CC BY
37
УДК 629.76
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВТЕПЛО-И МАССООБМЕНА ПРИ ИСПАРЕНИИ ЖИДКОСТЕЙ
В. И. Трушляков". В. Ю. Куденцов1, И. Ю. Лесняк1. JI. Гальфетгн2 !Ожкий государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Миланский политехнический университет, г. Милан, Италия
Аннотация — Для исследования процесса тепло — н массообменп. происходящего в топливном баке отработавшей ступени ракеты-носителя (РН) при испарении жидких остатков компонентов ракетного топлива (КРТ) разработаны предложения на модернизацию существующего экспериментального стенда и программа экспериментальных исследований, включающая в свой состав серию подготовительных и основных экспериментов. В качестве теплоносителя (TI1). подаваемого в объем экспериментальной модельной установки (ЭМУ) предлагается использовать смесь газов, позволяющих получить синтезированный ТН с параметрами (теплоёмкость, малярная масса), максимально приближенными к параметрам газа, получаемого на выходе m газогенератора. Формирование требований к синтезированному ТН осуществляется с учетом обеспечения условий подобпя пронес сам. происходящим при пспаренпп КРТ в объёме реального топлпнного бака отработавшей ступени PH. R качрстир базовые критериев подобпя приняты числа Рейнольдса. Прандтля и Нуссельта. По результатам предварплельно проведенных экспериментальных исследований получены коэффициент теплоотдачи системы «газ-жидкость-стенка» и кршершыьыые уравнения для |раничныл условий расположения жидкие!и на илаоине «кааш», «зеркало» п ТН — воздух, азот.
Ключевые слова: тепло- п массообмен, эксперимент, теплоноситель, испарение.
I. ВВЕДЕНИЕ
Исследование процесса тепло- н массообмена в объёме 5ака РН при взаимодействии набегающего потока ТН с жидкими остатками топлива и стенками бака в условиях неопределенности граничного положения топлива является актуальной задачей [1]. Протекание процесса тепло- и массообмена между участниками теплообмена (ТН. жидкость, стенки бака и газ наддува) существенно отличается эт известных тепловых процессов, граничных условий, конструкционных материалов [2-9]. поэтому использование существующих результатов ис-
следований в виде коэффициентов теплоотдачи и критериальных уравнений невозможно и их необходимо определять экспериментально для каждого варианта участников теплообмена
Предлагаемые экспериментальные исследования являются продолжением работ, проводимых на лабораторной базе Омского государственного технического университета и Миланского технического университета [10-11].
П. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Проведенные ранее исследования [10-11] были направлены на определение коэффициентов теплоотдачи системы «газ-жидкость-стенка» при использовании в качестве ТН - воздуха или азота, а в качестве модельных жидкостей боды. спиртовых смесей и керосина.
Для повышения достоверности процесса моделирования предлагается использование ТН с близким химическим locihbom и физико-химическими параметрами. коюрые буду! исло.шiouaiься в реальном процессе, при этом для экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи от смеси газов (синтезированный ТН + газ наддува - испаризпшйся компонент) е жидкости и стенкам бака при использовании синтезированных 1Н на основе смеси газов, необходимо:
- модернизировать существующий экспериментальный стенд, в составе: система получения ТН. ЭМУ, система измерений, регистрации и обработки результатов измерений, соединительная н запорная арматура с учётом обеспечения критериев подобия Нуссельта Рейнольдса и Лрандтля:
- разработатч методшеу, программу и схему проведения экспериментов:
- разработать исходные данные для проведения исследований:
а) температура, расход, химический состав ТН;
б) масса, температура, граничное условие и химический состав модельной жидкости
Ш.ТЕОРИЯ
На рис. 1 представлена схема модернизированного экспериментального стенда [12]. в ссстав которого входят следующие основные системы:
1. Система получения ТН на основе использования:
- баллонов с газами, смесителя, газовых редукторов, нагревателе:
- компрессора, ресивера, фильтра-регулятора и нагревателя.
2. ЭМУ с устройствами ввода ТН и пластиной с нагревательным элементом.
3. Вытяжная камера для удаления продуктов газификации из лабораторного пемещения.
4. Система регистрации, контроля и обработки результатов измерений (мобильные а стационарные датчики температуры, датчики давления, расхода, влажности и скорости газа).
5. Соединительная и запорная арматура, в виде системы шлангов, штуцероз. шаровых кранов, которые обеспечивают герметичность соединений при избыточном давлении до 5 атм.
Проектно-конструктивные параметры ЭМУ определялись из условий обеспечения подобия процессов теп-ло- и массообмена. протекающих в реатьных баках второй ступени (блок «И») РКН «Союз-2.1в» лри газификации остатков топлива на пассивном участке полета, что соответствует следующим значениям критериев Рейнольдса (10000С-500000). Прандтля (0,7-0,75), Нуссельта (300-2000) и Релея (8 10б-10м).
В соответствии с этими значениями критериев выбраны следующие параметры ЭМУ, ТН и модельной жидкости
- скорость ТН и расход на входе в ЭМУ выбираются из условия подобия по числам Рейнольдса и соответствуют: & = 4-7м!с; т = 4-5г/с
- размеры ЭМУ выбираются из условия характерного линейного размера, необходимого для расчета чисел подобия: н соответствуют: ВхШхГ=500x500x200 мм;
- масса испаряемой жидкости - 50-100 гр.. которой достаточно, чтобы полностью закрыть площадь поверхности пластины и образовать «зеркато» и «капли» жидкости;
- ьарианхы размещения жидкости, «зеркало», «каили;>, обусловленные возможным расположением осхагков КЕЧ" в баках РКН на пассивном участке полета, после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя;
- параметры используемого газа (кинематическая вязкость, плотность, теплопроводность, удельная теплоёмкость) выбираются из условия подобия по числам Прандтля и выбраны и = 1.5-Ю-5 —2.3-10"5 м2/с',
р = 0.9—1.2*ег/л*3; Я = 0.025-0.031 Вт/мК, са = 1.005--1.009кДж/кг-К;
параметры модельной жидкости (температура, кинематическая вязкость, теплопроводность, удельная теп лоёмкостъ, плотность) выбираются из условия подобия по числам Релея и выбраны Т =283 -353.К;
и = 0.365 ■ —1.307 • 10"*
р = 971.8 998.2 кг/л?.
Я = 0.574-0.674 Вт!м-К,
с „ — 4.197 — 4.182 кДж ! К2т К \
Я
Рис. 1. Схема модернизированного экспериментального стенда: 1 - экспериментальная модельная установка (ЭМУ); 2, 3,4, 8, 9,16, 20, 21, 34 - клапан (вентиль); 5 - компрессор; б - ресиверы; 7, 27, 28 - датчик давления; 10 - влагоотделитель; 11 - фильтр; 12: 23, 32 - ЭПК с датчиком давления; 13 - электронагреватель; 14 - трансформатор; 15,27, 28 - стационарный датчик температуры; 17 - расходомер; 18 - баллон с газом наддува (гелий); 19 - стационарный датчик температуры; 22 - баллон с газом (например Н2, Н20, СО, С02, СН4); 24 - редуктор; 2Ь - дроссель; 26 - смеситель; 29 - мобильный датчик температуры; 30 - датчик скорости потока ГНр; 51 - датчик влажности газа в ЭМУ (гигрометр); 32 - анализатор шума и вибраций; 33 - пластина с нагревательным элементом, 35 - газоанализатор, 36 — утилизатор
Программа экспериментальных исследований па модершгшроваппом экспериментальном степде включает две группы экспериментов:
1 Подготовитель игле эксперименты для отработки измерительного комплекса и системы получения ТН
Основная задача данной группы экспериментов - отработать процесс смешения газов до нужной консистенции и получить на выходе из смесителя ТН наиболее близкий по физико-химическим параметрам к реальному ТН из газогенератора. В случае отклонения состава газа на выходе из смесителя от заданного значения осуществляется регулировка расхода газов с помощью редукторов, расположенных на каждом баллоне.
Система получения газа (воздуха) позволяет проводить технологические эксперименты, в том случае, когда реальный ТН можно не использовать, например, при определении значений скоростей потока газа в различных точках ЭМУ, а также при прогреве электронагревателя.
2. Основные эксперименты, направленные на определение коэффициентов теплоотдачи от смеси газов (синтезированный ТН + газ наддува ■+• испарившийся компонент) к жидкости и стенкам ЭМУ при использовании синтезированных ТН.
Методика проведегаш основных экспериментов, направленных па определение температуры системы «газ жидкость-стенка», площади массоотдающей поверхности, влажности газа на выходе из ЭМУ заключается в следующем (рнс.1).
Перед подачей ТН с заданной температуры Ттн в ЭМУ, предварительно проводят нагрев электронагревателя и прогрев соединительной и запорной арматуры горячим воздухом для снижения затрат ТН на нагрев до температуры Тта-
Предварительно закрываются все вентили, кроме вентилей 2-4 и включаются все электроприборы и оборудование. Воздух нагнетается компрессором 5 через вентили 2-4 и заполняет ресивер, состоящий из двух баллонов б.
После достижения в ресивере 6 определенного давления (до 10—16 атм.). измеряемого с помощью манометра 7. открываются последовательно вентили 8 и 9 и воздух попадает во влагоотделитель 10. Далее, проходя через систему фильтрации 11. которая представляет собой блок фильтров, и предохранительный пневмоклапан 12 с датчиком давления, по которому устанавливается рабочее давление, воздух поступает в нагреватель 13, который регулируется с помощью регулятора температуры (трансформатора) 14.
В нагревателе всздух достигает заранее заданной температуры и через вентиль 9 сбрасывается в выхлопной патрубок (утилизатор), при этом происходит прогрев соединительной н запорной арматуры до температуры Ттн- определяемой го датчику температуры 15.
После нагрева электронагревателя и прогрева соединительной и запорной арматуры компрессор 5 выключается, вентили 1-Л. S-У закрываются, открывается вентиль 34 и ЭМУ 1 заполняется газом гелием из баигона 18 до заданного давления, определяемого по датчику давления 28.
Осуществляется подача ТН и ЭМУ 1. Для зтохс открываются вешили 20 и г<ш из баллонов 22 через ЭПК с датчиками давления 23. редукторы 24 и дроссели 25 поступают в смеситель 26. в котором смешиваются. Количество баллонов 22 зависит от количества компонентов, необходимых для моделирования реального ТН. Необ ходимое соотношение компонентов задается с помощью редукторов 24 и дросселей 25. Полученный ТН через вентиль 21 поступает в электронагреватель 13. Расход ТН определяется расходомером 17, а температура на входе в ЭМУ 1 датчиком температуры 15.
ТН поступает в ЭМУ 1, датчиками температуры 19 и давления 28 контролируются выходные параметры испаряемой жидкости. С использованием мобильных датчиков температуры 29. скорости потока ТН 30 и влажности воздуха 31 определяются параметры продесса испарения жидкости.
Осуществляется нагрев пластины 33. на которой располагается модельная жидкость до температуры Тп.
Предохранительный пневмоклапан 32 обеспечивает надежность систем ЭМУ (по величине избыточного давления). По выхлопному трубопроводу газ из ЭМУ поступает в утилизатор.
По результатам проведенных экспериментов строятся графики изменения:
- температур жидкости, стенок ЭМУ. пластины и газа;
- влажности газа;
- скорости но 1 ока ТН к различных i очка а ЭМУ,
- состава продуктов испарения:
- площади массоотдакщсй поверхности.
С использованием программы Терра определены составы синтезированных ТН для испарения керосина при различных коэффициентах избытка окислителя на оснон? жидких гачогенерирующих слстанст* «керосин + кислород» и «керосин + перекись водорода» (см. табл. I).
ТАБЛИЦА 1
МАССОВЫЙ ПРОЦЕНТНЫЙ СОСТАВ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ТН
№ Состав Коэффициент избытка окислителя Коэффиапент избытка окислителя
п п модельных ITC керосин + кислород ГГС керосин + перекись водорода
газов 0.15 0.25 0.5 0.3 0.9 1.5
1 Н2 59.55 53.11 58.21 42.81 53.80 53.04
2 н2о 5.74 1.66 7.28 18.93 8.62 7.34
3 СО 26.48 42.79 24.39 3.55 26.48 36.01
4 со2 2.28 0.82 2.97 3.47 4.3 3.17
5 СН4 5.95 1.62 7.15 31.24 6.80 0.44
Т. К 1129.9 1271.1 1103.7 967 1091.5 1250
Как следует из приведенных результатов (см. табл. 1), в состав модельных ТН для испарения, например, керосина. входит всего пять оснозных газов, следовательно, необходимо 5 баллонов с системой регулирования расходов для получения модельного ТН.
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ На модернизированном экспериментальном стенде возможно получить следующие результаты: - создание синтезированных ТН путём смешивания газов в соответствии с полученными результатами (см. табл. I) для испарения керосина:
- определение коэффициентов теплоотдачи на элементах конструкции (сухая поверхность) для различных углов натекапня ТН;
- определение коэффициентов тепло- и масссотдачи на элементах конструкции для различных параметров ввода ТН и граничного положения модельной жидкости «зеркало», «капля»;
- определение площади массостдающей поверхности;
- определение концентрации продуктов испарения по времени процесса непарення н т.д
На рис. 2- 3 приведены результаты экспериментального определения температур системы «газ-жидкость-стенка», коэффициентов теплоотдачи, изменения площади массотдающей поверхности жидкости для модельного ТН - азот и модельной жидкости - керосин.
100,0 90,0
0 в0'° 0. 70,0
1 60,0 ^ 50.0
с 40,0 « 30,0 20,0 10,0 0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 Время, с
Рис. 2. График изменения температуры керосина (Г,), газа (Т^ и стенки ЭМУ (Тст)
1,0
и
м «г-
••
- -
S
0,2 0.4 0.6 0.В 1 tAn
Рис. 3. График изменения уровня керосина на пластине
Изменение уровня керосина hk = h! hH на пластине можно записать в виде степенной зависимости: Ьк =(-2,26^1^1 1А +4,5554 Р-2,2939 t2 -1,0217 t +1,0086)htt,
где ^Н ~ начальный уровень керосина на пластине,
tn - время, за которое полностью испаряется весь керосин.
Полученные результаты позволили прэвести предварительные оценки по изменению коэффициентов теплоотдачи [2] при различных скоростях ТН (см. табл. 2).
ТАБЛИЦА 2
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ ГАЗ-ЖИДКОСТЬ. ГАЗ-СТЕНКА ЭМУ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ СКОРОСТЕЙ ПОТОКА ТН В ЭМУ И ГРАНИЧНОМ РАСПОЛОЖЕНИИ
КЕРОСИНА НА ПЛАСТИНЕ «ЗЕРКАЛО»
Скорость потока ТП, м/с Re Газ-пластина Газ- «зе керосин ркало»
Nu Вт / м" К Nu "г-ж Чт UCK
8 5.59*10А4 343 44.1 353 45.4
9 б.Э4*10А4 367 47.2 378 48.6
10 7.11 MOM 390 50.1 402 51.7
Таким образом на основании проведенных экспериментальных исследований, можно предложить следующие уточненные формулы ло определению коэффициентов теплоотдачи:
от газа к пластине: М/ = 0.05Re0 65 Рг0 55,
от газа к керосину («зеркало»): Ни = 0.04 Ке°8 Рг053.
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Разработанная схема модернизированного экспериментального стенда, а также методика и программа проведения экспериментальных исследований позволит провести необходимые эксперименты по испарению жидкостей. например, керосина или воды при использовании синтезированных ТН на основе смеси газов. Подобранные массовый процентный состав синтезированного ТН при различных коэффициентах избытка окислителя. температура и расход ТН. параметры модельной жидкости и геометрические параметры ЭМУ позволят осуществить моделирование процесса испарение жидкости с обеспечением условий подобия по числам Рей-нольдса. Прандтля и Нуссельта Предварительно проведенные экспериментальные исследования и полученные результаты в виде значении коэффициентов теплоотдачи и критериатьных уравнении показали возможность моделирования процесса газификации ракетногс топлива и определения затрат энергии на осуществление исследуемого процесса.
VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработаны предложения на модернизацию существующего экспериментального стенда, позволяющего проводит экспериментальные исследования процесса испарения жидкости при использовании в качестве Ш смеси газгт с параметрами (тегтлоёмтсогтт. малярная масса) максимально при5лич:еннт»тми к параметрам гаяа, получаемого на выходе из газогенератора.
2. Разработаны схема модернизированного экспериментатьного стенда и программа проведения экспериментальных исследований включающая r croh состак серию подготонителкных и ochorhrtx экспери\'ент<т
3. По результатам предварительно проведенных экспериментальных исследований получены коэффициент теплоотдачи системы кгаз-жидкость-стенка» и критериальные уравнения для граничных условий расположения керосина на пластине «зеркало» и ТН — азот.
Исследования проведены при финансовой поддержке Минобрнауки России, уникальный идентификатор RFMEFI57714X0157.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Deiuca L., Tnishlyakov V. I. [and o:her],Active space debns removal by a hybrid propulsion module // Acta As-tronautica.2013. Vol. 91 P. 20-33.
2. Savino R... Monti R. Fluid dynamics experiment sensitivity to accelerations prevailing cn microgravity platforms // Phys. Fluids in microgravity.London & К Y.: Taylor & Francis. 2001. P.515-559.
3. Кушецов В. В. Тепломассообменна поверхности раздела жидкость-пар .'/ Известия РАН.Мехзника жидкости и таза. 2011. № 5. С.97 107.
4. Kersey J.. Loth Е..Lankford D.Effect of evaporating droplets on shock waves // AIAA Journal. 2010. Vol.48, no.9. P. 1975-1986.
5. Богданов С. Н.. Бучко Н. А, Гуйго Э. И. [и др.]. Теоретические основы хладотехники. Тепломассооб-мен.М.: Агропромнздат 1986. 320 с.
6. Chikulaev D.G., Shvarts K.G. Effect of rotation oil the stability of advective flow in a horizontal liquid layer with solid boundaries at small Prandtl numbers ft Fluid Dynamics. 2015. Vol. 50, no. 2. P. 215-222.
7. Pakhomov M.A., Terekhov V.I. Modeling of the flow structure and heat transfer in a gas-droplet turbulent boundary layer //Fluid Dynamics. 2012. Vol. 47, no. 2. P. 168-177.
8. Ovcharova A.S. Droplet formation in the rupture of a liquid film under the action of a thermal load H Fluid Dynamics. 2011. Vol. 46. no. 1. P. 108-114.
9. Zuzgin AV., Puytin G. F., Ivanova N. G. [et al]. The heat convection of near critical fluid in the controlled mi-croacceleration field under zero-gravity condition //Adv. Space Research. 2003. Vol. 32, no. 2. P. 205-210.
10. Trushlyakov V., LavrukS. Theoretical and experimental investigations of interaction of hot gases with liquid in closed volume //Acta Astronáutica. 2015. Vol. 109. P. 241-247.
11. Trushlyakov V.I., Kudentsov V.Yu.. Lesnyat LYu, Lempert D.B., Zarko V.E. The modeling of unused propel-lant residues processes from a tank of rocket stage // Proceedings of the 56th Israel Annual Conference on Aerospace Sciences. Tel-Aviv & Haifa. Israel, 2016.
12. Пат. №2561427 Российская федерация, МПК G 09 В. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива н устройство для его реализации / Трушляков В. И.. Лаврук С. А.. Лесняк И. Ю. № 2014109613/11: *аявл. 12.03.14; опубл. 27.08.15, Бюл. № 24. 7 е.: ил.
