CC BY
28УДК 661.935
К РАСЧЕТУ КОНДЕНСАТОРА-ИСПАРИТЕЛЯ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Д. В. Черненко, В. В. Черненко
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: g_ramzes@mail.ru
Рассмотрена математическая модель конденсатора-испарителя воздухоразделителъных установок, применяемых в производстве криогенных компонентов ракетных топлив. Модель основана на совместном решении уравнений гидродинамики и теплообмена для трубчатых аппаратов.
Ключевые слова: конденсатор-испаритель, математическая модель, проектирование, оптимизация.
CALCULATING EVAPORATOR-CONDENSER OF AIR SEPARATION PLANT D. V. Chernenko, V. V. Chernenko
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: g_ramzes@mail.ru
The paper reviews mathematical model of evaporator-condenser of air separation units used in the production of cryogenic components of rocket fuels. The model is based on the simultaneous solution of hydrodynamics and heat exchange equations for the tubular devices.
Keywords: evaporator-condenser, mathematical model, design, optimization.
Основным методом получения жидкого кислорода, используемого в качестве окислителя во многих ракетоносителях, является извлечение его из воздуха в воздухоразделительных установках (ВРУ). Конденсаторы-испарители - один из важнейших элементов ВРУ - представляют собой теплообменные аппараты с изменением агрегатного состояния двух участвующих в процессе теплообмена сред (кислород и азот).
Эффективность работы конденсатора-испарителя в значительной мере определяет экономичность работы всей установки. К примеру, увеличение разницы температур между обменивающимися теплом средами на 1 °К приводит к увеличению расхода энергии на сжатие воздуха до 5 % общих энергетических затрат. С другой стороны, уменьшение температурного напора ниже предельного значения приводит к необходимости значительного увеличения теплопередаю-щей поверхности. Учитывая большие энергопотребление и металлоёмкость аппаратов ВРУ, становится очевидной необходимость оптимизации каждого их элемента, в том числе конденсатора-испарителя. Наиболее целесообразным методом исследования и оптимизации таких крупных и дорогостоящих объектов является математическое моделирование.
Конденсаторы-испарители ВРУ работают в режиме естественной циркуляции, соответственно, в них имеется сложная взаимосвязь тепловых и гидравлических характеристик процесса парообразования. Теплоотдача со стороны кипящей жидкости определяется скоростью циркуляции, которая, в свою очередь, может быть найдена из гидравлического расчета при
известных значениях тепловых потоков и геометрических размеров поверхности теплообмена, являющихся целевой функцией оптимизационной задачи. Кроме того, процесс кипения реализуется одновременно с процессом конденсации, что накладывает ограничения на соотношения тепловых потоков и температурных напоров обоих процессов. Таким образом, модель должна строиться на базе системы уравнений, описывающих циркуляцию кипящей жидкости и процессы теплоотдачи с обеих сторон теплопередающей поверхности.
Представленная модель, схема которой приведена на рисунке, включает в себя наиболее характерные случаи, встречающиеся при проектировании и эксплуатации конденсаторов-испарителей. Расчетная методика основана на использовании принципа последовательных приближений.
В качестве входных факторов используются: величина общей тепловой нагрузки; давление на стороне кипения; давление на стороне конденсации; концентрация испаряющихся паров по О2; концентрация конденсата по К2; высота, наружный и внутренний диаметры труб.
Блок предварительно выбираемых параметров включает в себя определение температур кипения и конденсации рабочих сред с учетом примесей [1], а также необходимую для запуска гидравлического расчета предварительную оценку величин располагаемого температурного напора и среднего по активной поверхности греющей секции удельного теплового потока со стороны кипящей жидкости.
<Тешетневс^ие чтения. 2016
Входные факторы
11
Расчетная схема модели конденсатора-испарителя ВРУ
/
Целью гидравлического расчета является определение скорости циркуляции, протяженности эконо-майзерной зоны, давлений и температур в характерных сечениях канала. Для расчета используется традиционная схема [2-3] контура с естественной циркуляцией жидкости.
Задачей теплового расчета является уточнение значения плотности теплового потока на активном участке трубы по результатам гидравлического расчета, а также уточнение располагаемого температурного напора с учетом гидростатической и концентрационной температурной депрессии. Модуль расчета конденсации использует модель теплоотдачи при конденсации однокомпонентного пара на вертикальной стенке при ламинарном течении пленки конденсата. Модуль расчета кипения основан на модели теплоотдачи к двухфазному потоку в трубе [4-5].
Гидравлический и тепловой расчеты повторяются в той же последовательности, если предварительные и расчетные значения плотности теплового потока отличаются более чем на 5 %. Точность расчета, как правило, оказывается достаточной после второго приближения.
Выходными параметрами являются площадь поверхности теплообмена, диаметр центральной цирку-
ляционной трубы, количество и разбивка труб в трубной решетке и диаметр кожуха аппарата.
Применение предлагаемой математической модели позволит объективно рассмотреть и сопоставить множество различных конструктивных вариантов конденсатора-испарителя и выбрать наиболее приемлемый, а также ограничить масштабы физического эксперимента проверкой адекватности модели и определением численных значений коэффициентов, которые не могут быть получены аналитическим путем.
Библиографические ссылки
1. Наринский Г. Б. Ректификация воздуха. М. : Машиностроение, 1978. 248 с.
2. Григорьев В. А., Крохин Ю. И. Тепло- и массо-обменные аппараты криогенной техники. М. : Энер-гоиздат, 1982. 312 с.
3. Епифанова В. И., Аксельрод Л. С. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. М. : Машиностроение, 1973. 468 с.
4. Веркин Б. И. Криогенная техника. Киев : Науко-ва думка, 1985. 184 с.
5. Архаров А. М. Криогенные системы. М. : Машиностроение, 1999. 720 с.
References
1. Narinskiy G. B. Rektifikatsiya vozdukha [Air rectification]. Moscow, Mashinostroenie publ., 1978. 248 p.
2. Grigor'ev V. A., Krokhin Yu. I. Teplo- i massoob-mennye apparaty kriogennoy tekhniki [Heat and mass transfer devices of cryogenic equipment]. Moscow, Ener-goizdat publ., 1982. 312 p.
3. Epifanova V. I., Aksel'rod L. S. Razdelenie voz-dukha metodom glubokogo okhlazhdeniya [Air separation
by method of deep cooling]. Moscow, Mashinostroenie publ., 1973. 468 p.
4. Verkin B. I. Kriogennaya tekhnika [Cryogenic equipment]. Kiev, Naukova dumka publ., 1985. 184 p.
5. Arkharov A. M. Kriogennye sistemy [Cryogenic systems]. Moscow, Mashinostroenie publ., 1999. 720 p.
© Черненко Д. В., Черненко В. В., 2016
УДК 658.26; 621.165.1
ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КОНСТРУКЦИЯХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
Е. В. Черненко, А. А. Ходенков, А. Г. Лоскутова
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: jincherry@mail.ru
Рассмотрены примеры и приведены принципиальные схемы тепловых технических систем. Представлен подход к математическому моделированию таких систем.
Ключевые слова: паротурбинные установки, математическое моделирование.
METHODS AND OBJECTIVES TO DEVELOP MATHEMATICAL MODELS OF THERMAL POWER PLANTS
E. V. Chernenko, A. A. Hodenkov, A. G. Loskutova
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: jincherry@mail.ru
The paper proposes examples and the concepts of thermal engineering systems. An approach to the mathematical modeling of such systems is presented.
Keywords: steam-turbine plants, mathematical modeling.
Современный этап развития техники требует перехода к оптимизации проектируемых тепловых технических систем (ТТС) с целью повышения их эффективности, сокращения энергозатрат и капитальных вложений. Между тем, на основе математической модели тепловой технической системы становится возможным решение широкого спектра задач, включая и оптимизацию. В настоящей работе предпринята попытка разработки подхода к моделированию ТТС, работающих по замкнутому контуру.
Достаточно широко рассмотрены вопросы проектирования и расчётной оптимизации отдельных процессов в машинах и аппаратах, такие как интенсификация теплообмена, повышение эффективности работы компрессоров, насосов и т. д. Но общая задача моделирования теплоэнергетической системы как сложной системы взаимосвязанных элементов в достаточной степени еще не решена [1].
В рамках данной работы под тепловой технической системой понимается любая техническая систе-
ма, основным процессом в которой будет обмен тепловыми потоками и энергией между элементами системы и с окружающей средой. Это широкий класс систем, включающий в себя холодильные машины, паро- и газотурбинные установки, двигатели внутреннего сгорания и т. д. Ввиду такого разнообразия ограничимся рассмотрением систем с замкнутым циклом: рабочее тело циркулирует внутри такой системы без обмена массой с окружающей средой.
Работу такой системы можно изобразить на диаграмме замкнутой линией. Форма цикла зависит от процессов, протекающих в элементах системы, - по этому признаку можно различить цикл Карно, Ренки-на, Калины и т. д. Различают также прямой или обратный циклы.
Наиболее простой и самый распространенный -цикл Карно, прямой и обратный (см. рисунок). Цикл состоит из четырех процессов, с помощью него можно описать значительную часть простых моделей теплоэнергетических систем.
