СОДЕРЖАНИЕ
р ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Ю
1.1 Роль углеводородных топлив в решении проблемы развития техники высоких скоростей полета и современных энергетических установок 10
1.2 Теплообмен при кипении углеводородных топлив 16
1.2.1 Выводы 18
1.3 Стадия однофазного теплообмена и закипания жидкости 19
¥ 1.4 Теплообмен при кипении в условиях наброса тепловой нагрузки 21
1.5 Проблема закипания жидкости 21
1.5.1 Область возможных перегревов жидкости 21
1.5.2 Зарождение паровой фазы в объеме перегретой жидкости (гомогенное заро-дышеобразоваиие) 25
1.5.3 Парообразование на твердой поверхности (гетерогенное зародышеобразова-
ние) 26
1.5.3.1 Роль твердой поверхности в процессе зарождения паровой фазы 26
1.5.3.2 Закипание при тепловом равновесии жидкости и стенки 30
| 1.5.3.3 Закипание в условиях стабильного во времени градиента температур в
пристенном слое жидкости 32
1.5.3.4 Закипание в условиях квазипериодического изменения температурного
поля 36
1.6 Цель работы и предмет исследования 41 ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 42
2.1 Исследование нестационарного теплообмена при кипении 42
2.1.1 Измерение температуры поверхности и плотности теплового потока 42
2.1.2 Определение удельного электрического сопротивления исследуемых материалов 45
2.1.3 Оценка влияния заделки термопар на развитие кризиса 53
^ 2.2 Методы фиксации кризиса кипения 56
2.3 Конструкция и технические характеристики установок 5Я
2.3.1 Экспериментальный стенд для исследования кипения топлив при избыточном
давлении 58
2
2.3.2 Опытная установка для исследования кипения при атмосферном давлении 61
2.4 Методика проведения опытов 67
2.5 Оценка погрешностей эксперимента 70
ГЛАВА 3 ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТЯХ ОБОЛОНКО-ВЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ЗАПОЛНЕНЫХ ТОПЛИВОМ, ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 72
3.1 Характеристики теплообмена (критерии разрушения) 72
3.1.1 Время наступления кризиса кипения 76
3.1.2 Время закипания жидкости 90
3.1.3 Коэффициент теплоотдачи при нестационарном кипении 92
3.1.4 Первая стационарная критическая плотность теплового потока 93 ГЛАВА 4 ОБЛАСТЬ ВОЗМОЖНЫХ ПЕРЕГРЕВОВ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ И
ИХ КРИЗИС ТЕПЛООТДАЧИ 97
4.1 Экспериментальное определение температуры предельного перегрева углеводородных топлив. Рекомендация расчетной зависимости 101
4.2 Обобщение экспериментальных данных по определению времени наступления термодинамического кризиса теплоотдачи углеводородных топлив 108
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113
►
I
3
ОБОЗНАЧЕНИЯ а - коэффициент температуропроводности, м2/ с,
А,В - константы,
Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг К),
Э - диаметр, м (мм),
Е - энергия, переданная в жидкость с единицы поверхности, Дж/м2, Г - функция,
Р - площадь, м2,
й - ускорение силы тяжести, м/с2, вг = 8 Р АТ / V2 — число Грасгофа, ш,п - показатели степени,
J - силы тока, А,
Ла = ср р'АТ / (г р") - число Якоба,
С - длина, характерным размер, м(мм),
= (о/ (р' - р"))),/2~ постоянная Лапласа, м,
N11 = аУХ - число Нуссельта, р~ давление, МПа,
Ре = \У (/ а - число Пекле,
Рг= \’/а - число Прандтля,
О -тепловая мощность, Вт, q - плотность теплового потока, Вт/м ,
И -радиус, м,
Ка =Сг Рг- число Рэлея, г - теплота парообразования, Дж/кг,
5 - солесодержание, мг/кг,
Т - температура, К (С),
АТ - температурный напор, К, и - падение напряжения, В,
- скорость, м/с,
V - объем, м\
а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К), р - коэффициент объемного расширения, К'1, б- толщина стенки нагревателя, м (мм),
О- краевой угол смачивания,
X =( к ср р),/2 - коэффициент теплоусвоения, Вт с0,5/ (м2 К),
X- коэффициент теплопроводности, Вт/(м К),
p - коэффициент динамической вязкости, Па с, v - кинематический коэффициент вязкости, м2 /с, р - плотность, кг/м3,
к
о - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, т- время, с (мин., час.),
НИЖНИЕ ИНДЕКСЫ D - отрыв пузыря, кр. - критический,
Kpl,КР2- первый и второй кризисы кипения, конв. - конвективный, н - нестационарный, нар. - наружный,
^ н.к. - начало кипения,
мед. - недогрев, о -отрывной,
п.к. - предварительное кипение,
пов. - поверхность,
пуз. - пузырь, пузырьковое кипение,
пр. - предельный перегрев жидкости,
р - расчетное значение, (при постоянном давлении),
ст - стенка,
\ э - экспериментальный, электрический,
экв. - эквивалентный, я - ячейка, f - теплоноситель, s - условие насыщения, w - параметр на стенке.
ВЕРХНИЕ ИНДЕКСЫ
' - жидкость,
I ж"пар’
нед. - недогрев,
w - скорость,
и.к. - начало кипения
Остальные обозначения поясняются в тексте
5
ВВЕДЕНИЕ
Развитие ряда отраслей энергетики, современной ракетно-космической техники, самолетостроения связано с проблемой отвода весьма значительного количества тепловой энергии. Одним из наиболее эффективных видов высокофорсированного теплообмена является кипение. К настоящему времени проведены обширные исследования по изучению закономерностей теплообмена при кипении в условиях штатной эксплуатации энергетического оборудования. Одной из таких задач является исследование энергетических конструкций под воздействием мощного теплового удара с целью получения надёжно обоснованных показателей теплового состояния, в частности - изучение теплообмена при кипении в резко нестационарных условиях, переходных и аварийных режимах. Теплообмен при нестационарных тепловыделениях исследован значительно в меньшей степени, чем другие вопросы кипения. А использование в моделях нестационарного теплообмена зависимостей, полученных в стационарных условиях, приводит к существенным ошибкам.
На практике в реальных энергетических аппаратах могут возникнуть быстрые изменения режимных параметров, во много раз превышающие скорость развития процесса кипения, в том числе тепловой удар.
Если в отношении теплообмена при кипении в стационарных условиях требуется совершенствование имеющихся расчётных методов, то для определения характеристик кипения при ударных нагрузках такие методы потребовалось создавать вновь, поскольку отсутствует научная база для их разработки, а имеющиеся экспериментальные данные немногочисленны и носят отрывочный характер.
В настоящее время летательные аппараты (ЛА) достигают больших скоростей полета, вследствие чего наблюдается аэродинамический нагрев элементов конструкций. Как отмечается в работах Фаворского О.Н. и Курзинера Р.И., топлива в условиях больших скоростей полета являются практически единственным источником холода, обеспечивающим работоспособность энергетической установки. Реактивные топлива современных высокоскоростных самолетов используются для охлаждения наиболее теплонапряженных поверхностей лишь в жидкой фазе.
Существенное увеличение интенсивности теплоотвода может быть достигнуто увеличением предельных температур нагрева топлив и использования теплоты их парообразования. Проблема использования кипящих топлив для охлаждения двигателей требует решения ряда задач, одной из которых является определение закономерностей теплоотдачи в условиях кипения и определение верхней границы (спинодаль) области возможных перегревов топлив.
К настоящему времени число опубликованных работ по многокомпонентным углеводородным смесям весьма незначительно. Нефтепродукты и углеводородные топлива, в
частности, обладают рядом особенностей. Во-первых, различие в природе нефти, непостоянство углеводородного состава топлив одной и той же марки, связанное с нефтехимическими процессами ее переработки, сказывается на их фракционном составе и прежде всего на температурах начала и конца кипения. Во-вторых, при нагреве топлив снижается термоокислительная стабильность и образуется кокс на стейках каналов, выделяются газы, обогащающие пристенный слой и в то же время способствующие испарению жидкости.
Развитие современных жидкостно-реактивных двигателей (ЖРД) связано с повышением удельного импульса тяги, которое возможно из-за применения высококалорийных топлив. При этом возникают новые проблемы по охлаждению камеры сгорания ЖРД, так как высокие плотности теплового потока создают большие степени перегрева охладителя в пограничном слое. Поэтому определение границ области, в которой возможно существование жидкой фазы, является важной задачей при создании эффективного охлаждения камеры сгорания ЖРД.
Из отмеченного выше следует, что исследование закономерностей кризиса теплоотдачи при кипении углеводородных топлив в условиях наброса тепловой нагрузки является актуальной научной задачей.
Цель работы заключается в разработке методов расчета термодинамического кризиса теплообмена при кипении углеводородных топлив в условиях наброса тепловой нагрузки, многократно превышающей критическую.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные задачи:
^ Построение и анализ экспериментальных зависимостей температуры теплоотдающей поверхности на границе стенка-топливо в нестационарных процессах в условиях ступенчатого тепловыделения.
^ Опытное определение температуры предельного перегрева реактивного топлива ТС-1, бензина АИ-93, дизельного топлива Л-02-40 на образцах с размерами, соответствующими реальным поверхностям.
^ Совместный анализ и сопоставление результатов визуализации эксперимента и температурных зависимостей.
^ Изучение режимов теплообмена при «набросе» теплового потока, многократно превышающего критический; опытное определение времени наступления кризиса кипения.
^ Определение области возможных перегревов углеводородных топлив и рекомендация метода расчета температуры предельного перегрева топлив.
^ Разработка зависимостей для расчета времени возникновения термодинамического кризиса теплообмена ткр.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах, выносимых на защиту :
> разработана методика расчета термодинамического кризиса теплообмена при кипении углеводородных топлив;
> получены экспериментальные данные по времени наступления термодинамического кризиса кипения ткр топлив и других жидкостей при «набросе» тепловой нагрузки, превышающей на порядок и более критическую, на границе стенка-теплоноситель в широком диапазоне нсдогревов и давлений;
> разработана методика определения границ возможных перегревов реактивных топлив;
> получена зависимость, позволяющая оценить при известном цкр.| время ткр., в течение которого при заданном уровне набрасываемой удельной мощности существует эффективный теплообмен жидкости с теплоотдающей поверхностью;
Достоверность полученных результатов, обеспечивается использованием апробированных методов исследования процесса кипения, а в случаях применения новых экспериментальных методов - их тщательной отработкой, внимательным анализом всех видов погрешностей; подтверждением надежности экспериментальных исследований служит хорошее согласование результатов контрольных экспериментов с данными других авторов. Достоверность и обоснованность теоретических результатов обеспечивается тем, что все модельные представления работы опираются на надежные экспериментальные исследования процесса кипения, и подтверждаются численными оценками в процессе анализа.
Практическая ценность заключается в возможности повышения надежности энергетических установок (ЭУ) и объектов, в том числе большой мощности. Общие результаты исследований позволяют создать более точные методики расчета систем охлаждения энергетических установок, которые функционируют в крайне нестационарном и форсированном во времени режимах. Результаты исследований, приведенных в работе, позволят определить:
• область возможных перегревов топлив;
• температуру начала закипания реактивных топлив при набросе тепловой нагрузки, многократно превышающей критическую;
• время эффективного теплообмена от начала ступенчатого тепловыделения.
• время разрушения конструкции ЭУ при заданной мощности тепловыделения;
Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на
НТО лаб. 102, отд. 10 ОАО НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, г. Санкт-Петербург, 2005г. НТС кафедр «Энергетические и промышленно-гражданские сооружения», «Компьютерные
технологии и эксперимент в теплофизике» СПбГПУ 2005г., НТС кафедры «Электротехники и Электроники» КамПИ в 2004,2005 годах.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 6 печатных работ.
Объем н структура работы. Диссертация изложена на 120 страницах, состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, заключения и списка использованной литературы из 99 наименований. Текстовая часть иллюстрируется 6 таблицами и 60 рисунками.
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Роль углеводородных топлив в решении проблемы развития техники высоких скоростей полета и современных энергетических установок
Развитие современной ракетно-космической техники, самолетостроения и ряда отраслей энергетики связано с проблемой отвода весьма значительного количества тепловой энергии [1] (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 Распределение удельных тепловых потоков по длине сопла: 1. Вход я=( 1... 5) 106 Вт/м2 Чк= (0.7...0.9)Ч Критическое сечение Я=(20...80)106 Вт/м2 ЧК=(0.85...0.95)ч Выходное сечение 4=(0.5...3)106 Вт/.ч2 Чк=(0.97...0.99)я
Я - количество тепла, передаваемое потоком рабочего тела стенкам сопла;
Як -количество тепла, передаваемое конвекцией; Ял -количество тепла, передаваемое лучеиспусканием
В обзоре доклада [2] по основным направлениям развития современной ракетно-космической техники и возникающим при этом научно-техническим проблемам было отмечено, что проблема тепло- и массообмена является одной из ключевых при создании как
- Київ+380960830922