Введение к работе
Актуальность темы. При создании электролизной системы генерации кислорода (СГК) тепловые режимы работы оказывают существенное влияние на характеристики физико-химических и технологических процессов, протекающих в системе и на выработку ресурса ее агрегатами. Улучшение массоэнергетических характеристик системы предопределяет необходимость увеличения тока питания, что требует анализа динамики тепловыделений, т.к. нарушение нормального теплового режима агрегатов может привести к их отказу. Температура СГК позволяет судить о соответствии условий ее функционирования штатному режиму работы и получать информацию об отказе или возникновении нештатной ситуации.
Размещение всех основных агрегатов (электролизера, блока холодильников, блока разделителей, жидкостной части буферной емкости, насосов и регулирующей аппаратуры) в герметичной капсуле, заполненной азотом при избыточном давлении, с целью обеспечения условий пожаро- и взрывобезопасности приводит к тому, что теплообмен протекает в "стесненных" условиях в присутствии всех механизмов теплопередачи: конвекции, кондукции и излучения. Дополнительные сложности для теплообмена создают условия микрогравитации на околоземной орбите.
В настоящий момент отсутствуют методики расчета тепловых режимов СГК. Математическое описание стационарных и нестационарных режимов функционирования системы не объединены в логическую систему, позволяющую проводить проектные исследования.
Разработка подобной методики необходима как для сопровождения эксплуатации СГК, так и для создания систем следующего поколения.
Цель исследования: создание методики анализа тепловых режимов системы генерации кислорода на основе имитационной модели для проведения проектных исследований и анализа функционирования в штатных и
нештатных режимах эксплуатации.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
=> формирование формализованных описаний основных тепло- и мас-сообменных процессов, протекающих в агрегатах СГК (электролизная ячейка, электролизер, блок холодильников, блок разделителей и капсула);
=> разработка математической модели, описывающей тепловые режимы работы агрегатов системы с учетом параметров внешней окружающей среды и ее программная реализация;
=> проверка математической модели на адекватность на основе экспериментальных исследований эксплуатационно-технических параметров системы в натурных испытаниях;
=> выработка практических рекомендаций для проектирования и эксплуатации СГК на борту космического летательного аппарата. Научная новизна работы определяется:
=> разработкой и реализацией в программном обеспечении имитационной модели электролизной СГК, предназначенной для анализа тепловых режимов системы в штатных и нештатных условиях функционирования;
=> созданием комплексного формализованного описания СГК, учитывающего все тепловые связи системы, влияние окружающей среды и неуправляемый процесс электролиза в подводящих и отводящих коллекторах электролизера;
=> возможностью прогнозирования работы СГК в условиях микро-гравитации;
=> новыми экспериментальными данными по тепловым режимам функционирования системы, полученными на основе вычислительных и
натурных экспериментов. Практическая ценность работы заключается в предложенной методике анализа тепловых режимов системы при проектных исследованиях и сопровождении штатной эксплуатации и рекомендациях по конструктивному оформлению отдельных аппаратов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается строгой математической постановкой задачи исследования, применением известных и апробированных численных методов при программной реализации и сопоставлением результатов вычислительных экспериментов с данными, полученными при проведении натурных испытаний.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались:
=> на 27 — Международной Конференции по Системам Сред Обитания.
Озеро Тахо, Невада, США. 1997 г.; => на 6"— Европейском Симпозиуме по Космическим Системам
Жизнеобеспечения. Нордвик, Нидерланды. 1997 г.; => на Научно - Техническом Совете НИИХИММАШа. Москва. 1998 г.; => на Научно - Техническом Семинаре кафедры № 607 Московского Государственного Авиационного Института (Технического Университета). Москва. 1998 г. Публикации. Основные результаты работы изложены в двух опубликованных статьях и шести научно-технических отчетах.
Реализация полученных результатов. Результаты работы внедрены в Отделении систем жизнеобеспечения НИИХИММАШа при выполнении НИ и ОКР по разработке и созданию системы генерации кислорода "Электрон-ВМ" и создании обобщенной методики для анализа функционирования системы при сопровождении эксплуатации в реальных условиях; а также в учебном процессе МАИ при подготовке инженеров по специальности 1311.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, трех приложений и содержит 186 стр., включая: 126 стр. текста, 16 таблиц, 72 рис.; список литературы включает 93 наименования.