автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Интенсификация теплообмена при течении реактивных топлив сверхкритического давления в каналах силовых установок летательных аппаратов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ г и Г» ПО ВЫС1МУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

УДК 536.24

На правах рукописи ПОДПОРИН Игорь Валентинович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТЕЧЕНИИ РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В КАНАЛАХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

I

Специальность 05.1^.05 "Теоретические о '-■•..] теплотехники"

V

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва Издательство МАИ 1993 г.

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационном институте имени Серго Орджоникидзе

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент ¿.С. Мякочин

доктор ¡технических наук,профессор В.М. Ерошенко

кандидат технических наук, доцент М.Д. Диев

Ведущая организация

НПО "Сатурн" имени А.М. Люлька

Защита состоится на заседании специализированного Совета КР 053.04.01 при Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационном институте имени Серго Орджоникидзе в ауд. 201 корпуса № 2.

Дата защиты будет сообщена дополнительно.

. Отзывы в однш экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адсжсу: 125871, Москва, ГСП. Волоколамское шоссе, Д. 4, I А И. •

С диссертацией моино ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан " ^ " 1993 года.

Ученый секретарь Совета, кандидат технических наук, доцент

Т.В. Михайлова

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследования в нвшей стране и зв рубахой показали, что рвактивные топливе могут успешно конкурировать с водородом при больших скоростях полета ( Мл = 6 * 12), используемые в качества топлив и хладоэгентов на борту Ш.

Для обеспечения требуемого расхода-реактивные топлива в магистралях Ж находятся при высоких давлениях, чаще всего, превышающих критическое. Для эффективной реализации охлаждения систем £Д реактивным топливом требуется знание закономерностей теплоотдачи к топливу. Сверхкритическая область характеризуется резким и немонотонным изменением физических свойств, что, в свою очередь, приводит к возникновению аномальных режимов теплоотдачи. Механизмы теплообмена при сверхкритических давлениях (СКД) изучены недостаточно, существуют различные оценки относительно причин возникновения "ухудшенных" режимов теплоотдачи. Кроме того, практический интерес представляет процесс коксоотлохений в каналах, образующихся при нагреве углеводородных реактивных топлив, интенсивность которого в жидкой фазе гораздо выше, чем в перовой.

В ряде случаев, ваяно снизить температурный напор и температуру стенок, уменьшить массу и габариты теплообыенного устройства. Б случае использования реактивных топлив СВД может понадобиться более аффективная теплоотдача для предотвращения перегрева или разрушений систем в случае возникновения режимов "ухудшенной" теп-лоотдвчи. Все эти случаи требуют интенсификации теплообмене. В литературе практически нет данных по интенсификации при течении жидкостей СКД, поэтому, исследования в этой области представляются актуальными.

Цель работы: 3. Получить расчётные зависимости и рекомендации ко теплообмену и его интенсификации при течении реактивных топлив СКД при Т/ Тда.

2. Выбрать эффективный метод интенсификации теплообмена и провести экспериментальные исследования.

3. Оценить влияние коксоотлохений на теплообмен в гладких каналах и кенвлах с интенсификаторами. Исследовать влияние интенсификации теплообмена на процесс новообразования.

4. Дать практические рекомендации по использованию реактивных топлив СЛСД в качестве охладителей систем охлвждения ЛА.

Научная новизна: Впервые исследовался процесс теплоотдачи и его интенсификации при течении реактивных топлив СКД в широком диапазоне режимных параметров.

2. Предложены критариалыша зависимости по теплоотдаче I широкой диапазоне релшмных параметров.

: 3. Подучено увеличение теплоотдачи г 4 и более раз при использовании труб с накаткой, что иедостихимо для теплоносителей с постоянными физическийи свойствами.

4. Найдены оптимальные режимные параметры при использовании каналов с турбулизатораыи.

5. Установлено неоднозначное влияние интенсификации теплообмена (при помощи накатки) на процесс коксообразования в каналах.

6. Оценено влияние коксоотлолсений на теплообмен кэк в гладких, так и в каналах с турбулизаторвми.

7. Впервые получены коэффициенты теплопроводности коксоотлолсений для реактивных топлив РТ, Т - 6 и Н - октана в широком диапазоне режимных параметров.

Практическая ценность работы состоит в том, что впервые изучалась теплоотдача и ее интенсификация при течении реактивных топлив СКД. Полученные зависимости для теплообмена позволяют рассчитать коэффициенты теплоотдачи в широком диапазоне решаных параметров. Определены режимные параметры для наиболее эффективного использования труб с накаткой. Определены коэффициенты теплопроводности отложений. Найдены области режимных параметров, где использование труб с накаткой не приводит к существенному перегреву стенок из-за влияния коксоотлонений.'

Реализация результатов. Результаты работы используются для проектирования теплообыекных устройств и расчёта реальных тепловых процессов, что подтверждено, актом о практическом использовании.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментальных исследований теплоотдачи при течении реактивных топлив СКД при Т/ < ,

2. Результаты экспериментальных исследований интенсификации теплообмена е помощью плавно очерченных выступов.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния коксо-отложекий на теплообмен в гладких и накатанных каналах, э также влияние интенсификаторов" на процесс коксообразования.

4. Обобщенные зависимости по теплоотдаче в гладких каналах

и каналах с накаткой, по теплофизическиы характеристикам коксоотлолсений и их влиянию на теплообмен.

5. Рекомендации по выбору и использованию реактивных топлив СКД в качестве охладителей элементов ЛА.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докдьдывэлись на Ш Всесоюзном школе-семийаре "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", г. Алушта, 3989 г.; XIX Научно-технической конференции молодых учёных, ИТ1Ф АН УССР, г. Киев, 3990 г.; УП Научно-практической конференции "Опыт эксплуатации и пути совершенствования теплообменного оборудования", г.Севастополь, 1991 г.; Научно-технических семинарах по современным проблемам термодинамики и теплопередачи в МАИ, 1991-1992 гг.; П Минском международном форуме по тепло- и мэссообмену, г.Минск,

1992 г.; Российско-китайской конференции "Двигатели и энергетические установки ЛА", г. Москва, 1992 г.; I Международной конференции по космическим теплообыенныы технологиям, США, Пал-Алто,1993г.; Конференции ЦРДЗ "Изготовление тэплообыенной аппаратуры", г.Москва,

1993 г.; У1 Международной симпозиуме по процессам переноса в тепловом оборудовании, Корея, Сеул, 1993 г.

Публикации. Но материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5-и глав, выводов, списка литературы.

Диссертация содержит 333 страницы, основного текста - 90, рисунков - 48, таблиц - I. Список литературы включает ИЗ наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснована' актуальность, практическая значимость работы, сформулированы основные задачи исследования и области применения результатов работы.

В главе I проведен обзор современного состояния вопросов изучения теплообмена и его интенсификации при сверхкритических состояниях. Отмечено, что теплообмен при свархкритических давленижобладает рядом особенностей, связанных с резким и немонотонным изменением теплофизических свойств. Особое внимание исследователей уделено "ухудшенному" режиму теплоотдачи, при котором возможно разрушение теплообменных систем вследствии резкого повышения температуры стенки. В нескольких работах отмечается большое влияние массовых сил в турбулентной области течения на теплообмен при течении жидкостей СКД в горизонтальных каналах. Объясняется этот эффект неличном большого градиента плотности по радиусу канала.

Отмечается наличие в литературе большого количества расчетных зависимостей, моделей для расчета теплообмене в сверхкритической области. Но гее эти зависимости применимы г узком диапазоне режимных параметров для конкретных теплоносителей. Отмечено, что в литературе практически нет данных по теплоотдаче к реактивным топлива« СКД и исследования в этой области представляются важными и целесообразными.

Рассмотрена проблема коксообразований в каналах, влияние отложений на теплоо&ен. Описаны возможные пути образования отложений и споообы их уменьшения.

Подчеркнута мадоизученность интенсификации теплообмена при течении теплоносителей при СКД. Отмечен метод интенсификации, рвзработэнный в МАИ, при помощи шшноочерченных выступов,которые получаются в результате обкатки роликом определенной толщины с наружной стороны трубы. При определенных размерах накатки и определенном диапазоне режимных параметров возможен опережающий рост теплоотдачи над гидросолротивланием.

Доказывается необходимость экспериментального исследования теплообмена и его интенсификации при течении реактивных топлив СКД.

В главе 2 поставлена задаче исследования,описанэ методика экспериментального исследования, приведены описания экспериментальных установок и рабочего веществе, двнв оценка погрешностей измерений.

В качестве рабочих веществ использовались реактивные топлива РТ, Т-6 и Н-октан. Исследования теплоотдачи проводились на электротермической установке (рис.1) разомкнутого контура с рабочим участком горизонтального расположения, нагреваемым проходящим через него переменным током. Лидкое топливо из расходного бака 5 подеется шестеренчатым нвсосом 2 типа 663П в электронагреватель 15, где производится предварительный подогрев топлива, после чего, топливо поступает в экспериментальный участок, где нагревается до заданной температуры и измеряются все параметры, необходимые для обработки результатов экспериментов. Затем, топливо поступает в последовательно расположенные водяные холодильники, где происходит интенсивное охлаждение топлива до (20 + 30)%. В конструкции установки предусмотрена возможность азотирования топлива, непосредственно перед прокачкой через систему, в расходном баке с помощью пропускания азота.

В качестве рабочих участков использовались цельнотянутые трубки и8 нержавеющей стали 12Х18Н30Т внутренним диаметром 1,0 и 4,0мм,

б

толщиной стенок 0,5 и 1,0 мм, соответственно, и длиной 1,0 м. В экспериментах было использовано 47 образцов. Кроме гладких каналов использовались трубки с плавноочерченными выступами ( накаткой) различных типоразмеров (^/р = 0,95; 0,92; 0,875 ; 0,85; = 0475; 1,0; 1,5; 2,0 ).

Измерение температуры стенки опытных участков производилось по верхней и нижней образующим в 20 равнорасположенных сечениях. В опытах намерялись также: давление на входе и выходе, расход топлива, температуры на входе и выходе из образца, падение напряжения на экспериментальной трубе и сила тока.

Так как температуры верхней и нижней образующих заметно отличались, коэффициент теплоотдачи в каждом сечении осреднялся по периметру. Для определения тепловых потерь перед каждым экспериментом проводилась "сухая" тарировке образцов. Максимально возможная относительная погрешность определения М/ не превышала *18,5?8

После испытаний на стенде с омическим нагревом рабочие участки разрезались на 20 частей по 50 мм электроискровой сверкой.Часть фрагментов разрезалась ещё и вдоль для микрофотографирования. Остальные фрагменты фотографировались с торцевой стороны и выжигались в потоке кислорода не установке микроэлементного анализа с целью определения массы отложений. Конечной целью являлось определение коэффициентов теплопроводности отложений.

Глева 2 посвящена обобщению результатов исследований теплоотдачи и её интенсификации.

Режимные параметры изменялись в следующих интервалах: Р = (3 * 5 ) ЫПа; ¿вк = (20 + Ю0)°С {XV = (I » 350) ЛО2 ;

Ю3 * Ю6 Вт/и2 ; С = (2 * 140 ЬЮ-4 кг/с.

С целью исключения влияния коксоотложзний на теплоос^ен, все режимные параметры снимались на "чистых" квналах.

Для ламинарной области течения автором делались оценки- влияния свободной конвекции по двум критериям: 2 и . Влияние свободной конвекции считалось большим, если <^/^.'>0,01 или > I.

В первом случае определялся по формулз

Значения ¿»^определялись по формуле ^

*-тт:- ( г )

( I )

Ре"/-/) (3)

Для всех режимов в ламинарной области течения и что подтверждалось экспериментальный к значениями

температур стенки на верхней и нижней образующих как для труб диаметром так и 1 мы.

После обработки, экспериментальных данных можно рекомендовать следующие соотношения для ламинарной области течения (РИС- 2 . - „

^ РУ ' ' Ре, О''

/ /

при— — ^ 0,037

при ^Г >0,037.

На рис.3 дены коэффициенты гидравлического сопротивления, полученные в наших экспериментах, сопоставленные с зависимостью Хаген - Луэзейля.

На турбулентных режимах на к&нэлах 0 4 мм разница температур верхней и нижней образующих достигала 50°С, что гораздо больше, чем в ламинарной области,что согласуется с известными денными. Отмеченная специфика связана с влиянием архимедовых сил на процесс теплообмена из-за сильного изменения плотности теплоносителя по радиусу.

Эксперименты показали (рис. 4 ), что для каналов 0 4 мы даже при числах=.23000 влияние массовых сил велико. Видно, что 2 < ао всей длине канала, что не соответству-

ет действительности. Анализ экспериментальных денных показал,что при =2300 для оценки елияния массовых сил на теплооСмея надо пользоваться критерием •

Для описания теплообмена при ^ 30^ при течении реактивных топлив СКД можно рекомендовать следующую формулу (рис.5 и 6 ):

У» _ /ЛУ//У (5)

¿н. - ¿^

Здесь вычисляется как

где

Формула (5) с погрешностью * 10 % описывает режимы как с "нормальной" , тек и с "ухудшенной" теплоотдачей, которые возникали при 7* > 7~~> и .

Параметр 7/ /7^, оказывает существенное влияние не теплоотдачу. Снижение теплоотдачи при 0,92 7//Тп* ^ I вызвано ростом /£•//£ (при 7*, / 77* &I). Яри =1 и

7//7И, - I» т.е. в области квезиизотермичности, коэффициент теплоотдачи достигает максимума, что обусловлено максимальным значением изобарной теплоёмкости ¿?р . Увеличение теплового потока фь (при ) приводит к усилению неизотермичности 7*,/7/ и коэффициент теплоотдачи уменьшается.

Таким образом, увеличение , когда 7/ находится в

окрестности , приводит к ухудшению теплоотдачи, что соответствует известным данным для СО^ и воды сверхкритических параметров.

Формула (5) проверялась на топливвх РТ, Т-6, Н-октане.Этой формулой нельзя пользоваться, когда Тх ~%>/*</. , т.е. когда начинают протекать химические ревкции разложения топлива на отен-ке.

Для переходной области течения 2300 * & < ю'1' значения ЛЬ считались методом осреднения по методике, предложенной Л.А.Вули-сом:

( 8 )

На рис. ? представлено описание коэффициентов/* при

^ 6000 с учетом шероховатости: '

при £ V 5

¿--«Ш. ( 9 )

Для 5 ^ ^ < 60 расчет ведется до формула Коулбрука - Уайта ( кривые 2 и 8 ):

В наших экспериментах величина к* изменялась в пределвх

2 ^ /Г V 60 .

Вторая часть 3 главы посвящена интенсификации теплообмена при помощи плавноочзрченных выступов (наквтки). Накатанные трубки были диаметром 4 мм. Режимные параметры были такими же, как и в экспериментах на гладких каналах, за исключением чисел & , которые не превышали 2.10*4

При проведении экспериментов, оказалось, что посла 10® разницы г температурах верхней и нижней образующими нет. Это подтверждается так» рис.8, из которого видно, что после } 10^ теплоотдача начинает возрастать ( увеличивается перемешивание у стенки) в накатанном квнала» Использования накэтки для малых чисел неэффективно, т.к. в этом случает теплоотдача даже несколько снижается из-за термосопротивления малоподвижных зон между диафрагмами.

На рис. 9 представлены данные по влиянию глубины накатки на_. интенсификацию АЬ/М/гл . Максимум значений приходится не - (4,0 4- 6,0) 10^ и составляет 3,8 (что существенно вшю,.чем на жидкостях с постоянными физическими свойствами), причем в этой области чисел £е выполняется условие )/#//„)> I.

Обнаружено также, что переход от более плавного профиля к более резкому ведет как увеличению ( /А ), так и увели-

чению (^Г //>„ ).

Наиболее эффективной накатка оказывается для интенсификации режимов о !ухудшбякоЙ" теплоотдачей (рис. 10).

Обобщая экспериментальные денные по интенсификации режимов с Нормальной" теплоотдачей, можно рекомендовать следующие соотношения для £е> Х2000 и Рг- - 2 * 8,5 :

для <//р = 0,85 1- 0,95 и ¿/р = 0,75 + 1,0

для ^/о = 0,85 * 0,95 и 1,0 * 2,0

£ = >

В главе 4 представлены данные по влиянию коксоотложений на теплообмен. Определены теплошизические свойства кокса. Обнаружено неоднозначное влияние интенсификации на процесс коксоотложений.

Фотографирование испытанных образцов доказало, что отложения начинают выпадать в виде ыелкопористых пятен, которые состоят из отдельных сфероподобных глобул. По мере наработки отложе-^_ ния покрывают всю металлическую поверхность. Доля поверхности покрываемая отлоданияыи, может быть описана соотношением вида (рис.12):

I -/+МР/-0&3 ( 13 )

где = I, & - эмпирический коэффициент.

Скорость роста отложений по мере нароботки убывает от начального ( наибольшего ) значения до стационарного (рис.12 ). Более высокую, по сравнению со стационарной, начальную скорость образования отлокений можно объяснить каталитическим действием металла поверхности. Время перехода от начального значения до стационарного, соответствует времени полного покрытия отложениями металлической поверхности (рис.12).

Термическое сопротивление отложений &глможет быть описано аналогично :

/лсгх

Здесь * -5 Ю ; Р Значение

соответствует случаю, когда какал 0 4 мм полностью закоксован.

Данные по коэффициентам теплопроводности отложений для разных топлив были обобщены совместно с Л.С.Яновским (ЦИАМ) и представлены в форме номограммы (рис.13). Здесь 1-€0 Вт/м ; 2-50; 3-40; 4-30; 5-20; 6-10; 7-1,0; 8-0,5. Параметр введен для учёта того, что кокс по толщине имеет различные значения X вследствие неоднородной структуры.

Обнаружен эффект, когда кокс на начальном этапе образования интенсифицирует теплоотдачу за счёт неровностей. Обнаружен также э(цфект перегрева стенок из-за наличия паровой фазы в порах отложений. Этот эффект проявляется, как пр&вило, на турбулентных режимах,

II

когда . Поэтому, на практике, температура стенок канала

может- быть горвздо выше температуры, расчитаяяой с учётом Аля

и •

На рис. 14 показано влияние изменения температуры стенки трубок в двух сечениях ( 3 - = 0,325 ; 2 - 0,675) вследствие применения накатки на скорость перегрева^бУ, % М и скорость образования отложений /п №. Бидно, что интенсификация

теплоотдачи, снижающая температуру стенки, с углублением накатки приводит внвчале к рооту скорости образования отложений и перегреву стенки, а затем, достигнув максимума, - к снижению этих величин. Причина такого влияния интенсификации теплообмена заключается в следующем. Дри высоких начальных температурах стенки,когда скорости реакций окисления топлива и образования продуктов окисления - вещества отложений - велики, образование отложений лимитируется диффузионными процессами. Поэтому интенсификация теплоотдачи в этой области одновременно усиливает ыассообмен, т.е. доставку неокисленного топлива к горячей поверхности, что приводит к росту отложений. Когда же температура стенки понизится настолько, что кинетика реакций окисления станет лимитирующим фактором, интенсификация теплоотдачи будет способствовать снижению количества отложений.

Процесс образования отложений в каналах с накаткой является такой же, как и в гладких каналах, с той лишь разницей, что очаги отложений возникают в начале за выступами, а основная масса отложений и перегрев стенок приходится на область, где температура стенки колеблется от 350°С до 400°С., что было характерно для всех типоразмеров накаток. Эти температуры соответствуют активному химическому взаимодействию топлива с растворенным в нем кислородом.

Операции предварительного обескислороживания топлива позволили практически устранить образование отложений, что позволяет более эффективно применять трубки с накэткой.

Пятая глава посвящена расчёту теплообменника двигателя "5711". Необходимость применения теплообменнике, включенного в систему подачи топлива, обусловлена необходимостью защиты от высокого лучистого теплового потока от внутренней стенки кольцевой камеры сгорания. Теплообменник выполнен в виде цилиндрического экрана, кон-центрично расположенного внутри цилиндрической стенки камеры сгорания. На наружной поверхности экрана вдоль его образующей приварены 60 трубок с равным шагом размещения по окружности цилиндра.

Предварительные стендовые испытания показали, что на 2-ом часу работы двигателя происходит частичное закоксование эжектор-ных отверстий в микропилонах диаметром 0,3 мм, через которые топливо подаётся в камеру сгорания.

Результаты расчёта приведены на рис. 15 для топлива.РТ и Р = 5,0 МПа.

Значения температур стенки ( ло длине убывает) можно считать приемлемыми, т.к. ореднеыассовая температура далека от температуры ¿т , а частичное разложение топливе положительно повлияет на процесс горения в камере сгорания. Не том же рисунке приведено расчётное значение температуры стенки для трубы

с <///> = 0,85 и ¿/¿) = 1,0. Перегрев топлива в накатанном канале составит порядка 15°С.

, Применение накатки позволит интенсифицировать процесс коксо-обрэзования и осадить практически весь кокс в трубке, тем самым защищая от зококсовывания эжекторные отверстия в пилонах подачи топлива. Величина перегрева здесь соответствует испытаниям на , установке (рис.1) трубок для =2 часа (максимальное время работы двигателя ) при схожих режимах параметрах ( Р , £ ,).

Основные результаты и выводы '

1. Впервые исследовался процесс теплоотдачи и его интенсификации при течении реактивных топдав С£СД в широком диапазоне режимных параметров.

2. Предложены зависимости для расчета теплообмена в широком диапазоне режимных параметров, в том числе, при возникновении режимов "ухудшенной" теплоотдачи.

3. Обнаружен эффект влияния массовых сил на теплобмен в турбулентной области в трубвх диаметром 4 иы из-за большого градиента плотностей по радиусу канала, что необходимо учитывать, т.к. разница температур верхней и нижней образующими может достигать больших значений.

Найдена зависимость по теплообмену для каналов с квквткой при > 12000. Получен эффект интенсификации теплоотдачи в четыре и более раз при применении труб с накаткой. Целесообразным является использование труб с накаткой в переходной области течения,где эффекты интенсификации максимальны. Наиболее эффективным является использование этих труб для "подавления" режимов с "ухудшенной " теплоотдачей. Определены режимные параметры и параметры накатки, для которых выполняется условие ( Л^/Лбы )/ ^^ > I.

Эффекты интенсификации в переходной области выше, чем для теплоносителей с постоянными физическими свойствами. При использовании труб с накаткой неравномерность температур по сечению (влияние массовых сил ) исчезает.после /^^3000.

Показано, что при & < 1000 использование труб с накаткой нецелесообразно, т.к. в этом случае наблюдается даже некоторое повышение температуры стенки из-за наличия терыосопротивления застойных зон.

5. Обнаружено, что накэтка неоднозначно влияет на процесс коксоотложений, несмотря на снижение температуры стенки, возможны режимы, когда превалирующим является процесс доставки растворенного в топливе кислорода к стенке и тогда, происходит процесс активного осаждения кокса.

6. Подучены данные по динамике роста отложений, их толщине

и пористости. Определена скорость роста отложений и их коэффициент теплопроводности Ат ( терыосопротивление ). Получены зависимости роста термосопротивления от времени наработки.

7. Показано, что перегрев стенки неоднозначно определяет толщину и массу отложений (при переходных и турбулентных режимах течения неровности коксоотложений могут служить интенсифика-торами с одной стороны, с другой стороны - наличие паровой фазы

в порах кокса создает дополнительное терыосопротивление ).

Обнаружено, что при температурах стенки (350-400)°С происходит наиболее интенсивное выделение кокса вследствие наиболее активного взаимодействия горячей стенки и растворенного в топливе кислорода. Для каналов с накаткой характерно пикообразное рвслределени кокса при этих темпера турах.

8. Б целях снижения процессов коксообразования в каналах рекомендуется использование обескислороженных топлив и применение труб с накаткой в определенных режимных параметрах в частности, чтобы температура А- стенки канала не превышала 350°С, так как выше начинаются процессы активного коксоотложения.

9. Полученные расчетные -зависимости были использованы для рвсчета теплообменного аппарата изделия "57 М". Показано, что в результате применения труб с накаткой удается снизить температуру стенки трубок и, вместе с тем, интенсифицировать процесс кок-сообразоЕэния и осаждения его на стенках трубок с целью звщиты от закоксовывения эжекторных отверстий лодачи топлива в кеыеру сгорания.

Условные обозначения:

- теплоемкость; Р - диаметр канала; - диаметр отверстия диафрагм; / - функция; G - массовый расход; ускорение свободного падения; ¿' - энтельгшя; А - высоте элементов шероховатости; - безразмерная высота элементов шероховатости; d - длина канала; /Л - масса отложений; Р - давление; £ - плотность теплового потока; ß - термическое сопротивление; ^ - шаг размещения диафрагм; t,T - температура; Z>t - температурный напор; tV - скорость; Л - коэффициент теплоотдачи; /5 - коэффициент объёмного расширения; ¿Г -толщина стенки, слоя отлокений; Д - коэффициент теплопроводности; - коэффициент динамической вязкости; - плотность; с - время; // - коэффициент кинематической вязкости; -коэффициент гидравлического сопротивления;

Индексы: гл - гладквя поверхность; * - кокс; л - лэг ыинарный; - накатка; а** - отложения; лер - переходный» f>p - предельный; г - турбулентный; / - величина, определенная по среднемассовой температуре потока; /г> - псевдофэзовый переход; Р - величина, определенная при постоянном давлении; W - величина, определенная по температуре поверхности; ~~ - среднее значение величины; « - начальный момент времени иди жидкость с постоянными свойствами.

Основные материалы по теме диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Яновский Л.С., Мякочин a.C., Подпорин И.В. Исследование теплоотдачи к тодлинам сверхкритического давления при течении

е каналах // Тепло- и мэссообмен в элементах конструкций авиационных двигателей: Тем.сб, нэучн.тр./ МлИ. - И.: изд-во МАИ, 1992, с. 48-52.

2. Мякочин A.C., Подпорин И.В. Интенсификация теплообмена при течении углеводородных топлив СКД // Тезисы Российско-китайской конференции "Двигатели и энергетические установки летательных аппаратов, Москва, 1992, с. 46.

3 РгеЖел (ZA., Ja/Wfst/Ро^рел,» / К

ctf A/Jr-cea/^doh /ь>е/г «г £»/

spowcs-a^/ />y/>-Se*ri/>es'a6//«e sfoc/oses #¿Zvceec/s/rpr г>/ ¿/te /''"sl* ihfer-zraforte/ ган/е^г^ге ¿?/r ae^s/ooce JtO»/ ¿f/w/^ Лэ/а , , ¿/S/}^

V//J , P- .

4. Дрейцер Г.А., Яновский Л.С., Ыякочин A.C., Подпорин И.В., Филиппович Е.В. Образование и подавление коксоотложений в теплообменниках на органических теплоносителях // Научно-технический семинар "Изготовление теплообменной аппаратуры", ЦРДЗ, Москва, 1993, с. 98-106.

&03ДУХ Азог

Рис.1 1-бак закачки топлива; 2-насос; 3-предохрани-тельный клапан; 4-фильтр; 5-расходшй бак; 6-вентиль; 7-трехходовой кран; 8-штихпробер; 9-уравнительный бак Ю-теплообменнкк; П-кран с электроприводом; 12-дат-чик расхода; 13-электроконтактный манометр; 14-терыо-пара; 15-электронагреватель; 16-манометр; 17-реактор; 18-холодильнж; 19-регулировочный кран; 20-топлиао-газовый отделитель; 21-газовый счетчик; 22-кран управ ления; 23-сливной бак; 24-запорный кран; 25-трансфор-иатор; 26-вольтиетр; 27-змперметр; 28-преобразователь измерительный; 29-печатающее устройство

Ки.

• пса. . ... I

— г

<

1 4

__

•-----

• ^__

• - мел. а 1«

г й-г

Рис.2 Изменение числа № по длине трубы в ламинарной области:1-для жидкостей с постоянными свойствами 2-форыула (4)

Ш' (* *•»'Т* К»

Рис.3 Описание экспериментальных данных по гидравлическому сопротивление соотношением Хаген-Пуазейля

с-

•с

350

150 Се,

• -нщ.

а

•-г» —51 —ч

/

Сг

Ле

(>юЧ 5

а ця Щ V! ХД Рис.4 Оценка влияния кассовых сил по различным критериям: ¿4 ым;Ре =(бх

Ни

(О

а / о

о /г а >/о •/•о

• -2 о-3 — 5

/ г ) яе-ю''

Рис.5 Описание теплоотдачи в турбулентной области для 0,58$Т£Г£ 0,92:1-9^=76^ & 4 мм; 2-545, 4; 3-601, I;' 4-361, I; 5-формула (5)

Рис.6 Описание режимов "ухудшенной" теплоотдачи: 1-9(,=765 кВт/к2, 6 А мм;2-545, I; 3-форыула (5)

о-4 • -5

" 7 -/ г - -

Ш щ о* 1.г м <{ {в Ее

п--- ГЧ Г\__________ М.лтпштвш.

ГИС . Г иппиоппс & п^ц^иияочч/»

кого сопротивления в турбулентной области: =0,316/ /Де0,25; 2-к/Ь=0,0006; 3-к/4>=0,006; 4-канал 4 мм; 5-ханал I мм

Jf/JfM

Ни/Mi

Ее

сLfcop l/in __, _ • » ■

-7ГГ- • -1 •-1 <-t

300 roo 100 toe

mt aoe wo Be

Рис.8 Интенсификация при малых числах fíe :I-G =0,7 кг/ч; 2-2,1; 3-4,0; 4-|£/Дд)при разных G

/ \ »• i • - j

/ -—_

Рис.9 Влияние гдубина накатки на интенсификацию теплоотдачи и гидросопротивление: 1,2-d/D = О.вВЭ^.! 5 3,4-d/D = 0,957

Рис.II Глобулы кокса на "чисток" металле ( увеличено в 200 раз )

0,25 0.Í

0.7Í X Д-Рис.10 Интенсификация режима с "ухудшенной" теплоотдачей:!-^ =0,q5; =0,875

-Г

-«

ММ-с)

2,0 «у

40

г м

Рис.12 Скорость образования коксоотложений и доля поверхности ?, покрытая отложениями, в зависимости от времени наработки при одних и тех же режимных параметрах

»15

иг

/I »- 1 •-1

/ | ¿« | 1

»и А«.» 1л« и

-

Л4я П

/ 1 1 ¡.и — 1лгк __1*

Рис.14 Влияние глубины накатки на процесс коксоотложений: 1-сечение Х/Ь =0,325; 2-Х/Ь =0,675

Заж. ¿174/5106.

« . Ю щ /8 лл»

Рис.13 Номограмма коэффициентов теплопроводности отложений:—Т-6 —РТ;—Н-октан при рааных^З^УыЗ

й е-ю'

¡.О

г.о 1.0

501

МО

Рис.15 Расчетные температуры стенок, потока для гладкого и накатанного каналов

_Тир. 100.

Типография издательства МАИ 125с"1 Москва, Волоколамское ш., 4.