уск — ускорение; х — холодный; / и воздух при расчете свойств смеси; - вхоп; УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а,б, С - габаритные размеры аппарата; Ахл, Алх - коэффициенты; Ою - теплоемкость; Сх, б», ~~, С., С~ - константы в форь(улах для расчета теплообмена и сопротивления в псперечно омываемых пучках труб; Юэ,аш - максимальный диаметр аппарата, опрепеляемый габаритами двигателя; Ю„ , Ю ~ - наружный и внутренний лиаметры труб; Ы, — диаметр кольцевой канавки; шэ - диаметр кольцевой лиафрагмы; Г - поверхность теплообмена; д' — массовая доля; Й вЂ” расход;  — энтальпия; К вЂ” коэффициент теплоперелачи; К,,К„,Хх,Ка - коэффициенты;тж„ вЂ” число ходов по холодной стороне; г( - молекулярная масса; М - число труб; Л~~ - отношение иоэффициентов теплоотдачи; р - давление;а р - перепад давлений; т" - объемная поля; Р— газовая постоянная; 3 , 5'„ — плошали проходных сечений аппарата; Я~ ,,Ьл, У - поперечный, продольный и лиагональный шаги труб; Т - температура;ь Т - перепад температур; о — шаг турбулизаторов; яг — среднемассовая скорость; Уе - число рялов труб в продольном направлении; аь - коэффициент теплоотдачи; Л - коэффициент теплопроводности;„ю - коэффициент динамической вязкости; ~ — коэффициент гиправлического сопротивления 'е тсооР г — коэффициент сопротивления для поперечно омываемого пучка труб; р — плотность; ю — коэффициент потерь давления; хт.~ ~, — сумма коэффициентов местных сопротивлений; я~д, '(юет - коэффициенты; Ки, Рш, Рю - числа Нуссельта, Рейнольдса, Пранптля.

ОНЦа СжДЕНИЯ Расширение диапазона работы воздувшо-реактивных двигателей а (ВРД) в сторону обеспечения болыпих скоростей полета и улучшение эиономических характеристик современных ВРД связано с использованием криогенных топлив, обладающих высокой теплстворной способпостыл, н, в частности, водорода ~1, 2]. Эффективность ВРД может быть повышена за счет использования хладоресурса криогенных топлив для уменьшения относительной работы сжатия, работоскссобности топлива для увеличения относительной работы расширения и регенерации тепла для увеличения располагаемой работы при одновременном повышении термического НПД цикла. Эти пути использования хладоресурса и высокой работоспособности топлива явились основой для рассмотрения ряда новых схем газотурбинных двигателей.

Родород Рис. 1. Схема пароводородного ВРД: 1 — компрессор; 2 — турбина; 3 — первая камера сгорания; 4 — регенеративный попогреватель водорола; 5 - вторая камера сгорания; 6 — реактивное золло В качестве примера для выявления особенностей подобных двигателей рассмотрим схеь(у пароводородного воздувшо-реактивного двигателя (ПВВРД) (рис.

1). Воздух после диффуэора и компрессора поступает в первую камеру сгорания, куда также лопается подогретый вопород. После камеры сгорания продукты горения водоропа проходят через регенератнвный попогреватель и поступают во вторую камеру сгорания, а затем в реактивное седло.

Водород, пройди каналы охлажпения стенок сопла и камер сгорания, поступает в регенеративный теплообменник, а затем в паронодородную трубину. Из турбины одна часть водорода поступает в первую камеру сгорания, а другая— во вторую. Преимуществами денной схемы являются пониженное давление газа на турбине, воэможность уменьшения степени сжатия в компрессоре до Л"", = 3,5...5 и сокращение числа ступеней компрессора.

В пароводороднсм ВРД используется чрезвычайно высокая энергоемкость подогретого водорола (газовая постоянная нодорода Х! = 4,16 кПж/(кг К), теплоемкость Сс = 14,63 кПж/(кг.К). Теплотворная способность водорода в 2,8 раза больше, чем керосина, однако плотность в 11,5 раза меньше. Характеристики горения жидкого водорода существенно превооходят основные характеристики жидких керосина и метана: максимальная нормальная скорость распространения пламени при горении водорода в 8-9 раэ выше соответствующих значений для керосина и метана; водород имеет более широкие пределы и низкое минимальное давление распространения пламени.

При переходе от керосина к водороду удельные расходи топлива уменьшаются примерно в 2,8 раза, ио одновременно в 4,15 раза увеличивается емкость баков (из-за снижения плотности) при равноценных энергетических запасах. Регенеративный теплосбменник янляется одним иэ основных элементов данного лаигателя и по сравнению с другими элементами составляет значительную долю по массе и обьещу.

Задачей настоящей работы является расчет регенеративного теплообменника, в котором сжатый нопород попогренается смесью продуктов сгорания водорода в воэлухе. ИСХОДНЫЕ ПАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА Теплообменный аппарат — трубчатый, многоходовой по вопороду внутри труб и одноходовой по горячему тазу и меатрубном простраястне, омьшаацему пучок труб поперечно. Пучок труб - шахматный. Нагреваемый водород лопается внутрь труб, нагревающий горячий гаэ - снаружи труб. Схема теплообменника представлена на рис. 2. Теплообменник размещают в трубе с заданным диеметроы Зрр ш, определяемым габаритами двигателя. Так как площадь поперечного сечения теплообменника по горячей стороне, как правило, больше площади поперечного сечения двигателя, теплообменник размещают по конической поверхности.

Ро~ з р а ла. Рис. 2. Схема регенеративного теплообменника Заданы: наружный диаметр труб Э!!, внутренний диаметр труб х)н, пРоДольный шап тРУб в пУчке У~ , попеРечный шаг 3~, число ходов по холодной стороне тшл, расход горячего газа Й, , состав горячего газа (смеси паров воды и воздуха) - массовые доли паров воды ~', и воздуха д', температура горячего газа на входа Т., давление горячего газа на входе Яг, коэффициент потерь давления по горячей стороне бг , расход водюрора ЬЬ „, температура вопорода /! на входе Т„, температура водорода на выходе 7л, давление нодо- ! рола на входе рл, допустимые потери давления по водороду з)р„. Оэм ~: мц !~, р обмена, площади проходньцс сечений по горячей и холодной сторонам, габаритные размеры теплообменника при использовании труб с турбулизаторами.

Вычертить эскиз теплообменника, собранного из труб с турбулиэаторами. 7 1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА ПРИ ЗАДАННОМ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ СОПРОТИВАЕНИИ или ПА ' ' '-К Яг Вт/(и2 К) (2) рн где А„ — средний коэффигиент теплоотдачи в межтрубном простран:тве (по горячей стороне); с=о.ук(," р» НР 1)н1' при ' " и.о,у, (4) (3) Процесс теплопередвчи в теплообменнык аппаратах связан с гиправлическими потерями, т.е. с эатрвтаии мощности на прокачку теплоносителей через теплообиенные аппараты.