автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Разработка и исследование методов интенсификации процессов тепломассопереноса в сублимационных каналах

ВОРОНЕЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Инв. Л 3360 ДСП на прэвах рукописи

Для служебного пользования Экз.>66

Да^ ш Сергей Викторович

' РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В СУБЛИМАЦИОННЫХ КАНАЛАХ

Специальность 05.14.05 - Теоретические оснобы теплотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре промышленной теплоэнергетики Воронежского политехнического института.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Фалеев Владислав Васильевич

Официальные оппоненты: члвн-корреспоьдент технологической АН .РФ,

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор'технических наук, профессор Поляев Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент Турбин Владимир Сергеевич

Ведущее предприятие: НПО "Энергия", г. Москва.

Защита диссертации состоится " ?й " пктяйрп 1993 г. в [4 часов на заседании специализированного совета К.063.81.08 Воронежского политехнического института по адресу: 394026, Московский проспект, 14.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ВПИ.

Ваш отзыв на реферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждение, просьба направлять по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14, ученому секретарю специализированного совета К.063.81.08.

Автореферат разослан "-^У" 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета¿7

к.т.н., доцент 5— А>н> рдушаков

- э -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие и освоение высокоэффективных энергетических установок требует исследования новых способов интенсификации процессов тепломассопереноса, поскольку современнее теплоизоляционные покрытия пока не способны полностью ограничить теплопритоки, в частности, к низкокипящим компонентам, а существующие для этой ц°ли методы и системы термостатирования в ряде случаев оказываются неэффективными. Проблема повышения эффективности и компактности систем термостатирования является чрезвычайно актуальной к связна с решением ряда вопросов, которые сводятся, в первую очередь, к уменьшении массы этыс систем и увеличению сроков их функционирования. Процессы тепломассобмена и способы их интенсификации в разные год: изучались в России В.М. Поляейым, Э.К. Калинины; , Г.А. Дрейиером и др

Вместе с тем разработка сублимационных систем термостатирования нуждается во всесторонних теоретических и экспериментальных исследованиях процессов тепломассопереноса, поскольку известные методы анализа этих процессов ке дают ответа на ряд вопросов, возникающих при проектировании таких систем. Имеющиеся сегодня в литературе сведения пс данной проблеме касаются в основном устройств с малой холодопроизводательностыэ, характерной, например, для охлаждения элементов электрогешх оптических систем.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработок метода расчета интенсификации процессов тепломассопереноса в каналах сублимационных устройств и экспериментальная его проверка. •

'Для достижения этой цел! были поставлены следующие задачи:

1) разработка метода расчета двумерного поля скорости в канале при вращении сублимирующей поверхности и отсосе паров через проницаемую теплонапрякенную стенку с использованием уравнений Навье-Стокса и эффекта проскальзывания;

2) получение точного решения задачи о распределении темпере -туры в полости канала о учетом температурного скачка;

3) экспериментальные исследования теплообмена .в щелевом канале с проницаемой и подвижной сублямирувщей стенкой.

Научная новизна. Основннв положения диссертации, наушзя новизна которых зггглцается: разработано методика расчета процессов топломассоттэреноса п каналах сублимационных "стройстз " при нэлтгппт рязяоо^разпчх способов пнтенсиЕгосацип процесса тепломас-

сопереноса: организации вихревого движения сублимирующих паров и отсосе их через проницаемую теплонапряженную поверхность. Для решения задачи привлекались граничные условия первого приближения: условия проскальзывания и температурного скачка на ограничивающих поверхностях.

На защиту выносятся следующие основные положения;

1) теоретическое обоснование области применения для изделий новой техники сублимационных систем термостатирования;

2) результаты теоретического исследования влияния течения сублимирующих. паров на теплоперенос в узких щелевых каналах;

3) результаты оценки эффективности разнообразных способов интенсификации процесса тепломассопереноса в сублимационных каналах;

4) результаты экспериментальных ' исследований одного из возможных способов интенсификации процесса теплопереноса в сублимационном канале;

•л результаты теплового расчета сублимационного теплообмен-ного аппарата для реальней системы термостатирования.

Практическая ценность работы заключается » следующем -разработанный метод расчета процессов тепломассопереноса в системах сублимационного термостатирования и выполненные эксперименты проводились с целью промышленного использования при проектировании и создании кр"осистем для изделий ракетно-космической техники.

Результаты дают возможность;

1) создавать эффективные сублимационные теплообменники; •

2) оценить рациональность способов интенсификации теплообмена в каналах при наличии вращения сублимирующих стенок, отсосе паров через проницаемые "нагретые" стенки и их комбинации.

Результаты практической реализации и внедрения состоят в использовагаш метода расчета интенсификации процессов тепломассопереноса в сублимационных системах термостатирования в практике НПО "Энергия", г. Москва, АО "Автоматика", г. Воронеж.

Материалы диссертационной работы используются в курсе "Тех. терм сдиьамика" Воронежского политехнического институте, при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ для студентов специальности 10.07 - промышленная теплоэнергетика.

Апробация работы. Материалы и результаты выполненных по тема диссертации исследований докладывались и обдсуздались 'на II Рс :ийско~Кигайском симпозиуме по проблемам астронавтики и косми-

ческой технологии (г. Самара, 1992 г.), на региональном семинаре по процессам тепломассообмена в .энергомашиностроении (г. Воронеж, 1990-1993 гг.), в Воронежском политехническом институте - ежегодно с 1990 г., в МГТУ им. Н.Э.Баумана (г. Москва, 1993 г.), институте технической теплофизики АН Украины (г. Киев 1992 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатных работы.

Структура и 'объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложения, 'изложена на 84 страницах машинописного текста, включает 48 рисунков, 2 таблици, 2 фотографии и список литературы из 63 напиенова:шй.

ОСНОВНОЕ СОДЕРКМШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемого вопроса, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены основные положения работы, выносимче автором на защиту.

Первая глаБа посЕящена анализу состояния вопроса интенсификации тепломассопереноса в сублимационных' системах термостатирования» особенностям течения процесса сублимации.

Применение сублимирующих криоагентов для термостатирования различных объектов обусловливается тем обстоятельством, что из всех фазовых * превращений (испарение, конденсация, плавление) процесс сублимации характеризуется наибольшим тепловым эффоктсм,. постольку1 превышает теплоту испарения соответствующих криогенных жидкостей на 10-20 %.

Рассмотрены особенности течения процесса сублимации, которые необходимо учитывать п^и его анализе:

1. Скорость испарения с сублимируемой поверхности отряде- ' ляется разностью давлений паров вещества и паров над сублимируемой поверхностью.

2. Интенсивность процесса сублимации зависит от глубины вакуума, причем с погашением общего давления интенсивность, как правило, возрастает.

_3. Характер тепло- и массопереноса между твердым телом и окрукающей средой в условиях вакуума определяется критерием Кнудсена.

4. В условиях разрешенной среда на поверхности сублимирующего тела образуется паровоздушный слой, который препятствует пер?дачо теплоты теплопроводностью и конвекцией (за исключением

лучистого теплообмена в виде электромагнитного излучения).

5. На скорость сублимации существенное влияние оказывает чистота сублимирующей поверхности, скорость роста и образование кристаллов, способ подвода теплоты.

Проведено сравнение сублимационных систем криостатирования с* испарительными и машинными на примере термостзтирования . бака жидкого кислорода. Показано, что применение сублимационных систем оказывается выгодным при сроках полета космического аппарата от нескольких суток до одного-двух месяцев. Однако при непрерывной сублимации м^жду твердым хладагентом и вмороженным теплообменником постепенно начинают формироваться щелевые зазоры. Толщина этих зазоров с течением времени растет, что приводит к ухудшению процесса теплообмена между твердым хладагентом и разветвленной поверхностью теплообменника. Описаны особенности течения процессов тепломассопорешса в узких сублимационных каналах и существующие традиционные методы их интенсификации.

рис Л показаны предлагаемые способы интенсификации процессов тепломассопереноса при течении процесса сублимации в узких щелевых зазорах, где

Г-Т^Т

уо

-» V

сЬ

Гт~1 0 1 1~1 г I I О 1Г1 .

а) с

О б)

■

В)

Г)

Ри . I. Варианты интенсификации процесса теплопереноса

г

V

о

тя = Т(г) - ЛТ, • (13)

где ЛТ - величина температурного скачка.

Результаты расчетов представлены на рис. 3-6.

Из рисунков видно, что наличие вращения сублимирующей стенки и отсос сублимирующих паров через "нагретую" поверхность приводят к снижению ее температуры, т.е. интенсифицируется процесс тепло-массоперэноса в канале. Учет температурного скачка позволяет более точно определять температуру нижнего проницаемого диска. При определенных комбинациях исходных данных расхождение составляет до 15-20 %, по сравнению с решением данной задачи без учета эффекта проскальзывания.

Третья глава содержит описание экспериментальной- установки (рис. 7), экспериментальной модели (рис. 8), методики проведения экспериментального исследования, результаты эксперимента и сопос-.тавлдние та с теоретическими данными (рис. 9-11).

£

защитный экран

1\ 'н

3

Рис.7. Принципиальная схема Рис.8. Принципиальная схема

экспериментальной установки" экспериментальной модели

На монтажном основании I закреплен электродвигатель переменного тока 2 с постоянным числом оборотов (п == 2 об/юш.). На валу 3, связанном с электродвигателем ременной передачей, установлена поцвкшая втулка 4 с закрепленным на ее торце толстостенным диском 5 диаметром 50 мм. Для снаряжения вращающегося диска хладагентом в верхней его части имеется цилиндрическое углубло-гаю диаметром 30 мм. Чтобы предотвратить ишадетм хлчдзгента из верхнего диска, на его торце установлена ограничивающая сотка.

лидирующих паров; т) = (УсрпгоЬ)/(лпГо) - безразмерный комплекс; йо = иЬ/Уо- безразмерный критерий вращения.

-1

-2

/

/ 1 2 /

и. и-

0.0 н

-0.5

-1.0

-1.5

"Г А- А /

( V К \

/ <1 г \ \ /

0.0 0.4 0.8 г 0.0 0.4 0.8 г

Ркс.З. Изменение функции Р Рис.4.' Изменение функций С, Н • по высоте щели. по высоте щели.

1,2 - р = 0; 3,4 - р = 1; 1,3 - Ио = 0; 2,4 - Яо = 10.

1.5

1.4

1.3

1.2

1.1

1.0

>< > л. ■ •

/

—■— 2

к

• \

0.0 0.4 • 0.8 г

Рио.5. Профиль температуры • в зазоре меаду дисками. 1 - Ре = 0; 2,3,4 - Ре = 0.5; 2.3 - йо = 0; 4 - Ио = 10; - 0 = 0; 3 - р = 1

1.5 Т

1.4

1.3

1.2

/ А

V

\

0 4 8 Ио рУс.6. Изменение тамг, ратури

проницаемого диска.

1 «(3«0;2-р = 1

3. Температуру сублимирующей поверхности принимаем постоянной во времени.

4. Теплофизические характеристики пара считаем постоянными и равными их среднеййтегралышм значениям.

5. Данная задача является существенно нестационарной. Это связано с тем, что постоянная сублимация отвердевшего газа и рост высоты щели h вызывают непрерывное повышение температуры нагреваемой стенки, в связи с чем непрерывно изменяется профиль температуры по высоте щели. Тем не менее, учитывая малую теплоемкость пара, задачу мокно рассматривать в квазистационарном приближении.

В предположит,- что теплофизические характеристики сублолц-рующего пара постоянны и равны их среднеинтегралъным значениям, уравнения (1)-(4) можно решать независимо от уравнения энергии (5).

<1)-(4) приводятся к безразмерному виду. Используя преобразования ц = - rF(z); v.= rG(s); w Н(г) и исключая перекрестным дифференцированием по г и z вели,тину давлетш, приходам к системе трех обыкновенных дифференциальных уравнений:

р"+ Rs[f2- Ga- HF'J = k = const, (8)

G2+ Re[2FG - HG*] = 0, (9)

H'- 2F = 0. . (10)

В предположении малости числа Рейнольдса и ограничиваясь нулевым и первым приближениями, находим неизвестные функции F, G, Н, к. Отсюда легко определяются компонеьтч вектора скорости u, v, w.

Зная распре делешю скоростей в канале и предполагая, что перепад температуры по радиусу щели незначителен, мокно записать уравнение энергии в безразмерном виде

(И d2T

wPe' — = —= . (II)

dz

11

При приведении к безразмерному виду з^есь и далее1 размерная температура Счда отнесена к еэ Ее.шпше на поверхности СУбл:^5фук:г.его диско И .

?спэя зто урзкнвние, получаем ифаяряшэ для определения су?.-'"':'ру"с;9го пера Г(п) п ~>эшюивпря7»1тей

проницаемой поверхности Т :

Т(а) = 1+11

1 - z - Ре

А 10

а

с + ß

7 + 10a + 160a2 с + 2a

20 2

z - adz3 -

1 z' — z + -

2 2

PeRe

58-454a+10020аг+61783аэ+311040a4+302712а5+94828аб-956080ат

10080се

7- 40а- 972аг+ G540a3+ 4440ал+ 31752а5+.126600а6- 119760а7

840се

13 - 55а - 84аг+ 882а3- 1б80а4^ 15120а5- 10080а6

z +

840се

18 - 18а - б72аг- 420а3+ 840a4+ 2520а5- г.00а6

га -

1440с

z5 -

9

70

560

2520

a ß

1+ 4a- 56аг-384ä3-1248а4-2880а5

120е

1 + 2а - о0аг- 120а3- 720а4 1 - 4а - 48а3

-z +--m +

60e 24а3+ 2а

24е

z5 +

PeReRo

20 60 171 + 1077а - 3470аг- 359940а3- 45360а4+ 33600а5

1 ?600b es

+ 26а - 69аг - 786а3 - 1236а4 + 360а5

z +

,180Ьгсс

7 + 5а - 102аг- 420а3- 240а4 3 - 35аг- 120а3- 300а4

360Ьгсе

ш -

300ЬгС

s5—

— ъ

1260Ъг

(12)

Г7р П)

<эи аи 1 ар

и — + V?-------+ V

дт дz г р дт

гЭ2и д Эг2 дт

дч дч Ц7

и- + V? — + — = V

. дт аг г

га2? а аг2 аг

а« ач» 1 ар

и — + И — =---+ V

дт вь р дт.

аа» 1 а« а2я _ +--+.

+ зги аг2

вЧ

аа2 9

аги

агг •

(2)

(3)

Эи и — + - + — = 0, Зг г дz

(4)

ЭГ дТ и — — = а"

аг аг

1 а г аг

ат г — аг

а2т аг2

(5)

где - компоненты ректора скорости; р - давление в целевом

зазоро; V - кинематический коэффициент вязкости; а* - коэффициент ..змпературопроводаости.

В качестве граничных условий принимаются условия проскальзывания и тешэратурного скачка:

5У%

<1>

Эи

а1пт

ах

(6)

ДТ = т°- Т =

2-к,а 75%

1 в

128

<1>

ат ау

(7)

Здесь у - нормаль от стенки; Т^.- температура поверхности; Т°, и° - граничные значения температуры и скорости газа при У => 0; к( « 0,827; 1^= 1,012; к3= 0,43; а - коэффициент аккомодации; <!'• -длина свободного пробега.

Задачу считаем вртцатэлыю-симметричпой а ограничимся сле-дущими допущениями:

1. Свободно-конвективный теплообмен и теплоперенос излучением отсутствуют.

2. иба стенки шэл! считаем изотор^.пгшю.и по всей длгаю.

а) интенсификация процесса тепломзссопереноса достигается за счет принудительного отсоса (7г.) сублимирующих паров из полости канала, что позволяет интенсифицировать непосредственно процесс, сублимации и увеличить конвективную составляющую тешюпереноса.

б) интенсивность сублимации повышается за счет отсоса парос, а организация вращения сублимирующего диска с частотой и приводит к повышению конвективной составляющей.

в) непроницаемый нижний даек заменен на проницаемый; отсос сублимирующих паров осуществляется чербз тешюналряженную поверхность, что приводит к ее охлаждению.

г) при наличии нижнего проницаемого диске вводится вращение верхней сублимирующей поверхности; этот вариант представляется наиболее эффективным с точки зрения охлаждения "горячей" поверхности и наиболее универсальным для расчг^ь: при ы = О - переводит в вариант в); при V = л- в вариант б); при ш = О, Уо= О-в вглиант в).

Сформулированы выводы по применению сублимационных систем криостатирования для аэрокосмической техники, цель и задачи исследования.

• Во второй главе приводится методика расчета процесса тепломассопереноса при граничных условиях проскальзывания и температурного скачка на стенках канала с подвижной сублимирующей и проницаемой ^еплонапряженной стенками (рис. 2).

уо I Г^Е I I I х Г

1.1. .1 1 I .1 1

10 о о* о о о 01

I I I

^П Г~ I о | I г

о о о|

г

Рис. 2. Схема течения в канале

Исходными являются уравнения Навье-Стокса, неразрывности и энергии:

1.4

Т

1.3

1.2

1.1

1.0

\\ Л/

\\ \

\

.Ь0 Т

1.70

0.0

0.4

0.8 г

1.60

Ж —=

--- 1

0.0

0.5

1.0 9

Рио.9. Распределение температуры Рис:10. Изменение температуры

пара по высоте канала. проницаемого диска.

1 - данные Новикова П.А.; ' 1 - Н = 2 мм; Г - К = 4 мм;

2 - данные /2/; 3 - Н= 6 мм; Р = 1,96 кПа;

3 - расчет по (12), (13) Но = 0; - эксперимент;

- - расчет по (13)

1.80 Т

1.75

1.70

1.65

\ а

а )

п

X 1

1.60 7

1.55 ^

1.50

0.00

0.10

1 45 0.20 " 0.0 Яо

□ N \ о J

и 1 1 \ \ \2. ЧА

<1

1.0

2.0 Г?о

а) * б)

Рис. 11. Изменение температуры "нагретого" диска. (3 « 0; п - Р -- 1.96 кПа; б - Р * 19,6 кПа; о - К « 2 т;4 ф - Н -4 >■;*: о - 1,' = й г,ад; —-- - расчет по (ТЛ); — - рксгтеримйнт

На неподвижном проницаемом (иди не проницаемом) диске '6 расположены электронагреватель 7 с теплоизоляционным экраном и термопара 8. Пля ограничения неконтролируемых теплопритоков к сублимирующему хладагенту диск 5 теплоизолируется многослойной политилентерф-толатной пленкой с двойным алктнирорэнием ПТЭФ-ДА. В качестве теплоизоляции нижнего диска использовался материал ТЗМК-10 на основе ультратонких кварцевых волокон. Изменение частоты вращения диска 5 осуществляется с помощью шкива 9. перемещением ремня передачи на соответствующий диаметр.

Расхождение экспериментальных и теоретических результатов не превышает 10 %.

Четвертая глава включает результаты практического применения разработанной методики расчета процесса интенсификации тегаюмас-сопереноса в сублимационных каналах. С применением данной методики Сила рассчитана схема реальной сублимационной установки. В результате использования в теплообменном устройстве перфорированных ребер и осуществлении через них отсоса сублимирующих паров возможно снижение массы устройства на 25-35 % и увеличение сроков его функционирования на 30-50 часов при сохранении заданной холодопроизводительности, что является определяющими факторами в ракетно-космической технике.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертации разработана методика расчета поля скоростей в узких сублимационных каналах при наличии вращешш сублимирующей стенки и отсоса сублимирующего пара через проницаемую поверхность с учетом эффокта проскальзывания.

2. Получено точное решение задачи о распределении псля . температур в узких сублимационных каналах при наличии разнообразных способов штенслфгасации тепломассопереноса: вращение сублимирующей стешси и отсос паров через проницаемые поверхности при грашчшх условиях, учитывающих температурный' скачок.

3. Создана экспериментальная установка, позволяющая моделировать условия работы сублиматоров при давлениях I - 105 Па и вращении одной из ограничивали, стенок капала в диапазоне и =0-2 об/мин, о одновремешшм отсосом сублимирующих паров через проницаемую стенку.

4. Проведены теплотехнические опыты на моделях сублимационных теплообменников. Расхавд-.чсю тоорептсних р'^т.-л1;; розуль-

татов экспериментов не более 10 %.

5. На основе полученных в диссертацш: результатов проведен анализ реальной сублимационной системы, который показал, что применение перфорированных ребер в трубчатом сублимационном теплообменом аппарате (сублиматоре) снижает эго массу на 25 -35 %. Оганпзация отсоса (ß = 0,5-1) сублюдирующих паров через перфорированные ребра практически не приводит к снижению массы аппарата, но увеличивает время работы сублиматора на 30-50 часов, по сравнению с аппаратом, где нет отсоса сублимирующих паров.

Основ; е результаты диссертации отражены в работах:

1. Paleev V.V., Dakhln S.V., Krekoten V.A. Enhancement of Heat Exchange in the Channel with SuWiuiaUon//The Second F(US-SIAN-SINO Symposium on Astronautical Science and Technology. Samara. June, 30 - July, 4, 1992, P. 49.

2. Дахин C.B., Фалеев B.B. Особенности терния процессов тепломассообмена при сублимации в узких щелевых каналах. - М., 1992.- 22 с. Дап. в БШИТИ 13.08.92, Л 2629-В92.

3. Дахин C.B., Моховой Н.В., Ключников А.И. Некоторые экспериментальные данные о теплообмене в сублимационном капало// Теплообмен в энергетических установках и повыиешю эффективности их работы.- Воронек: Воронеж, политехн. ин-т, 1992. С. 16-19.

4. Дахи1 C.B. Теплсмассопоренос в двущолевом канале при наличии сублимации. - М., 1993.- 8 с. Деп. в ВИНИТИ 12.07.93,

â I958-B93.

Подписало ¡с печати 22.09.93. Наряд-заказ #140. Объем усл.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 57 -экз. Ьаказ № 4

Воронежский политехнический институт 394026 Воронеж, Московский просп. ,14

i" ..; iinr-pr.'ri'.illq1"! лслягра^п.

■ v.'io п Г/ л 1 т о х н ! п j е I î ;{г. г о Нмотп-.'ута