Московский государственный технический университет гражданской авиации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ Кафедра «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].

Похожие:

	«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)