3 heat addition eqs

5
Ampliació de Motors a Reacció – Curs 2012-2013 1 Oriol Lizandra i Dalmases HEAT ADDITION (STEADY STATE) Consider a duct to which heat is added (numbering 3 the inlet section and 4 the outlet section). Conservation of momentum: =− Conservation of energy: = + Conservation of mass flow: = For simplicity, we’ll take flow area constant: = In addition = = + = Momentum: =− =− =− −1 Energy: = +

Upload: laura-rubio

Post on 17-Jan-2016

231 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

3

TRANSCRIPT

Page 1: 3 Heat Addition Eqs

Ampliació de Motors a Reacció – Curs 2012-2013

1 Oriol Lizandra i Dalmases

HEAT ADDITION (STEADY STATE)

Consider a duct to which heat is added (numbering 3 the inlet section and 4 the outlet

section).

Conservation of momentum:

�� ���� = − ����

Conservation of energy:

�� �ℎ�� = � ���� + ���

Conservation of mass flow:

��� = ������

For simplicity, we’ll take flow area constant: � = ��

In addition

� = � �

���� = �� ���� + � ����� = ������ ���� − ������� �����

Momentum:

������� ���� = − ����� ���� − ������ �����

� ���� = − ����� − �� �����

���� = −� ���� ���� − 1��� �

Energy:

�������� ���� = ����� ���� − ������ ����� + ���

��

���

��

��

!�� !�

Page 2: 3 Heat Addition Eqs

Ampliació de Motors a Reacció – Curs 2012-2013

2 Oriol Lizandra i Dalmases

��������� − � ���� = −������ ��� � ���� + ��� = ������ 1��� ���� � ������ − 1� + ���

������ "�� − 1# ���� = ������ � 1��� − 1� ���� + ���

������ ���� $ 1� − 1 − 1��� − 1% = ���

������ ���� & ��� − ��� − 1����� − 1�' = ���

�������� ���� & �� − 1��� − 1' = ���

→ )*)+ = ,-./.01234 − ,34 − , )5)+

� ���� = − ���� ������ − 1 = − 1����������� − 1 ���

→ / )/)+ = − ,-./.�2 − ,�3434 − , )5)+

1� ���� = 12�� ����� = 12 � ��� ��� � ��� �� = 12 � ��� � 2�� � ���� − ��� �� �����

1� ���� = 12 1��� � �2� ���� − ��� � � �����

1� ���� = 12 1��� � �2� ���� − ��� �����

1� ���� = − 12 1��� � &2 1������ − 1����� − 1 ��� + ��� 1������

��� − 1�� − 1 ���'

1� ���� = − 12 1����� � &2 �� − 1��� − 1 ��� + �� − 1� ��� − 1�� − 1 ���'

→ ,3 )3)+ = − ,4-./.01* , + 23434 − , )5)+

The momentum equation multiplied per � and added to energy equation yields

�� �ℎ�� + ��� ���� = ��� → ���� ��ℎ�� + � ����� = ���� ��� �ℎ + ��2 � = ���� �ℎ��� = ���

Page 3: 3 Heat Addition Eqs

Ampliació de Motors a Reacció – Curs 2012-2013

3 Oriol Lizandra i Dalmases

������ ����� = ���

So adding heat always raises total temperature, and

��� = ��� + ������ → *89*8. = , + 5-./.01*8.

By definition, total pressure is

�� = � $1 + � − 12 ��% ::;<

1������� = 1� ���� + �� − 1 �� − 1��

1 + � − 12 ������

Using the momentum equation

1������� = − 1� �� ���� + ��

1 + � − 12 ������

1������� = − 1 � � ���� + ��

1 + � − 12 ������

1������� = 1 � 1����

�� − 1����� − 1 ��� − �� − 1�2���� �� ���1 + � − 12 ��

1 + ����� − 1 ���

1������� = = 2���� − 1 − ��

1 + � − 12 ��1 + ����� − 1 > �� − 1�2���� � ���

1������� = =2 + �� − 1��� − 1 − ���

"1 + � − 12 ��# ��� − 1� > �� − 1���2���� � ���

1������� = − 12���� � �� − 1���

"1 + � − 12 ��#���

1������� = − �� − 1���2���� ��

���

→ ,18)18)+ = − 2344-./.01*8

)5)+

Page 4: 3 Heat Addition Eqs

Ampliació de Motors a Reacció – Curs 2012-2013

4 Oriol Lizandra i Dalmases

Combining this expression with

,3 )3)+ = − ,4-./.01* , + 23434 − , )5)+ = − , + 23434 − , ", + 2 − ,4 34#4-./.01*8)5)+

We get

23�34 − ,��, + 234� ", + 2 − ,4 34#

)3)+ = ,18)18)+

This in turn can be written as

1������� = = −2���1 + ���� + ��

"1 + � − 12 ��#> ����

which can easily be integrated between states 2 and 4, giving

18918. = , + 23.4, + 2394 ?, + 2 − ,4 394, + 2 − ,4 3.4

@22;,

By definition of total pressure it’s easy to find

191. = , + 23.4, + 2394

In a similar way

1� ���� = −2 ��� − 1��1 + ���� ���� → 1� ���� = 2 � �� − 2�1 + ���� ����

→ *9*. = �393.�4 �, + 23.4, + 2394�4

From these results one can find the remaining relations, the velocity ratio and the total

temperature ratio

/9/. = -.-9 = *9*. �191.�;, = �393.�4 , + 23.4, + 2394

*89*8. = �393.�4 �, + 23.4, + 2394�4 , + 2 − ,4 394, + 2 − ,4 3.4

Page 5: 3 Heat Addition Eqs

Ampliació de Motors a Reacció – Curs 2012-2013

5 Oriol Lizandra i Dalmases

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Tt/Tt*

&

Pt/Pt*

M

Heat addition

Tt/Tt*

Pt/pt*