CC BY
10
УДК 629.76
И.Ю. Лесник. I. Yu. Lesnyak
С.А. Лаврук, S.A. Lavruk, e-mail: tigidS6@gmaiI.corn
Омский государственный технический университет, г, Омск. Россия
Omsk State Technical University. Russia
ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛЬНОЙ ЁМКОСТИ
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THERMODYNAMIC PROCESS IN THE EXPERIMENTAL MODEL TANK
С использованием экспериментального стенда проведено моделирование термодинамических процессов. происходящих в баках ракет при гашфикацин жидких остатков компонентов ракетного топлива (КРТ} с учетом граничного условия расположения жидкости в баке «зеркало». По результатам проведенных экспериментальных исследований получены значения коэффициента массоотдачн.
Modeling of the thermodynamic processes oil experimental stand that happens in ranks of rocket stage! during gasification of the liquid that model the components of rocket fuel (CRF) taking into account a boundary condition of an arrangement of liquid in a tank "mirror" is earned out. By results of the experiment coefficient of mass transferring.
Ключевые слова: физическая модель, твпяо-и массоотдачн, модельная жидкость, эксперимент
Keywords: physical mode!, heat and mass transferring, model liquid, experiment
Функционирование системы газификации жидких остатков КРТ в баках отделяющихся частей ступеней ракет космического назначения [1] определяется в церв™ очередь тем. что внутрибаковые термодинамические процессы, происходящие при газификации жидких остатков КРТ. протекает в условиях невесомости, при нарушении сплошности газожидкостной смеси и неопределенности граничного и фазового состояния,
Эти условия накладывают дополнительны сложности при определении коэффициентов тепло- н массоотдачн. заключающиеся в изменении теплофнзнческнх параметров газожидкостной смеси внутри топливных баков в процессе газификации жидких остатков КРТ. В связи с этим возникает необходимость проведения теоретико-экспериментальных исследований термодинамических процессов, происходящих при газификации жидкости с использованием созданных математической модели [2] и экспериментального стенда [3].
Коэффициенты теплоотдачи были определены ранее в [4]. Для определения коэффициентов массоотдачн были проведены дополнительные экспериментальные исследования с использованием датчика влажности.
Коэффициент массоотдачн |3 характеризует количество вещества, переносимого в единицу времени через единицу поверхности при единичном перепаде концентраций паров испаряемой жидкости [5]. В рассматриваемом случае это соответствует поступлению испаряющейся жидкости в объём экспериментальной модельной установки (ЭМУ) с массовым секундным расходом [кг/с] с поверхности жидкости [м-] при изменении концентрации паров воды [кг/м3] в объёме ЭМУ.
Концентрация паров жидкости выражается через парциальное давление паров жидкости [?]:
А =
Р,Л, 83147"
(1)
где рп - концентрация паров жидкости, кг/м : рп - парциальное давление паров жидкости. Па; -молярная масса пара, моль: Т - температура жидкости. К,
В методическую основу определения коэффициента массоотдачи положены следующие положения:
1. Экспериментальное определение параметров процесса газификации жидкости в модельной ёмкости, необходимые для расчета коэффициента массоотдачи:
- температура поверхности жидкости;
- влажность воздуха:
- площадь массоотдающей поверхности жидкости:
- массовый расход жидкости, испаряющейся с поверхности пластины.
2. Построение графиков зависимостей изменения температуры жидкости, влажности воздуха, площади массоотдающей поверхности и массового расхода жидкости по времени проведения эксперимента.
3. Расчет коэффициента массоотдачи при условии небольших концентраций испаряющегося компонента, определяется с использованием уравнения конвективной массоотдачи [5]:
M=^{p-pn)F = Pp{p-pn)F.
(2)
где:
М
Р
массовьш расход жидкости, испаряющейся с поверхности пластины, кг/с;
jjp =- - коэффициент массоотдачи при условии небольших концентраций испаряюще-
RT
гося компонента, с/м; (3 - коэффициент массоотдачи. м/с: R - газовая постоянная. Дж/(кг К): Т - температура жидкости. К; р - давление насыщенных паров воды в интервале температур 290...310 К. Па: рп - парциальное давление паров воды в ёмкости. Па: F - площадь массоотдающей поверхности, м2.
Допущения, принятые при расчете коэффициента массоотдачи
1. Массовый расход жидкости, испаряющейся с поверхности пластины на данной эта-
М = = 2.4 ■ 10"3 кг! с = const. где
пе исследовании принимается постоянным
^общ
=0-0^ 1(2 ~ масса испаряемой жидкости. I = 2100с - полное время проведения эксперимента.
2. Значение парциального давления насыщенного паров воды определялось по эмпирической формуле [5].
3. Площадь испарения жидкости с поверхности пластины определялась с использованием метода сетчатого разделения поверхности на равные 1-ые участки [4],
4. Давление насыщенных паров испаряющейся жидкости в процессе проведения эксперимента много меньше давления насыщенных паров воздуха в объёме ЭМУ.
По данным проведенных экспериментальных исследований, представленных на рисунках 1. 2 определены коэффициенты массоотдачи (рисунок 3) с использованием преобразованного уравнения конвективной массоотдачи:
А=—^----Р)
p(l-<p)-F
Р„
где (р = - относительная влажность воздуха %.
Р
Изменение площади массоотдающей поверхности жидкости при граничном условии «зеркало» происходит по закону [4]:
F = (3.6619f -8.7935Г3 + 6,4086^ -23296Г + 1.0324)F .
(4)
где: FH[r4 - начальная площадь поверхности жидкости; ! = —— - время процесса газификации.
общ
"О 0.2 0.4 0.6 0.S 1 t
Рнс 3 График шиенешы коэффициента массоотдачи по времени проведения эксперимента
Из приведённых результатов следует, что изменение значений коэффициента массоотдачи происходит плавным увеличением с начального момента времени процесса газификации до момента времени t ~ 0,9. С момента времени t - 0.9 наблюдается резкое увеличение коэффициента массоотдачи. которое объясняется тем. что площадь поверхности жидкости с момента t ~ 0.9 резко уменьшается до нуля,
Полученные значения коэффициента массоотдачи, носят предварительный характер и гребуют уточнения на последующих этапах исследований с использованием уточненных значений массового расхода жидкости. Определение уточненных значений массового расхода жидкости планируется с использованием дополнительного экспериментального оборудования: тензовесы или системы обезвешнвання.
Моделирование условий невесомости планируется обеспечить путем обесвешнвання капли на наклонной поверхности, а также проведения экспериментов в башне невесомости.
Библиографический список
1. Трушляхов. В. И. Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду : монография / В. И. Трушляков. В. В. Шалай. Я. Т. Шатров : ред. В. И. Трушдяков. - Омск : Изд-во ОмГТУ. 2004. - 220 с.
2. Лесняк. И. Ю. Составление математической модели тепло-и массообмена дтя экспериментальной установки / И. Ю. Лесняк. С. А. Лаврук. К. А. Рожаева // Молодежь. Техника. Космос : труды V Общероссийской молодеж. науч.-техн. конф. / Балт. гос. техн. ун-т. -СПб.. 2013.-С. 61-63.
3. Паг. 2461890 Российская федерация. МПК G09B23/00. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации / Трушляков В. П.. Куденцов В. КЗ.. Лесняк II, К), и др.: заявитель и патентообладатель Омский гос, техн, ун-т. -№2010141530/12 ; заяви. 08.10.10 ; опубл. 20.09.12. Бюл. №26. -9 с. : ил.
4. Экспериментальные исследования процесса низкотемпературной газификации жидкости / В. И. Трушляков. В. Ю. Куденцов. А. Ю. Казаков. А. С. Курочкнн, И. Ю. Лесняк И Омский научный весшнк. Сер. Приборы, машины и технологии, - 2011, - № 2 (100). -С. 150-153.
5. Теплотехника : учеб. пособие для вузов / В. Н. Лукнннн [и др.] : под ред. В. И. Лу-каннна. - 6-е изд.. стер. - М. : Высш. шк.. 2008. - 671 с.
