автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Методика расчета и результаты исследований системы передачи теплоты к нагревателю двигателя с внешним подводом теплоты

На правах рукописи

СТОЛЯРОВ Сергей Павлович

МЕТОДИКАРАСЧЕТАИ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ КНАГРЕВАТЕЛЮ ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ

05.08.05 - судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре судовых двигателей внутреннего сгорания н дизельных установок Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета.

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Гордеев Петр Андреевич

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор Иванченко Николай Николаевич,

кандидат технических наук Михайловский Виктор Георгиевич

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Конструкторское бюро «Арсенал» имени М.&. Фрунзе».

Защита состоится «^ » 2004 г. в

1Г

ч. на

заседании специализированного совета Д-212.228.03 при Санкт-Петербургском Государственном морском техническом университете по адресу:

190008, Санкт-Петербург, Лоцманская, дом 3, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета.

Автореферат разослан « ^ » _2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

А.П. Сеньков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Работы двигателестроителей в области Двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ) в последние Десятилетия увенчались созданием опытных образцов, приближаюпщхся по своим качествам к параметрам, которые могут обеспечить ДВПТ конкурентоспособность в широком спектре областей применения: для автомобилей, подводных технических средств, гелиоэнергетики, многотопливных электрогенераторов и других. Особо следует отметить успех фирмы «Kockums», двигатели которой успешно прошли опытную эксплуатацию на французской исследовательской подводной лодке «SAGA-I», шведской боевой подводной лодке «Nacken» и были установлены в качестве подводных двигателей малого хода на шведские лодки нового поколения типа А-19 «Gotland».

Однако, несмотря на реальные достижения отдельных фирм, следует признать, что в целом оптимистичные прогнозы энтузиастов, заявленные на базе успехов двадцати-тридцатилетней давности, не оправдались.

Среди главных проблем сложностью и актуальностью отличается задача создания нагревателя, выдерживающего при температуре стенок 873... 1073 4С давление рабочего тела до 10...20 МПа и воздействие теплового потока до 1 МВт/м2. Использование принципа прямого нагрева делает нагреватель конструктивно и технологически сложным, наиболее трудоемким и дорогим элементом ДВПТ, в значительной степени определяющим его надежность и ресурс.

Неравномерность температуры в кольцевом нагревателе вследствие неоднородности параметров пламени горелки и условий теплопередачи может Достигать 200...300 К по высоте трубок, и 100... 150 К в сечении на одинаковой высоте. Имеются также температурные градиенты в сечении каждой отдельной трубки. Разброс температуры газов и трубок вызывает неравномерность удельного. теплового потока по поверхности нагревателя, вынуждает значительно занижать расчетную температуру нагревателя и, как следствие, снижает индикаторный КПД ДВПТ.

Один из возможных путей решения проблемы создания надежного и эффективного нагревателя состоит в том, чтобы для подвода теплоты к нему применить специальную, систему передачи теплоты (СПТ), работающую по принципу тепловой трубы или термосифона. При малом термическом сопротивлении и незначительных потерях теплоты такая СПТ способна обеспечить нагревателю равномерное температурное поле, а также независимость геометрических характеристик тешюпередающих поверхностей внешнего и внутреннего контуров Д В Ш.

Целями работы являются:

1. Разработка методических принципов математического описания СПТ ДВПТ, выполненных на базе двухфазных капиллярно-гравитационных тепловых труб.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1 БИБЛИОТЕКА 'I

2. Создание многоуровневой иерархической модели и программно-математического обеспечения для выполнения комплексных расчетных исследований СПТ.

В соответствии с этим при выполнении работы решены следующие методические, теоретические и экспериментальные задачи:

• произведен анализ структурных и конструктивных схем, физических процессов и условий работы перспективных типов СПТ;

• созданы математические модели для расчета процессов в капиллярно-гравитационной СПТ с жидкометаллическим теплоносителем;

• проведены логически увязанные между собой вычислительные и стендовые исследования, направленные на повышение адекватности разработанного программно-математического обеспечения;

• определены оптимальные конструктивные и режимные параметры для перспективных конструктивных схем СПТ транспортного типа;

' • на качественном и количественном уровне выявлено влияние параметров СПТ на эффективность и другие качества ДВПТ.

Методика исследований основана на принципах системного подхода применительно к сложной термодинамической системе. При разработке математических моделей базой служили фундаментальные положения, эмпирические соотношения и экспериментальные данные механики жидкостей и газов, термодинамики, теории теплообмена, теоретические и экспериментальные методы, применяемые при исследовании теплообменных аппаратов, тепловых двигателей и их элементов.

Разработка математических моделей и обработка опытных данных произведены на основании математических методов для численного решения задачи Коши, систем обычных и дифференциальных уравнений, методов интерполяции функций, статистической обработки опытных данных, одномерной и многомерной оптимизации.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях:

• систематизирован опыт создания и исследования СПТ с промежуточным теплоносителем;

• разработаны математические модели процессов в капиллярно-гравитационной жидкометаллической тепловой трубе с зоной конденсации в виде паровой камеры и с транспортной зоной сложной конфигурации;

• внесены дополнения в инженерную методику расчета параметров эффективности и проверки работоспособности тепловой трубы, в том числе введены: понятие коэффициента запаса мощности по величине капиллярного напора, соотношения для ограничения теплового потока в конденсаторе и испарителе по условию термомеханической прочности и для испарителя по интенсивности теплоотдачи на внешней поверхности;

• проведены расчетно-экспериментальные исследования по обоснованию перспективных СПТ для ДВПТ транспортного типа.

Практическая ценность. Предложенные в работе методы расчетно-эксперименталъных исследований и полученные результаты используются в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях при выполнении НИР и ОКР:

• для обоснования конструкции и режимных параметров теплообменных аппаратов на базе тепловых труб в составе перспективных энергетических установок, в том числе с нетрадиционными источниками теплоты;

• для углубленного анализа влияния конструкции СПТ и нагревателя на режимные параметры и показатели эффективности ДВПТ;

• для дальнейшего совершенствования методик расчета рабочих процессов в системах и элементах ДВПТ.

Реализация работы. Результаты выполненного исследования были использованы при выполнении исследовательских и проектных работ в Центральном ордена «Знак почета» научно-исследовательском дизельном институте, Федеральном государственном унитарном предприятии «Конструкторское бюро «Арсенал» имени MB.- Фрунзе,"' Санкт-Петербургском Государственном морском техническом университете в учебном процессе для специальностей 1012 «Двигатели внутреннего сгорания» и 1402 «Судовые энергетические установки».

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на I Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и пути развития экспериментально-теоретических и опытно-конструкторских работ по двигателям с внешним подводом теплоты» (Ташкент, 1979 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета (бывший ЛКИ) в 1980, 1984, 1988, 1990, 1993, 1997, 1999 гг., на заседании секции судовых дизельных установок Научно-технического общества судостроителей им. акад. А.Н. Крылова в 1985 и 2002 гг., на секции «Тепловые насосы» Объединенного научного совета ГКНТ СССР и АН СССР (Москва, 1990 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок» (Ленинград, 1990), на симпозиуме при международной выставке «Энергетика-95» (СПб, 1995), на научно-практической конференции ВВМИУ им. Ф.Э. Дзержинского «200 лет служения России» (СПб, 1998), на научно-технической конференции «Двигатели внутреннего сгорания двадцать первого века» (СПб, 2000).

Публикации. Результаты исследования изложены в 27 печатных работах (из них 14 без соавторов), в том числе 2 брошюры, 18 статей, 1 авторское свидетельство на изобретение, 6 тезисов докладов. Отдельные разделы диссертации содержатся в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненных в СПбГМТУ (ЛКЙ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти

глав и заключения; общий объем 227 страниц. Основной текст на 142 страницах иллюстрирован 14 таблицами и 79 рисунками. Список литературы включает 159 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко сформулированы основные научно-технические проблемы, возникающие при создании ДВПТ транспортного типа, а также показана актуальность выполненного исследования.

В первой главе рассмотрены особенности конструкции, условия работы и проблемы создания эффективных нагревателей ДВПТ, а также изложены предпосылки использования тепловых труб в системах передачи теплоты от источника к нагревателю. На основании изложенного сформулированы цели и задачи исследования.

Применение тепловых труб в СПТ ДВПТ обусловлено свойствами, характеризующими их как эффективное теплопроводящее устройство. Из них следует выделить следующие: высокую теплопроводность и малое термическое сопротивление при передаче теплоты на значительные расстояния; стабильность и однородность температурного поля вне зависимости от неравномерности тепловыделения в испарителе; высокую эффективность процесса передачи теплоты. Применение тепловых труб в составе многорежимных энергоустановок не требует каких-либо систем управления и дополнительных затрат энергии, тепловые трубы не нуждаются в систематическом обслуживании и надзоре, не содержат движущихся частей, не вызывают вибрацию и бесшумны в работе.

В аналитических работах Р. Мейера показано, что способность тепловой трубы трансформировать и выравнивать тепловой поток позволяет поднять расчетную температуру нагревателя на 50...75 К; попутно для снижения токсичности отработавших газов и повышения ресурса камеры сгорания может быть уменьшена температура огневого факела. В работах Zhu Weigihg и Zhao Huazo показано, что СПТ на базе тепловой трубы по сравнению с другими вариантами СПТ обеспечивают ДВПТ увеличение индикаторного КПД и индикаторной мощности.

На основании патентно-литературного поиска разработана принципиальная четырехуровневая классификация СПТ, рис.1. На высшем уровне СПТ разделяются по способу передачи теплоты на четыре принципиальных ветви. На втором, третьем и четвертом уровнях известные технические решения классифицированы по принципу действия, роду теплоносителя и конструктивному исполнению.

Анализ опытных работ по созданию СПТ с промежуточным теплоносителем базируется на описании 28 построенных и испытанных образцов. Из них 8 представляют собой экспериментально-лабораторные стенды, а остальные предназначались для следующих объектов: 1 - для автомобиля, 2 - для космического объекта, 5 - для подводных аппаратов

и 12 - для привода электрогенераторов. СПТ были опробованы с 5 различными источниками теплоты. Камеры сгорания применялись в 10 образцах, тепловые аккумуляторы в качестве основного источника теплоты в 2 образцах, химический реактор на основе топливной композиции 8Б6+Ы в 2 образцах, солнечный источник в 11 образцах, электронагреватели в 3 образцах. Комбинированными источниками теплоты были оснащены 8 образцов; в частности, солнечные источники дополнялись тепловыми аккумуляторами или камерой сгорания, а аккумулятор для автомобиля был снабжен электроподогревателем.

По результатам исследования применение СПТ с промежуточным теплоносителем наиболее целесообразно в двигателях со следующими отличиями: с высокой форсировкой нагревателя по температуре и тепловому потоку, с нетрадиционными и комбинированными источниками теплоты, в экспериментальных установках для изучения физических процессов в идеализированном изотермическом нагревателе.

Во второй главе рассмотрены физические процессы и явления в тепловой трубе, их взаимосвязь, приведен обзор теоретических методов расчета тепловой трубы, выполнен анализ конструктивных особенностей и режимных параметров нагревателей, снабженных СПТ с промежуточным теплоносителем, сформулированы основные требования и методические принципы построения математической модели СПТ.

В дополнение к предельным ограничениям мощности по условиям трения и достижению скорости звука в паровом канале, срыву жидкого теплоносителя в паровое пространство, производительности капилляров,

вскипанию теплоносителя в испарителе при расчете СПТ предложено использовать соотношения для ограничения мощности по предельной интенсивности теплоподвода и по прочности элементов корпуса, а для СПТ типа «паровая камера» дополнительно еще и ограничение по интенсивности процесса испарения.

Для СПТ, у которых внешняя поверхность испарителя представляет собой щелевые или оребренные каналы для продуктов сгорания, количество теплоты , передаваемое от газов в испаритель, может

быть рассчитано по следующим соотношениям:

в которых обозначены: - толщина и теплопроводность корпуса и

слоев капилляров, G - расход греющей среды, сР, ХсР,- средние значения теплоемкости и теплопроводности греющей среды, dr - гидравлический диаметр сечения, L, Z - длина и высота теплообменной поверхности испарителя, Ер - коэффициент эффективности ребра, кР - коэффициент оребрения, Тф - температура на внутренней поверхности капилляров, сн, Хн - теплоемкость и теплопроводность греющей среды при температуре Тф, - температура греющей среды на входе в испаритель.

Соотношения получены в предположении о том, что постоянными величинами допустимо принять критерий Нуссельта № и коэффициент эффективности оребрения Ер, а теплоемкость и теплопроводность греющей среды приемлемо описываются линейными аппроксимациями, Ср=ас+Ьс-Т, Л=ал+Ьх-Т.

Для теплообменной поверхности цилиндрического вида получено выражение для допустимого теплового потока по предельным напряжениям на внутренней поверхности исходя из прочностных свойств материала, геометрических размеров и механической нагрузки

: 794.,)■[,-(,,64).^

Здесь: Е - модуль упругости, а - коэффициент линейного расширения, ц

коэффициент Пуассона, Ь - длина цилиндрической поверхности, X -коэффициент теплопроводности, 1=67г1 - отношение толщины стенки 5 к внутреннему радиусу цилиндрической поверхности Гь [а] - допускаемое напряжение, АР — перепад давления на теплообмешюй стенке.

Аналитическое решение задачи об экстремуме величины теплового потока позволило получить выражение для оптимальной толщины теплообменной стенки в зависимости от величины перепада давления

*<?=тах = %,]/ др _ 1,6794) •

В большинстве известных математических моделей тепловая труба представляется в виде длинного осесимметричного цилиндра с постоянными по длине проходным сечением и удельными тепловыми потоками в зонах испарения и конденсации. Как следствие, ввиду конструктивной сложности объекта, известные расчетные методики не могут быть непосредственно использованы для расчета СПТ ДВПТ.

Общие требования к математической модели определяются со стороны более сложной системы, в данном случае ДВПТ в целом. Модель строится по модульному принципу, закладывается возможность наращивания структурных и функциональных компонентов, а также связей между ними. Подсистемы модели выполняются универсальными, позволяющими напрямую использовать их при решении физически тождественных задач или же являются типовыми методиками.

Обоснованными являются следующие допущения и положения: пренебрежимо малы гидравлические и термические сопротивления в паровом потоке; параметры пара соответствуют линии насыщения; отсутствует массообменное взаимодействие потоков пара и жидкости; конструкция корпуса удовлетворяет условиям прочности; оценка работоспособности производится по предельным ограничениям мощности и по величине температуры элементов конструкции; программная увязка с источником теплоты и нагревателем ДВПТ осуществляется граничными условиями в виде соответствующих удельных тепловых потоков; в качестве теплоносителя допускается использовать натрий, калий и их сплавы различной концентрации.

В третьей главе применительно к СПТ ДВПТ рассмотрены принципы системного подхода, математическая структура алгоритма, физические основы математической модели, приведена логическая структура программных модулей для расчета СПТ.

В соответствии с принципами системно-термодинамического анализа, обоснованными для ДВПТ и его подсистем в работах А.В. Добросоцкого, В.К. Камнева, СВ. Бойко и других авторов, при разработке математической модели СПТ целесообразно представлять в виде структурно-функционального графа третьего иерархического уровня. Конструктивно-функциональное подобие испарителя, конденсатора и транспортной зоны СПТ позволяет применять для всех

элементов единую математическую модель с соответствующим ограничением функциональных возможностей.

Математическая модель обобщенного элемента СПТ базируется на уравнениях в дифференциальном виде для баланса теплоты, состояния теплоносителя в паровой фазе, баланса массы теплоносителя. Модель включает также соотношения для расчета фазовых переходов, теплопроводности, пленочного течения по стенке нагревателя, движения теплоносителя по капиллярной структуре, тепловых потерь по элементам конструкции ив окружающую среду. Интегрирование осуществляется методом Рунге-Кутты 4-го порядка.

Уравнение состояния теплоносителя в паровой фазе получено с учетом реакции рекомбинации-диссоциации атомов щелочных металлов:

Лля степени лиссоттиаттии папа получено соотношение

(1/а?,-1).Р/Р„

Приведенные уравнения, дополненные однопараметрическими зависимостями для расчета на линии насыщения степени сжимаемости /н, диссоциации ан и давления Рн, образуют замкнутую систему алгоритмов, описывающую параметры пара щелочных металлов. Значимость учета сжимаемости подчеркивается тем, что для насыщенных паров натрия и калия эта величина в диапазоне температуры 600... 1000 К составляет 2Н = 0,95...0,8 1.

В лигЬгЬепентщальной гЬопме тоавнение приобретает вид

г р 1

Здесь - безразмерные коэффициенты, вычисляемые

аналитически как функции от величины температуры и давления. Эти коэффициенты также являются значимыми. На линии насыщения при температуре 600... 1000 К для натрия Bzp и Вет составляют соответственно 0,1.-0,173 и 2,03... 1,9, а для калия - 0,05...0,16 и 0,8...1,36.

Расчет параметров в паровом пространстве СПТ типа паровая камера производится по соотношениям в интегральной форме с учетом распределения температуры по поверхности корпуса и капилляров. Вывод расчетных соотношений осуществлен при допущениях о том, что процессы испарения и конденсации относятся к медленным, а изменения объема парового пространства и массы теплоносителя в жидкой фазе пренебрежимо малы. Расчетная формула для величины давления пара через интервал времени ёх получена в виде

индексы: «О» - на внутренней поверхности, «1» - начальная точка, г - теплота парообразования, К - газовая постоянная, Г - коэффициент испарения, ¥ф - площадь поверхности, Ъ - сжимаемость пара.

Выполненные оценки показали, что в расчетах парового пространства целесообразно применить квазистационарный подход. В соответствии с ним в паровом объеме СПТ устанавливается давление, определяемое условием равновесия фазовых переходов конденсации и испарения Рт =А/В.

Гидродинамические параметры парового потока для СПТ с протяженной транспортной зоной рассчитываются по квазистационарной одномерной гидродинамической модели, которая базируется на четыре основных уравнения: сохранения энергии, сохранения количества движения, неразрывности и состояния. В отличие от известных, разработанная модель учитывает уточненные параметры состояния пара (коэффициенты Bzp, Вст), отличие энтальпии в процессах массообмена от параметров в основном потоке (коэффициент восстановления <р), перестройку профиля скорости в поперечном сечении (коэффициент Буссинеска Р). В виде закона обращенных воздействий система основных уравнений расчетного алгоритма имеет вид:

где - критериальная скорость,

У=к-Я-/-(1+Вст)/ср, 1тр- работа силы трения.

Разработанная модель описывает наиболее общий случай течения газового потока с учетом изменения проходного сечения (Б), массового расхода (в) и подведенной теплоты (ёд). Расчетные исследования выявили, что для жидкометашгаческой тепловой трубы наибольшее влияние на результаты оказывают два фактора: трение и реальные параметры состояния пара. Упрощение модели путем пренебрежения влиянием изменения коэффициентов восстановления и Буссинеска вполне допустимо.

Расчет движения жидкого теплоносителя по капиллярной структуре производится по соотношению Дарси для ламинарного течения вязкой жидкости. Движущий перепад давления между сухой и мокрой точками назначается по величине капиллярного напора с учетом гравитационного напора. Капиллярная поверхность представляется в виде двумерной сетки. Распределение давления в ней описывается системой линейных уравнений, в которой матрица коэффициентов является симметричной сильно разреженной. Решение системы осуществляется итерационным методом последовательной верхней релаксации. Расчетные исследования скорости сходимости выявили, что величина релаксационного параметра имеет выраженный оптимум а>=1,54... 1,56.

Поскольку интенсивность процессов испарения и конденсации напрямую связана с изменением массы и термодинамических параметров пара теплоносителя в математической модели для описания этих процессов вместо коэффициента теплоотдачи применена массовая скорость фазового перехода.

В четвертой главе приведены описания опытных СПТ и экспериментальных установок, результаты экспериментальных исследований, в том числе идентификация параметров настройки математической модели и динамика параметров СПТ трубчатого типа при работе от камеры сгорания в период разогрева, а также результаты расчетных исследований опытных и перспективных СПТ.

Экспериментальные исследования опытных СПТ были проведены на специализированных стендах ФЭИ (г. Обнинск) и ГИПХ в три этапа: предварительные стендовые испытания для оценки работоспособности и изотермичности конструкции при неработающем двигателе в условиях интенсивного однородного теплового потока в испарителе; испытания СПТ в составе функционирующего ДВПТ в условиях однородного теплового потока; натурные испытания ДВПТ с СПТ при работе с камерой сгорания на органическом топливе.

Исследовались три варианта СПТ: два кольцевого типа и один трубчатого. Исследования всех вариантов СПТ проводились на одноцилиндровом ДВПТ проектной мощностью 6 кВт, конвертированном из серийной холодильно-газовой машины ЗИФ-1000.

Особенность опытных СПТ кольцевого типа состоит в применении щелевых теплообменников для нагревателей и поверхности нагрева во внешнем контуре. Эти СПТ имеют сложную моноблочную конструкцию, включающую корпусные элементы тепловой трубы, разветвленную капиллярную структуру, горячий цилиндр и 14 цилиндрических стаканов, верхняя часть которых снабжена внутренними цилиндрами и является нагревателем, а нижняя служит для установки регенераторов и охладителей, рис. 2. Различия вариантов заключаются в ширине щелей в нагревателях (0,5 или 1,0 мм) и в теплоносителе. В первом варианте применен эвтектический сплав калия и натрия (78%К + 22%№), имеющий температуру плавления 262 К, во втором - чистый натрий.

Рис. 2. Конструктивная схема кольцевой системы передачи теплоты с испарителем и нагревателем щелевого типа, а - вертикальное сечение, б - план сверху. 1 - щелевой канал для продуктов сгорания, 2 - капиллярная структура, 3 - теплоизоляция, 4 - паровое пространство, 5 - нагреватель, 6 - тепловой барьер, 7 - гнездо регенератора.

Параметры эвтектического сплава и его паров определялись на основании модели насыщенного идеального бинарного раствора.

СПТ кольцевого типа имеют 28 гнезд для установки термопар: на внешней поверхности испарителя, на внутренней поверхности испарителя, в паровом пространстве, на стенке нагревателя со стороны капилляров, на внутренней стенке нагревателя.

СПТ трубчатого типа выполнена по блочному принципу из испарителя и конденсатора, объединенных корпусом и капиллярной структурой, рис. 3. Отличия от СПТ кольцевого типа заключаются в конструкции нагревателя и испарителя. Нагреватель выполнен из трубок,

а

которые собраны в 14 пучков по 8 штук. Теплоноситель конденсируется непосредственно на гладких трубках, его возврат в испаритель осуществляется гравитационными и капиллярными силами. В качестве теплоносителя в этой СПТ применен натрий.

Рис. 3. Конструктивная схема системы передачи теплоты с нагревателем

и испарителем трубчатого типа. 1 - трубка нагревателя, 2 - паровое пространство, 3 - теплоизоляция, 4 - испарительные тепловые трубки, 5 - вход продуктов сгорания, 6 - капиллярно-пористая структура, 7 - место регенератора, 8 - тепловой барьер, 9 - выход продуктов сгорания.

Испаритель представляет собой прямоугольный блок из 55 оребренных вертикальных тепловых трубок, расположенных в 8 рядов. Для выравнивания теплового потока длина ребер разных рядов различная - от 2 до 10 мм. По этой же причине первые три ряда трубок выполнены неоребренными. Для уменьшения потерь продукты сгорания после испарителя поступают в кольцевой щелевой канал и обогревают корпус вокруг нагревателя.

СПТ оснащена 35 специальными каналами для установки датчиков температуры: 19 - в паровом пространстве испарителя, 6 - на боковых стенках испарителя, 2 - у корпуса вокруг нагревателя, 8 - в конденсатосборных карманах на трубках нагревателя. В экспериментах с горелочным устройством СПТ была оснащена тринадцатью хромель-алюмелевыми термопарами. Ввиду того, что в этих работах ДВПТ с тепловой трубой впервые в России работал совместно с камерой

сгорания, при выборе схемы расположения термопар основное внимание было обращено на обеспечение безаварийной работы стенда. По этой причине термопары, в основном, были сосредоточены в зоне предельной температуры вблизи входного патрубка.

Стационарные испытания опытных СПТ проводились на стенде ФЭИ. Подвод теплоты от камеры сгорания - имитировался внешним натриевым термосифонным контуром, который обеспечил стабилизацию температуры нагревателя в диапазоне 947...978 К.

Результаты испытаний показали однородность температурного поля, как в испарителе, так и в нагревателе. Замеренные температурные перепады в горизонтальной плоскости отдельно по испарителю и конденсатору составляли не более 13... 17 К.

Результатами обработки данных на этом этапе стали регрессионное уравнение для оценки тепловых потерь и уточнение

следующих величин: глубины слоя избыточного теплоносителя пл= 10... 15 мм, коэффициента теплопроводности материала изоляции

эффективной толщины слоя капилляров 5эфф= 2 мм. Термическое сопротивление испарителя составило

Оценка теплового потока, передаваемого СПТ нагревателю ДВПТ 9Н, производилась расчетным способом по математической модели рабочего процесса во внутреннем контуре ДВПТ, разработанной автором.

Достоверность расчетов оценивалась косвенным образом по величине произведения электрического и механического КПД. В предположении, что эта величина лишь в малой степени зависит от нагрузки на двигатель, его среднее значение и

относительная погрешность Д^.^ -Г1М) = 9,2 % (при доверительной

вероятности 0,95) хорошо согласуются с общепринятыми понятиями. Среднеквадратичное отклонение между расчетными и замеренными значениями температурного напора в испарителе составило ~2 К (при доверительной вероятности 0,95) и фактически совпало по величине с ошибкой термометрической цепочки измерения.

Особенности испытаний СПТ в составе ДВПТ, проведенных на стенде ГИПХ, заключались в использовании опытной камеры сгорания на газообразном топливе, отличавшейся высокой плотностью и неравномерностью теплового потока Камера сгорания одновременно проходила контрольные и наладочные испытания, конструкция ее отлаживалась, теплофизические параметры огневого факела от пуска к пуску изменялись. Длительность одного опыта ограничивалась ресурсом камеры сгорания и составляла в активном режиме не более 25...30 мин.

Результаты экспериментальных исследований СПТ представлены на рис. 4 в виде наиболее характерных термограмм. Термопары Т1...Т12

были выведены на прибор, регистрировавший значения температуры с периодом ~35 сек. Температура в конденсатосборном кармане на поверхности трубки нагревателя Т13 фиксировалась прибором непрерывной записи. Поэтому случайные и локальные колебания температуры с периодом менее ~1 мин. на диаграммных лентах были отражены только для температуры стенки нагревателя.

О 6 10 15 20 Т,мин. о б 10 15 Та мин.

Рис. 4. Термограммы испытаний.

Термограмма режима 6-1 отображает динамику разогрева СПТ из начального состояния при температуре 520...600 К. В течение 8 мин. по мере разогрева трубок в глубине испаритель целиком становится изотермичным .с температурой в паровом пространстве ~900 К. Дальнейший разогрев приводит к росту температуры в паровом пространстве вокруг нагревателя Т6 и Т12. В последнюю очередь начинает увеличиваться температура конденсата на стенке нагревателя Т13. Отмечено, что интенсивный подъем ее начинается после того, как температура корпуса нагревателя достигнет 800...900 К (Т6,Т12). Прн разогреве температурный перепад по высоте между симметричными точками может превышать 200 К, однако при достижении испарителем 900 К перепад по высоте трубок составляет не более 3 К.

Во время экспериментальных работ неоднократно наблюдалось локальное увеличение скорости разогрева нагревателя при пуске двигателя, а также при резком набросе или сбросе нагрузки. Это явление зафиксировано на термограммах 6-3 (15-я и 16-я мин.), 6-6 (2-я и 10-я мин.), 6-8 (3-я и 9-я мин.) и других. В большинстве случаев температура нарастает скачком с изломом линии термограммы. Характер процесса

разогрева дает основание считать эти явления следствием инерционности газодинамических процессов и наличием неконденсирующегося газа в паровом канале.

Оценка количества неконденсирующегося газа произведена по характерным точкам перехода в изотермическое состояние испарителя и объема вокруг нагревателя на глубине расположения термопары Т6. Выполненное сопоставление дает основание считать количество неконденсирующихся газов во внутреннем пространстве тепловой трубы соответствующим глубине холодного вакуума ~10"2 бар.

Ввиду того, что камера сгорания не обеспечивала длительного поддержания стабильных параметров ДВПТ, обработка опытных данных производилась для краткосрочных стационарных режимов малой мощности Ые<2,3 кВт. Неизотермичность испарителя составила 3...20К, с ростом температуры пара эта величина имеет тенденцию к убыванию. Температурный перепад между уходящими газами и наиболее холодной точкой в паровом пространстве не превосходил 20. ..30 К.

Для режимов под нагрузкой среднее значение величины

практически совпало со значением, полученным для кольцевого варианта СПТ.

В процессе исследования было проанализировано и подтверждено предположение о том, что причиной значительного температурного перепада между зонами испарения и конденсации является разгон парового потока вследствие местных гидравлических сопротивлений в транспортной зоне. Таковые могут иметь различную природу: коробление конструкции корпуса, технологические отклонения при сборке, загромождение проходного сечения неконденсирующимся газом, гидродинамическое сужение проходного сечения вследствие крутых изломов линии направления потока и другие.

При проведении испытаний макетный образец ДВПТ-генератора неоднократно выводился на 6 кВт электрической мощности. Однако, эти режимы являлись нестационарными с длительностью, не превышающей 2...3 мин. Они обеспечивались аккумулированием теплоты в объеме непосредственно вокруг нагревателя. При этом скорость падения температуры составила: в испарителе - 18...25 К/мин., в нагревателе - 45 К/мин. На режиме запуска при температуре выше 550 К скорость прогрева составляла 5... 7 К/мин.

Работоспособность опытных СПТ оценена расчетом по диаграммам предельных ограничений. Мощность кольцевого варианта ограничена звуковым пределом (Т<770...800 К), работоспособностью капилляров и прочностью нагревателя (Т>1100 К). В диапазоне номинальных режимов (Т=8ОО...1ООО К) наличие избыточного теплоносителя значительно повышает предельный тепловой поток; слой глубиной 10... 15 мм увеличивает предельную мощность на 20...50%. Анализ показал, что в

основном напор капилляров затрачивается на преодоление гравитационного перепада между сухой и мокрой точками. В результате на гравитационную составляющую приходится 7б...86 % напора капилляров, остальные 14...24 % распределяются между циркуляционной составляющей и капиллярным запасом. Выявилось, что для конструкций с вертикальными испарительными стенками характерным является несоответствие запасов по капиллярному ограничению мощности и по капиллярному напору. Так, для кольцевой СПТ на режиме кВт

при отсутствии избыточного теплоносителя предельный тепловой поток составляет 86 кВт, соответственно, запас по мощности равен , а запас по капиллярному напору - только 8,3 %.

Для оценки возможности применения опытных СПТ в реальных ДВПТ транспортного типа были построены предельные ограничения при наличии крена и дифферента. Обе СПТ оказались чувствительны к изменению положения в пространстве. Допустимыми следует признать для кольцевого варианта крен и дифферент не более 5...7°, для трубчатого - крен до 10°, дифферент в направлении выхлопа -до 5...7°. Для применения на транспорте трубчатый вариант оказывается предпочтительнее, уменьшение негативного влияния дифферента на его работоспособность рекомендуется обеспечить установкой ДВПТ с наклоном 10° в сторону испарителя.

На основании выполненных экспериментальных и теоретических разработок проведены расчетные исследования, направленные на выявление диапазонов мощности двигателей транспортного назначения, в которых целесообразно использовать СПТ разных типов. Рассматривались четыре варианта, отличающиеся конструкцией испарителя и соединительных каналов: простейшая цилиндрическая паровая камера (1), паровая камера в сочетании с испарителем в виде горизонтальных капиллярных труб (2), термосифонная модульная СПТ с кожухотрубным испарителем (3), модульная СПТ с контуром принудительного возврата жидкого теплоносителя в испаритель (4).

Расчеты проводились в два этапа. На первом оптимизировались параметры СПТ на заданную мощность нагревателя. Температура греющего газа на входе в испаритель назначалась в функции от мощности камеры сгорания (в диапазоне 1500...2200 К). Температура стенки испарителя для всех вариантов принималась равной 900 К. Рассматривался наиболее сложный случай нагружения капилляров, в котором СПТ имела крен 25° и дифферент 5° в сторону, противоположную камере сгорания. Первый этап расчетов завершался определением внешних тепловых потерь и термического сопротивления, а также подтверждением работоспособности КПС с учетом принятого 20% запаса для величины капиллярного напора.

На втором этапе определялись конструктивные параметры нагревателя и других элементов ДВПТ, обеспечивающие двигателю

максимальное значение эффективного КПД. Расчеты проводились по математической модели, настроенной по результатам экспериментальных работ с учетом логических конструктивных ограничений. Режимные параметры ДВПТ назначены априорно, рабочее тело - гелий средним давлением 6 МПа, частота вращения вала 1500 мин'1, механический КПД принят 0,85. Сопоставительный расчет для варианта с прямым нагревом проведен в предположении, что средняя температура нагревателя составляет Тн=800 К.

Рис. 5. Сопоставление вариантов системы передачи теплоты для двигателей с различной цилиндровой мощностью.

В качестве результатов расчетов на рис. 5 приведены характеристики, соответствующие оптимальной конфигурации СПТ: эффективный КПД двигателя Те, тепловые потери в окружающую среду

и полное термическое сопротивление СПТ АТ. Различные варианты

СПТ оказались целесообразными для следующих диапазонов мощности ДВПТ: вариант 1 - 0,5... 1,6 кВт, вариант 2 - 1...15 кВт, вариант 3 -10...50 кВт, вариант 4 - 40... 140 кВт.

Для всех вариантов высота капиллярных поверхностей составляет не более 120... 140 мм. Расчеты показали, что при выборе конструкции испарителя и паровых каналов в качестве ограничения можно использовать предельное число Маха, которое для различных оптимальных вариантов не превышает 0,14.

Для каждого из вариантов применительно к конкретной цилиндровой мощности ДВПТ определены конструктивные и ожидаемые параметры СПТ. Особенности вариантов характеризуются следующими положениями.

Вариант 1 (1 кВт). Простота конструкции, надежность капилляров из

крупноячеистой сетки С80, возможность обеспечить большой объем для сбора неконденсирующихся газов (до 30...40% внутреннего объема), как следствие - относительно невысокие требования к холодному вакууму.

Вариант 2 (10 кВт). Компактность , испарителя, отсутствие соединительных каналов и минимальные размеры паровой камеры обеспечивают минимальные тепловые потери, хорошие массогабаритные показатели и наибольший для рассмотренных вариантов эксергетический КПД (0,94...0,95). Объем для неконденсирующихся газов может достигать 20...30% объема СПТ,. что в сочетании с малым термическим сопротивлением обеспечивает снижение требований к холодному вакууму до 0Д...0Д5 кПа.

Вариант 3 (40 кВт). Компактность и минимальное термическое сопротивление испарителя (3...6 К) обеспечиваются диаметром трубок 10... 15 мм, при этом температурный перепад на выходе между газами и стенкой сводится к минимуму (10 К). Большой внутренний объем предопределяет реально достижимую величину объема для сбора неконденсирующихся газов не более 5...8%. По этой причине повышаются до 50... 100 Па требования к холодному вакууму. Термическая инерционность конструкции позволяет снизить требования к системе регулирования камеры сгорания. Период разогрева СПТ достигает 2 0.. 3 0 мин.

Вариант 4 (100 кВт). Конструкция испарителя и паровой камеры подобна предыдущему варианту. Магистрали для управляемой раздачи теплоносителя по испарителю обеспечивают высокие тепловые потоки и работу при больших кренах и дифферентах.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработанные модели и методики предназначены для расчета конструктивно сложных СПТ. Экспериментальные исследования опытных образцов ДВПТ с СПТ типа паровая камера и модульного типа подтвердили корректность разработанной математической модели.

2. В дополнение к известным соотношениям для предельных ограничений тепловой мощности предлагаются соотношения для ограничения величины теплового потока по условию термомеханической прочности и для интенсивности теплоподвода на внешней поверхности испарителя. Капиллярное ограничение предлагается рассчитывать по величине запаса на капиллярный напор вместо запаса по величине теплового потока.

3. Разработан алгоритм учета термодинамических параметров и свойств паров щелочных металлов с учетом рекомбинации-диссоциации молекул и отклонения от уравнения состояния для идеального газа.

4. Разработана математическая модель элементов парового пространства тепловой трубы. Показано, что для паровых камер

применим квазистационарный подход. При расчете параметров пара в цилиндрических трубках и соединительных каналах по одномерной гидродинамической модели наибольшее влияние на результаты оказывают трение в потоке и учет параметров состояния реального пара.

5. Экспериментальные исследования выявили, что наличие в паровом пространстве неконденсирующихся газов приводит к локальным пульсациям скорости разогрева нагревателя при резком набросе или сбросе нагрузки. В конструкциях модульного типа наличие неконденсирующегося газа вызывает значительное увеличение термического сопротивления СПТ.

6. Для двигателей транспортного типа перспективные СПТ характеризуются ожидаемым эксергетическим КПД в диапазоне 0,91...0,97 при общем термическом сопротивлении 8...60 К. При различной цилиндровой мощности ДВПТ целесообразно применять СПТ следующих типов: паровая камера - 0,5... 1,6 кВт, паровая камера с испарителем из горизонтальных капиллярных труб - 1...15 кВт, термосифонная модульная СПТ с кожухотрубным испарителем - 10...50 кВт, модульная СПТ с контуром принудительного возврата жидкого теплоносителя в испаритель - 40... 140 кВт.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Добросоцкий А.В., Гордеев П.А., Столяров СП. Особенности теплофизических условий работы системы передачи теплоты ДВПТ // Улучшение технико-экономических и экологических показателей отечественных дизелей: Научн. тр. Центр, научн.-иссл. дизельн. ин-т., -Л.: ЦНИДИ, 1988. - с.63-74.

2. Гордеев П.А., Добросоцкий А.В., Столяров СП. Одномерная модель гидродинамики парового потока высокотемпературной тепловой трубы // Пути повышения экономичности и надежности перспективных установок с ДВС: Сб. ВНТО им. акад. А.Н. Крылова, выл . 475, - Л., 1989. -с.4-15.

3. Теплообменники с жидкометаллическим теплоносителем в двигателях Стерлинга. Аналитический обзор. ФЭИ-0235 / Гоннов И.В., Логинов Н.И., Локтионов Ю.В., Столяров СП., Чулков Б.А., - М: ЦНИИатоминформ, 1989. - 46 с.

4. Столяров СП. Моделирование теплообменных процессов в тепловой трубе типа «паровая камера» // Судовая энергетика:: Научн. тр. Ленингр. кораблестр. ин-т. - Л.: ЛКИ, 1990. - с. 169-176.

5. Столяров СП. Гидродинамическая модель возврата жидкого теплоносителя по капиллярной структуре тепловой трубы // Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок. Тезисы докл. Всесоюз. научн.-технич. конф.: ВНТО им. акад. А.Н. Крылова, - Л., 1990. - с.101-102.

6. Столяров СП. Интенсивность подвода теплоты и ограничение по мощности щелевого испарителя системы передачи теплоты двигателя Стерлинга // Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок. Тезисы докл. Всесоюз. научн.-технич. конф.: ВНТО им. акад. А.Н. Крылова, - Л., 1990. - с.102-103.

7. Gonnov.LV., Ivanovsky M.N., Loktionov Y.V., Loginov N.I., Stoljarov S.P., Tchulkov B.A. Design and Testing of Heat Exchangers with Liquid Metal Heat Pipes for Stirling Engines // Proceedings of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Boston, MA., USA, Vol. 5,1991.-с 229-232.

: 8. Чистяков Б. И., Столяров СП. Перспективы создания энергоагрегатов на базе двигателей Стирлинга // Энергетика-95: Сб. тезис. Симпозиум и международ, специализир. Выставка. - СПб, 1995. -с.121-122.

. 9. Столяров СП. Расчет рабочего цикла ДВПТ // Метод, указания к курсов, и диплом.проектор. - СПб.: СП6ТМТУ, 1996. - 32 с.

10. Столяров СП. Предельные ограничения мощности высокотемпературной тепловой трубы // Сб. тезис, региональной науч.-технич. конф., часть П, 19-23 мая 1997. - СПб.: ГМТУ, 1998. - с.75.

11. Столяров СП. Результаты экспериментальных исследований системы передачи теплоты маломощных двигателей Стирлинга // Сб. тезис, региональной науч.-технич. конф., часть II, 19-23 мая 1997. - СПб.: ГМТУ, 1998.-с.76.

12. Столяров СП. Двигатели Стирлинга. Проблемы XXI века. Инженерные проблемы маркетинга // Двигателестроение, 2002, № 1. — с.9-12.

13. Столяров СП. Двигатели Стирлинга. Проблемы XXI века. Кинематические механизмы // Двигателестроение, 2002, № 2. - с.3-6.

14. Столяров СП. Двигатели Стирлинга. Проблемы XXI века. Системы подвода теплоты // Двигателестроение, 2002, № 3. - с.15-18.

15. Столяров СП. Двигатели Стирлинга из прошлого в будущее // Инновации, 2002, № 4. - с.71-73.

16. Столяров СП. Математическая модель системы передачи теплоты к нагревателю двигателя Стирлинга // Актуальные проблемы создания и эксплуатации комбинированных двигателей внутреннего сгорания: Материалы международн. научн.-технич. конф. «Двигатели 2002» / Под ред. ВЛ. Лашко. - Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2002.-С.27-31.

17. Столяров СП. О возможности создания двигателя Стирлинга мощностью 400 кВт // Актуальные проблемы создания и эксплуатации комбинированных двигателей внутреннего сгорания: Материалы международн. научн.-технич. конф. «Двигатели 2002» / Под ред. В.А. Лашко. - Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2002. - с.53-55.

ИЦ СПбГМГУ Зак. 2566. T^. 100.1,0 печ. листов

€ 4 7 95

Условные обозначения. Основные индесы.

Введение.

1. Состояние проблемы создания СПТ ДВПТ на основе тепловой трубы. Постановка задачи.

1.1. Проблемы создания эффективных нагревателей ДВПТ.

1.2. Предпосылки использования тепловых труб в системах передачи теплоты ДВПТ. , ;

1.3. Классификация и анализ СПТ. '

1.3.1. Классификация СПТ.:.

1.3.2. Анализ экспериментальных работ по созданию СПТ с промежуточным теплоносителем.

1.4. Цель проведения комплексных расчетно-экспериментальных исследований. Постановка задачи на создание математической модели СПТ ДВПТ.

2. Физико-математические основы тепловой трубы. Принципиальные особенности обеспечения конструкторских и расчетно-экспериментальных работ по СПТ ДВПТ.

2.1. Физические процессы в тепловой трубе и их взаимосвязи.

2.2. Предельные физические ограничения мощности тепловой трубы. ¿

2.2.1. Вязкостный предел мощности.

2.2.2. Звуковой предел мощности.

2.2.3. Капиллярное ограничение мощности.

2.2.4. Ограничение по уносу жидкости из КПС в паровое пространство.

2.2.5. Ограничение по вскипанию теплоносителя в КПС испарителя.

2.3. Современные методы расчетных исследований тепловых труб и присущих им теплофизических процессов.

2.4. Особенности конструкции системы передачи теплоты ДВПТ.

2.5. Теплофизические условия работы и режимные параметры СПТ. 77 .2.5.1. Постановка задачи на оценочный расчет СПТ.

2.5.2. Распределение температуры и теплового потока в испарителе.

2.5.3. Термическое сопротивление элементов конструкции и физических процессов в СПТ.

2.5.4. Предельные ограничения мощности СПТ по физическим условиям работоспособности. . ¡

2.6. Интенсивность подвода теплоты и ограничение по мощности источника для СПТ с испарителем щелевого типа.

2.7. Предельные ограничения по термомеханической прочности тепловой трубы.

2.8. Предел тепловой мощности паровой камеры по интенсивности испарения.

2.9. Основные требования и методические принципы построения математической модели СПТ.

3. Комплексная математическая модель СПТ и ее информационнопрограммное обеспечение

3.1. Принципы системно-термодинамического подхода при комплексном моделировании СПТ.

3.2. Методические принципы построения математической модели 108 СПТ.

3.2.1. Общие положения универсального подхода к моделированию

3.2.2. Математическая структура построения модели СПТ.

3.3. Физические основы комплексной математической модели СПТ. 116 3.3.1. Уравнение состояния пара щелочных металлов.

3.3.2. Расчет параметров в паровом пространстве СПТ типа паровая камера.

3.3.3. Одномерная гидродинамическая модель потока пара.

3.3.4. Гидродинамическая модель течения жидкого теплоносителя.

3.3.5. Оценка интенсивности фазовых переходов.;.

3.4. Логическая структура программного комплекса для расчета СПТ.

4. Расчено-экспериментальные исследования СПТ.

4.1. Организация и особенности проведения экспериментальных исследований СПТ.

4.2. Характеристики опытных СПТ.

4.2.1. СПТ кольцевого типа.

4.2.2. СПТ трубчатого типа.

4.3. Результаты экспериментальных исследований опытных СПТ.

4.3.1. Исследование опытных СПТ в стационарных условиях. Идентификация параметров настройки математической модели спт.:.

4.3.2. Исследование опытной СПТ трубчатого типа при работе от камеры сгорания.

4.4. Результаты расчетных исследований опытных и перспективных

4.4.1. Работоспособность КПС опытных СПТ.

4.4.2. Согласование параметров СПТ и камеры сгорания.

4.4.3. Оценка ожидаемых показателей перспективных типов СПТ.

Уже более полувека прошло с тех пор, как после большого перерыва вновь ожил интерес к тепловой машине, появившейся в начале XIX века -двигателю Стирлинга. Из-за сложности и оригинальности термодинамического цикла в популярной и зарубежной литературе этот двигатель известен также и под другими названиями, подчеркивающими некоторые принципиальные и конструктивные особенности: тепловой воздушный двигатель, тепловая регенеративная машина, газовый поршневой регенеративный двигатель, поршневой двигатель на горячем газе, поршневой регенеративный двигатель замкнутого цикла. В отечественной литературе его обычно называют двигателем с внешним подводом теплоты или сокращенно ДВГГГ.

Работы многих известных машиностроительных фирм, продолжавшиеся в течение 10.40 лет и использовавших при этом, как правило, финансовую поддержку государства, принесли ощутимые успехи. Результатом их стал накопленный опыт, позволивший этим фирмам к настоящему времени создать экспериментальные и опытные образцы, приближающиеся по своим качествам к параметрам и показателям эффективности, которые могут обеспечить конкурентоспособность ДВГГГ в широком спектре областей применения: для автомобилей, подводных технических средств, гелиоэнергетики, медицины, многотопливных электрогенераторов и некоторых других. В качестве примеров можно назвать двигатели типа «квадратная четверка» V4-275 шведского концерна Kockums (разработка фирмы USS, ныне являющейся частью концерна) для подводных лодок /59/, двигатели 4-215DA и STM-4-120 с наклонной шайбой также для подводных объектов, стирлинг-генератор GPU-3 (Ground Power Unit), разработанный по заказу армии США, маломощные автономные электорогенераторы серии 102С фирмы Philips широкого назначения. Особо следует отметить успех фирмы Kockums, двигатели которой успешно прошли опытную эксплуатацию на французской исследовательской подводной лодке «SAGA-I», шведской боевой подводной лодке «Nacken» (после переоборудования 1987-88 годов) и были рекомендованы в качестве подводных двигателей малого хода для установки на шведские лодки нового поколения типов "Vastergotland" ("А-17") и "Gotland" ("А-19") /8, 57, 43/. Несомненно, этому успеху способствовали специфические условия применения ДВПТ на подводных лодках и аппаратах - относительно высокий эффективный КПД установки в целом (по оценкам для схем с различными системами хранения и удаления энергокомпонентов его величина составляет 0,21.0,31), малая зависимость показателей рабочего процесса от параметров во внешнем контуре, а также наличие неограниченного количества низкопотенциальной охлаждающей среды /2,24/.

Однако, несмотря на достигнутые успехи отдельных фирм, следует признать, что в целом радужные прогнозы энтузиастов, сформулированные на базе успехов двадцати-тридцатилетней давности, полностью не оправдались.

Труднопреодолимыми до сих пор остаются несколько проблем: уплотнение гелия при давлении в контуре до 10. 15 МПа и выше, ресурс насадки регенератора, конструкция и технология изготовления нагревателя. Следует отметить также, что проблемы общей компоновки, вспомогательных механизмов, системы управления усугублялись вследствие малых размеров разрабатывавшихся опытных образцов.

Изложенные трудности могут быть преодолены двумя способами.

1. Снижение термодинамических параметров форсировки - уменьшение давления рабочего тела, температуры стенок нагревателя и удельных тепловых потоков в .процессах теплообмена. Такие решения могут найти применение в двигателях для малой энергетики при использовании малокалорийных топлив и в двигателях-утилизаторах теплоты высоко- и среднетемпературных выбросов /94/.

2. Разработка высокотехнологичных систем и устройств, обеспечивающих принципиальное решение проблемы. В частности, проблема уплотнения гелия становится не актуальной для ДВПТ-генераторных установок в капсюлированном варианте, а продолжительность эффективной работы насадки регенератора (период между промываниями или сменами насадки) значительно увеличивается при отказе от подшипников скольжения с жидкостной смазкой и использовании подшипников качения с консистентной смазкой и подшипников сухого трения.

Ко второму направлению относятся также работы, направленные на создание надежных высокотемпературных нагревателей и специальных дополнительных конструктивных элементов, обеспечивающих выравнивание и стабилизацию температурного поля на внешней поверхности нагревателя.

Проблема создания нагревателя, выдерживающего при температуре* стенок 873. 1073 К давление рабочего тела до 10.20 МПа, а также воздействие огневого факела и теплового потока удельной мощностью до 1 МВт/м2 выделяется особыми научными и технологическими сложностями. Использование принципа прямого нагрева делает нагреватель конструктивно и технологически сложным, наиболее трудоемким и дорогим элементом ДВПТ, в значительной степени определяющим его надежность и ресурс.

Неравномерность температуры в кольцевом нагревателе вследствие неоднородности параметров пламени горелки и условий теплопередачи может достигать 200.300 К по высоте трубок, и 100. 150 К в сечении йа одинаковой высоте. Имеются также температурные градиенты в сечении каждой отдельной трубки. Разброс температуры газов и трубок вызывает неравномерность удельного теплового потока по поверхности нагревателя, вынуждает значительно занижать расчетную температуру нагревателя и, как следствие, снижает индикаторный КПД ДВПТ. Изложенное дает основание причислить проблему создания высокотемпературного нагревателя к наиболее актуальным и приоритетным направлениям работ по созданию ДВПТ, особенно применительно к двигателям транспортного типа с высокими требованиями к уровням параметров форсировки, экономичности и компактности. Дополнительные аргументы обосновывающие актуальность предлагаемого исследования содержатся в разделах диссертации 1.1, 1.2, 2,4, 4.4.3.

Один из возможных путей решения проблемы создания надежного и эффективного нагревателя состоит в том, чтобы для подвода теплоты к нему применить специальную систему передачи теплоты (СПТ), работающую по принципу тепловой трубы или термосифона. При малом термическом сопротивлении и незначительных потерях теплоты такая СПТ способна обеспечить нагревателю равномерное температурное поле, а также независимость геометрических характеристик теплопередающих поверхностей внешнего и внутреннего контуров ДВГТГ.

Именно этому направлению посвящено предлагаемое исследование.

5. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Выполненные теоретические работы, а также расчетные и экспериментальные исследования дают основания сделать следующие выводы:

1. Разработанные на базе системно-термодинамического подхода математические модели рабочих процессов СПТ, работающей по принципу двухфазной капиллярно-гравитационной тепловой трубы, предназначены для проведения комплексных расчетно-экспериментальных исследований процессов передачи теплоты к нагревателю ДВПТ на различных стадиях проектирования и стендовой доводки опытных образцов. Предложенные методики адаптированы к конструкциям, в которых испаритель и адиабатная зона могут иметь сложную разветвленную конфигурацию, а конденсационную зону нагревателя допустимо рассматривать в виде паровой камеры. Применение системного подхода обусловило возможность выполнения анализа и сопоставления СПТ различных конструктивных типов исходя из условия повышения эффективных показателей двигателя в целом. Для выполнения этих работ созданы многоуровневая иерархическая модель и соответствующее программно-математическое обеспечение.

2. Внесены уточнения и дополнения в инженерную методику расчета параметров эффективности и проверки работоспособности тепловой трубы.

В дополнение к известным соотношениям для предельных ограничений тепловой мощности предлагается использовать выведенные интегральные соотношения для расчета интенсивности теплоподвода на внешней поверхности испарителя (2.28.3.30, 2.42.2.45) и для ограничения величины удельного теплового потока на цилиндрических поверхностях испарителя и конденсатора по условию термомеханической прочности (2.60).

При оценке капиллярного ограничения вместо коэффициента запаса гго величине теплового потока предлагается использовать коэффициент запаса по величине капиллярного напора (4.7).

3. На базе уравнений химико-термодинамического равновесия Вант1

Гоффа и аппроксимаций параметров пара на линии насыщения разработан алгоритм расчета термодинамических параметров и теплофизических свойств паров щелочных металлов учитывающий явление рекомбинации-диссоциации молекул пара, а также сжимаемость вследствие отклонения от идеально-газбвого состояния (3.33,3.35.3.37).

4. Разработана математическая модель элементов парового пространства тепдовой трубы (3.51).

Показано, что для паровых камер гидродинамическими явлениями, в том числе при расчете нестационарных режимов, допустимо пренебречь и применим квазистационарный подход.

При расчете параметров характеризующих движение пара в цилиндрических трубках и соединительных каналах по одномерной гидродинамической модели (3.63.3.66) наибольшее влияние на конечные результаты оказывают трение в потоке и учет параметров состояния реального пара. Явлениями восстановления параметров при торможении потока в пристеночном слое и перестройкой .профиля скорости по сечению канала допустимо пренебречь.

5. При расчете распределения капиллярного давления и скорости фильтрации теплоносителя по сложным разветвленным КПС целесообразно использовать итерационные методы последовательной верхней релаксации и Гаусса-Зейделя.

6. Анализ конструктивных схем и условий работы перспективных типов СПТ на различных режимах и в условиях разогрева выявил, что лимитирующими являются капиллярное, звуковое и прочностное ограничения мощности.

Существенное влияние на механизм возврата жидкого теплоносителя оказывают углы крена и дифферента.

Совокупность ограничений, определяющих работоспособность СПТ, выполненной на базе тепловой трубы, при холодном пуске и на долевых I режимах может быть преобразована в зависимость для предельно допустимой температуры в камере сгорания.

7. Выполненные экспериментальные исследования опытных образцов ДВПТ с СПТ типа паровая камера и модульного типа показали, корректность разработанной математической модели; среднеквадратичное отклонение расчетных значений величины термического сопротивления составило 2 К и совпало по величине с ошибкой термометрической цепочки измерения.

8. Экспериментальные исследования выявили, что наличие в паровом пространстве неконденсирующихся газов приводит к локальным пульсациям скорости разогрева нагревателя при резком набросе или сбросе нагрузки. В конструкциях модульного типа наличие неконденсирующегося газа вызывает загромождение проходного сечения транспортной зоны, разгон потока пара до околозвуковых скоростей и в итоге приводит к значительному увеличению термического сопротивления СПТ.

9. Для двигателей транспортного типа перспективные СПТ характеризуются ожидаемым эксергетическим КПД в диапазоне 0,91.0,97 при суммарном термическом сопротивлении 8.60 К.

Различные типы СПТ целесообразно использовать в следующих диапазонах цилиндровой мощности:

0,5 . 1,5 кВт - паровая камера;

1 .15 кВт - паровая камера с испарительными горизонтальными трубками;

10 . 50 кВт - модульная, с кожухотрубным испарителем;

40. 140 кВт - модульная, с принудительной циркуляцией теплоносителя.

Работоспособность предлагаемых СПТ обеспечивается при наличии во внутреннем пространстве неконденсирующихся газов в количествах, соответствующих холодному вакууму 90.220 Па.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Актуальность темы исследования сформулирована во введении.

Среди главных проблем сложностью и актуальностью отличается задача создания нагревателя, выдерживающего при температуре стенок 873. 1073 К давление рабочего тела до 10.20 МПа и воздействие теплового потока до 1 МВт/м2. Использование принципа прямого нагрева делает нагреватель конструктивно и технологически сложным, наиболее трудоемким и дорогим элементом ДВПТ, в значительной степени определяющим его надежность и ресурс.

Неравномерность температуры в кольцевом нагревателе вследствие неоднородности параметров пламени горелки и условий теплопередачи может достигать 200.300 К по высоте трубок, и 100. 150 К в сечении на одинаковой высоте. Имеются также температурные градиенты в сечении каждой отдельной трубки. Разброс температуры газов и трубок вызывает неравномерность удельного теплового потока по поверхности нагревателя, вынуждает значительно занижать расчетную температуру нагревателя и, как следствие, снижает индикаторный КПД ДВПТ.

Один из возможных путей решения проблемы создания надежного и эффективного нагревателя состоит в том, чтобы для подвода теплоты к нему применить специальную систему передачи теплоты, работающую по принципу тепловой трубы или термосифона. При малом термическом сопротивлении и незначительных потерях теплоты такая СПТ способна обеспечить нагревателю равномерное температурное поле, а также независимость геометрических характеристик теплопередающих поверхностей внешнего и внутреннего контуров ДВПТ.

Цели и задачи исследования сформулированы в главе 1. Главные цели работы следующие:

1. Разработка методических принципов математического описания СПТ

ДВГГГ, выполненных на базе двухфазных капиллярно-гравитационных тепловых труб.

2. Создание многоуровневой иерархической модели и программно-математического обеспечения для выполнения комплексных расчетных исследований СПТ.

В соответствии с этим при выполнении работы решены следующие методические, теоретические и экспериментальные задачи:

•произведен анализ структурных и конструктивных схем, физических процессов и условий работы перспективных типов СПТ;

•созданы математические модели для расчета процессов в капиллярно-гравитационной СПТ с жидкометаллическим теплоносителем;

•проведены логически увязанные между собой вычислительные, и стендовые исследования, направленные на повышение адекватности разработанного программно-математического обеспечения;

•определены оптимальные конструктивные и режимные параметры для перспективных конструктивных схем СПТ транспортного типа;

•на качественном и количественном уровне выявлено влияние' параметров СПТ на эффективность и другие качества ДВПТ.

Основное содержание теоретических и экспериментальных работ изложено в главах 2.4.

Методика исследований основана на принципах системного подхода применительно к сложной термодинамической системе. При разработке математических моделей базой служили фундаментальные положения, эмпирические соотношения и экспериментальные данные механики жидкостей и газов, термодинамики, теории теплообмена, теоретические и экспериментальные методы, применяемые при исследовании теплообменных аппаратов, тепловых двигателей и их элементов.

Разработка математических моделей и обработка опытных данных произведены на основании математических методов для численного решения задачи Коши, систем обычных и дифференциальных уравнений, методов интерполяции функций, статистической обработки опытных данных, одномерной и многомерной оптимизации.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях: •систематизирован опыт создания и исследования СПТ с промежуточным теплоносителем;

•разработаны математические модели процессов в капиллярно-гравитационной жидкометаллической тепловой трубе с зоной конденсации в виде паровой камеры и с транспортной зоной сложной конфигурации;

•внесены дополнения в инженерную методику расчета параметров эффективности и проверки работоспособности тепловой трубы, в том числе введены: понятие коэффициента запаса мощности по величине капиллярного напора, соотношения для ограничения теплового потока в конденсаторе и испарителе по условию термомеханической прочности и для испарителя по интенсивности теплоотдачи на внешней поверхности;

•проведены расчетно-экспериментальные исследования по обоснованию перспективных СПТ для ДВГГГ транспортного типа.

Практическая ценность работы обеспечивается разработанными расчетными математическими алгоритмами, инженерными методиками, и конкретными рекомендациями, сформулированными в главе 5, для выбора конструктивного типа и параметров СПТ ДВПТ транспортного типа. Предложенные в работе методы расчетно-экспериментапьных исследований и полученные результаты используются в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях при выполнении НИР и ОКР:

•для обоснования конструкции и режимных параметров теплообменных аппаратов на базе тепловых труб в составе перспективных энергетических установок, в том числе с нетрадиционными источниками теплоты;

•для углубленного анализа влияния конструкции СПТ и нагревателя на режимные параметры и показатели эффективности ДВГГГ;

•для дальнейшего совершенствования методик расчета рабочих процессов в системах и элементах ДВПТ.

Реализация работы осуществлена при непосредственном участии автора в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах по созданию макетных образцов маломощных ДВПТ-генераторов. Результаты выполненного исследования были использованы при выполнении исследований и проектных работ в Центральном ордена «Знак почета» научно-исследовательском дизельном институте, Федеральном государственном унитарном предприятии «Конструкторское бюро «Арсенал» имени М.6.

Фрунзе,*1 Санкт-Петербургском Государственном морском техническом » университете в учебном процессе для специальностей 1012 «Двигатели внутреннего сгорания» и 1402 «Судовые энергетические установки».

Апробация работы осуществлена с участием сотрудников ведущих предприятий и организаций, работающих по проблеме создания и применения ДВПТ. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на I Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и пути развития экспериментально-теоретических и опытно-конструкторских работ по двигателям с внешним подводом теплоты» (Ташкент,' 1979 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета (бывший Кораблестроительный институт) в 1980, 1984, 1988, 1990, 1993, 1997, 1999 гг., • на заседании секции судовых дизельных установок Научно-технического общества судостроителей им. акад. А.Н. Крылова в 1985 и 2002 гг., на секции «Тепловые насосы» Объединенного научного совета ГКНТ СССР и АН СССР (Москва, 1990 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок» (Ленинград, 1990), на симпозиуме при международной выставке «Энергетика-95» (СПб, 1995), на научнопрактической конференции ВВМИУ им. Ф.Э. Дзержинского «200 лет служения России» (СПб, 1998), на научно-технической конференции «Двигатели внутреннего сгорания двадцать первого века» (СПб, 2000).

Публикации по теме диссертации содержат основные положения теоретических и экспериментальных исследований, а также итоговые выводы и рекомендации. В перечень публикаций автора по теме диссертации (помещен в приложение) включены также работы посвященные методике расчета рабочего процесса во внутреннем контуре ДВПТ. Эта методика разработана автором в инициативном порядке и в данном исследовании была применена для согласования параметров теплообмена на поверхности нагревателя ДВПТ. Результаты исследования изложены в 27 печатных работах (из них 14 без соавторов), в том числе 2 брошюры, 18 статей, 1 авторское свидетельство на изобретение, б тезисов докладов. Отдельные разделы диссертации содержатся в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненных в СПбГМТУ (ЛКИ). Основное содержание диссертационной работы изложено в 17 печатных работах.