Рф федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Скачать 1.34 Mb.

Название	Рф федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»
страница	4/10
Тип	Реферат

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Реферат

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ГЛАВА 3 ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ И РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

3.1 Исследование процессов газификации при пониженном давлении.

Постановка задачи

Исследование физического фактора, такого как сброс давления газов наддува из топливных баков ОЧ ступеней РКН через дренажные клапаны в окружающее космическое пространство перед началом процесса газификации, приводит к резкому снижению давления насыщенных паров в баках, вскипанию жидкости и связанных с этим эффектов: охлаждение газов и жидкостей, их истечение из баков, возможность замерзания и забивания дренажного клапана «снегом», т.е. сконденсированными и замёрзшими парами топлива.

Сброс газа наддува из бака до наперёд заданной, оптимальной величины, определяемой из условия различных критериев, например, снижения количества подаваемой теплоты в бак для газификации жидкости, снижения затрат топлива на получение ТН и т.д. приводит к многофакторным процессам, механизмы которых нуждаются в дополнительном исследовании, а именно:

- снижение давления насыщенных паров жидкости и, соответственно, снижение затрат теплоты для её испарения;

- отток энтальпии из бака за счёт сброса горячего газа наддува, что в последствие приходится восполнять подаваемым ТН для её прогрева и испарения.

После сброса давления газа наддува осуществляют газификацию жидких остатков невыработанных КРТ в баках окислителя и горючего, обеспечение тормозного импульса за счет их сгорания в камере ГРД и высокоскоростного истечения продуктов сгорания в космическое пространство.

Ресурсы энергетики, заключенные в невыработанных запасах топлива и газа рассматриваются в величине характеристической скорости, определяемой по формуле К.Э. Циолковского:

(3.1)

За счет сброса газа наддува из баков ОЧ ступеней РКН, характеристическая скорость (3.1) может состоять из:

(3.2)

где

- масса ОЧ ступени РКН

c остатками топлива

, активной бортовой системы увода (АБСУ)

и топлива для газогенератора

, до сброса газа наддува

или отработки газифицированного топлива через ГРД;

- масса ОЧ ступени РКН

c остатками топлива

, активной бортовой системы увода (АБСУ)

и топлива для газогенератора

, после сброса газа наддува

или отработки газифицированного топлива через ГРД.

Сброс давления газа наддува

приводит не только к снижению разбавленности газифицированных КРТ, но и к уменьшению массы АБСУ

, за счет уменьшения массы топлива

для газогенератора и количества шар-баллонов под него.

Следовательно, масса АБСУ

зависит от необходимого количества теплоты

, подаваемой в бак ОЧ ступени РКН, для газификации заданных остатков топлива

при давлении P и температуре T газа наддува:

. (3.3)

где T - температура жидких остатков КРТ;

p - давление в баке ОЧ ступени РКН;

M - масса жидких остатков КРТ и газа наддува,

и рассчитывается с привлечением [14]

Давление, до которого сбрасывается газ наддува, определяется из условия максимума характеристической скорости (3.1) и определяется из уравнения Менделеева-Клайперона:

, (3.4)

где

- масса газа наддува;

- объем бака, за исключением объема остатков КРТ;

- универсальная газовая постоянная для газа наддува;

- температура газа наддува в баке.

Вместе со сбросом массы газа

с температурой

из бака происходит снижение температуры оставшегося топлива на величину ∆Т:

. (3.5)

Расчеты падения температуры при сброса газа наддува из бака горючего с 3 до 1 атмосферы и из бака окислителя с 1,3 до 0,7 атмосферы на примере баков РН «Русь - М» приведены на рисунках 3.6, 3.7.

Понижение давления в баке окислителя на одну атмосферу, а так же низкая температура криогенного компонента топлива и газовой подушки приводит к незначительному изменению температуры жидкого кислорода и стенки бака окислителя.

Рисунок 3.6 – Охлаждение КРТ и конструкции бака горючего РН при сбросе газа наддува
Рисунок 3.7 – Охлаждение КРТ и конструкции бака окислителя РН при сбросе газа наддува

Снижение давления в баках ОЧ в результате сброса газа наддува приводит к минимизации времени достижения условий кипения остатков КРТ (3.6), в результате чего увеличивается интенсивность испарения КРТ.

, (3.6)

где

- давление насыщенных паров;

- давление газовой подушки.

Одной из основных задач сброса газа надува является уменьшение энергетических затрат на газификацию жидких остатков КРТ, за счет достижения давления близкого к давлению насыщенных паров, что ведет за собой процесс интенсивной кавитации в жидкости. Кавитация в свою очередь ведет в резкому увеличению площади тепло- и массообмена системы КРТ + газовая подушка + ТН.

Интенсификация процесса газификации жидких КРТ за счет сброса газа надува влечет за собой сокращение топлива для получения ТН на 7-10%.

Постановка задачи

Проведенные выше оценки показывают возможность снижения затрат тепла на газификацию заданных величин остатков топлива.

Существующие теплофизические коэффициенты (теплоотдачи, массотдачи) [24,27-29] получены для условий испарения (выпаривания) жидкости при номинальных условиях. Необходимо определить эти коэффициенты при пониженном давлении.

Протекание термодинамических процессов по газификации жидкости в ЭМУ при пониженном давлении, с учётом влияния на данные процессы волнового воздействия, характеризуется следующими критериями [11].

F=f(Fr, We, Pr, Re, Bo, Sh, Nu, NuD, PrD, Le и др.)

Используя условие подобия Re=idem, Sh=idem возможно проведение экспериментальных исследований процессов натекания теплоносителя на поверхность, процессов испарения жидкости при различных граничных условиях, исследование вопросов интенсификации процессов тепло – и массообмена [30,31] при пониженном давлении, наличии волнового воздействия и т.д.
3.2 Разработка экспериментального вакуумного стенда

Представляется целесообразным расширить проводимые теоретические и экспериментальные исследования процессов тепло-и массообмена с учётом появления нового физического фактора, а именно:

- сброса газа наддува из бака на параметры процесса газификации (время процесса газификации, структура затрат тепловой энергии на нагрев газа наддува, нагрев стенок топливного бака, нагрев и испарение жидкости);

- влияние акустического воздействия на процесс газификации в условиях пониженного давления.

С этой целью был спроектирован и изготовлен экспериментальный вакуумный стенд для исследования влияния пониженного давления на параметры процесса газификации жидкости, представленный на рисунке 3.7.

$описание: x:\kurochkin\фото камеры\на отправку\img_2859.jpg$

Рисунок 3.7 – Экспериментальный вакуумный стенд

На рисунке 3.8 приведена общая принципиальная структурная схема экспериментального вакуумного стенда (ЭВС) для проведения исследований процесса газификации жидкости с учётом резкого снижения давления насыщенных паров на основе использования вакуумной камеры (ВК), в состав которого входят:

- экспериментальная модельная установка (ЭМУ);

- компрессор, для создания необходимого давления теплоносителя;

- ресивер;

- нагреватель, для создания необходимой температуры теплоносителя;

- вакуумный насос;

- вакуумная камера;

- система регистрации и контроля входных и выходных параметров теплоносителя;

- соединительная и запорная арматура.
$описание: c:\users\home\dropbox\work\компас+jpg\схема при пониженном давлении 1 .jpg$

Рисунок 3.8 – Схема экспериментального вакуумного стенда: 1 – вакуумная камера; 2 – вакуумный насос; 3 – экспериментальная модельная установка; 4 – модельная жидкость; 5 – гермоввод; 6 – запорный клапан; 7 – система подготовки теплоносителя; 8 – управляемый дренажный клапан.
В таблице 3.1 приведён состав стенда, назначение и основные параметры.
Таблица 3.1 – Состав экспериментального вакуумного стенда, назначение, основные параметры

	Системы ЭВС	Состав	Назначение	Основные параметры
1	Вакуумная камера	Герметичный контейнер с гермовводами, стеклянными иллюминаторами, соединительной арматурой	Моделирование процесса сброса газа в окружающее космическое пространство	До 0,1 атм
2	Вакуумный насос	Насос для создания и поддержания заданного давления в ВК	Моделирование процесса газификации при пониженной температуре	Рабочие давления, атм: 1.0; 0,8; 0,6; 0,4; 0.2;0,1. Скорости откачки г/с: 5.0; 10.0; 20,0
3	Экспериментальная модельная установка	Герметичная ёмкость с устройствами размещения жидкости, ввода ТН	Моделирует элементарный объём топливного бака с жидкостью, а также процесс взаимодействия ТН с газифицируемой жидкостью при создании разряжения в баке, акустическом воздействии	Объём ЭМУ – 18 л. Масса испаряемой жидкости – до 100 гр. Варианты размещения жидкости: «зеркало», «капли».
4	Систему подготовки теплоносителя	Компрессор, ресивер, нагреватель	Моделирует систему работы газогенератора	Секундные расходы: 100 – 200 л/мин; температура: 70 – 100⁰С
5	Система измерения параметров процесса газификации и обработки результатов	Датчики давления, расхода газа, температуры, скоростная видеокамера	Контроль входных и выходных параметров процесса газификации	Точность измерений в соответствии с паспортными данными, точность моделирования до 15-20%.

3.3. Разработка программы экспериментов

Основные идеи, положенные в основу проведения физического эксперимента по исследованию процесса тепло- и массообмена при пониженном давлении в условиях малых гравитационных полей и неопределенности граничного положения жидкости, базируется на следующих положениях:

Положение 1. Условия взаимодействия жидкости и набегающего потока ТН, в соответствии с критериями подобия.

К этому положению относятся эксперименты по исследованию различных граничных условий, таких как:

- наличие внутреннего силового набора, удерживающего каплю;

- наличие «зеркала» жидкости с массой жидкости до 5% объёма ЭММУ;

- исследования процессов теплопередачи «жидкость - стенка» и т.д.

Проведение этой серии экспериментов с методической точки зрения традиционно и не требуют дополнительных методических разработок.

Положение 2. Условия взаимодействия капли жидкости и набегающего потока в условиях с созданием условий взаимодействия, соответствующих малым гравитационным полям при одном типе граничного условия (капельное состояние), т.е. когда действие межмолекулярных сил, действующих в жидкости, становится преобладающим над инерционными.

Таким образом, постановку задачи физического моделирования процесса газификации жидкости формулируется в следующем виде.

Имеем 2 группы экспериментов в соответствии с положениями 1,2.

Каждая группа экспериментов проводится при пониженном давлении как без акустического воздействия, так и с акустическим воздействием.

Основными параметрами процесса газификации жидкости в общем случае являются:

- секундный расход ТН (л/мин),

- температура ТН (К),

-давление в ЭМУ (атм);

- время газификации (сек),

- направление ввода ТН относительно нижнего днища ЭММУ (град),

- общее количество теплоты, затраченное на газификацию заданной массы жидкости (ккал);

- количество теплоты, ушедшее на нагрев стенок конструкции (ккал, % от общего количества введённой в ЭММУ);

- количество теплоты, ушедшее на жидкости (ккал, % от общего количества введённой в ЭММУ),

- количество теплоты, ушедшее на нагрев газа в баке (ккал, % от общего количества введённой в ЭММУ);

- параметры акустического воздействия: частота, давление.

Как следует из приведённых критериев (3.10) – (3.13), можно предположить, что критерии (3.10), (3.11) могут иметь линейно-зависимый характер, где-то совпадать (альтернативные вычисления), что должен подтвердить эксперимент. Эти совпадения является одним из требований верификации разработки [32,33].

Верификация процесса экспериментальных исследований с использованием ЭМУ осуществляется на основе сравнения известных результатов по газификации жидкостей, как без акустического воздействия, так и с его воздействием в условиях земного поля тяготения (Положение 3).

Верификация процесса экспериментальных исследований по газификации капли при пониженном давлении в условиях невесомости и акустического воздействия с использованием ЭМУ невозможно, т.к. эти результаты являются новыми.

Программа экспериментов включает в себя:

1. Подготовительные эксперименты:

- отработка измерительного комплекса экспериментального стенда (датчики температуры, давления, расхода ТН);

- отработка системы подготовки ТН (компрессор, ресивер, осушитель, фильтрационный модуль, соединительная и запорная арматура, нагреватель);

- отработка системы создания вакуума (вакуумный насос,пневмок клапаны, соединительная и запорная арматура, датчики давления);

- отработка отдельных элементов программы экспериментов (фиксация времени полного испарения контрольных объёмов жидкости, удержание жидкости на наклонной поверхности и т.д.);

- оценка характеристики акустического воздействия разработанного генератора Гартмана при различных параметрах ТН;

2. Основные эксперименты без акустического воздействия:

- определение теплофизических коэффициентов (коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи);

- параметрические эксперименты по определению времени полной газификации контрольных объёмов жидкости с различными граничными условиями и параметрами ТН (расход, температура);

3. Основные эксперименты при акустическом воздействии:

- определение теплофизических коэффициентов (коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи);

- параметрические эксперименты по определению времени полной газификации контрольных объёмов жидкости с различными граничными условиями и параметрами ТН (давление, расход, температура);

На рисунках 3.9 – 3.13 приведены схемы экспериментов в соответствии с предлагаемой программой экспериментов.

$описание: описание: c:\users\zver\desktop\1.jpg$

Рисунок 3.9 - Схема размещения модельной жидкости для граничного условия типа «Зеркало»

$описание: описание: c:\users\zver\desktop\2.jpg$

Рисунок 3.10 - Схема размещения модельной жидкости для граничного условия типа «Капли горизонтальные»

$описание: описание: c:\users\zver\desktop\3.jpg$

Рисунок 3.11 - Схема размещения модельной жидкости для граничного условия типа «Застойная зона»
$описание: описание: c:\users\zver\desktop\4.jpg$

Рисунок 3.12 - Схема ввода ТН с акустическим-воздействием на модельные жидкости

$описание: описание: c:\documents and settings\admin\рабочий стол\фрагмент.jpg$

Рисунок 3.13 - Имитация взаимодействия капли жидкости на наклонной стенке с набегающим потоком ТН. Моделирование условий малых гравитационных полей «Наклонная плоскость»
Этапы экспериментальных исследований представлены на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14 – Этапы экспериментальных исследований
Общая схема проведения эксперимента (рисунок 3.8):

1. Помещение в вакуумную камеру (ВК)1, соединённую с вакуумным насосом (ВН) 2, экспериментальной модельной установки (ЭМУ) 3. Давление в ЭМУ3

равно 1 атм.

ЭМУ 3 с залитой модельной жидкостью 4 соединена через гермоввод 5 и запорный клапан 6 с системой подачи теплоносителя (ТН) 7. В начальный момент запорный клапан 6 закрыт.

2. Создание в ВК 1 с помощью ВН 2 исходного давления воздуха

в диапазоне (1,0 – 0,1) атм.

3. С помощью управляемого дренажного клапана (УДК) 8, установленного на ЭМУ 3, осуществляется сброс давления воздуха из ЭМУ 3, в ВК 1.

В результате сброса начального давления наддува

= 1атм из ЭМУ 3 в ВК 1 в ЭМУ 3 устанавливается давление

, которое определяется из соотношения:

4. После установления давления в ЭМУ 3 и ВК1 равного

открывается запорный клапан 4 и в ЭМУ 3 подаётся ТН из системы 7.

5. В качестве ТН используется воздух с заданной температурой, обеспечиваемой системой подготовки 7, подаваемый с заданным массовым секундным расходом.

6. Одновременно с подачей ТН в ЭМУ 3 осуществляется откачка газа (воздух, пары жидкости) из ВК1 с помощью ВН 2.

Производительность ВН 2 равна скорости массового секундного поступления ТН.

В процессе проведения эксперимента измеряются следующие параметры: давление, температура в разных точках ЭМУ, время процесса газификации, влажность.

На рисунке 3.15 представлена обобщенная схема с параметрами процесса газификации жидкости для ЭВС.

При проведении экспериментальных исследований задавались параметры ТН, модельной жидкости и акустического воздействия. На основе измеренных параметров, таких как температуры стенок, жидкости, время газификации и площадь теплообмена рассчитывались коэффициенты теплоотдачи «жидкость-стенка», «теплоноситель-жидкость», а также общее количество теплоты, затраченное на газификацию жидкости.

Рисунок 3.15 – Параметры процесса газификации жидкости
3.4 Выводы по главе 3

На основании проведённых в главе исследований получены следующие основные результаты

1. Проведено обоснование целесообразности проведения экспериментальных исследований газификации жидкости в вакуумной камере, позволяющее определить коэффициента тепло-и массообмена, теплоотдачи, а в перспективе текущий состав газифицированных продуктов.

2. На основе теории планирования экспериментов разработана программа экспериментальных исследований, включающая в себя проведение дополнительных измерений и экспериментов с целью подтверждения верификации и валидации проводимых экспериментов.

3. Проведена разработка пневматической и электрической схем экспериментального вакуумного стенда для работы в следующих диапазонах по давлению 0.1 – 2 атм. , по температуре 300 - 400 °К, по массовым секундным расходам в диапазоне 100 – 400 л/мин. Разработано техническое задание на вакуумную камеру.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Министерство образования и науки российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального...		Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Отчет о самообследовании деятельности федерального государственного... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Отчет о самообследовании деятельности федерального государственного... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Федеральное агентство воздушного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный...
	«донской государственный технический университет» (дгту) Кафедра «Иностранные языки» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Программ а стратегического развития Федерального государственного... Полное наименование вуза – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования...
	Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Рекомендации по приведению в соответствие мероприятий и планов реализации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный...
	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Сущность и этапы организационно управленческого анализа (на примере ОАО "вымпелком")		Самарский государственный технический университет Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Рф федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Похожие: