Скачать 0.59 Mb.
|
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИКафедра «Двигатели летательных аппаратов» Шулекин В.Т. Пособие к изучению дисциплины «Термодинамика и теплопередача» и выполнению контрольной работы для студентов 3 курса специальности 160901 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей» заочного обучения Москва - 2007 Настоящее пособие к изучению дисциплины “Термодинамика и теплопередача” и выполнению контрольной работы издается в соответствии с рабочей программой этой дисциплины учебного плана подготовки инженеров – механиков по специальности 160901 “Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей” заочного обучения. Рассмотрены на заседаниях кафедры “Двигатели летательных аппаратов”, протокол № 1 от 06.09.2007 г. и Методического совета по специальности 160901 Механического факультета, протокол № 1 от 27.09.2007 г. Рецензент, д.т.н., проф. Коняев Е.А. 3 Общие указания Учебная дисциплина «Термодинамика и теплопередача» является составной частью учебного плана подготовки инженера-механика по специальности 130300 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиадвигателей» для всех обучения. Дисциплина состоит из трёх самостоятельных разделов: - техническая термодинамика; - теплопередача. Техническая термодинамика является частью термодинамики – раздела теоретической физики. Объектом исследований технической термодинамики являются авиационные двигатели – тепловые машины, в которых изучаются закономерности взаимного превращения теплоты в работу, устанавливается взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, имеющими место в тепловых машинах. Теплопередача – это наука, изучающая процессы переноса теплоты (теплообмена) в пространстве с неоднородным температурным полем. В зависимости от характера теплообмена перенос теплоты может быть назван теплопроводностью (например, через стенки корпуса), конвекцией (например, при охлаждении турбинных лопаток воздухом) и излучением (например, при горении топливовоздушной смеси от пламени к стенкам жаровой трубы в камере сгорания). При изучении названных разделов и подразделов студенту рекомендуется обратить особое внимание на содержание понятий термодинамики и теплопередачи тепловых машин, раскрытие физической сущности протекающих в перечисленных элементах авиационных двигателей. Это позволит затем уяснить эксплуатационные характеристики авиационных ГТД, динамику изменения их с наработкой двигателя, а также осуществить диагностику технического состояния элементов и двигателя в целом. Тем самым обеспечивается повышение безопасности полётов и технико-экономическая эффективность эксплуатации летательных аппаратов и авиадвигателей. Основной формой изучения данной дисциплины является самостоятельная работа над учебным материалом по рекомендованной литературе, список которой составлен с учётом утверждённой программы дисциплины эталонного комплекта. При этом не следует стремиться к механическому запоминанию всех формул и зависимостей. Главное внимание необходимо уделить раскрытию физического смысла входящих в формулы параметров, уяснить динамику изменения их в процессе эксплуатации и др. Однако твёрдо нужно помнить основные уравнения и формулы. Изучив всю тему, надо проверить свои знания, ответив на контрольные (экзаменационные) вопросы. 4 В процессе самостоятельной работы студент выполняет контрольную работу. Пояснительную записку к этой работе следует выполнять с соблюдением требований Единой системы конструкторской документации (ЕСКД), изложенных, в основном, в пособиях [1-3], писать чернилами или пастой аккуратно и разборчиво. Страницы должны быть пронумерованы и иметь поля для замечаний рецензента. Графическая часть работ выполняется также согласно ЕСКД, пастой или карандашом, на миллиметровой бумаге в мелкую клетку. Численные значения параметров, а также результаты расчётов надо давать согласно системам СИ и ЕСКД. Необходимо иметь в виду, что деятельность инженера-механика по технической эксплуатации авиадвигателей ГА базируется, в основном, на анализе получаемой информации и принятии соответствующих решений. Поэтому при выполнении контрольной работы необходимо подробное обоснование выбранных коэффициентов, используемых в расчётах, с учётом имеющегося опыта эксплуатации и перспектив развития авиационной техники. Для лучшего усвоения материала программой дисциплины предусматривается выполнение студентами лабораторных работ, которые проводятся в период семестра (для дневного обучения) или в период лабораторно-экзаменационной сессии (для заочного обучения). При их выполнении рекомендуется ознакомиться с особенностями лабораторных установок, техникой безопасности и методикой проведения экспериментов. Теоретические знания по дисциплине проверяются при собеседовании (очном рецензировании контрольной работы), защите лабораторной работы и во время зачета. Для изучения разделов дисциплины рекомендуется следующая литература: Техническая термодинамика и теплопередача (основная) 1. Шулекин В.Т. Теплотехника. Ч.1. -М.:МГТУ ГА, 2007. 2.Шулекин В.Т. Гидрогазодинамика и тепломассообмен. Конспект лекций. Ч.2. - М.: МГТУ ГА, 2002. (дополнительная) 3. Теплотехника. Учебник для вузов /А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др; Под ред А.П. Баскакова. 2 – изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 5 1. Техническая термодинамика 1.1. Основные понятия технической термодинамики (для потока с малыми скоростями) Рекомендуем составить структуру основных понятий термодинамики неподвижного потока (рис.1), изучить их содержание и в рабочей тетради написать его. Рис.1. Структура основных понятий термодинамики тепловых машин 6 1.2. Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных точек, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами (внешней средой). Рабочее тело представляет собой простейшую термодинамическую систему, которая отделена от внешней среды контрольной поверхностью (оболочкой). В качестве рабочего тела в авиационных двигателях используется воздух атмосферы Земли, представляющий собой смесь различных газов (в составе сухого воздуха содержится азота 78.084 %, кислорода 20.9476 %, аргона 0.934 %, углекислого газа 0.0314 % и др.) и отличающийся сравнительно небольшими затратами энергии при сжатии и отдающей внешней среде ту же энергию при расширении. Состав сухого воздуха при стандартных атмосферных условиях (Тн=288 К, рн=101325, Н/м2=760 мм рт.ст.) до высоты 90 км наиболее полно приведен в книге Литвинова Ю.А., Боровика В.О. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. - М.: Машиностроение,1979. К параметрам состояния (свойствам рабочего тела) относят давление, температуру, удельный объём (или плотность) и др. При изучении их необходимо уяснить, что они характеризуют собой в данный момент времени взаимодействие рабочего тела с внешней средой. Например, давление представляет собой распределённую силу, действующую на единицу контрольной поверхности рабочего тела, которая отделяет тело внешней среды. Изменение давления показывает на характер взаимодействия рабочего тела с внешней средой (при увеличении его возрастают силы действия на оболочку, при снижении давления – уменьшаются) и обусловливает соответствующее конструктивное оформление оболочки. Температура представляет собой степень нагретости рабочего тела. По изменению температуры контрольной поверхности рабочего тела можно судить о наличии теплообмена рабочего тела с внешней средой. Соотношения между различными температурными шкалами (Кельвина, Цельсия, Фаренгейта и др.), используемыми в авиационной технике, необходимо изучить студенту самостоятельно. Удельный объём рабочего тела показывает на величину объёма, занимаемого единицей массы тела. Величину, обратную удельному объёму, называют плотностью рабочего тела. В авиационных двигателях плотность рабочего тела меняется в широком диапазоне, поэтому важно знать примерные значения этого параметра состояния в сечениях газовоздушного тракта авиадвигателя . Связь между параметрами состояния для идеального газа называют уравнением состояния – уравнением Менделеева-Клапейрона: (для 1 кг массы рабочего тела); 7 ( для т кг рабочего тела). Газовая постоянная для рабочего тела определяется отношением универсальной газовой постоянной к массе одного киломоля газа кг/кмоль: . Для сухого воздуха =28.966 кг/кмоль, , для кислорода , для природного газа (состоящего в основном из метана) , для водорода . В связи с тем, что все реальные газы в зависимости от своей плотности в большей или меньшей мере отклоняются от уравнения состояния идеальных газов, некоторые учёные пытались уточнить это уравнение путём введения в него поправок, учитывающих особенности реальных газов. Так, в 1873 г. Ван-дер-Ваальс вывел уравнение состояния реальных газов с поправкой на объём и давление. Оно является приближённым, так как не учитывает физические явления, возникающие в реальных газах при больших плотностях. Наиболее точным уравнением состояния для реальных газов считают соотношение, полученное отечественными учёными М.П.Вукаловичем и И.И.Новиковым (1939 г.), учитывающее влияние не только сил молекулярного взаимодействия и влияние собственного объёма молекул, но и явление ассоциации молекул. Контрольные вопросы 1. Что такое термодинамическая система? Приведите примеры различных рабочих тел, используемых в тепловых и холодильных машинах [1]. 2. Давление газа 750 мм рт.ст. Выразите это давление в следующих единицах: кгс/см2; Па; атм; бар; мм вод.ст. [1]. 3. Температура газа равна 600оС. Выразите эту температуру по шкале Кельвина, Фаренгейта, Реомюра, Ренкина [1]. 4. Во сколько раз требуется больше энергии при сжатии водорода по сравнению с воздухом (при прочих равных условиях)? [1]. 5. Определить плотность воздуха при стандартных атмосферных условиях, пользуясь уравнением состояния для идеальных газов [1]. 8 1.3. Кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения частиц, составляющих рабочее тело, и потенциальная энергия взаимодействия частиц представляют основное содержание внутренней энергии рабочего тела, которая меняется при функционировании двигателя. Изменение внутренней энергии рабочего тела в термодинамических процессах определяется по формуле Джоуля Джеймса Прескотта (1818 – 1989) , английского физика: где удельная теплоёмкость в процессе при постоянном объёме ( Работа в термодинамике, так же как и в механике, определяется произведением действующей на рабочее тело силы на путь её действия. Если принять в качестве силы давление, оказываемое телом на контрольную поверхность, а в качестве пути её действия – изменение объёма тела, то работу в данном случае называют деформационной. Такая работа имеет место, например, при перемещении поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, где оболочка рабочего тела (поверхность поршня) подвергается деформации (деформационная работа на стенках цилиндра равна нулю). Если же принять в качестве силы объем рабочего тела, а путь её действия - изменение давления на оболочке рабочего тела, то работу в данном случае называют технической. Такую работу совершают над рабочим телом, например, при сжатии в компрессоре газотурбинного двигателя. В термодинамике для исследования равновесных процессов широко используют p,v – диаграмму, в которой осью абцисс является удельный объём, а осью ординат – давление. Деформационная работа в этой диаграмме представляется площадью фигуры под кривой процесса относительно оси удельных объёмов, а техническая работа – это площадь фигуры под кривой процесса относительно оси давлений. Наибольшая величина деформационной работы имеет место в изобарном процессе (, а наибольшая техническая работа – в изохорном процессе (. В изотермическом процессе (деформационная работа равна технической работе. Студенту необходимо знать интегрирование функций, описывающих тот или иной процесс и определять деформационную и техническую работы. Теплота представляет меру энергии, с которой на молекулярном уровне обменивается рабочее тело с внешней средой. Способы передачи теплоты изучаются в теплопередаче, а в термодинамике полагают, что она имеет место (или отсутствует) на контрольной поверхности рабочего тела. 9 Подвод (или отвод) теплоты к рабочему телу обычно связан с изменением температуры тела. Отношение количества теплоты, полученного телом, к связанному с этим изменением температуры, называют теплоёмкостью рабочего тела. В зависимости от характера процесса теплоёмкость может быть различной. Студенту рекомендуется изучить определения различных теплоёмкостей (удельная массовая теплоёмкость, удельная объёмная теплоёмкость, средняя теплоёмкость процесса, истинная теплоёмкость), а также зависимость теплоёмкости от температуры и давления. Подвод (или отвод) теплоты к рабочему телу также связан с изменением внутренней энергии тела и совершением деформационной работы. Алгебраическое выражение между теплотой, внутренней энергией и работой представляет первый закон термодинамики – частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону невозможно иметь тепловую машину, в которой работа может быть получена без подвода к рабочему телу теплоты. В термодинамике важную роль играет сумма внутренней энергии рабочего тела и произведение давления тела на его объём, называемая энтальпией (теплосодержанием) рабочего тела. Подвод (или отвод) теплоты к рабочему телу в этом случае связан с изменением энтальпии и совершением технической работы. Контрольные вопросы 1. Проанализируйте формулу Джоуля для изменения внутренней энергии. Зависит ли изменение внутренней энергии тела от температуры? [1]. 2. Проанализируйте уравнение первого закона термодинамики в дифференциальной и интегральной формах [1]. |
«московский государственный технический университет гражданской авиации»... Кирсановский авиационный технический колледж-филиал федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего профессионального... | Федеральное агентство воздушного транспорта московский государственный... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | ||
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального... С89 Современные международные отношения: Пособие по изучению дисциплины и планы семинарских занятий. М.: Мгту га, 2007. 20 с | Правила приема граждан в федеральное государственное бюджетное образовательное... Федерального закона от 29 декабря 2012 г. №273-фз «Об образовании в Российской Федерации» | ||
Федеральное агентство воздушного транспорта федеральное государственное... Методическая разработка рекомендована для педагогов дополнительного образования детей | Федеральное агентство воздушного транспорта федеральное государственное... Авторы: Бут Н. Д. – ведущий научный сотрудник нии академии Генеральной прокуратуры Российской Федерации, кандидат юридических наук... | ||
Федеральное агентство воздушного транспорта федеральное государственное... Охватывает период 2004-2005 гг выявление проблем, возникновение идеи опыта, определение целей, постановка задач и выбор методов и... | Федеральное агентство воздушного транспорта федеральное государственное... Охватывают материал, определенный Государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования (гос спо) в части... | ||
Московский государственный технический университет гражданской авиации Целью данного курса является раскрытие панорамы современного страхового рынка: организационных форм всех организаций, занимающихся... | Федеральное агентство воздушного транспорта федеральное государственное... Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования | ||
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | Государственная служба гражданской авиации московский государственный М56 Политология: Пособие к изучению дисциплины и планы семинарских занятий. – М мгту га, 2006г. 28с | ||
Приказ 28 марта 1991 г. Москва №65 об утверждении руководства по... В связи с необходимостью совершенствования поисковых и аварийно-спасательных работ в гражданской авиации центром "Авиаоргпроект"... | Московский энергетический институт Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики (мгту мирэа) | ||
Руководство по поисковому и аварийно-спасательному обеспечению полетов... В связи с необходимостью совершенствования поисковых и аварийно-спасательных работ в гражданской авиации центром "Авиаоргпроект"... | Диалектика Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) |