Расчет конвективного охлаждения стенки камеры жидкостно-ракетного двигателя

Дипломная работа - Физика

Другие дипломы по предмету Физика

 

Конвективный тепловой поток от газа к стенке вычисляется по формуле Ньютона-Рихмана, вводя характерное значение газа в пограничном слое:

 

.

 

В качестве определяющей берут температуру при М=0,3…1,6, где - температура восстановления.

Так как в данной формуле присутствует величина ,зависящая от коэффициента r, а он, в свою очередь, зависит от свойств газа, то необходимо использовать метод последовательных приближений. В первом приближении берут r=0.85…0.88. Принимаю r=0.88, а затем уточню его с помощью связи :

 

 

Температура поверхности стенки (покрытия) со стороны газа в начале расчета неизвестна. Поэтому ее значение принимают несколько меньшим предельных величин, допускаемых свойствами материалов покрытия. В частности, для ZrSi предельной считают температуру 1600К. Принимаю K.

 

 

Определяю температуру восстановления:

 

К.

 

Значения теплоемкости, теплопроводности ?, динамической вязкости ? компонентов беру из [1] при данной определяющей температуре газа T=2239 К.

кДж/кмоль К.

кДж/кмоль К.

кДж/кмоль К.

кДж/кмоль К.

Вт/м*К.

Вт/м*К.

Вт/м*К.

Вт/м*К.

Н*с/м2.

Н*с/м2.

Н*с/м2.

Н*с/м2.

Определяю молекулярную массу смеси:

 

Теперь, подставив найденные значения с учетом заданных , определяю теплоемкость смеси:

 

=2046 Дж/кг К.

 

Определяю коэффициент теплопроводности смеси:

 

0.204

 

Определяю динамическую вязкость :

 

Н*с/м2.

 

Определю критерий Прандтля при данной определяющей температуре:

 

.

 

Проверю допущение, что .

Данное значение практически совпадает с допущением. Дальнейшие расчеты веду при .

Для определения критерия Re принимаю определяющим размером диаметр критического сечения:

м.

 

м2.

 

Нахожу Nu из критериального уравнения:

 

 

Определяю теперь коэффициент теплоотдачи :

 

Вт/м К.

 

По формуле Ньютона-Рихмана найдем плотность теплового потока:

 

Вт/м2.

 

4.2 Расчет лучистого теплового потока

 

Для вычисления плотности лучистого теплового потока применяю следующие зависимости:

 

.

 

В составе продуктов сгорания в задании существенно лишь влияние излучения ; тогда определяю их парциальные давления:

Па.

Па.

 

Длина теплового луча через объем газа V и площадь поверхности отвечающей ему оболочки F:

 

м.

 

находят по справочникам, исходя из , вида покрытия стенки и условий его работы( наличие окислов, сажи). В первом приближении можно принять=0,9.

 

Вт/(м2 К4).

 

Для определения степеней черноты воспользуюсь номограммамиРассчитав Па*м и Па*м, получаю из номограммы:

 

 

Коэффициент поглощения газовым объемом эффективного излучения стенок по рекомендациям принимаю равным , рассчитанным при температуре стенки. Из той же номограммы найду при температуре стенки 1400 К, что

 

 

Тогда

 

0,976

=1,197*106Вт/м2.

 

4.3 Определение линейной плотности теплового потока

 

Применив принцип аддитивности, рассчитываю суммарный тепловой поток:

 

12,9*105+1.197*106=2.559*106Вт/м2.

 

Линейную плотность теплового потока рассчитываю по формуле:

 

Вт/м.

 

4.4 Расчет сопротивления теплоотдачи со стороны газа

 

Линейное термическое сопротивление со стороны газа представлено выражением:

 

 

Здесь коэффициент теплоотдачи между газом и стенкой определяется суммарным тепловым потоком и зависит от того, какая температура газа присутствует в уравнении теплопередачи.

Имею:

 

1400Вт/м2К.

м К/Вт.

 

4.5 Расчет сопротивления теплопроводности

 

Величина линейного термического сопротивления складывается из соответствующих сопротивления покрытия и собственно стенки.

Коэффициент теплопроводности покрытия Вт/м К нахожу по справочнику. Рассчитываю сопротивление для покрытия:

 

м К/Вт.

 

Это сопротивление вызывает перепад температуры

0,0000987=760,9 К, рассчитанный перепад не превышает значений, опасных с точки зрения разрушения покрытия.

Теперь определю температуру стенки

 

1400-760,9 =639,1 К.

 

После сопоставления с пределом работоспособности материала стенки, делаю вывод, что для стали 1Х19Н9Т, у которой допустимой является работа при 1250 К, такая температура приемлема.

Определю сопротивление самой стенки:

 

м К/Вт

=167,6 К

 

Нахожу температуру стенки, примыкающей к охладителю:

 

639,1 -167,6 =471,5 К.

 

Расчетная температура поверхности жидкости не превышает порога, при котором жидкость будет кипеть и охлаждаться, т.е. 470-520 К.

 

4.6 Расчет характеристик системы теплоотвода

ж=6,9902 кг/с.

Термическое сопротивление теплоотдачи со стороны жидкости определю из уравнения теплопередачи:

 

м =0,0000354К/Вт.

 

Далее определяю коэффициент теплоотдачи , который бы обеспечил найденное .

 

35,4 10-6)= 20970Вт/м2 К.

 

Связь и искомым расходом жидкости в безразмерном виде выражается критериальным уравнением Михеева:

 

.

 

Подставив критерий Нуссельта в это уравнение, определ. критерий Рейнольдса.

 

&n