Разработка методического обеспечения проведения экспериментальных исследований низкотемпературной газификации жидкости Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 62-404.1:629.76 В- И ТРУШЛЯКОВ

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

Омский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ЖИДКОСТИ*

На основе использования метода контрольного объёма спроектирована и изготовлена экспериментальная малая модельная установка и экспериментальный стенд для моделирования термодинамических процессов газификации жидкости с её различными граничными положениями. Сформулированы основные положения, программа и разработаны методики проведения экспериментальных исследований по газификации жидкости для различных граничных условий.

Ключевые слова: эксперимент, модельная установка, газификация, жидкость, методика. 'Работа выполнена при поддержке государственного контракта Роснауки № 02.740.11.0178 и гранта РФФИ №10-08-000«4-а

В работах [1,2] рассмотрено создание активных бортовых систем увода космических средств выведения с использованием энергетического ресурса жидких остатков компонентов топлива, путём их низкотемпературной газификации.

Одной из основных научно-технических проблем реализация данной технологии является газификация жидких остатков компонентов топлива в каждом топливном баке в условиях невесомости или действия малой гравитации, атакже неопределённости их фазового и краевого состояния.

Оптимальные параметры процесса газификации определяются исходя из условия минимизации следующих критериев:

— подаваемого количества теплоты при газификации заданного количества жидких остатков топлива:

ИДО )—>тт(0 ),т = {т } , (1)

1 * ^ти' » тн'' ж 4 ж' над1 * '

— времени газификации

Р2(Тг)->тш(Тг),тж= {т,^, (2)

— потерь на нагрев конструкции

БДО )—>ттЮ ), ш = {т } . (3)

^^к'1 ж 1 ж' зад 4 '

При оптимизации критериев (1) — (3) необходимо учитывать ограничения по прочности и устойчивости конструкции топливного отсека (баков окислителя и горючего, нагруженных избыточным давление) , определяемые температурным фактором.

Анализ термопрочностного нагружения конструкции топливных баков показал, что процесс низкотемпературной газификации существующих жидких компонентов топлива может осуществляться при следующих параметрах: температура процесса 150°Кч-450°К; давление в топливном баке — 1,5*ЗАтм.

Наличие силового набора существенно осложняет газодинамическую картину течений около стенки топливного бака.

На рис. 1 показаны линии тока теплоносителя (ТН) около поверхности стенки при наличии силового набора для центрального ввода его в ёмкость.

На рис. 2 приведён график осреднённых значений скорости течения ТН в пристеночной плоскости топливного бака при наличии силового набора.

Анализ линий тока и осреднённых значений скорости течения ТН при наличии силового набора показал:

— векторы скоростей ТН могут менять направление своего движения, возможна турбулизация потока, образование застойных зон и пр.;

— за счёт неоднородностей линий тока наблюдается пульсационный характер распределения скорости на пластине между силовым набором;

— имеются сложности в определении угла набегания ТН на поверхность;

— осреднённые значения скорости на передней стенке составляют 35н-50 м/с, на противоположной — 5ч-20 м/с.

Анализ имеющегося научно-методической материала, полученного на основе зарубежных и отечественных исследований по процессам испарения и газификации жидкости показал:

— отсутствие необходимых данных для математической модели процесса в применимости к данной проблеме с учётом существующих ограничений;

— различие коэффициентов, определяющих процесс (коэффициенты теплоотдачи, ультразвуковое (УЗ) воздействие и пр.).

С целью исследования процесса низкотемпературной газификации жидкости в применимости данной проблемы необходимо создание экспериментального стенда и проведение серии экспериментальных исследований.

Рис. 1. Линии тока ТН около поверхности стенки при наличии силового набора для центрального ввода его в ёмкость

20

16

12

! 8

'ЯР'

- стенка 1

- стенка 2

Т.

012345678 Длина стенки, м

Рис. 2. График осреднённых значений скорости течения ТН в пристеночной плоскости топливного бака при наличии силового набора

<

UJ ш

о

X X

Э <

Z

1. Основные положения и программа проведения экспериментальных исследований.

При проектировании экспериментального стенда, разработке методик и программы проведения экспериментов по низкотемпературной газификации жидкости наиболее предпочтительно использование метода контрольного объёма (3], основанного на соблюдении макроскопических физических законов.

Основная идея метода заключается в том, что расчетную область разбивают на некоторое число непересекающихся контрольных объемов, по каждому из которых интегрируется исходные дифференциальные уравнения.

Принимая гипотезу о малой кривизны обечайки топливного бака, стенку можно считать плоской и рассматривать условия теплообмена для плоской стенки. Наличие гасителей колебаний свободных поверхностей жидкого топлива в полёте позволяет рассматривать общий объём топливного бака разбитого на несколько выделенных объёмов. При этом протекание термодинамических процессов в выделенных объёмах предполагается идентичными между собой.

Для моделирования термодинамических процессов, выбрана малая экспериментальная модельная установка (ЭММУ), имеющая геометрические размеры: ВхШхГ = 500x500x200 мм, которая имитирует элементарный выделенный объём реальной конструкции. При определении геометрических параметров модельной ёмкости были приняты габаритные размеры реальных топливных баков 2-й ступени РН «Кос-мос-ЗМ». Геометрическое отношение объёмов выдерживается с коэффициентом kv = 130, а горизонтальных поверхностей — с коэф-фициентом kL = 5.

Используя условие подобия критериев Sh = idem, Re = idem возможно проведение экспериментальных исследований процессов натекания ТН на поверхность, процессов испарения жидкости при различных граничных условиях, исследование вопросов интенсификации процессов тепло — имассообменапри наличии волнового воздействия и пр.

Основные идеи, положенные в основу проведения физического эксперимента по исследованию процесса тепло- и массообмена в условиях малых гравитационных полей и неопределённости граничного состояния жидкости, базируются на следующих положениях:

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

К этому положению относятся эксперименты по ис-I следованию 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 ТН с условиями взаимодействия, соответствующим малым гравитационным полям при одном типе граничного условия (капельное состояние) т.е. когда действие межмолекулярных сил, действующих в жидкости, становится преобладающим над инерционными.

На рис. 3 представлен общий вид экспериментального стенда.

Экспериментальный стенд состоит из следующих систем: система подготовки ТН; ЭММУ; система измерений, регистрации и обработки результатов измерений; соединительная и запорная арматура, конструкция.

Система подготовки ТН обеспечивает его подготовку (осушенный воздух) со следующими параметрами:

— по температуре в диапазоне от 20°С до 150°С;

— по секундному расходу от 100 до 600 л/мин;

— точность поддержания постоянства температуры до ± 5%;

— точность поддержания секундного расхода до ± 2,5%;

ЭММУ является центральной системой экспериментального стенда и обеспечивает следующие условия эксперимента:

— избыточное давление внутри до 2 атм;

— углы ввода ТН, соответственно: 0, 30, 45 угловых градусов.

Изменяя расход подаваемого ТН от200до600 л/мин возможно моделирование скорости натекания на пластине от 3,3 до 10,5 м/с, что удовлетворяет требованиям проведения экспериментальных исследований.

Программа экспериментальных исследований включает в себя:

1) определение коэффициента теплоотдачи на пластине при различных условиях натекания струи ТН.

2) определение параметров процесса газификации жидкости при различных граничных условиях положения жидкости.

Рис. 3. Общий вид ЭММУ с рабочей зоной

3) определение параметров процесса газификации жидкости в застойных зонах (имитация силового набора обечайки бака).

4) определение эффективной площади испарения с учётом временного интервала.

5) определение степени и интенсификации процесса испарения жидкости при резком спаде давления в ЭММУ.

6) определение изменения температуры поверхности пластины при различных граничных условиях положения жидкости.

7) исследование влияния смачиваемости на протекание процессов газификации.

8) проведение экспериментальных исследований по интенсификации процессов тепло — имассобмена при наличии волнового воздействия (звуковое, ультразвуковое воздействие).

Задачи физического моделирования процесса газификации жидкости подразумевают проведение двух групп экспериментов в соответствии с Положениями 1,2, как без УЗ-воздействия, так и с УЗ-воздействием.

2. Методика моделирования условий малой гравитации для капельного расположения жидкости.

Поведение жидкости в топливных баках условиях малых гравитационных сил, определяются характеристиками её растекания, которые зависят от условий смачивания стенок топливного отсека. С точки зрения межмолекулярных сил растекание жидкости имеет место в том случае, если адгезия жидкости к стенке бака больше, чем сила когезии, соединяющая однородные частицы жидкости.

Данный эксперимент проводится с целью газификации капли модельной жидкости, находящейся в условиях близким к условиям невесомости. Условия невесомости моделируются путем обезвешивания капли жидкости, основанного на уравновешивании аэродинамической силы от набегающего потока ТН и проекции силы земного притяжения на наклонную плоскость (рис. 4).

Движение капли массой тк по наклонной поверхности под углом наклона а при действии силы тяготения Б , аэродинамической силы от набегающего потока ТН Ра, силы поверхностного натяжения Рпм, силы адгезии, действующие между молекулами жидкости и твёрдых тел, силы когезии, действующие в объёме жидкости.

Результирующую силу, действующую на каплю и определяющую её динамику, пренебрегая силой Архимеда, можно представить в следующем виде:

р1 = рск-ра+рп„. (4)

где Б = т^эта — скатывающая сила,

Ра=0,5СхРтнУт2„8к, (5)

где Сх — коэффициент сопротивления капли, определяется её формой;

ртн, Ут„ — плотность и скорость набегающего ТН; 5К — площадь миделя капли, которая в процессе испарения будет уменьшаться.

Величину межмолекулярных сил Рпн, в зависимости от величины поверхностного натяжения стл на границе «газ — жидкость — стенка бака», примемввиде:

где Snit — площадь поверхности растекания (смачивания) капли.

Угол наклона ЭММУ определяется из условия:

(F -F 1 а = агссоа —-— (7)

\ mkg У

С целью создания условий в ЭММУ близких к условиям малых гравитационных полей, предлагается обеспечение условия соизмеримости межмолекулярных сил (6) с разницей гравитационной и аэродинамической сил на наклонной плоскости:

F и F — F . (8)

пн ск a v '

Условие (8) обеспечивается выбором массы капли mk, угла наклона плоскости а, скорости Ути, плотности ртн набегающего на каплю ТН, коэффициентами поверхностного натяжения на границах разделов и углов смачивания «твёрдая поверхность — жидкость 1'<)'!» (6).

В соответствии с законом Юнга (для случая равновесия) уравнение этих сил:

°3i = °2з + f21cos6, (9)

Рис. 4. Силы, действующие на каплю жидкости, находящейся на наклонной поверхности

где <т31 —сила натяжения, растягивающая каплю по поверхности (ег31 = сгол),

ег23 —силы адгезии, обеспечивающие растекание капли и соединение между каплей и твёрдой поверхностью,

ег21 — силы когезии, препятствующие растеканию и действующие внутри капли,

0 — краевой угол смачивания, который определяется для конкретной жидкости и материала поверхности.

3. Методика проведения экспериментальных исследований с УЗ-воздействием

Воздействие волнового излучения, в частности, ультразвукового на процессы газификации заключается в изменении коэффициентов теплопроводности, дроблении капель жидкости, что, в свою очередь, увеличивает площадь теплообмена жидкости и ТН и, соответственно, уменьшает значения введённых критериев (1) — (3).

Анализ имеющихся теоретико-экспериментальных данных по газификации жидкости[4 — 6] показывает значительную зависимость параметров процесса от граничных условий положения жидкости и взаиморасположения ГСИ в ёмкости относительно жидкости.

На рис. 5 представлена схема ЭММУ для анализа процесса УЗ-воздействия на жидкость.

Моделирование процесса газификации жидкости осуществляют исходя из начального условия расположения жидкости (зеркало жидкости, капельное распределение) и угла ввода ТН, относительно поверхности теплообмена.

В один из входных патрубков устанавливают ГСИ и подают через него ТН, при этом производят предварительную настройку У 3-излучателя, изменяя частоту и интенсивность звука.

В течение всей продолжительности эксперимента производят измерения входных и выходных параметров температуры и давления в различных точках ЭММУ.

Параметры ТН генерируемых УЗ-колебаний выбирают из условия минимизации критериев процесса газификации:

Руз(ГСИ,ТН)

opl

—>min(K),

(10)

1ю

5 V

2VPr '

где 1 — характерный размер; ш — частота звука; V — скорость потока; Рг — число Прандтля.

где К — критерии процесса газификации (время, энергомассовые затраты, количество теплоты).

Согласно исследованиям [4, 5], в звуковом поле соотношение между толщинами гидродинамического <Уи диффузионного пограничных 3А слоев может существенно изменяться:

(И)

Рис. 5. Схема ЭММУ с УЗ-воздействием на жидкость

Воздействие УЗ-поля приводит к тому, что акустические потоки проникают внутрь диффузионного пограничного слоя и, изменяя градиент концентрации, могут способствовать интенсификации процесса тепло-и массообмена.

Согласно экспериментальным данным для воды [6], увеличение тепло - и массообмена составляет около 20%.

Заключение

На основе использования метода контрольного объёма спроектирована и изготовлена ЭММУ для моделирования термодинамических процессов газификации жидкости с её различными граничными положениями, имеющая внутренней объём 0,5 м3, работающей в диапазоне температур от 15°С до 150°С и избыточном давлении до 0,2 МПа.

Сформулированы основные положения и разработаны методики проведения экспериментальных исследований по газификации жидкости с моделированием условий малой гравитации и УЗ-воздействием.

Библиографический список

1. Новые наукоёмкие технологии в технике: энциклопедия / А. Н. Котов [и др.]; под общей ред. А. Н. Котова. Т. 28. - М.: НИИ ЭНЦИТЕХ, 2010. - 383 с.

2. 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.

3. Лабунцов, Д. АМеханика двухфазных систем: учеб. пособие длявузов /Д. АЛабунцов, В. В. Ягов. - М.: МЭИ, 2000. - 374 с.

4. Кардашев, Г. А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии / Г. А. Кардашев. — М.: Химия, 1990. - 208 с.

5. Тепло- и массообмен в звуковом поле / В. Е. Накоряков [идр.]. — Новосибирск:Ин-ттеплофизикиСОАНСССР, 1970. — 254 с.

6. Физика и техника мощного ультразвука. Физические основы ультразвуковой технологии. В 3 т. Т. 3. / Под ред. Л. Д. Розен-берга. - М.: Наука. - 1970. - 688 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».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 09.03.2011 г. © В. И. Трушляков, В. Ю. Куденцов, И. Ю. Лесияк, А. Ю. Казаков