Экспериментальные исследования процесса низкотемпературной газификации жидкости Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-404.1:629.76 В И ТРУШЛЯКОВ

В. Ю. КУДЕНЦОВ И. Ю. ЛЕСНЯК А. Ю. КАЗАКОВ А. С. КУРОЧКИН

Омский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ЖИДКОСТИ*

С использованием экспериментального стенда проведена серия исследований по моделированию термодинамических процессов газификации жидкости с её различными граничными положениями на поверхности. На основе экспериментальных исследований предложены расчётные зависимости для математической модели процесса газификации жидкости.

Ключевые слова: эксперимент, модельная установка, газификация, жидкость.

'Работа выполнена прн поддержке государственного контракта Роснауки № 02.740.11.0178 и гранта РФФИ №10-08-000*4-а

Создание активных бортовых систем увода космических средств выведения с использованием энергетического ресурса жидких остатков компонентов топлива путём их низкотемпературной газификации в первую очередь связана с обеспечением требований по термопрочностному нагружению конструкции топливных баков [ 1 ] Для некоторых используемых компонентов ракетного топлива процесс их газификации должен осуществляться при температурах меньших температуры их кипения. Для исследования процессов газификации модельных жидкостей, с учётом специфики процесса, был спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд.

1. Результаты экспериментальных исследований подготовительного этапа

Исследования по определению коэффициента теплоотдачи на пластине при различных углах ввода и объёмного расхода подаваемого теплоносителя (ТН) в экспериментальную малую модельную установку (ЭММУ) проводились на пластине выполненной из алюминиево-магниевого сплава АМг-6, идентичного материалу обечайки топливного бака ракеты-носителя. Параметры пластины: толщина £пласт = 0,0012 м; масса пластины М[1д = 0,2435 кг. Степень черноты поверхностей пластины принималась е11д» 0,11, т.к. реальная обечайка топливного бака имеет оксидированную плёнку. Теплофизические свойства материала пластины приняты согласно справочным данным [2]

Расчёт скорости натекания струи ТН на поверхность проводился на основе моделирования газодинамических потоков с использованием пакета программных продуктов «А^УБ-БЕХ». В качестве ТН использовался осушенный горячий воздух со степенью влажности до 20%.

Теплообмен на пластине рассматривался как для тонкостенной оболочки, для которой изменение температуры по толщине незначительно. Для данных тел можно принять, что число В1 <0,1, т.к. пластина выполнена из сплава с большим коэффициентом теплопроводности.

Для тела с малым термическим сопротивлением можно усреднить условия теплообмена по его поверхностям:

, (1)

где ак — коэффициент конвективного теплообмена;

Ти — температура газовой фазы в объёме ЭММУ;

Ти — температура поверхности пластины;

Я'« • Ял — соответствующие лучистые потоки на поверхности пластины;

р — плотность материала пластины;

с — теплоёмкость материала пластины;

V — объём пластины.

В области температур проведения экспериментальных исследований (290°К-н360°К) изменение степени черноты материалов ЭММУ и пластины незначительно, поэтому можно принять их как постоянные величины.

Измерение температуры проводилось с использованием двух термопар, установленных на пластине, с расстоянием между ними 20 см. Исследование нагрева пластины осуществлялось при следующих параметрах: температура ТН - 373±2°К; температура окружающей среды — 290°К; динамическое давление в ЭММУ- 120 ±2 кПа; расход ТН - от 200до 400 л/мин (позволяет создавать скорость натекания ТН на пластину от 3,3 м/с до 6,7 м/с).

Анализ результатов процессов нагрева пластины показал:

— неравномерность показаний термопар для случая ввода ТН с углом Р = 45° к горизонтальной поверхности минимальная;

— неравномерность нагрева пластины с углом ввода ТН р = 30° к горизонтальной поверхности выше, чем с нулевым углом;

— результаты математического моделирования дают заниженные (на 7%-И9%) результаты.

На рис. 1 представлен график зависимости числа Нуссельта от числа Рейнольдса для пластины, полу-

о Угол 0 град х Угол 30 град й Угол 45 град

70 90 110 130 150 170

Re-КГ1

Рис. 1. Обобщённая критериальная зависимость для расчёта среднего коэффициента теплоотдачи на пластине

ченный на основе обработки экспериментальных данных.

Необходимо отметить, что при проведении процесса газификации модельной жидкости теплофизи-ческие параметры газовой фазы в объёме ЭММУ изменяются повремени, т.е.

X = f(i)1v=f(i),Cp = f(i)1Pr = f(i). (2)

Число Нуссельта можно представить в виде широко используемой критериальной зависимости [3]

Nu = CRe£8Pr°-43. (3)

Таким образом, для различных углов ввода ТН можно пред ложить следующие уточнённые формулы по определению коэффициента теплоотдачи:

1) Р = 0°, Nu = 0,031 Re^8 Pr°'43. (4)

2) р = 30°, Nu = 0,036 Re^8 Pr°'43. (5)

3) P = 45°, Nu = 0,046 Re!^8 Pr°'43. (6)

Полученные результаты подготовительно этапа положены в основу проведения дальнейших экспериментальных исследований.

Рассмотрим термодинамический процесс газификации модельной жидкости в ЭММУ с выполнением критериальных условий Sh = idem, Re = idem при различных граничных условиях.

2. Процесс газификации жидкости при равномерном плёночном расположении её на пластине

Процесс низкотемпературной газификации при равномерном плёночном расположении модельной жидкости на пластине осуществлялся при следующих параметрах: температура газовой фазы в ЭММУ— 350±2°К; начальная температура газа внутри ЭММУ—290°К; температура окружающей среды — 290°К; динамическое давление в ЭММУ— 140±2кПа; расход ТН — от 200 до 400 л/мин; объём газифицируемой жидкости (вода) — от 140 до 200 мл.

На рис. 2 приведён график изменения температуры нагрева пластины с равномерным плёночным расположением жидкости на ней (Т = Т/Тнач) для различных углов ввода ТН от времени процесса газификации (т = т / тПОШ1).

Отмечается, что температура приведена по осред-нённым показаниям двух термопар, расположенных на расстоянии 20 см. друг от друга.

Рис. 2. График нагрева пластины с равномерным плёночным расположением жидкости на неё

Изменение температуры системы «плёнка жидкости — пластина» для углов ввода ТН Р = 0°-н30° можно записать в виде степенной зависимости:

тп-ж = (- 0,6989т4 +1,9911т3 - 1,8544т2 +

+ 0,678т+ 1,0075>Гнач '

где Тнач — начальная температура системы «плёнка жидкости — пластина».

На рис. 3 представлен график изменения площади теплообмена газифицируемой жидкости при равномерном плёночном расположении её на пластине.

Обработка фрагментов фотосъёмки процесса газификации жидкости производилась с использованием метода сеточного разбиения поверхности на равные ¡-участки. При обработке принималось допущение о равномерности толщины плёнки жидкости, распределённой на пластине.

Анализ фрагментов фотосъёмки процесса газификации модельной жидкости при равномерном плёночном расположении её на пластине при различных углах ввода ТН в ЭММУ показал:

— в момент времени т « 0,1 появляются первые зоны испарения в местах торможения потока ТН;

— с момента времени т » 0,25 наблюдается появление явно выраженных околостеночных зон испарения на участках системы «плёнка жидкости

— пластина», имитирующих наличие продольного силового набора в реальной конструкции топливного бака;

— на интервале времени т » 0,25 -г 0,75 наблюдается увеличение околостеночных зон испарения с изменением площади теплообмена модельной жидкости до 30^35% от первоначального значения;

— с момента времени т « 0,6 (для угла ввода ТН Р = 45° к поверхности теплообмена) и с т » 0,8 (для углов ввода ТН р = 0°, 30° к поверхности теплообмена) наблюдается резкое уменьшение площади теплообмена модельной жидкости;

— к концу процесса газификации модельной жидкости наблюдается остаточное её наличие в застойных зонах не превышающее 1+3% от начального объёма.

Изменение площади теплообмена системы «плёнка жидкости — пластина» для углов ввода ТН Р = 0°-г30° можно записать в виде степенной зависимости:

0,25

0,5

0,75

1 Т

Рис. 3. График изменения площади теплообмена газифицируемой жидкости при равномерном плёночном расположении её на пластине

1,12

1,09

1,06

1,03

/Ч

/ г

К2 = 0,98 72

/ Г : 1 : -О-Угсш 0 град

-О- Угол 30 град

-л- Угол 45 град

0,25

0,5

0,75

1 т

Рис. 4. График нагрева пластины с равномерным капельным расположением жидкости на неё

<

ш ш

о

X X

Э <

$п-ж =(з,6619т4 - 8,7935т3 + 6,4086т2 - 2,3296т+ 1,0324)бначп

(8)

где 51гач п — начальная площадь теплообмена системы «плёнка жидкости — пластина», занятая плёнкой жидкости.

3. Процесс газификации жидкости при равномерном капельном расположении её на пластине

Процесс низкотемпературной газификации модельной жидкости при равномерном капельном расположении её на пластине осуществлялся при параметрах, приведённых в п.2, объём газифицируемой жидкости (вода) составлял — от 4 до 10 мл.

На рис. 4 приведён график изменения температуры нагрева пластины с равномерным капельным расположением жидкости на ней для различных углов ввода ТН.

Анализ изменения температуры пластины с равномерным капельным расположением жидкости на ней показал, что время газификации жидкости для углов ввода ТН 45° к поверхности теплообмена меньше на 20% по сравнению с условиями ввода ТН р = 0°, 30° к поверхности теплообмена.

Изменение температуры системы «капли жидкости — пластина» для углов ввода ТН Р = 0°-ь30° можно записать в виде степенной зависимости:

= (- 0,0495г3 + 0,0407г2 + 0,0975г+ 1,001)Г„ОЧ

(9)

от начальной массы, для угла ввода ТН р = 30° к поверхности теплообмена.

Изменение площади теплообмена системы «капли жидкости — пластина» для различных углов ввода ТН Р = 0"^30" можно записать в виде степенной зависимости:

$п-ж = (з,818х4 -5,8363т3 + 1,2455т2 --0,2186т+ 0,9967)бначк

(Ю)

На рис. 5 представлен график изменения площади теплообмена газифицируемой жидкости при равномерном капельном расположении её на пластине.

Анализ фрагментов фотосъёмки процесса газификации модельной жидкости при равномерном капельном расположении её на пластине при различных углах ввода ТН в ЭММУ показал:

— с момента времени т « 0,3 (для угла ввода ТН Р = 0° к поверхности теплообмена) и т « 0,15 (для углов ввода ТН Р = 30°, 45° к поверхности теплообмена) появляется оголение поверхности;

— к концу процесса газификации жидкости наблюдается остаточное её наличие в застойных зонах не -превышающее 1-нЗ% от начальной массы, для углов ввода ТН Р = 0°,45° к поверхности теплообмена и 8-И0%

где 5мч к — начальная площадь теплообмена системы «капли жидкости — пластина», занятая капельным расположением жидкости.

4. Процесс газификации жидкости при равномерном капельном расположении её на пластине при наличии силового набора

Исследование процесса низкотемпературной газификации при равномерном капельном расположении модельной жидкости на пластине с учётом наличия «застойных» зон (силовой набор) осуществлялось при параметрах, приведённых в п.З.

Измерение температуры проводилось двумя термопарами, установленными в зоне расположения силового набора.

На рис. 6 приведён график изменения температуры нагрева пластины с равномерным капельным расположением жидкости на ней при наличии силового набора для различных углов ввода ТН.

Изменение температуры системы «капли жидкости — силовой набор» для различных углов ввода ТН Р = 0°*30° можно записать в виде степенной зависимости:

тсн-к = (- 0,Ю56т3 + 0,117т2 + + 0,0817т + 0,9987)Тнач

(11)

Анализ процесса газификации жидкости с равномерным капельным расположением её на пластине с учётом силового набора показал:

— изменение температуры режима идёт с плавным увеличением её к концу процесса на 9 — 11 %;

— с момента времени т « 0,25 (для угла ввода ТН Р = 0° к поверхности теплообмена) за силовым набором наблюдается резкое испарение жидкости, при

0.8

0.6

0.4

0.2

0,25

0,5

0,75

1 Т

Т 1,12

1,09

Рис. 5. График изменения площади теплообмена газифицируемой жидкости при равномерном капельном расположении её на пластине

т » 0,5 — образование зоны испарения напротив силового набора с одновременным испарение жидкости за силовым набором;

— с момента времени т » 0,4 (для угла ввода ТН Р = 30° к поверхности теплообмена) наблюдается образование зоны испарения напротив силового набора с одновременно очень слабым испарением жидкости за силовым набором;

—- в момент времени т » 0,6 (для угла ввода ТН Р = 30° к поверхности теплообмена) наблюдаются остатки жидкости на силовом наборе;

— для угла ввода ТН р = 45° к поверхности теплообмена в момент времени т »0,25 наблюдается образование зоны испарения напротив силового набора с дальнейшим равномерным испарением жидкости, как за силовым набором, так и перед ним за всё время процесса;

— к концу процесса газификации жидкости наблюдается остаточное её наличие в застойных зонах не превышающее 5 % от начальной массы, для угла ввода ТН р = 0° к поверхности теплообмена и 1н-2% от начальной массы, для углов ввода ТН р = 30°,45° к поверхности теплообмена.

Заключение

С использованием экспериментального стенда проведена серия исследований по моделированию термодинамических процессов газификации жидкости с её различными граничными положениями на поверхности (плёнка жидкости, капельное расположение, наличие силового набора).

На основе экспериментальных исследований предложены расчётные зависимости по определению коэффициента теплоотдачи, температуры и площади теплообмена для различных граничных условий.

С использованием теории подобия полученные результаты будут использованы для оценки реальных

0.25

0,5

Угол Оград Угол 30 град Угол 45 град

0,75

1 X

Рис. 6. График изменения температуры нагрева пластины с равномерным капельным расположением жидкости на ней при наличии силового набора

процессов газификации, протекающих в топливных баках отделяющихся частей космических ракет-носителей.

Библиографический список

1. Трушляков, В. И. Разработка дополнительных бортовых систем космических средств выведения / В. И. Трушляков, В. Ю. Куденцов, Д. Б. Лемперт // Полёт. - 2010. - № 3. - С. 3 -10.

2. Теплотехнический справочник В 2 т. Т. 1 / Подред. В. Н. Юре-нева и П. Д. Лебедева. — М.: Машиностроение, 1975. — 744 с.

3. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике: учеб. для авиац. спец. вузов. / В. С. Авдуевский и [др.] ; под общ. ред. В. С. Авдуевского, В. К. Кошкина. — М. : Машиностроение, 1992. — 528 с.

ТРУШЛЯКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Авиа - и ракетостроение».

КУДЕНЦОВ Владимир Юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Авиа -и ракетостроение».

ЛЕСНЯК Иван Юрьевич, аспирант кафедры «Авиа -и ракетостроение».

КАЗАКОВ Александр Юрьевич, аспирант кафедры «Авиа - и ракетостроение».

КУРОЧКИН Андрей Сергеевич, аспирант кафедры «Авиа - и ракетостроение».

Адрес для переписки: e-mail: trushlyakov@omgtu.ru

Статья посту пила в редакцию 14.03.2011 г. © В. И. Трушляков, В. Ю. Куденцов, И. Ю. Лесняк, А. Ю. Казаков, А. С. Курочкин

г >

Е х : о

да >