Расчетно-экспериментальные исследования процессов тепло- и массообмена в тепловых аккумуляторах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1: ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПОб ОРГАНИЗАЦИИ

РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

1.1. Особенности конструкций и области применения существующих аккумуляторов тепла

1.2. Выбор и обоснование совместимости материалов в заданных условиях эксплуатации тепловых аккумуляторов для солнечной энергетической двигательной 151 установки

1.2.1 Выбор теплоаккумулирующего вещества

1.2.2. Совместимость конструкционных и теплоаккумулирующих материалов высокотемпературного электронагревательного теплового аккумулятора теплообменника

1.2.2.1 Испарение графита и его взаимодействие с водородом.

1.2.2.2. Совместимость подложки из углеграфитовых материалов с

1 ~ . . , тонкослойными защитными покрытиями

1.2.2.3. Уменьшение скоростей испарения графита и его взаимодействия с водородом путем использования защитных покрытий.

1.3. Математическое и физическое моделирование рабочих процессов

1.4. Постановка задачи

ГЛАВА 2: ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОВОМ АККУМУЛЯТОРЕ.

2.1. Описание установки теплового аккумулятора ТАКК

2.2. Система уравнений, моделирующая процессы

2.2.1. Режим «з аряд»

2.2.2. Режим «разряд»

2.3. Метод решения систем уравнений, алгоритм численного расчета и тестирование программы расчета.

ГЛАВА 3: ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО-И МАССООБМЕНА ПРИ ТЕЧЕНИИ ВОДОРОДА В КАНАЛАХ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

3.1. Исследование процессов теплообмена на модельной экспериментальной установке ТА

3.1.1 Описание модельной установки 5 О

3.1.2 Результаты исследования процессов теплообмена на модельной установке

3.2. Законы теплообмена при течении газа в канале с зернистым наполнителем

3.2.1 Характеристики зернистого наполнителя в канале ТА

3.2.2 Анализ процессов теплообмена в зернистом слое и определение законов теплообмена при течении газа в каналах ТА.

3.3 Результаты экспериментального исследования механизмов взаимодействия углеграфитовых материалов с водородом

3.3.1 Результаты испытаний модельных образцов УГМ на установке МП

3.3.2 Результаты испытаний графитового наполнителя при течении водорода в каналах экспериментальной установки ТАКК-50.

ГЛАВА 4: РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА.

4.1. Экспериментальные исследования на установке теплового аккумулятора ТАКК-50.

4.1.1 Описание установки ТАКК-50.

4.1.2 Результаты испытаний установки ТАКК

4.1.3 Сравнения результатов испытаний на установке ТАКК-50 с результатами численного решения

• • I

4.2. Экспериментальные исследования на установке теплового аккумулятора ТАКК

4.2.1 Описание установки ТАКК-5 и результаты экспериментов

4.2.2 Результаты испытаний установки ТАКК

4.2.3 Анализ результатов испытаний на установке ТАКК-5 и сравнение с результатами численного расчета

4.3. Параметрические расчеты различных конструкций, в том числе и конструкций тепловых аккумуляторов

4.3.1 Расчетное исследование процессов теплообмена в тепловом аккумуляторе с энергоемкостью до 170 МДж ТАКК

4.3.2 Расчетное исследование процессов теплообмена в тепловом аккумуляторе с энергоемкостью до 370 МДж ТАКК

4.4. Расчетно-параметрические исследования теплового состояния сопла-анода плазмотрона ПСМ

Развитие авиационной и ракетно-космической техники характеризуется' непрерывным увеличением энергонапряженности двигателей и энергетических установок1 I летательных аппаратов, а также элементов их конструкций; Среди основных проблем современной космонавтики стоит вопрос об увеличении удельного импульса тяги ракетных двигателей космических аппаратов (КА). Одним из перспективных и эффективных способов решения данной проблемы является повышение энергетических характеристик компонентов ракетного топлива в камере сгорания жидкостных ракетных! двигателях (ЖРД) за счет предварительного подогрева, что приводит к увеличению удельного импульса тяги космических аппаратов.

С этой целью в составе двигательной установки (ДУ) современных ЖРД возможно использование тепловых накопителей энергии или тепловых аккумуляторов (ТА), в которых на режиме работы ДУ происходит нагрев текущих по магистралям компонентов топлива.

В Исследовательском Центре им. М.В.Келдыша в последние годы ведется интенсивная работа по созданию солнечной энергетической двигательной установки

• • I

СЭДУ) с использованием тепловых аккумуляторов.

Необходимость использования в составе СЭДУ накопителя энергии в задаче транспортировки КА может быть проиллюстрирована следующими простыми соображениями [1.1]. В виду малой развиваемой тяги СЭДУ (единицы-десятки ньютонов) в отсутствие системы накопления энергии на борту и при условии обеспечения! приемлемого времени выведения КА на целевую орбиту (1-2 месяца) могут быть реализованы только схемы с непрерывным режимом работы ДУ (см.рис. 1.1, вариант В), не выгодные по энергетическим затратам. Так, например, для реализации перехода с низкой опорной орбиты с углом наклонения i=63rpafl (космодром «Плесецк») на геостационарную орбиту (ГСО) (i=0) при схеме выведения с непрерывным режимом работы ДУ требуется создать суммарное приращение характеристической скорости bVxap « 8700-^/, а при 2-х импульсной схеме, характерной для ДУ большой тяги (ЖРД и

I | / -it

РДТТ), - только 5200^ (см.рис. 1.1. вариант А). Известно, что удельный импульс тяги современных кислородно-водородных ЖРД для разгонных блоков составляет 460с и более. Ожидаемый импульс тяги тепловых двигателей в составе СЭДУ не превысит 800.850с при использовании наиболее эффективного рабочего тела - водорода, и не может компенсировать различия в требуемых величинах AF (с учетом большей1 сложности СЭДУ и малой плотности водорода, а следовательно, и большего объема и массы топливного отсека). Поэтому единственно возможным решением является использование импульсного двигательного режима работы СЭДУ со схемами выведения, обеспечивающими аналогичные с ДУ большой тяги величины AVxap. I

Для реализации этого на борту аппарата необходим достаточно большой по запасаемой энергии бортовой аккумулятор (многие десятки-сотни МДж), в котором энергия будет накапливаться в течение большей части орбитального витка, а во время короткого импульса тяги в нужный момент времени накопленная энергия будет отдаваться для нагрева рабочего тела (водорода). Схема выведения должна в этом случае строиться таким образом, чтобы основная часть витка с солнечной стороны использовалась для накопления в аккумуляторе тепловой энергии.

Исходя из особенности назначения, тепловой аккумулятор должен обеспечить подогрев водорода с любым расходом от температур на входе до температур, необходимых для поддержания требуемых значений удельного импульса тяги. На рис. 1.2 приведены зависимости теоретического удельного импульса тяги в пустоте от соотношения расходов кислорода и водорода Ко и от температуры нагрева водорода, полученные для давления в камере сгорания рк=1,8 МПа и степени расширения сопла г I

Fa = 500. Как видно из рисунка, повышение температуры водорода приводит к увеличению удельного импульса тяги от 550с до 700с при увеличении температуры водорода до 1600-н2000К, соответственно.

При решении задачи увеличения температуры водорода перед его подачей в камеру сгорания возникает ряд научных и технических вопросов, без решения которых, I невозможно эффективно организовать рабочий процесс подогрева водорода. К таким вопросам относятся: задача интенсификации теплообменных процессов в каналах и всей конструкции ТА; задача увеличения эрозийной стойкости материалов на режимах работы ТА; задача увеличения эффективности тепловой защиты ТА; задача оптимизации организации рабочих процессов с помощью программного обеспечения и т.д. Решения данных задач должны укладываться в рамки основных требований по экономичности, которая характеризуется эффективным использованием внутренних и внешних ресурсов; требований по массовым и габаритным характеристикам, для увеличения полезной

I I доставляемой КА нагрузки. .

ТА представляет собой теплообменное устройство высокой интенсивности, в котором накопленная тепловая энергия передается протекающему через него теплоносителю. На рис. 1.3. представлена конструктивная схема одного из разработанных тепловых аккумуляторов. ТА включает в себя электронагревательную систему, теплоаккумулирующий блок с каналами для протока рабочего тела, а также тепловую изоляцию.

С учетом технических, эксплуатационных и физических особенностей КА на основе СЭДУ высокотемпературный электронагревательный тепловой ^ аккумулятор, предназначенный для нагрева водорода перед его подачей в камеру сгорания, способен выдерживать большое число циклов «нагрев-охлаждение». Один цикл работы ТА в составе СЭДУ включает в себя следующие режимы:

Режим «заряда» - накопление тепловой энергии двигательной установкой на солнечной стороне орбитального витка без протока рабочего тела; , i

Режим «разряда» - импульсный сброс тепловой энергии с нагревом рабочего тела и его подачей в камеру сгорания ЖРД;

Режим «охлаждения» - выравнивание тепловых полей в ТА.

Одной из основных проблем при создании и применении тепловых аккумуляторов является обеспечение эффективной наружной тепловой изоляции, поскольку наличие значительных потерь тепла не только требует повышения тепловой мощности СЭДУ (а, следовательно, вызывает увеличение ее массы и габаритов), но и обостряет проблему сбора этого тепла, его отвода и сброса в окружающее пространство.

I I

Наиболее эффективной представляется экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) из' тугоплавкого металла (например, молибдена) с большим количеством экранов в виде фольги или комбинированные покрытия из теплостойких углеродных материалов (ткань, войлок и т.п.).

На разработанных и изготовленных в Центре Келдыша конструкциях тепловых! I аккумуляторов были проведены испытания с нагревом ТА до высоких температур и последующей подачей рабочего тела (водород, гелий, воздух и т.д.). Кроме того, были проведены опыты на экспериментальных установках, моделирующих отдельные физические процессы.

Резюмируя сказанное, а также учитывая результаты поисковых работ по СЭДУ (см. раздел 1.1), рабочая конструкция ТА должна отвечать достаточно обширному набору требований и ограничений, основные из которых сводятся к следующему:

• Минимальный вес и габариты конструкции теплового аккумулятора;

I |

• Высокая плотность компоновки и удельной тепловой емкости ~ 1 МД>7КГ;

• Минимальные тепловые потери, не превышающие ~1-н2%;

• Эффективный нагрев водорода до температур ~ 1500-^2000 К, при минимальном изменении температуры водорода за цикл разряда (под эффективным в данном случае понимается минимальная разница между температурой ТА и температурой водорода на выходе из ТА)

• Большой ресурс работы ~ 500-И ООО сек при значительном числе циклов заряд-разряд (несколько сотен раз).

Чтобы удовлетворить перечисленным требованиям и ограничениям,' определить оптимальные характеристики ТА, сформулировать рекомендации по выбору! материалов и конфигурации теплоаккумулирующих блоков, каналов, в которых осуществляется течение и подогрев водорода, теплоизоляции и других элементов, необходимо разработать программно-методическое обеспечение, позволяющее моделировать газодинамические и тепловые процессы, протекающие в ТА, с учетом существенной нестационарности процессов тепломассообмена. В рамках разработки' программно-методического обеспечения необходимо наряду с разработкой численных методов провести также экспериментальную проверку.

Поэтому одновременно с разработкой тепловых аккумуляторов для СЭДУ проводилось создание специализированного пакета 2-D и 3-D прикладных программ, позволяющих моделировать физические процессы, определять тепловое состояние и рассчитывать параметры теплообмена при течении газов. Пакет включает в себя головную программу, базу данных для хранения и обработки информации, а также ряд подпрограмм' расчета нестационарных тепловых и газодинамических параметров течений. Исходными1 I данными для расчетов являлись: геометрия ТА, термодинамические характеристики рабочего тела и теплофизические характеристики (ТФХ) материалов конструктивных элементов ТА.

Результаты численного моделирования продемонстрировали хорошую сходимость с полученными на практике экспериментальными данными. Помимо этого,1 были определены наиболее эффективные теплообменные наполнители в каналах ТА, по которым протекает рабочее тело. В результате проведенных экспериментов на установках ТА и численного анализа были получены закономерности теплообмена в виде соответствующих критериальных соотношений и определены коэффициенты теплообмена в каналах ТА.

В зависимости от режима работы и энергоемкости установки ТА температура материалов конструктивных элементов может изменяться в пределах 400 2400 К, что может привести к интенсивному взаимодействию этих материалов с водородом и между| t собой и, как следствие, повлиять на параметры рабочего тела и ресурс работы двигательной установки. Предотвратить взаимодействие можно с помощью защитных покрытий, либо использовать более стойкие материалы. С целью выбора материала защитных покрытий и оценки работоспособности системы были проведены экспериментальные исследования для различных марок графита и других материалов в среде водорода при температуре -2500 К.

Цель диссертационной работы. Разработка физико-математической методики исследования нестационарных процессов сложного сопряженного теплообмена в тепловых аккумуляторах. Расчетно-экспериментальная отработка конструктивных элементов и всей конструкции ТА на рабочих режимах с целью описания процессов тепло- и массообмена в тепловых аккумуляторах и совершенствование их конструкций. Задачи исследования.

1. Разработка физико-математической модели, численного алгоритма и программы расчета процессов теплообмена на разных режимах работы тепловых . ■ аккумуляторов. . . ,

2. Проведение экспериментальных исследований процессов тепло- й массообмена на различных установках ТА.

3. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.

4. Получение эмпирических критериальных соотношений, описывающих процессы теплообмена в ТА. '!

5. Анализ и усовершенствование конструкции тепловых аккумуляторов.

6. Исследование процессов взаимодействия материалов и защитных покрытий на элементах конструкций в газовой среде при высоких температурах.

Актуальность работы.

Актуальность определяется тем, что разрабатывается научно-методическая основа для создания тепловых аккумуляторов, являющихся ключевым элементом солнечной энергодвигательной установки КА, применение которой обеспечивает прирост, энергетических характеристик компонентов топлива в камере .сгорания ДУ,на 30-s-40% по,.

I | сравнению с традиционными криогенными ЖРД, что приводит к увеличению удельного импульса тяги ракетных двигателей и уменьшению стоимости доставки полезной нагрузки на геопереходную или геостационарную орбиты. Научная новизна работы.

1. Разработана методология физического и математического моделирования рабочих, I процессов тепловых аккумуляторов, которая позволяет решать задачи сложного сопряженного теплообмена в условиях нестационарных режимов работы ТА применительно к СЭДУ и которая позволяет проводить адекватное и информативное описание тепловых процессов в конструкции ТА.

2. Разработаны и созданы экспериментальные установки, позволяющие моделировать процессы течения и теплообмена рабочего тела в каналах ТА, а также процессы тепло- и массообмена в элементах конструкции ТА!

3. Получены и обобщены экспериментальные данные, характеризующие процессы тепло- и массообмена при циклических нагрузках на режимах зарядки и разрядки

ТА, а также определены основные механизмы взаимодействия водорода с материалами конструктивных элементов ТА. 4. Получены законы теплообмена при течении водорода в каналах ТА. Практическая значимость.

Созданный расчетно-методический аппарат позволил провести оптимизацию конструктивных решений и параметров ТА, обеспечив эффективные условия нагрева водорода при минимальных массовых и габаритных характеристиках ТА. Кроме того, созданное программно-математическое обеспечение позволило провести оптимизацию работы высокотемпературных установок, в том числе промышленных плазмотронов при прогнозировании их ресурса и работоспособности. ! ! !

I '

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на XXVI Сибирском теплофизическом семинаре в Институте теплофизики СО РАН г.Новосибирск, на П-ой международной конференции РКТ-2003, а также на научно-технических конференциях молодых ученых МФТИ 1999-2002г.г. и на заседаниях научно-технического совета,1 Центра Келдыша. В ходе работы над диссертацией опубликовано ряд печатных работ, в том числе полная версия доклада в трудах XXVI Сибирского теплофизического семинара, тезисы и доклад в трудах И-ой международной конференции РКТ-2003, две статьи в электронном научном журнале МФТИ и статья в научно-техническом журнале «Двигатель», также ряд работ в виде тезисов и докладов различных конференций и семинаров.

На защиту выносятся:

1. Методика физического и математического моделирования рабочих процессов в,

• 1 > различных конструкциях ТА. •

2. Результаты параметрических расчетов процессов теплообмена при циклическом режиме работы ТА на стадиях зарядки и разрядки ТА.

3. Полученные эмпирические соотношения в виде критериальных законов теплообмена при течении рабочего тела в каналах ТА.

4. Результаты экспериментальных исследований процессов тепло- и массообмена на различных установках ТА.

5. Результаты экспериментальных исследований процессов уноса материалов элементов ТА и стойкости защитных покрытий в газовых средах при высоких температурах.

6. Результаты расчетно-экспериментальных исследований, направленных на оптимизацию параметров рабочих режимов тепловых аккумуляторов с дальнейшими рекомендациями по усовершенствованию их конструкций.

I. » li:

Заключение.

В ходе работы над диссертацией были получены следующие результаты: 1. Разработана методология физического и математического моделирования рабочих процессов тепловых аккумуляторов для описания сложного течения теплоносителя и сопряженного теплообмена в условиях нестационарных режимов работы

ТА применительно к СЭДУ, которая позволяет проводить адекватное и информативное^ т. ! < описание тепловых процессов в конструкции ТА, имеющих осесимметричную , т iiI пространственную конфигурации. . . . . . . -j •!>■-.

2. Разработаны и созданы экспериментальные! установки, позволяющие1 моделировать процессы течения и теплообмена рабочего тела в каналам ТА, а также,

I I процессы тепло- и массообмена в элементах конструкции ТА.

3. Проведенные экспериментальные исследования на установках, I моделирующих течение и теплообмен в каналах ТА, позволили выбрать наиболее эффективные интенсификаторы теплообмена, которыми являются графитовая зернистая' засыпка, вытеснитель и система из многих стержней. '! I

4. Для используемого в экспериментах графитового зернистого наполнителя в; каналах ТА были определены основные характеристики (пористость, распределение зерен по размерам, удельная поверхность, средний размер частиц, тепло физические характеристики и абляционные свойства). ■ \

I ^ U.J

5. Для замыкания физико-математической модели на основании проведенных, экспериментальных и расчетных исследований на модельных .установках были получены, эмпирические критериальные соотношения, описывающие йроцессы теплообмена при! течении рабочего тела (водорода, гелия, воздуха, азота) и его сопротивление в каналах; I

ТА, в том числе для зернистого наполнителя в виде ■ зависимости: fd Y,4Yl V'6

Nu = 0,000085 Pr0,39 Re " 1 T

32 D

IT

Хг J I

6. Получены и обобщены экспериментальные данные, характеризующие!

1 ; процессы тепло- и массообмена при циклических нагрузках на режимах зарядки и; разрядки ТА. Проведенные эксперименты на установке теплового • аккумулятора энергоемкостью 50 МДж ТАКК-50 и на модельной установке энергоемкостью 5 МДж ТАКК-5 показали надежную работу всех элементов конструкции ТА, были достигнуты максимальные температуры разогрева ~2008 К на режиме «заряд». Максимальная';.,

I : II : температура водорода на выходе из ТА на режиме «разряд» составила ~1 £23 К. Анализ! экспериментальных данных и сопоставление с результатами! параметрических расчетов,1! j .1. j процессов теплообмена при циклическом режиме работы ТА на стадиях зарядки и I разрядки ТА показали удовлетворительное совпадение I

7. Проведенные экспериментальные исследования процессов взаимодействия! I материалов и защитных покрытий на элементах конструкций тепловых аккумуляторов в[ I газовой среде водорода при температурах -2000 К позволили определить основные механизмы взаимодействия водорода с материалами конструктивных элементов ТА • и получить рекомендации по улучшению их работоспособности. Так, испытания образцов теплоаккумулирующего вещества ( графит марки МПГ-6, МПГ-6 с SiC-покрытием, ЛГИ*.

I < и

ДЕ-24) на ресурсную стойкость в нагретом водороде ( до 2000 К) показали1, что наиболее!,' эффективными являются материалы на основе высокоплотного с закрытой пористостйк»!;' графита. I 1 I

8. На; основе результатов расчетных исследований конструкций ТА,'

I- • направленных на оптимизацию параметров рабочих режимов тепловых аккумуляторов, были сформулированы рекомендации по усовершенствованию конструкций и рабочих I процессов тепловых аккумуляторов, в частности по выбору эффективной длинь( проточного тракта ТА, размерам и конфигурации теплообменных каналов и др. ; и

9. Созданный физико-методический расчетный аппарат позволяет проводить; I оптимизацию работы высоконагревных температурных установок, в том числе промышленных плазмотронов при прогнозировании их ресурса и работоспособности. На основании выполненных расчетных исследований разработана и успешно испытана новая' конфигурация сопла-анода плазмотрона ПСМ-100, обеспечивающая; более чем;.

I 4 трехкратное увеличение его ресурса за счет исключения эрозии материала стенки.