автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками

На правах рукописи

003493948

Бортников Роман Александрович

РАЗРАБОТКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ С ИНЕРТНЫМИ ТЕПЛООБМЕННИКАМИ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь-2010

1 8 ШР 2010

003493948

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат технических наук, доцент Потапов Борис Федосеевич

доктор технических наук, профессор Храмов Сергей Никитьевич

кандидат технических наук Голубчиков Валерий Борисович

Ведущая организация

ФГУП «Научно-исследовательский институт полимерных материалов», г. Пермь

Защита состоится 2 апреля 2010 года в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 212.188.06 при Пермском государственном техническом университете, 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 4236 гл. корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан 1 марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В. И. Свирщёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Реферируемая диссертация посвящена разработке низкотемпературных твердотопливных газогенераторов (НТТТ) с инертными теплообменниками, которые могут быть использованы в качестве источника холодного рабочего тела как в ракетно-космической технике и авиации, так и в народном хозяйстве. Интенсивное развитие исследований данного направления, в первую очередь, обусловлено потребностью предприятий ВПК реализовать накопленный потенциал в новых наукоемких разработках, востребованных рынком.

Важнейшей областью применения НТТТ являются аварийно-спасательные системы, к ним относятся: системы приводнения вертолетов; системы перекрытия магистралей газо- и нефтепроводов; системы натяжения ремней и надува подушек безопасности легковых автомобилей; системы, генерирующие чистые газы (02, С02, N2) или аэрозоли различного назначения и др. В отличие от известных источников энергии для аварийно-спасательных систем, таких как баллоны сжатого газа, электрические аккумуляторы или двигатели внутреннего сгорания, НТГГ обладают высокой производительностью и надежностью срабатывания (р>0,995) вне зависимости от температуры окружающей среды.

Актуальным представляется использование НТГГ с инертными теплообменниками как генераторы огнетушащего аэрозоля (ГОА) с целью повышения эффективности и безопасности систем и установок объемного пожаротушения. Сущность метода тушения аэрозолем заключается в заполнении объема помещения смесью инертных газов (С02, N2) и мелкодисперсных частиц (KNO3, К2СОз и др.) размером 0,5 ... 2,0 мкм, образующейся в ГОА при горении твердотопливного заряда с температурой Т= 540 ... 1700 К и давлением р = 0,12 ... 0,2 МПа. Частицы оказывают активное ингибирующее воздействие на реакции окисления в пламени, а инертные газы способствуют вытеснению кислорода. Основными параметрами, характеризующими эффективность и безопасность аэрозольного пожаротушения, являются: интенсивность подачи продуктов сгорания (ПС), их состав и температура. В настоящее время при участии Голубчи-кова В. Б., Милёхина Ю. М., Копылова Н. П., Аликина В. Н. и др. ученых разработаны твердотопливные композиции, обеспечивающие оптимальный состав и интенсивность подачи продуктов сгорания, однако проблема экономически оправданными методами максимально снизить температуру аэрозоля при сохранении его пожаротушащей эффективности остается актуальной.

В этом отношении в качестве генераторов огнетушащего аэрозоля оптимально подходят НТГГ с инертными теплообменниками. В отличие от химических методов охлаждения, дающих жидкофазную составляющую, инертные теплообменники практически не снижают пожаротушащую эффективность аэрозоля, так как быстрое охлаждение твердой и газовой фаз на выходе из камеры сгорания сохраняет минимальный размер частиц и предотвращает их дальнейшее слипание и коагуляцию.

Поскольку к газогенераторам для установок аэрозольного пожаротушения предъявляются наиболее жесткие требования по температуре ПС, в диссертационной работе особое внимание уделяется разработке Hil l данного назначения, тем не менее, полученные результаты не исключают возможности применения НТГГ с инертными теплообменниками в авиации, ракетно-космической технике и в аварийно-спасательных системах на твердом ракетном топливе.

Целью диссертационной работы является разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками, обеспечивающих заданные температурно-расходные характеристики продуктов сгорания.

Задачи исследования

1. Научное обоснование принципиальной схемы НТГГ с инертным теплообменником. Адаптация существующих математических моделей для описания процессов нестационарного теплообмена при движении продуктов сгорания в каналах сложной формы. Разработка соответствующего программного обеспечения.

2. Комплексное исследование влияния режимных параметров инертного теплообменника и объемно-массовых характеристик его конструкции на основные выходные характеристики НТГГ.

3. Разработка рекомендаций для проектирования инертных теплообменников НТГГ, снижающих энтальпию ПС на 80 % и более.

4. Исследование влияния температурно-расходных характеристик аэрозольных НТГТ на термодинамические параметры среды в защищаемых помещениях.

Методика исследования

Распределение температур при течении ПС в каналах сложной формы и выходные характеристики НТГТ получены в результате решения нестационарной задачи сопряженного теплообмена методом конечных разностей в системе Maple. При определенных условиях задача сопряженного теплообмена решена аналитически, с помощью преобразований Фурье и Лапласа. Экспериментальные исследования выходных характеристик ШТТ проводились в лаборатории кафедры РКТиЭУ ПГТУ.

Научная новизна

1. Решена задача сопряженного нестационарного теплообмена с адаптированными для элементов конструкций НТГГ начальными и граничными условиями.

2.0пределена связь между процессами теплообмена в каналах сложной формы и выходными характеристиками НТГГ.

3. Изучено влияние выходных характеристик НТГГ на термодинамические параметры воздушно-аэрозольной смеси в защищаемых помещениях после срабатывания установок аэрозольного пожаротушения.

Практическая значимость

1. Разработаны методики комплексного проектирования инертных теплообменников НТГГ, представленные в виде алгоритмов, математических моде-

4

лей, программного обеспечения и номограмм, позволяющие подобрать типоразмер конструкций с заданными входными и выходными характеристиками.

2. Полученные теоретические результаты исследования рабочих процессов в инертных теплообменниках позволяют дать рекомендации для применения НТТТ в высокоэффективных и безопасных установках аэрозольного пожаротушения и в других аварийно-спасательных системах, таких как: системы генерирующие газы со специальными свойствами; системы надува спасательных средств и понтонов; системы аварийного торможения и растормаживания в автотранспорте; системы катапультирования в авиации и др.

На защиту автором выносится:

1. Классификация конструкций НИ i по способу снятия тепла.

2. Математическая модель процессов нестационарного теплообмена с учетом адаптированных граничных и начальных условий к каналам сложной формы инертных теплообменников НТГТ.

3. Основные результаты математического моделирования рабочих процессов в инертных теплообменниках, их влияние на выходные характеристики НТГТ и рекомендации для проектирования.

4. Результаты исследования влияния температурно-расходных характеристик НТГТ на термодинамические параметры воздушно-аэрозольной среды в защищаемых помещениях.

Достоверность результатов

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается:

1. Использованием полуэмпирических зависимостей, термодинамических и теплофизических величин, апробированных и подтверждённых практикой.

2. Удовлетворительным согласованием результатов моделирования и проведённых экспериментов на серийных изделиях «АГАТ» и «ОПАН».

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 - в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.

Реализация работы

Разработанные методики, алгоритмы, программы и полученные в результате исследований расчётные данные использованы: в конструкторских разработках ОКБ «Темп», ИВЦ «Техномаш»; в учебном процессе кафедры ТКА ПермГТУ.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- VI, VII, VIII, IX Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», Пермский государственный технический университет, г. Пермь: 2002,2004,2006,2008 г.

- Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «VIII Королёвские чтения», Самарский государственный аэрокосмический университет им. С. П. Королева, г. Самара, 2005 г.

- Национальной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ - 2006», г. Казань, 2006 г.

- Международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьева, г. Рыбинск, 2006 г.

- Международной молодежной научной конференции «XIV Туполевские чтения», Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева, г. Казань, 2006 г.

Объём и структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и двух приложений; изложена на 149 страницах, содержит 74 рисунка, 6 таблиц; список литературных источников включает 111 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю, зав. кафедрой ТКА, доценту, канд. техн. наук Потапову Борису Федосеевичу, профессору, докт. техн. наук Серебренникову Сергею Юрьевичу, докт. техн. наук Малинину Владимиру Игнатьевичу, профессору, докт. техн. наук Сальникову Алексею Федоровичу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность избранной темы диссертационного исследования, анализируется степень ее научной разработанности, определяются цели и задачи, аргументируется научная новизна и практическая значимость полученных результатов, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируются технико-экономические показатели современных генераторов огнетушащего аэрозоля (ГОА) на твердом топливе. Если надежность и эффективность данных устройств достигается сравнительно просто на базе конверсионных технологий, то безопасность достигается крайне сложно. Согласно результатам экспериментов, представленных на рис. 1, работа ГОА сопровождается значительным тепловыделением (Гвых = 573 - 973 К), а это может привести к опасному увеличению температуры и давления в защищаемых помещениях. Поэтому проблема разработки аэрозольного НТГТ остается актуальной.

В рамках проведенных исследований рассмотрены различные способы снижения температуры продуктов сгорания твердого топлива.

Температуру ПС можно уменьшить в результате организации контакта с твердъши сублимирующими материалами. Описанный способ охлаждения ПС реализован Кузьмицким Г. Э., Сергиенко А. Д., Сальциным А. В. и др. в конструкции газогенератора, на внутренние поверхности сопла и камеры сгорания которого нанесена сублимирующая облицовка, рис. 2, а. Романьковым А. В., Анискиным А. И. и др. предложена более компактная конструкция газогенератора, состоящая из двух коаксиально расположенных полукорпусов, выполненных в виде стаканов, рис. 2, б. На внутреннюю поверхность внешнего

-»-АГАТ-2А -■-АГС-2 -»-С0Т-2М -*-АГС-3/СОТ-3 -*-АГС-5 СОТ-5 -•-АГС-6/СОТ-6 -+-АГС-7 —АГС-8 —АГС-11

0,5

1,5

г, м

2,5

Рис, 1. Температура аэрозоля по длине струи Конструктивные решения по снижению температуры ПС: 1 - сублимационные материалы; 2 - эжекционная насадка; 3 - сопловые отверстия малого диаметра; 4 - насадка с гранулами или таблетками охладителя; 5 - инертный теплообменник

2 6

Рис. 2. Способы снижения температуры ПС в газогенераторах 1 - корпус; 2 - сопло; 3 - твердотопливный заряд; 4 - воспламенитель; 5 - облицовка из сублимирующего материала; 6 - эжекционная насадка; 7 - насадка с порошковым материалом

полукорпуса нанесена сублимирующая облицовка. Однако возможности чисто сублимационного охлаждения ограничены, прежде всего, в связи с недостаточной степенью охлаждения ПС (520 ... 770 К) и нестабильностью выходной температуры. Топливо с сублимационными добавками обладает пониженными эксплуатационными характеристиками.

Использование в качестве охладителя эжекцинной насадки позволяет уменьшить температуру ПС до 500 ... 700 К. Данная схема охлаждения применена, например, в конструкциях Дубравы О. Л., Романькова А. В., Анискина А. И. и др., рис. 2, в, г. Поскольку в ГОА с эжекционными насадками выходная температура продуктов сгорания, в основном, определяется расходами ПС и воздуха (охладителя), а, следовательно, и давлением в камере сгорания, на которое обычно для аэрозольных генераторов есть ограничение (2 атм), возможности чисто эжекционного охлаждения имеют пределы.

Известен способ снижения температуры ПС основанный на эффекте «волнового теплообмена», который возникает в процессе фильтрации горячего газа через порошковый материал. Разработанные Малининым В. И., Коломи-ным Е. И., Серебренниковым С. Ю. и др. газогенераторы, на базе порошковых охладителей, конструктивная схема которых представлена на рис. 2, д, обеспечивают температуру 350 ... 450 К и мохут применяться в качестве источника холодного рабочего тела в большинстве аварийно-спасательных систем. Однако применение порошковых охладителей в ГОА приведет к снижению эффективности пожаротушения вследствие фильтрации мелкодисперсных частиц -ингибиторов горения.

В диссертационной работе научно обоснован выбор способа охлаждения ПС при помощи инертных теплообменников. В данном направлении исследований работали Серебренников С. Ю., Рязанцев В. А., Прохоренко К. В., Брита-рев В. В., Якушкин Р. В., Вершинин В. Н. и др. Продукты сгорания таким способом можно охладить практически до 300 К., но при снижении температуры меньше 500 - 600 К, масса и габариты газогенераторов существенно увеличиваются. В связи с этим актуальной остается проблема увеличения эффективности теплообмена и перемешивания в инертных теплообменниках. Ее решение сопряжено с поиском новых интенсификаторов теплообмена и методик их теплового и гидравлического расчета, составлением соответствующего программного обеспечения, разработкой рекомендаций к проектированию.

На рис. 3 представлены газогенераторы с инертными теплообменниками различных конструкций. Базовая модель газогенератора (рис. 3, а) состоит из корпуса, воспламенителя, заряда массой 6 кг и сопла. Из-за высокой выходной температуры ПС (~ 1500 К) данный газогенератор широкого распространения в системах пожаротушения не получил. Использование в базовой модели трубчатого теплообменника (рис. 3, б), позволяет снизить температуру продуктов сгорания до 573 К, однако при этом габаритно-массовые характеристики конструкции ухудшаются (длина увеличиваются в 1,7 раза, масса более чем втрое). Данная модификация газогенератора нашла применение в системах пожаротушения для нефтяной и газовой промышленности.

470

300

__800_„

Рис. 3. Газогенераторы с инертными теплообменниками

Предлагаемый Бортниковым Р. А., Потаповым Б. Ф. и Серебренниковым С. Ю. газогенератор с теплообменником в виде матрицы из последовательно расположенных дисков с короткими каналами (I /й< 1) (рис. 3, в) имеет массу и длину в ~ 1,6 и ~ 1,5 раза меньше, чем предыдущая модель. Набор перфорированных дисков, различного количества и геометрии позволяет получать температуру ПС ~ 350 - 450 К, что соответствует требованиям ГОСТ Р 53284 -2009 для генераторов огнетушащего аэрозоля. Диски изготавливаются штамповкой из холоднокатаных малоуглеродистых (С = 0,05 - 0,2 %) сталей: 08кп, 08Фкп с добавлением ванадия (0,02 - 0,04 % V) или 08Ю с небольшим количеством алюминия А1 (0,02 - 0,04 %) и др., аа / оо,2 = 0,5 ... 0,65. В качестве прокладок между дисками используются кольца из листовой стали либо проволоки.

В результате проведенного в главе аналитического обзора способов снижения температуры и возможных методов интенсификации теплообмена в твердотопливных газогенераторах сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются физическая и математическая модели рабочих процессов в НТГГ с инертным теплообменником с каналами сложной формы (трубчатым, пластинчатым, матричным), схема которого представлена на рис. 4.

Физические процессы в НТГГ во многом сходны с физическими процессами в РДТТ и включают в себя горение воспламенителя (В), прогрев, зажигание и горение твердого топлива (ТТ), течение продуктов сгорания в камере сгорания (КС) и в каналах теплообменника (ТО). Отличительной особенностью аэрозольного НТГГ является его работа на докритическом режиме при давлении в КС р< 0,2 МПа.

4

1

/

I КС

I то

I нтгг

Рис. 4. Расчетная схема НТГГ с инертным теплообменником (трубчатым, пластинчатым, матричным) 1 - корпус, 2 - выходная мембрана, 3 - камера сгорания, 4 - воспламенитель, 5 - инертный теплообменник

Математическая модель НТГГ строится на следующих допущениях:

1. Процесс движения и теплообмена ПС в НТГГ рассматривается в одномерной постановке. Такой подход обусловлен тем, что при проектировании НТГГ практический интерес представляет не изменение параметров ПС в пространстве, а только изменение температуры и давления по длине конструкции.

2. Влияние мелкодисперсных частиц на поток несущественно. Согласно данным Идельчика И. Е. частицы размером 0,5 - 2,0 мкм, при объемной концентрации < 0,15 на поток существенного влияния не оказывают. Эффект Том-са начинает проявлять себя при размере частиц >15 мкм.

В качестве исходных данных для моделирования используются термодинамические параметры и температурно-расходные характеристики пороховых зарядов твердого топлива ПТ-50-2ТУЗ - 7509009.26 - 91 (Ггор = 1513 К, = 0,3 кг/с), производимых ФЦЦТ «СОЮЗ».

В математическую модель воспламенителя входят уравнения: баланса массы газового объема (1), энергии газового объема (2), состояния продуктов сгорания (3), баланса тепла корпуса воспламенителя (4). Расход ПС из воспламенителя определяется по формулам газовой динамики в зависимости от соотношения давлений в объеме воспламенителя и КС.

ю

р - плотность, V- объем, I - время, и - скорость горения,/- площадь поверхности, <р - массовая доля конденсированной фазы, е — энергия, с — теплоемкость, Т - температура, б - расход, £3 - тепловой поток, р - давление, а, Ь, Я -постоянные, т — масса, а - коэффициент теплоотдачи; индексы:/- параметры, относящиеся к продуктам сгорания (газу), 5 - параметры стенки.

Течение смеси продуктов сгорания в КС описывается системой уравнений: неразрывности (5), количества движения (6), энергии (7) и состояния (8). Температурное поле в стенке КС рассчитывается по уравнению теплопроводности (9).

дРгжРкс А^с а (5)

&

2

-Ъ-+ ^\Р/жрк^кс + Рксркс)= ---(6)

^{р/жр'ксЕкс)+-^{р/.кср'жм'ксЕкс)= РтитЬтПт3~£>кс> (7) (р+а/У21г-Ь)кс=ЯТкс, (8)

, где (9)

дТ5,кс й)8 д ( дТ< л

Э/ г дг

5, КС Г---

V 8г

Г,П- площадь и периметр поперечного сечения канала, - скорость ПС, г - продольная координата, г - радиус, 8 - дельта-функция Дирака, % - коэффициент гидравлического сопротивления, ш - коэффициент температуропроводности, Е - энергия.

В теплообменнике, представляющем систему круглых каналов, движение и теплоотдача газов в каждом канале описывается уравнениями: неразрывности (10), количества движения (11), энергии (12), состояния (13) и теплопроводности (14).

<10)

ОТ дг

ч>к о! дг дг 2 аэ

^8^скср,гл6Л-=дк, (12)

\\>к от дг

(р+а1У2\У-Ъ)к=КТк, (13)

дТ5,К = 6>5 О (дТ5,к\ (14) й г Эг^ дг

и

Более полное математическое описание рабочих процессов в воспламенителе, и камере сгорания можно найти, например, в работах Храмова С. Н., Еро-хина Б. Т., Орлова Б. В., Райзберга Б. А. и др.

Методика расчета теплообменников различной конфигурации приведена в работах Серебренникова С. Ю., Потапова Б. Ф., Бортникова Р. А. Её основная идея состоит в том, что теплообменник можно представить в виде эквивалентной схемы состоящей из одного или нескольких цилиндрических участков постоянного сечения, сопряженных через контактные разрывы нулевой длины. На каждом из участков требуется совместно решить дифференциальные уравнения (10 -14) с соответствующими начальными и граничными условиями.

В третьей главе приводятся результаты комплексного исследования влияния режимных параметров инертного канального теплообменника (трубчатого, пластинчатого, матричного) и объемно-массовых характеристик его конструкции на основные выходные характеристики НТГГ и рекомендации для проектирования, представленные в виде номограмм.

Результаты интегрирования уравнений (10) - (14) для канала, обтекаемого по внутренней гх = 0,006 м и внешней г2 = 0,01 м поверхностям турбулентным потоком ПС с коэффициентами теплоотдачи а1 (внутри трубы) и а2 (в межтрубном пространстве), представлены на рис. 5 и 6, о.

На рис. 5, а видно, как с течением времени (г = 12 с) по мере прогрева стенки канала температурный профиль в ядре потока продвигается в осевом направлении г. Температура изменяется от Т\ = 1500 К во входном сечении до Т2 = Г0. с = 298 К на выходе.

На рис. 5, б построена картина развития профиля температуры вдоль стенки. Канал в начальный период времени имеет температуру окружающей среды Г0. с = 298 К. После срабатывания НТГГ температура ПС во входном сечении мгновенно увеличивается до Т] = 1500 К, стенка начинает постепенно прогреваться, достигая температуры потока.

Рис. 5. Температурные поля в ядре потока (а) и на стенке канала (б)

Развитие температурного профиля в радиальном направлении канала представлено на рис. 6, а. Для наглядности график построен в приведенных координатах радиуса г/(г2-г\) и времени т = Мер. Заметно, что внешняя поверхность из-за большей площади теплообмена прогревается несколько быстрее по отношению к внутренней поверхности.

г

I

Рис. 6. Развитие температурного профиля на стенках цилиндрического канала: а- 01 ~ а2; Г, ~ Т2 = 1500 К; б-а2 > аос; Г, = 1500 К

Распределение температуры на стенке корпуса НТГГ представлено на рис. 6, б. На внутренней г = г\ и наружной г = г2 поверхностях стенки протекают процессы вынужденной и свободной конвекции, характеризуемые коэффициентами теплоотдачи щ и а0. с соответственно. Первоначально температура внутри корпуса равна Т0 с. После срабатывания НТГГ температура увеличивается до Т\ = 1500 К. Температура окружающей среды на рис. 6, <я, б считается постоянной: Т0. с = 298 К.

На основе решения для круглого канала, разработаны программы, моделирующие рабочие процессы в НТГГ с трубчатым, пластинчатым и матричным теплообменниками. На рис. 7 построены функции температуры на выходе из НТГГ с пластинчатым (для различного количества пластин К) и трубчатым ТО. Проверка адекватности математической модели проведена при сравнении экспериментальных и расчетных температурных зависимостей. Согласно графику расхождение не превышает 15%.

I. с

Рис. 7. Изменение температуры продуктов сгорания на выходе из НТГГ с пластинчатым и трубчатым теплообменником при постоянной расходной характеристике; Результат испытаний серийного газогенератора «АГАТ - 2» (испытания проводились в лаборатории кафедры РКТиЭУ ПГТУ)

пературы ПС по длине теплообменника (б)

По результатам численных экспериментов разработаны НТГГ, теплообменники которых снижают температуру продуктов сгорания на 80 % и более. Показано, что в матрицах из перфорированных дисков эффективность теплообмена, оцениваемая отношением изменения энтальпии к массе А/г/т, на 15 % выше по сравнению с последовательно расположенными пластинами и на 30 ... 40 % выше по отношению к пучкам труб. На рис. 8 представлен НТГГ с матричным теплообменником, имеющий следующие параметры: количество дисков Л'д = 45; диаметр отверстий с1тв = 5 мм; число отверстий /?отв = 397; время работы * = 12 с; относительное изменение энтальпии ЛМгвх = 95,99 %.

Для обобщения и систематизации результатов исследований построены номограммы (рис. 9), позволяющие подбирать типоразмеры инертных теплообменников, исходя из заданных выходных характеристик НТГГ.

В качестве параметров, комплексно характеризующих эффективность те- I плообмена, взяты: относительное изменение энтальпии Ак/Ът и изменение энтальпии, приведенное к массе А к/т.

На рис. 9, а представлена зависимость параметров Акт от приведенной площади сечения / = £/Г0Т,»/У'0бщ. Кривые построены для матричного теплообменника диаметром О = 200 мм с различным количеством отверстий птя. Каждой точке кривой соответствует определенный диаметр отверстия ¿/0ТЕ. Правая сторона диаграммы характеризует массивные (материалоемкие) конструкции с небольшой эффективностью теплообмена. По мере уменьшения приведенной площади эффективность теплообмена возрастает. Слева кривые ограничены повышенными коэффициентами гидравлического сопротивления. Аналогичные зависимости получены для теплообменников с О = 150 и 250 мм. На рис. 9, б представлены кривые, характеризующие изменение параметров Ак/т по длине теплообменников с различными диаметрами корпуса £>. Перфорированные

14

диски конструкций имеют ширину а = 2 мм и расположены на расстоянии 6 = 4 мм друг от друга.

А Ь/т, кДж/кг

1'о1в = : 5 мм \ ■ - 7 А- 1!) х- 37 ж- 61 • - 91 — 169

1 \7

• 15

Ч*

0. 0,2 0,4 0,6 /

Д/¡/пи кДж/кг

Рис. 9. Изменение параметров Шт в зависимости от приведенной площади и длины матричного теплообменника

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния тем-пературно-расходных характеристик аэрозольных НТГГ на термодинамические параметры в защищаемых помещениях. Предметом исследования являлась разработанная Б. Ф. Потаповым и др. математическая модель, включающая уравнения состояния, сохранения массы и энергии для смеси газов. После преобразования эти уравнения принимают вид:

(р+а/у2\у-Ь)см = ЯТсм, •

¿Рем Ж V '

<Нсм ___ ср.АТл(<)тА^)-(я\ +Ч2+Яъ +Я4 +Чзо) Л ср.в(Мв+ММ

15

(15)

(16)

тл (') - массовый приход аэрозоля; V- объем помещения; , , Чз» » Язо - тепловые потоки в стены, потолок, пол и защищаемое оборудование; М -масса; индексы: А - аэрозоль, В - воздух, СМ- смесь, СТ-стенка.

Введение в математическую модель уравнений Фолкнера - Скэн (18-19) описывающих взаимодействие дозвуковой неизотермической струи и клина с углом раствора от 0 до 180° позволило учесть расположение НИ I относительно обтекаемых поверхностей теплообмена, тем самым более точно оценить тепловые потоки q¡ и получить лучшее согласование с экспериментом.

Г+~^-/-Г+т-[\-(Г)2]=0, (18)

£"+Рг- ■ / • Я'+Рг- п ■ [1 - в]-/'= 0, где (19)

Ал) и - безразмерные функции тока и температуры, т] - безразмерное расстояние от стенки, тип-параметры, характеризующие угол раствора клина.

-,—. - ------

алюминии бетон кирпич эксперимент

а. НТТТ с трубчатым теплообменником

алюминий бетон кирпич эксперимент б. НТГГ с матричным теплообменником Рис.10. Зависимость температуры в помещении от удельного тепловыделения аэрозольных НТГГ 16

На рис.10 представлено временное распределение температуры в помещении объемом 180 м3 со стенами из различных материалов после срабатывания НТГГ с трубчатым и матричным теплообменником. Анализ графиков показывает, что наименьшая температура и давление воздушно-аэрозольной смеси может быть получена в помещении со стенами из алюминия или из другого материала обладающего большой теплопроводностью. Использование НТГГ с матричным ТО позволяет обеспечить более безопасные термодинамические параметры в помещении , по отношению к НТГГ с трубчатым ТО: температура уменьшается на 10 К, избыточное давление уменьшается на 3000 Па.

В целом, в главе подтверждено, что аэрозольные НТГГ с инертными теплообменниками за счет низкой температуры и низкой пожаротушащей концентрации охлажденного аэрозоля не оказывают вредного воздействия на человека, оборудование и материальные ценности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что одним из эффективных способов охлаждения продуктов сгорания твердого топлива является использование инертных теплообменников.

2. На основе анализа коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления различных интенсификаторов теплообмена научно обоснована схема НТГГ с тремя вариантами инертных канальных теплообменников: трубчатым, пластинчатым и матричным.

3. Произведено комплексное исследование рабочих процессов в инертных теплообменниках НТГГ с помощью разработанных программ на языке Maple, в

.. результате чего построены нестационарные поля температуры в стенках и по длине каналов сложной формы для различных граничных и начальных условий; разработаны рекомендации для проектирования НПТ с заданными темпера-турно-расходными характеристиками, представленные в виде номограмм.

4. Разработаны НТГГ, теплообменники которых снижают температуру продуктов сгорания на 80 % и более. Доказано, что в матрицах из решеток или турбулизаторов отношение изменения энтальпии к массе Ah/тю на 15 % выше по сравнению с последовательно расположенными пластинами и на 30 - 40 % выше по отношению к пучкам труб.

5. Теоретически подтверждено, что аэрозольные НТГГ с матричным теплообменником за счет низкой температуры и пожаротушащей концентрации охлажденного аэрозоля не оказывают вредного воздействия на человека, оборудование и материальные ценности. Пиковая температура в помещении не превышает 325 К.

Основные научные результаты достаточно полно опубликованы в следующих работах:

1. Бортников Р. А. Рабочие процессы в твердотопливном генераторе холодного аэрозоля с инертным теплообменником // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. - 2009. - №2. - С. 72-74.

17

2. Бортников Р. А., Потапов Б. Ф., Серебренников С. Ю. Проектирование и оптимизация габаритно-массовых характеристик генераторов огнетушащего аэрозоля с инертным теплообменником // Вестник ИжГТУ. - 2008. - №3(39). -С. 6-8.

3. Бортников Р. А., Потапов Б. Ф. Исследование теплообмена в твердотопливных газогенераторах аэрозольных пожаротушащих систем // Известия Самарского научного центра РАН. - 2008. - С. 10-17.

4. Бортников Р. А., Потапов Б. Ф. Математическая модель взаимодействия струй аэрозоли с преградой // Вестник ПГТУ. - 2002. - №14. - С. 92-93.

5. Бортников Р. А., Потапов Б. Ф., Серебренников С. Ю. Постановка задачи оптимизации работы теплообменника в аэрозольной системе пожаротушения // Вестник ПГТУ. - 2004. - №20. - С. 8-18.

6. Бортников Р. А. Проектирование низкотемпературных генераторов огнетушащего аэрозоля с оптимальными габаритно-массовыми характеристиками // Современные проблемы науки и образования. - 2008. - №6. - С. 11.

7. Бортников Р. А., Потапов Б. Ф. Моделирование работы теплообменника при нестационарном режиме // Национальная конференция по теплоэнергетике: материалы докл. (Казань, 4-8 сентября 2006 г.). - Казань: Изд-во Казанского научного центра РАН, 2006. - Т. 1. - С. 357-360.

8. Бортников Р. А., Потапов Б. Ф. Моделирование теплообмена в генераторах огнетушащего аэрозоля // Международная молодежная научная конференция «XIV Туполевские чтения»: материалы конф. (Казань, 10-11 ноября 2006 г.). - Казань: Изд-во КГТУ, 2006. - Т. 2. - С. 56-58.

9. Бортников Р. А., Потапов Б. Ф., Серебренников С. Ю. Моделирование теплообменников низкотемпературных газогенераторов на твердом топливе // Международная школа-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов им. П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений»: материалы докл. (Рыбинск, 1-3 ноября 2006 г.). - Рыбинск: Изд-во РГАТА, 2006. - Ч. 3. - С. 79-81.

10. Бортников Р. А., Потапов Б. Ф., Серебренников С. Ю. Исследование теплообмена в твердотопливных газогенераторах аэрозольных пожаротушащих систем // XI Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии и инновации - 2008»: материалы докл. (Пермь, 10-11 апреля 2008 г.). - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2008. - С. 42-45.

11. Бортников Р. А., Потапов Б. Ф., Серебренников С. Ю. Проектирование и оптимизация габаритно-массовых характеристик генераторов огнетушащего аэрозоля с инертным теплообменником // XI Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии и инновации - 2008»: материалы докл. (Пермь, 10-11 апреля 2008 г.). - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2008. - С. 46-49.

12. Бортников Р. А. Моделирование работы теплообменника при нестационарном режиме в аэрозольных системах пожаротушения // Всероссийская молодежная научная конференция «VIII Королевские чтения»: тезисы докл. (Самара, 4-6 октября 2005 г.). - Самара: Изд-во СГАУ, 2005. - С. 46.

Подписано в печать 24.02.2010г. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 110 экз. Заказ №243/2010.

Издательство

Пермского государственного технического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к.ИЗ тел. (342)219-80-33

Перечень условных обозначений

Введение

ГЛАВА

Использование низкотемпературных газогенераторов на твердом топливе

НТГГ) в технологиях аэрозольного пожаротушения. Анализ проблемы 18 создания НТГГ

1.1. Аэрозоль и традиционные средства объемного тушения

1.2. Влияние различных факторов на огнетушашую способность аэрозоля

1.3. Основные требования к НТГГ. Дополнительные требования к аэро- ^ зольным НТГГ

1.4. Способы понижения температуры продуктов сгорания в газогенераторах

1.5. Классификация основных типов тегоюобменных аппаратов. Анализ ^ параметров влияющих на интенсивность конвективного теплообмена

Выводы по главе. Постановка задач диссертационной работы

ГЛАВА

Математические модели рабочих процессов в НТГГ

2.1. Физическая модель рабочих процессов в НТГГ

2.2. Модель воспламенителя

2.3. Модель камеры сгорания

2.4. Модели инертных теплообменников с каналами сложной формы

2.4.1. Обобщенный принцип построения эквивалентной схемы

2.4.2. Трубчатый теплообменник

2.4.3. Пластинчатый теплообменник

2.4.4. Теплообменник с турбулизаторами

2.4.5. Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления 73 Выводы по главе

ГЛАВА

Исследование процессов тепло-массообмена в НТГГ

3.1. Исследование тепло-массообмена в канале круглого сечения

3.1.1. Расчет потерь давления на z-м участке теплообменника

3.1.2. Сопряженная задача теплообмена для малых чисел Bi

3.1.3. Сопряженная задача теплообмена для больших чисел Bi

3.2. Исследование влияния конструктивных и режимных параметров теп- 96 лообменника на основные выходные характеристики НТГТ

3.3. Сопоставление расчетных данных с экспериментом 106 Выводы по главе

ГЛАВА

Исследование влияния параметров НТГТ на параметры среды в защищав- 108 мом помещении

4.1. Физическая и математическая модели помещения

4.2. Математическая модель пограничного слоя при взаимодействии доз- 116 вуковой неизотермической струи с преградой

4.2.1. Математическая формулировка задачи

4.2.2. Алгоритм решения уравнений пограничного слоя в системе 120 MathCAD. Сведение краевой задачи к начальной задаче

4.2.3. Результаты моделирования

Выводы по главе

В последнее время увеличивается число техногенных катастроф. Катастрофы влекут за собой потери человеческих жизней и огромный материальный ущерб. Одним из путей предотвращения и (или) сведение к минимуму последствий выше указанных бедствий является создание и совершенствование аварийных систем (АС), в том числе систем и установок аэрозольного пожаротушения, значение которых для любого военного или гражданского объекта очень велико [1,38].

Все множество типов АС объединяет один признак: они задействуются от независимых источников энергии. В большинстве случаев это баллоны сжатого (сжиженного) газа. Основным недостатком данных источников энергии является, прежде всего, низкая надежность срабатывания. Кроме этого, баллонные источники газа являются источниками повышенной опасности. Поэтому к ним предъявляются специальные требования, регламентирующие условия хранения, эксплуатации и обращения [2 — 3]. В связи с этим возникает множество отказов АС, что влечет за собой крайне тяжелые последствия [4 — 8].

Использование твердотопливных газогенераторов (ТТГГ), в качестве источника энергии, является наиболее перспективным способом создания принципиально новых средств пожаротушения, аварийного спасения и защиты различных технических объектов.

Газогенераторами называются агрегаты, в которых за счёт сгорания или разложения (термического, каталитического и др.) твердого топлива или его компонентов вырабатывается горячий газ (Т = 473 - 1123 К), служащий рабочим телом для различных типов приводов. Основным достоинством газогенераторов является их высокая удельная мощность (уступают только ядерным источникам) и способность генерировать одновременно несколько типов энергии (тепловую, потенциальную и кинетическую).

ТТГГ нашли широкое применение в ракетно-космической технике: газогенератор двигательной установки боевой ступени, газогенератор рабочего тела для вдува в сопло двигателя, газогенератор-воспламенитель, газогенератор управления по крену, стартовый газогенератор и др.

Их главные узлы во многом сходны с главными узлами ракетных двигателей, однако рабочие процессы в газогенераторах имеют особенности, которые необходимо учитывать при их проектировании и отработке [9]. От других типов источников энергии ТТГГ отличает: высокая надежность (Р > 0,998); высокие энергетические характеристики и производительность. Один литр газогенерирующего материала способен генерировать до 1500 литров газа; возможность генерирования практически любых по составу газов, с любым законом изменения расхода, давления и температуры; автономность (возможность работы без внешних источников электропитания и при отсутствии в помещении обслуживающего персонала); простота конструкции, при которой не требуется запорно-пусковых устройств; большой срок службы без выполнения регламентных работ (ТТГГ не требует регламентных работ в течение 10 лет); широкий температурный диапазон эксплуатации ± 50° С; температура хранения ± 60° С и др.

В большинстве случаев к.п.д. твердотопливных газогенераторов оказывается достаточно высоким,и достигает максимума при использовании высокотемпературных газов. Однако указанное достоинство газогенераторов является в то же время существенным недостатком и значительно усложняет их проектирование. Так повышенная температура продуктов сгорания в генераторах огнетушащего аэрозоля превращает их из средств пожаротушения в источник зажигания горючих материалов [1,6, 10].

Существует большое количество научных публикаций и патентов, посвященных созданию и исследованию газогенераторов и вспомогательных устройств (охладители горячих газов) [11 - 17,45 - 51 и др.]. Краткие сведения о газогенераторах имеются, в том числе и в руководствах по основам проектирования ракетных двигателей [18 — 22 и др.].

В последнее время научные разработки в области химии твердых топ-лив позволили отечественным производителям создать газогенерирующие составы и на их основе низкотемпературные газогенераторы НТГГ с уникальными свойствами:

- источники инертных газов СОг и N-& источники холодных и чистых продуктах сгорания.

На базе НТГГ стало возможным создание принципиально новых АС. Например, систем с силовыми пневмоцилиндрами (тормозные системы для автомобильного и железнодорожного транспорта, пневмо-газоприводы для шаровых кранов магистральных газопродуктопроводов и т.д.), систем ингибирования газового взрыва или тушения пожаров на взрывоопасных производствах путем быстрого заполнения помещения инертным газом, по-жаротушащим аэрозолем или порошком [1].

На основе НТГГ ведется разработка водоаэрозольных импульсных средств тушения пожаров. В изделиях этого типа НТГГ обеспечивает давление, при котором реализуется необходимая для проникновения в очаг пожара кинетическая энергия и фракционный состав капель воды. Использование НТГГ для этой цели позволяет значительно повысить эффективность и снизить стоимость существующих водоаэрозольных импульсных средств пожаротушения [23 - 25].

Основные сферы применения АС с низкотемпературными газогенераторами показаны на рис.1, [1].

Особое место в ряду аварийных систем занимают генераторы огнету-шащих аэрозолей (ГОА) и системы / установки аэрозольного пожаротушения (САП/УАП) на их основе, получающие в России и странах ближнего зарубежья широкое распространение.

Аварийные системы

Источники механической энергии Источники холодного газа для заполнения объема

Привод для вскрытия фюзеляжа самолета Системы наддува эластичных оболочек

I . .

Газо-роторный стартер для ДВС Системы *наддува спасательных средств и понтонов

Аварийные приводы для нефте-газопроводов Системы наддува подушек безопасности автомобилей

Поршневой газопривод для кранов магистральных газопроводов Системы, генерирующие газы со специальными свойствами

1

Роторный газопривод для задвижек нефтепровода Генераторы газов: СОг, N2, Ог

Генераторы огнету-шащих аэрозолей

Рис. 1. Основные сферы применения АС с низкотемпературными газогенераторами

Принцип действия ГОА следующий: при сгорании аэрозолеобразую-щего состава (АОС) при температуре 540 - 1700° К [26 - 29] и давлении 0,12 — 0,2 МПа образуются продукты сгорания, состоящие из инертных газов (СОг, N2) и мелкодисперсных частиц - солей щелочноземельных металлов размером 0,5 - 2,0 мкм. Аэрозоль за короткое время распространяется на значительное расстояние, после чего мелкодисперсные частицы и инертные газы создают среду, не поддерживающую горение.

Теоретические основы аэрозольного пожаротушения по существу были разработаны советской пороховой наукой в 1934 - 1936 годах при исследованиях в области теории гашения дульного пламени, проводимых Г. К. Клименко [25].

Практическую реализацию положений этой теории в целях пожаротушения в 1990 году начал ФЦДТ «Союз», несколько позднее эти работы были развернуты в НПО им. С. М. Кирова, НИИПХ, ВНИИПО, НПГ «Гранит-Саламандра», ОКБ «Темп»,,ИВЦ «Техномаш» и другими научными структурами СССР, позднее России.

Основными преимуществами современных аэрозольных систем по отношению к традиционным средствам тушения является: высокая огнетушащая способность (устраняют пожар за 5 - 8 секунд): низкая стоимость и эксплуатационные затраты; аэрозоль не содержит озоноразрушающих элементов [30, 31] и др.

Если высокая огнетушащая способность и надежность УАП достигается сравнительно просто на базе конверсионных технологий, то безопасность (по отношению к людям, оборудованию и материальным ценностям) достигается крайне сложно [32 - 35]. При горении АОС за соплом генератора образуется высокотемпературная зона (в некоторых случаях возникает форс пламени). Ее протяженность существенно зависит от количества и рецептуры состава АОС, а так же варианта конструктивного исполнения генератора, в частности, наличия охладителя или теплопоглощающей насадки. Как правило, температура продуктов сгорания в выходном сечении аэрозольных генераторов колеблется от 573 до 1273 К (прил. 1). Распределение температуры по длине струи и тепловыделение серийных ГОА показано на рис. 2, 3.

В табл. 1 приведены характеристики эффективности работы охладителей некоторых ГОА, предназначенных для защиты помещений больших объемов.

Можно выделить три наиболее часто встречающихся способа понижения температуры ПС: 1 — организация контакта газа с сублимирующим материалом (снижает температуру до 800 К, при удовлетворительной чистоте ПС); 2 — применение эжекционной насадки (уменьшает температуру до 500 — 700 К, но при этом идет дожигание горючего в объеме, что представляет опасность для человека и технологического оборудования); 3 — исполъзование инертных теплообменников (позволяет получить температуру менее 500 К, однако конструкции газогенераторов имеют большие габариты и массу).

Одним из критериев оценки эффективности работы охладителя является отношение его теплопоглощательной способности (т. е. изменения энтальпии) к массе АН/т. Наибольшим показателем АН/т (109,09 кДж/кг) обладает генератор ПУРГА - П - 5. Высокий показатель АН/т конструкции достигается в основном за счет небольшой ее массы. Тем не менее, выходная температура в ПУРГА-П-5 остается достаточно высокой (А5ЪК).

Более низкой температурой ПС обладают генераторы семейства АГАТ (393К), в качестве охладителя в которых используется инертные трубчатые теплообменники [6]. Низкий показатель АН/т (25,89 кДж/кг) говорит о малой степени интенсивности процессов теплообмена, большой материалоемкости теплообменника, и как следствие, его большой стоимости. Кроме того, большая масса конструкции накладывает ограничения на возможность ее использования в авиационной и ракетно-космической технике.

Поэтому задача снижения температуры ПС и интенсификации процессов теплообмена в аэрозольных генераторах остается актуальной.

Таблица. 1.

Оценка эффективности работы охладителей современных газогенераторов

Марка Масса Масса Тип Защищ. Темп. Отн. изм. энгазогенера- АОС, охл., охл. объем, ПС на тальпии к тора кг кг мъ вых., К массе охл., кДж/кг

ПУРГА-П-5 6,3 13,7 1,2,3 50 453 109,09

АГАТ-2 9 61 1,5 180 393 25,89

АСТ-6750 6,75 14,25 1,3,4 125 423 52,15

АГС-8/2 6,7 11,3 1,2,3,4 124 673 34,56

700 650 600 550 М

W 500 С Н

450 400 350 300

-♦-АГАТ-2А -■-АГС-2 -Л-СОТ-2М -*-АГС-3/СОТ-3 -*-АГС-5/СОТ-5 -•- АГС-6/СОТ-б —1—АГС-7 —АГС-8 —АГС-11

Л ll\ \

Х>4

1-4 йгЛ

3,4 1 1 0

0,5

1,5 z, м

2,5

Рис. 2. Температура аэрозоля по длине струи Конструктивные решения по снижению температуры ПС: 1 - сублимационные материалы; 2 - эжекционная насадка; 3 - сопловые отверстия малого диаметра; 4 - насадка с гранулами или стружкой; 5 - инертный теплообменник а

30000

25000

20000

15000

10000

5000 у & х? / / о

Рис. 3. Общее тепловыделение аэрозольных генераторов

Целью диссертационной работы является разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками, обеспечивающих заданные температурно-расходные характеристики продуктов сгорания.

Задачи исследования

1. Научное обоснование принципиальной схемы НТГГ с инертным теплообменником. Адаптация существующих математических моделей для описания процессов нестационарного теплообмена при движении продуктов сгорания в каналах сложной формы. Разработка соответствующего программного обеспечения.

2. Комплексное исследование влияния режимных параметров инертного теплообменника и объемно-массовых характеристик его конструкции на основные выходные характеристики НТГГ.

3. Разработка рекомендаций для проектирования инертных теплообменников НТГГ, снижающих энтальпию ПС на 80 % и более.

4. Исследование влияния температурно-расходных характеристик аэрозольных НТГГ на термодинамические параметры среды в защищаемых помещениях.

Методика исследования

Распределение температур при течении ПС в каналах сложной формы и выходные характеристики НТГГ получены в результате решения нестационарной задачи сопряженного теплообмена методом конечных разностей в системе Maple. При определенных условиях задача сопряженного теплообмена решена аналитически, с помощью преобразований Фурье и Лапласа. Экспериментальные исследования выходных характеристик НТГГ проводились в лаборатории кафедры РКТиЭУ ПГТУ.

Научная новизна

1. Решена задача сопряженного нестационарного теплообмена с адаптированными для элементов конструкций НТГГ начальными и граничными условиями.

2.0пределена связь между процессами теплообмена в каналах сложной формы и выходными характеристиками НТГГ.

3. Изучено влияние выходных характеристик НТГГ на термодинамические параметры воздушно-аэрозольной смеси в защищаемых помещениях после срабатывания установок аэрозольного пожаротушения.

Практическая значимость

1. Разработаны методики комплексного проектирования инертных теплообменников НТГГ, представленные в виде алгоритмов, математических моделей, программного обеспечения и номограмм, позволяющие подобрать типоразмер конструкций с заданными входными и выходными характеристиками.

2. Полученные теоретические результаты исследования рабочих процессов в инертных теплообменниках позволяют дать рекомендации для применения НТГГ в высокоэффективных и безопасных установках аэрозольного пожаротушения и в других аварийно-спасательных системах, таких как: системы генерирующие газы со специальными свойствами; системы надува спасательных средств и понтонов; системы аварийного торможения и расторма-живания в автотранспорте; системы катапультирования в авиации и др.

На защиту автором выносится:

1. Классификация конструкций НТГГ по способу снятия тепла.

2. Математическая модель процессов нестационарного теплообмена с учетом адаптированных граничных и начальных условий к каналам сложной формы инертных теплообменников НТГГ.

3. Основные результаты математического моделирования рабочих процессов в инертных теплообменниках, их влияние на выходные характеристики НТГГ и рекомендации для проектирования.

4. Результаты исследования влияния температурно-расходных характеристик НТГГ на термодинамические параметры воздушно-аэрозольной среды в защищаемых помещениях.

Достоверность результатов

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается:

1. Использованием полуэмпирических зависимостей, термодинамических и теплофизических величин, апробированных и подтверждённых практикой.

2. Удовлетворительным согласованием результатов моделирования и проведённых экспериментов на серийных изделиях «АГАТ» и «ОПАН».

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 - в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.

Реализация работы

Разработанные методики, алгоритмы, программы и полученные в результате исследований расчётные данные использованы: в конструкторских разработках ОКБ «Темп», ИВЦ «Техномаш»; в учебном процессе кафедры ТКА ПермГТУ.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- VI, VII, VIII, IX Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», Пермский государственный технический университет, г. Пермь: 2002, 2004, 2006, 2008 г.

Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «VIII Королёвские чтения», Самарский государственный аэрокосмический университет им. С. П. Королева, г. Самара, 2005 г.

- Национальной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ - 2006», г. Казань, 2006 г.

Международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьева, г. Рыбинск, 2006 г. Международной молодежной научной конференции «XIV Туполев-ские чтения», Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева, г. Казань, 2006 г.

Объём и структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и двух приложений; изложена на 149 страницах, содержит 74 рисунка, 6 таблиц; список литературных источников включает 111 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что одним из эффективных способов охлаждения продуктов сгорания твердого топлива является использование инертных теплообменников.

2. На основе анализа коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления различных интенсификаторов теплообмена научно обоснована схема НТГГ с тремя вариантами инертных канальных теплообменников: трубчатым, пластинчатым и матричным.

3. Произведено комплексное исследование рабочих процессов в инертных теплообменниках НТГТ с помощью разработанных программ на языке Maple, в результате чего построены нестационарные поля температуры в стенках и по длине каналов сложной формы для различных граничных и начальных условий; разработаны рекомендации для проектирования НТГТ с заданными температурно-расходными характеристиками, представленные в виде номограмм.

4. Разработаны НТГТ, теплообменники которых снижают температуру продуктов сгорания на 80 % и более. Доказано, что в матрицах из решеток или турбулизаторов отношение изменения энтальпии к массе Ah/m m на 15 % выше по сравнению с последовательно расположенными пластинами и на 30 — 40 % выше по отношению к пучкам труб.

5. Теоретически подтверждено, что аэрозольные НТГТ с матричным теплообменником за счет низкой температуры и пожаротушащей концентрации охлажденного аэрозоля не оказывают вредного воздействия на человека, оборудование и материальные ценности. Пиковая температура в помещении не превышает 325 К.

1.Серебренников, С.Ю. Аварийные системы с газогенераторами и двигателями на твердом топливе (теория и эксперимент) Текст. / С. Ю. Серебренников; Рос. акад. наук, Уральское отд-е, Ин-т механики сплошных сред. Екатеринбург: УрО РАН,2002. 266 с.

2. Установки газового пожаротушения автоматические. Модули и батареи. Общие технические требования. Методы испытаний Текст.: НПБ 54-2001: утв. ГУ ГПС МВД России 26.12.2001: введ. в действие 01.04.2002. М.: ГУ ГПС МВД России. -12 с.

3. Молок, Н. Сгорела старая Москва Текст. // Известия. 2004. - 16 марта.

4. Аварии и несчастные случаи в нефтяной и газовой промышленности России Текст. / Под общ. ред. Ю.А. Дадонова, В.Я. Кершенбаума. М.: Технонефтегаз, 2001.-201 с.

5. Серебренников, С.Ю. Успехи аэрозольного пожаротушения Текст. / С.Ю. Серебренников, В.А. Рязанцев, К.В. Прохоренко // Конференция «Пожарная безопасность зданий и сооружений». 2004. - №5. - с. 42-46.

6. Воронина, Е. «Техномаш» против апокалипсиса Текст. // Деловое Прикамье.2003. 14 сентября.

7. Неотвратимость беды под сомнением! ИВЦ «Техномаш» Текст. // Корпоративный журнал ОАО «Татнефть».

8. Шишков, А.А. Газогенераторы ракетных систем Текст. / А.А. Шишков, Б.В. Румянцев. М.: Машиностроение, 1981. - 152 с.

9. Вспомогательные системы ракетно-космической техники / Под общ. ред.: И.В. Тишунина. М.: Мир, 1970. - 400 с.

10. Храмов, С.Н. Гидродинамические процессы в контуре с естественной циркуляцией теплоносителя при запуске теплообменного аппарата Текст. / С. Н. Храмов, С. С. Макаров // Вестник ИжГТУ. Вып. 4. - 2001. - С. 12 - 17.

11. Храмов, С.Н. Имитационное моделирование процесса запуска контура тепло-обменного аппарата с естественной циркуляцией теплоносителя Текст. / С. Н. Храмов, С. С. Макаров // Энергетика и нефтяная промышленность. Т. 1 (2002). - Вып.1.-С. 19-22.

12. Бортников, Р. А. Рабочие процессы в твердотопливном генераторе холодного аэрозоля с инертным теплообменником Текст. // Изв. вузов. Авиационная техника — 2009. №2. - С. 72 - 74.

13. Райзберг, Б.А. Основы теории рабочих процессов в ракетных системах на твердом топливе Текст. / Б.А. Райзберг, Б.Т. Ерохин, К.П. Самсонов. М.: Машинострое- ' ние, 1972.-383 с.

14. Девяткин, В.А. Эффективность и надежность аэрозольного пожаротушения на взрывоопасных предприятиях: исследования и разработки Текст. / В.А. Девяткин, С.Ю. Серебренников // Известия российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2005. - с. 66 - 72.

15. Бортников, Р. А. Проектирование и оптимизация габаритно-массовых характеристик генераторов огнетушащего аэрозоля с инертным теплообменником Текст. / Р. А. Бортников, Б. Ф. Потапов, С. Ю. Серебренников // Вестник ИжГТУ 2008. -№3(39).-С. 6-8.

16. Фомин, В.И. Автоматические установки пожаротушения Электронный ресурс. / В.И. Фомин, С.Ю. Журавлев // Академия ГПС МЧС России. 2005.

17. Пожарная техника. Генераторы огнетушащего аэрозоля. Общие технические требования. Методы испытаний Текст.: НПБ 60-97: введены в действие приказом ГУГПС МВД РФ от 12 марта 1997 г. N 14. 10 с.

18. Шабунин, А.И. Исследование пиротехнических систем для твердотопливных низкотемпературных газогенераторов Текст. / А.И. Шабунин, В.И. Сарабьев, В.Н. Емельянов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва, 2004.

19. Пат. 2247700 Российская Федерация, МПК7 С06В25/18, C06D5/06. Баллистит-ное топливо Текст./ 2003.43 .Пат. 2095104 Российская Федерация, МПК6 A62D1/00, A62D1/06. Состав для тушения пожаров Текст. / 1996.

20. Пат. 2193429 Россия Федерация, МПК7 A62D1/06. Экологически чистые малопламенные и беспламенные аэрозольгенерирующие составы для тушения пожаров Текст. / 2000.

21. Пат. 2118551 Российская Федерация, МПК6 А62С2/00, А62С2/00, А62С35/00.

22. Способ пожаротушения (его вариант), устройство для его осуществления (его варианты) и система пожаротушения Текст. / 1997.

23. Пат. 2000122826 Российская Федерация, МПК7 A62D3/00, А62СЗ/00. Способ получения охлажденных нетоксичных газов и устройство для его осуществления Текст. / 2000.

24. Пат. 2235282 Франция, кл. С 06В 29/08. 1973.

25. Пат. 3558285 США, кл. 23-281. 1971.

26. Пат. 2023956 Российская Федерация. -1994.

27. Генератор огнетушащего аэрозоля (ГОА) стационарный «ОСАм»: Техническое описание. Инструкция по эксплуатации. Паспорт. 003 - 46779247 - ТО Текст. / ООО НПФ «Норд». - Пермь, 2004. - 8 с.

28. Пат. Российская Федерация 2069091, МКИ B01J7/00, F23R5/00. 1996.

29. Теплоаккумулирующий наполнитель Текст., а.с. 860773 СССР: МКИ А62С13/22.- 1981.

30. Теплоаккумулирующий наполнитель

31. Текст., а.с. 832266 СССР: МКИ F 24 J3/02.- 1979.

32. Генератор огнетушащего аэрозоля «АГС-3»: Паспорт Текст. / ЗАО НПГ «Гранит -Саламандра». Москва. -10 с.

33. Генератор огнетушащего аэрозоля «АГС-6»: Паспорт Текст. / ЗАО НПГ «Гранит Саламандра». - Москва. - 10 с.

34. Генератор огнетушащего аэрозоля «АГС-7»: Паспорт Текст. / ЗАО НПГ «Гранит -Саламандра». Москва. - 8 с.

35. Малинин, В.И. Охлаждение продуктов сгорания газогенераторных топлив в порошкообразных емкостных охладителях Текст. / В.И. Малинин, Е.И. Коломин,

36. С.Ю. Серебренников, И.С. Антипин // Вестник ПГТУ. Аэрокосмическая техника. -2002.-№13.-с. 72-76.

37. Пат. 59-17353 Япония, кл. F 28 D 15/00. Трубчатый теплообменник Текст. / 1977.

38. Пат. 59-14719 Япония, кл. F 28 D 17/00. Устройство для регенерации тепла Текст. / 1980.

39. Пат. 57-35399 Япония, кл. F 28 D 1/04, F 28 F 1/16, 3/12. Теплообменник Текст. /1975.

40. Пат. 57-36519 Япония, кл. F 28 D 17/00. Теплоаккумуляционный сосуд Текст. / 1976.

41. Пат. 57-33400 Япония, кл. F 28 D 7/10, F 24 Н 1/18. Теплообменник Текст. / 1976.

42. Сукомел, А.С. Теплообмен и трение при турбулентном течении газа в коротких каналах Текст. / А.С. Сукомел, В.И. Величко, Ю.Г. Абросимов. М.: Энергия, 1979. -216 с.

43. Дрейцер, Г.А. Расчет разогрева и охлаждения трубопроводов Текст. / Г.А. Дрейцер, В.А. Кузьминов. М.: Машиностроение, 1977. - 155 с.

44. Бортников, Р.А. Моделирование работы теплообменника при нестационарном режиме в аэрозольных системах пожаротушения Текст. // VIII Королевские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция, Самара, 4-6 октября 2005 года:

45. Тезисы докладов. Изд-во Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева, 2005. - с. 46.

46. Генератор аэрозольного пожаротушения ОП-517 «АГАТ»: Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ОП-517 000-000 ТО Текст. / ООО ИВЦ «Тех-номаш». Пермь. - 16 с.

47. Данилов, Ю.И. Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы Текст. / Ю.И. Данилов, Б.В. Дзюбенко, Г.А. Дрейцер и др.; под общ. ред. чл.-корр. АН СССР В.М. Иевлева. М.Машиностроение, 1986. - 200 с.

48. Жукаускас, А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982. -472 с.

49. Кошкин, В.К. Нестационарный теплообмен Текст. / В.К. Кошкин [и др.] М.: Машиностроение, 1973. - 327 с.

50. Михеев, М.А. Основы теплопередачи Текст. / М.А. Михеев, И.М. Михеева. М.: Энергия, 1977. - 343 с.

51. Козлов, В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности Текст. / В.П. Козлов; под ред. А.Г. Шашкова. Мн.: Наука и техника, 1986. - 392с.

52. Кудинов, В.А. Аналитическое решение задач тепломассопереноса и термоупругости для многослойных конструкций Текст.: учеб. пособ. для вузов / В.А. Куди-нов, Э.М. Карташов, В.В. Калашников М.: Высш. шк., 2005. - 430 с.

53. Цаплин, А.И. Численное решение задач конвективного теплообмена Текст.: учеб. пособие. Пермь: ППИ, 1985. - 84 с.

54. Себиси, Т. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы Текст.: [пер. с англ.] / Т. Себиси, П. Брэдшоу: С.С. Ченцова и В.А. Хохрякова; под ред. У.Г. Пирумова. М.: Мир, 1987. - 592 с.

55. Теплотехника Текст.: учеб. для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Кам-фер [и др.]; под ред. В.Н. Луканина. 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2003. - 671 с.

56. Теплотехника Текст.: учеб. для втузов/ A.M. Архаров, И.А. Архаров, В.Н. Афанасьев [и др.]; под общ. ред. A.M. Архарова, В.Н. Афанасьева. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 712с.

57. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок Текст.: учеб. для вузов / В.Л. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов; под ред. А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 592 с.

58. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика Текст. / 3-е изд-е, перераб. М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1969. 824 с.

59. Альбом течений жидкости и "газа: пер. с англ. / сост. М. Ван-Дайк. М.: Мир, 1986.- 184 с.

60. Прандтль, Л. Гидроаэромеханика Текст. / Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002. 572 с.

61. Гидрогазодинамика Текст.: учеб. пособие для вузов / М.Е. Дейч, А.Е. Зарян-кин. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 384 с.

62. Идельчик И.Е. Некоторые интересные эффекты и парадоксы в аэродинамике и гидравлике Текст.- М.: Машиностроение, 1982. 96с.

63. ОО.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям Текст. / Под ред. М.О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. - М: Машиностроение, 1992.- 672 с.

64. Голоскоков Д.П. Уравнения математической физики. Решение задач в системе Maple Текст. Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2004. - 539 с.

65. Дьяконов В.П. Maple 9 в математике, физике и образовании Текст. М.: СО-ЛОН-Пресс. 2004. 688 с.

66. ЮЗ.Солодов А.П. Интегральный метод решения задач пограничного слоя Текст. М.: МЭИ. 1992. 79 с.

67. Солодов А.П. MathCAD/Дифференциальные модели Текст. / А.П. Солодов, В.Ф. Очков. М.: МЭИ, 2002. - 239 с.

68. Дьяконов В.П. Решение дифференциальных уравнений в MathCAD Текст. / Владимир Дьяконов. СПб.: Питер, 2001. - 590 с.

69. Об.Куртладзе С.С. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое Текст. / С.С. Куртладзе, А.И. Леонтьев. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 320 с.

70. Разработка методик и исследование метода аэрозольного пожаротушения в замкнутом объеме Текст.: отчет о НИР по теме 2001 (303) / Пермский государственный технический университет; рук. Потапов Б.Ф. Пермь, 2003. - 31 с.