CC BY
23
УДК 629.78.048.7-716
И.П. КВАС, К.С. ЕПИФАНОВ
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского «ХАИ»
ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ НА ТРЕНИЕ В ИСПАРИТЕЛЕ ДВУХФАЗНОГО КОНТУРА ТЕПЛОПЕРЕНОСА СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Определенные в результате экспериментов гидравлические сопротивления испарителей системы терморегулирования существенно отличаются от определенных по классическим зависимостям. Было решено модифицировать зависимости, включив в них новый параметр, отражающий зависимость теплофизических параметров среды от температуры. Однако корреляционный анализ показал слабую связь между коэффициентом гидравлического сопротивления и числом Прандля. В результате решение было найдено в виде зависимости от числа Рейнольдся. Хотя полученная в результате зависимость удовлетворительно описывает полученные данные, фактор, вызвавший отклонение зависимости от классических аппроксимаций, так и не был выявлен.
Ключевые слова: гидравлическое сопротивление, испаритель, система терморегулирования, космический аппарат.
Введение
Научно-технический прогресс стимулирует значительное повышение требований к создаваемым энергетическим установкам космических аппаратов (ЭУ КА). В связи с развитием науки и возрастающей конкуренцией космические аппараты (КА) стремительно увеличивают свои функциональные возможности, что приводит соответствующему росту
их мощностей. Система энергоснабжения является одной из основных составляющих КА. Из рисунка 1 видно, что система энергоснабжения включает в свой состав подсистему отвода теплоты или, как еще называют, систему терморегулирования (СТР) [1]. Система терморегулирования космического аппарата (СТР КА) является одной из основных его подсистем, от работы которой зависит его нормальное функционирование.
Рис. 1. Структура системы энергоснабжения космического аппарата © И.П. Квас, К.С. Епифанов, 2014
- 54 -
СТР условно можно разбить на три основных подсистемы. Первая — различные теплообменники (контактные теплообменники-термоплаты для отвода тепла от электропотребляющего оборудования; газожидкостные теплообменники, обеспечивающие тепловой режим в газонаполненных объемах; корпусные теплообменники, термостабилизирующие элементы конструкции). Вторая подсистема — радиаторы-излучатели, сбрасывающие тепло в окружающее пространство. Третья подсистема — контур циркуляции теплоносителя, объединяет первую и вторую подсистемы, обеспечивает их нормальное функционирование, выполняет регулирующие и управляющие функции. К настоящему времени наиболее распространены замкнутые однофазные контуры теплопереноса с механической прокачкой теплоносителя. Они длительно эксплуатируются и доказали свою надежность. Однако с темпами освоения космоса схемы однофазного контура теплопереноса систем терморегулирования морально устарели. Их мощность отвода тепловой энергии в пределах допустимой массы уже мала для современных многофункциональных искусственных спутников Земли. Главными параметрами космических аппаратов при выводе их на орбиту является масса и мощность. Рост энерговооруженности и линейных размеров КА ведет к увеличению доли массы СТР в суммарной массе объекта. На существующих аппаратах масса СТР составляет до 10% от массы выводимого груза.
СТР на основе двухфазных контуров те-плопереноса (ДФК), использующие кипящий теплоноситель, наиболее успешно совмещают важнейшие характеристики. Использование СТР данного типа позволяет уменьшить массу системы примерно в 2 раза, а ее энергопотребление — на порядок ниже, чем у аналогичной системы с однофазным контуром теплопереноса. В то же время при проектировании ДФК СТР КА возникает ряд вопросов, решение которых требует экспериментальных и расчетно-теоретических исследований. Испаритель двухфазного контура теплопереноса представляет собой оребренный изнутри канал. Особенностью проектирования ДФК СТР КА является исследование процессов терморегулирования двухфазного теплоносителя в условиях отсутствия гравитационных сил, т.е. вопросы оценки интенсивности теплопередачи и потерь давления на трение в основных элементах системы. Для оценки потерь давления на трение в испарителях СТР была создана экспериментальная установка.
1. Постановка задачи
Изучение потерь давления на трение в оре-бренном изнутри испарителе двухфазного кон-
тура теплопереноса систем терморегулирования космических аппаратов. Определение факторов, влияющих на потери давления. Выяснить, зависит ли перепад давлений от температуры рабочей среды.
2. Экспериментальная установка
Для изучения потерь давления на трение в испарителе с внутренним оребрением был создан экспериментальный стенд, который представляет собой замкнутую систему со свободной струей (см . рис . 2) . Основным элементом стенда является профиль с продольным оребрением внутренней поверхности. Поперечное сечение профиля приведено на рис . 3.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
Рис. 3. Поперечное сечение профиля испарителя
Насосом (3) из бака (4) в оребренный профиль (1) под давленим 0,1 МПа подается теплоноситель . В ряде сечений в его боковой стенке имеются штуцера (7) для отбора давления . Трубчатым и-образным манометром (2) последовательно измеряются потери давления на трение в канале на длинах Ь = 0,6 м; 1 м и 2,35 м . Термометр сопротивления (6) измеряет температуру теплоносителя на входе в профиль. Расход теплоносителя через стенд регулируется краном (5). Массовый расход измеряется посредством вспомогательной емкости, секундомера и весов.
Геометрические параметры профиля: - общая длина профиля Ь = 3 м;
- внутренний диаметр профиля
= 13,3 мм;
- высота ребра Ь^ = 2 мм;
- толщина ребра = 0,4 мм;
- количество ребер по контуру ^ = 32 шт.
Рабочая среда стенда — вода (жидкая однофазная среда). Температура воды на входе в профиль изменялась в диапазоне от 29,7 до 55,1 0С.
Измерительная система состоит из весов, секундомера, трубчатого и-образного манометра и электронного датчика температуры.
Погрешность измерения массы воды ±110-3 кг, погрешность секундомера ±1 с, погрешность измерения перепада давления ±5 Па, а погрешность измерения температуры рабочей среды оценивалась в ±0,5 0С.
3. Методика обработки результатов эксперимента
Экспериментально доказано, что величина путевых потерь зависит от следующих факторов:
- диаметра трубы Б и ее длины Ь;
- физических свойств жидкости (плотности рь и динамической вязкости ц);
- средней скорости движения жидкости в трубе
Традиционной для определения путевых потерь в круглых трубах является формула Дарси [5]:
, Ь Рь<3ехр2
АР,
ехр
Бг,
(1)
где % - коэффициент путевых потерь давления;
- измеренное падение давления в профиле, Па;
<2еХр - объемный расход, м3/с;
рь - плотность жидкого аммиака, кг/м3;
Ь - длина исследуемого участка испарителя, м;
Б = 113,329 мм2 - площадь поперечного сечения;
гидравлический диа-
4Р
=2,67 мм
П
метр;
=169,783 мм - смоченный периметр. Экспериментальное значение коэффициента путевых потерь давления определим по формуле
АР,
ехр
РьО
ехр
2рь2Р2
Ь Оь
(2)
Величина коэффициента путевых потерь £ зависит от режима течения, т.е. является функцией числа Рейнольдса, которое равно:
Яеь =
Рь^ь _ Рь<ЗехрР11
Мь
Р-Ць
(3)
где W - скорость жидкого аммиака, м/с;
- динамическая вязкость жидкого аммиака при нормальных температуре, Пас.
4. Сравнение результатов экспериментов с известными зависимостями
Потери давления на трение в оребренном изнутри канале не подчиняются классическим формулам, представленным в литературе. Сложная форма поперечного сечения испарителя не позволяет применить зависимости вычисления коэффициента гидравлического сопротивления для круглых каналов. На графике рис. 4 можно отметить явные расхождения экспериментальных значений со значениями коэффициента путевых потерь как для ламинарного, так и для турбулентного режимов круглых каналов.
Зависимость коэффициента путевых потерь от числа Рейнольдса для круглых каналов при Яе > 3000 (турбулентный режим) имеет вид [3]: „ 0,316
; (4)
Яе
Для Яе < 25002800 (ламинарный режим)
.
Яе
(5)
5. Корреляционный анализ и оценка погрешности эксперимента
Была высказана теория о том, что потери давления на трение в оребренном изнутри профиле зависит от температуры.
Открытым вопросом в процессе обработки результатов эксперимента являлась зависимость коэффициента путевых потерь в профиле с высоким коэффициентом оребрения от температуры. Необходимо установить зависимость изменения физических свойств теплоносителя на перепад давления [7]. Установлен слабый коэффициент корреляции между числом Прандтля и коэффициентом путевых потерь (к = -0,37).
В общем случае величина коэффициента корреляции к может меняться от 0 до ±1. Естественно, что чем ближе величина коэффициента корреляции к 1, тем связь между величинами сильнее; чем ближе к 0, тем связь слабее . Неоднозначность качества коэффициента корреляции в данном случае можно объяснить влиянием параметров, зависящих от температуры, на
Число Рейнольдса
Рис. 4. Сравнения традиционных зависимостей и результатов экспериментов
число Рейнольдса, т.е. вязкости и плотности, что, в свою очередь, влияет на коэффициент путевых потерь.
Погрешность эксперимента зависит от по-
грешности измерения Сехр и АР^р и определяется по формуле:
85= ч'^ехр) +
КАРехр)
0,5
а;
[КА°ехр)
8(АОехр)
(6)
где 5(ДРехр) = 5 Па — погрешность измерения перепада давления на профиле;
5(ДОехр) = 1 г/с — погрешность измерения массового расхода.
Средняя погрешность эксперимента составила 7,3%. Оценка погрешности коэфиициента гидравлических потерь в зависимости от числа Рейнольдса представлена на рис. 5.
Как следует из рис. 4-5, результаты расчетов по эмпирическим зависимостям существенно отличаются от результатов экспериментов. Невязки не могут быть объяснены погрешностями измерения. Необходимо провести аппроксимацию полученных результатов новой
0,07
у п
♦ Экспериментальное значение коэффициента
■ Нижнее значение погрешности А Верхнее значение погрешности
1000 2000 3000 4000 5000
число Рейнольдса
5000
Рис. 5. Экспериментальная погрешность определения коэффициента путевых потерь
зависимостью . За основу новой зависимости возьмем формулу (4) как наиболее близко описывающую результаты экспериментов.
6. Аппроксимация результатов эксперимента
Так как коэффициент сопротивления трения является функцией числа Рейнольдса и слабо зависит от температуры, аппроксимируем результаты экспериментов зависимостью вида:
^ = (7)
При режиме течения жидкости в диапазоне Яе=400 ...5000 все опытные точки можно описать степенной зависимостью вида (7), где
Литература
1. Никонов A.A. Теплообменные контуры с двухфазным теплоносителем для систем терморегулирования космических аппаратов [Текст] / Никонов A.A., Горбенко Г.А., Блинков В.Н. — М: Машиностроение, 1991. — 302 с.
2. Семенов Ю.П. Новые российские технологии в ракетно-космической технике последних лет [Текст] // Вестник российской академии наук - 2000, - Т. 70, №8 - С. 85 - 92.
3. Исаченко В. П. Теплопередача. Учебник для вузов [Текст]/ Исаченко В. П., Осипова В.А., Сукомел A.C. 3-е изд. - М. «Энергия».1975. -488 с.
п=0,63 и т=0,4 . Результаты аппроксимации представлены на рис. 6.
Заключение
Для данного испарителя в диапазоне чисел Рейнольдса от 400 до 5000 для нахождения коэффициента путевых потерь рекомендовано пользоваться следующей зависимостью
£ =0,63-Яе~°>4 . (8)
Данное заключение справедливо только для течения несжимаемой жидкости в трубе постоянного проходного сечения.
4. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам [Текст] / Киселев П.Г., Аль-тшуль А.Д., Данильченко Н.В. — 4-е изд. - М. «Энергия».1972. — 312 с.
5. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям [Текст] — М.: Машиностроение — 1992. — 672с.
6. Кириллов П.Л. Справочник по тепло-гидравлическим расчетам [Текст] / Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С. , Бобков В.П. — М. Энергоатомиздат, 1990. — 360 с.
7. Новик Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов [Текст] / Новик Ф.С., Арсов Я.Б. — М. Машиностроение 1980. — 296 с.
Поступила в редакцию 01.07.14
V
\
\
ч \
\ ►
\
Щ t
W ч < ►
S
-
fr
w 4 ¥
< ►
Я 4
П -
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
число Рейнольдса
Рис. 6. Aппроксимация экспериментальных данных
1.П. Квас, КС. Епифанов. Втрати тиску на тертя в випаровувач1 двофазного контуру теплопереносу системи терморегулювання косм1чних апарагпв
Визначеш в резулътат1 експеримент1в zidpaeninni onipu eunapoeyeanie системы терморегулювання icmomno вiдpiзняютъся eid визначених за класичними залежностями. Було виршено модифкувати зaлежнocmi, включивши в них новий параметр, що вiдoбpaжae залежшстъ mеnлoфiзuчнuх napaмеmpiв середовища eid температури. Однак кореляцшний aнaлiз показав слабкий зв'язок мiж коефщентом гiдpaвлiчнoгo опору i числом Прандля. В pезyлъmami piшення було знайдено у вuглядi зaлежнocmi вiд числа Рейнолъда. Хоча от-римана в pезyлъmami залежшстъ задовыъно описуе отримаш даш, фактор, що викликав вiдхuлення зaлежнocmi вiд класичних апроксимащй, так i не був виявлений.
Ключов1 слова: гuдpaвлiчнuй ошр, випаровувач, система терморегулювання, кocмiчнuй апарат.
I.P. Kvas, K.S. Yepifanov. Friction pressure in evaporator of the spacecraft thermoregulation system two-phase heat loop
Defined as a result of experiments hydraulic resistance evaporators thermal control system differ substantially from the classic certain dependencies. It was decided to modify according to include a new parameter reflecting the dependence of the thermal parameters of the medium temperature. However, correlation analysis showed a weak relationship between the coefficient of hydraulic resistance and the Prandtl number. As a result, decision was found as a function of Reynolds number. Although the resulting dependence satisfactorily describes the data, the factor that caused the deviation depending on the classical approximation, and has not been found.
Keywords: hydraulic resistance, evaporator, thermal control system,, the spacecraft.
