Научная статья на тему 'Разработка методического обеспечения проведения экспериментальных исследований низкотемпературной газификации жидкости'

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

CC BY
44
9
Поделиться
Область наук
Ключевые слова
ЭКСПЕРИМЕНТ / МОДЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА / ГАЗИФИКАЦИЯ / ЖИДКОСТЬ / МЕТОДИКА / EXPERIMENT / MODEL INSTALLATION / GAS / LIQUID / METHOD

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Трушляков Валерий Иванович, Куденцов Владимир Юрьевич, Лесняк Иван Юрьевич, Казаков Александр Юрьевич

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.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Трушляков Валерий Иванович, Куденцов Владимир Юрьевич, Лесняк Иван Юрьевич, Казаков Александр Юрьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Developing techniques for theoretical and experimental studies of low-temperature gasification of liquid

On the basis of the control volume method was designed and constructed a small experimental model and the experimental test bench for simulation of thermodynamic processes of gasification of liquid at different positions. Formulated the basic situation and developed techniques of theoretical and experimental research on the gasification of the liquid to simulate the conditions of low gravity.

Текст научной работы на тему «Разработка методического обеспечения проведения экспериментальных исследований низкотемпературной газификации жидкости»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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),

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(10)

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: trushlyakov@omgtu.ru

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