Методические указания к курсовой работе - Расчет регенеративного теплообменного аппарата ПВВРД

~зт Утверидено на заседании редсовета ЗО марта 1987 г. г 1-'~ 1 д~ МОСИНА 1988 т1ыи листОк В ВОЗВРАТА 1й ЧУК1 1Л БЫТЬ 811А 11Н ПОДКН с ~лгс сдобь ',075 ) бр. МАИ .тод.указания ,работе "з' 'чет затя' МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАДЪНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР МОСИОВСИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКГЯБРЬСББЯ РЕБОЗИЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЕОНИНИДВЕ МЕТОДИЧЕСНИЕ УНАВАНИН Н БУРСОВОЙ РАБОТЕ "РАСЧЕТ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА ПВВРД" М 43.87 (075) М 545 УДК 629.7.036+536.94] (071.1) Автор-составитель Г.А.

Дрейцер сгорания водорода в воздухе. Методические указания к курссвои 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 пароводородного воздушно-реактивного двигателя. В целях интенсификации теплообмена в аппарате используются трубы с накатанными на их внешней поверхности периодически располокенннми кольцевыми канавкэыи и соответствующими им кольцевыыи диафрагмами внутри труб.

Представлены методики теклового и гидравлического расчета теплообменных аппаратов. Предложена новая методика конструкторского расчета теплообменников при заданном гжэравлическом сопротивлении по горячей и холодной сторонам аппарата. Методические указания предназначены для студентов авиационных вузов и факультетов.

Рецензенты: Б,П. Юлаев, Г.Е. Петражицкий ® Московский авкационнгй институт, 1988 г. Методические указания предназначены для выполнения студентами авиационных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Воздушно-реактивные двигатели", курсовых работ по дноцИПЛИНЕ "Теклоцередача". Основной целью данной работы является обучение студентов современным методам теплового и гидравлического расчетов трубчатык теплообменных аппаратов, предназначенных для подогрева возлуха паровопсродного воздушно-реактивного двигателя О)ВВРД). В этих еппарвтах в качестве горячего теплоносителя используются продукты Предложенные методики и алгоритмы позволяют рассчитать поверхность теплообмена и габаритные размеры трубчатого теплообменного аппарата для заикиных значений расходов теплоносителей, их температур на входе и выходе, павдений и гидравлических сопротивлений по обеим сторонам аппарата.

Рассматриваемые методики могут применяться при использовании ЭВМ и САПР. Индексы: бг - горячий; глм — меньший; мест п — патрубок; пов оук — суыение; тр 1,2 — водяной пар " - зьосод. больший; з - внутренний; вх - вход; зых - зьпсод) глапкий; з — заданный; лог - логарифмический; — местный; н — нарувнмй; зрот — протизоток; — поворот; рвсш — расширение; ст - стенка; — трение; уск - ускорение; х - холодный; и воздух при расчете свойств смеси; — вход; УСЛ()ВННВ ОВ()ЗВДЧВНИИ а, 6, с — габаритные размеры аппарата; Асл 1 Азс - коэффи- Р циенты; Со - теплоемкость; С~, (л, Е~, С», Ся - константы в формулах для расчета теплообмена и сопротивления в поперечно омываемых пучках труб) А~аяь - максимельный диаметр аппарата, опрепеляеыый габаРитвми двигателЯ; Ю„ , Юя - наРУЯный и знУтРенний ДивметРЫ труб; сс, — диаметр кольцевой канавки; с(з - Диаметр кольцевой диафрагмы) Г - поверхность теплообмена; Сз' — массовая доля; — расход; И - энтальпия; .К вЂ” коэффициент теплопередвчи; К ,К„,Кх,Ка - коэффициенты;тя„ — число ходов по холодной стороне; )с) - молекулярная масса; Л~ — число труб; А~с - отношение коэффициентов теплоотлачи; р - деление;а р - перепад давлений; т" - объемная поля; )с - газовая постоянная; 3 , Я„ - плошади проходных сечений аппарата; Яс ,,уз, У - поперечный, продольный и диагональный шаги труб; Т - темперзтурздш T - перепад температур; Ф - швг турбулизатороз; тлг — среднемассозвя скорость; Ув - число раков труб з продольном направлении; сьс — коэффициент теплоотпзчи; Л вЂ” коэффициент теплопроводности;„ю - коэффициент динамической вязкости; ~ — коэффициент гидравлического сопротивления; 'е о г — коэффициент сояротизления для поперечно омызаемо- усопР с го пучка труб; р — плотность; Б — коэффициент потерь давления; Е~ ~ — сумма коэффициентов местных сопротивлений; Я~я, Я с — коэффициенты; Ксс, Рш, Рю — числа Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля.

ОИ()В СжДВНИН Расширение диапазоне работы зоздузшо-реактивных двигателей а (ВРД) з сторону обеспечения больших скоростей полета и улучшение экономическсос характеристик современных ВРД связано с использованием криогенньос топлив, обладавших высокой теплотзорной способпостыл, и, в частности, водорода с1, Е~.

Эффективность ВРД мокет быть повышена эа счет использования хладоресурсв криогенных топлив для уменьшэния относитедьной работы скатия, работоспособности топлива для увеличения относительной работы расширения и регенерации тепла для увеличения располагаемой работы при одновременном повышении термического НПД цикла. Зти пути использования хлвдаресурса и высокой работоспособности топлива явились основой для рассмотрения ркка новых схем газотурбиннык двигателей. Юодзрок Рис. 1.

Схеме парозодороднсго ВРДс 1 — компрессор; Я вЂ” турбина, 3 — перваи камера сгорания; 4 — регенератизный попогрезатель водорода; 5 - вторая камера сгорания; 6 — реактивное сопло В качестве примере дзя выявления особенностей подобньзс двигателей рассмотрим схему парозодоропного воздушно-реактивного двигателя (ПВВРД) (рис.

1). Воздух после диффуэора и компрессора поступает з первую камеру сгорания, купа такие попается подогретый зопород. После камеры сгорания продукты горения зодоропа проходят через регенератнзный попогреэатель и поступают зо вторую камеру сгорания, а затем в реактивное золло. Водород„ пройдя каналы охлшхпения стенок сопла и камер сгорания, поступает в регенератизный теплообменник, а затем з пароводородную трубину. Из турбины одна часть водорода поступает в первую камеру сгорания, а другзя— во вторую. Преимуществами данной охемы являются пониженное давление газа на турбине, воэмокность уменьшения степени сжатия з компрессоре до М~" = 3,6...6 и сокращение числа ступеней компрессора. В паровопородном ВРД используется чрезвычайно высокая энергоемкость подогретого водорола (газовая постоянная водорода Р = 4,16 кПЫ(кг К), теплоемкость со = 14,63 кДас/(кг К).

Теплотворная способность водорода в 2,8 раза больше, чем керосиНа, однако плотность в 11,5 раза меньше. Характеристики горения жидкого водорода существенно превосходят основные характеристики жидких керосина и метана: максимальная нормальная скорость распространения ялвмени при горении водорода в 8-9 раэ выпе соответствующих значений для керосина и метана; водород имеет более широкие пределы и низкое минимальное давление распространения пламени.

При перехопе от керосина к водороду удельные расходы топлива умеиьшаются примерно в 2,8 раза, ио одновременно в 4,16 раза увеличивается емкость беков (из-за снижения плотности) при равноценных энергетических запасах. Регенеративный теплообменник является одним иэ основных элементов данного двигателя и по сравнению с другими элементами составляет значительную долю по массе и обьему. Задачей настоящей работы является расчет регенерэтизного теплообменника, в котором сжатый вспорол попогревается смесью продуктов сгорания вопорода в возлухе.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА Теплообменный аппарат — трубчатый, многоходовой пс водороду внутри труб и одноходозой по горячему тазу з межтрубноы пространстве, омьшающему пучок труб поперечно. Пучок труб - шахматный. Нагрезаемый золород подается внутрь труб, нвгрезающий горячий газ - снаружи труб. Схема теплоабменникв представлена на рис, 2, Теплообменник размещают в трубе с заданным диаметрсмл) ш, определяемым габернтвыи двигателя. Так как площадь поперечного сечения теплообменника по горячей стороне, как правило, больше площади поперечного сечения двигателя, теплообменник размещают по конической поверхности.

Т' Рад з, л.л 1) 1 1 ) Рис, 2. Схема регенеративного тепдообменника Задвны: наружный диаметр труб ))ц , внутренний,пиаметр труб Юз, продольный шап труб в пучке Кя , поперечный ювг Я~, число ходов по холодной стороне вг», расход горячева газа й, , состав горячего газа (смеси паров воды и возлуха) - массовые доли паров воды д', и воздуха д', температура горячего газа на входе Т,, давление горячего газа На входе,Ог, коэфйициент потерь давления по горячей стороне бг, РасхоД зонзроРа ~ л, температура вопорола в на входе Т„, температура водорода на выходе Т„ , давление водорода на зхоле ~)„, допустимые потери давления по водороду,зр„ . О"2л" ' Мц" Ь обмена, площади проходиых сзчвннй по горячей и холоДНой сторонам, габаритные размеры теплообменника при использовании труб с турбу- / лиэаторами.

Вычертить эскиз теплообменника, собранного из труб с турбулиэвторвми, 7 1. лКТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА ПРИ ЗАЛАННОМ ГИП;РАВЛИЧЕСНОМ СОПРОТИВЛЕНИИ ся.»- ' ' ' Х»Ъ, Вт/(м2 К), (2) г)н где сь. — средний коэффипиэнт тецлоотдачи в мектрубном простран:тве (па горячей стороне); (4) (3) Процесс теплапередачи в теплообменных аппаратах связан а гид- равлическими потерями, т.е. с затратами мощности на прокачку теп- лоносителей через теплообменные аппараты, Уыеньщение гидравличес- ких потерь приводит к снижению скорости течения, росту проходных сечений, габаритных размеров и массы теплообменньсс аппаратов. Обычна в инженерной практике при прямом расчете теплообменника определяются при заданных скоростях его геометрические характерис- тики и гидравлиоеское сопротивление.