Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение мощности энергосистем и се-ршенствование оборудог-ания ведет к усложнению систем обеспече-я тепловых режимов и требует разработки и внедрения новых ыето->в охлаждения. В связи с этим проблема обеспечения заданных теп->вых режимов работы оборудования н его конструктивных элементов ляется весьма актуальной в энергетике, радиоэлектронной, лазер-й, авиационной и ракетно-космической технике, химической и пи-вой промышленности, а также в целом ряде других отраслей нартд-го хозяйства. Оти проблеми являются определяющими и при созда-и высокотемпературных установок нового поколения.
В особом положении при решении этих задач находится транспо-ная энергетика и в первую очередь космическая и авиационная трійка. Сброс теплоты в вакуум представляет собой одну из важней-х проблем практически для всех современных космических устроїв, в которых широко используются излучатели из тепловых труб с ельной мощностью порядка I кВт/кг. Однако, в настоящее время во огих странах ведется разработка ииллнонкиловаттных космических эргостанций, для которых потребуются тепловые излучатели о уде-ной мощностью 30...40 кВт/кг. Для этих целей традиционные епосі охлаждения, в том числе и на базе тепловых труб, неприемле-, так как их масса может на порядок превышать масс; всей энер-жстемы. Необходим совершенно иной, нетрадиционный подход к да-эй проблеме.
Таким образом, чрезвычайно актуальной является проблема рая-5отки и внедрения высокоэффективных, компактных систем охлажде-ї, что тесно связано о интенсификацией процессов теплопередачи.
Анализ показывает, что при разработке мощных энергосистем !То традиционные методы интенсификации, в том числе и метод ра~. тия поверхности теплообмена путем нанесения на нее системы лу-с, подробно исследованный автором, не могут привести к значите-юну Сна порядок и более) изменении характеристик существующих лообмениых аппаратов СТОА). С другой стороны известно, что ме-и интенсификации процессов теплопередачи дают наибольший эф-ст, если они обеспечивают:
о-первых, максимальное значение коэффициента теплопередачи, реализуется в смесительных теплообменниках ССИ ТОА); «-вторых, максимальное развитие поверхности теплообмена, что
наиболее аффективно обеспечивают сферы одного размера, получение когорте может быть обеспечено использованием в теплообыеннкх аппаратах технологии струйное печати.
Поэтому одним из направлений решения данной проблема кольт оказаться исподьзовгЕие б системах охлаждения ионодасперсных потоков капель, что обеспечивает як значительные прекмуцества по сравнению с обычными ТОА.
Помдаеяныв интерес к ТОА, в которых исдодьзунпад кояодиспер-скые потеки капель, обусловлен преимуществами, которые они инезтс по сравнению с ооігчекші ТОА. Одним из основных показателей работа ТОА является его удельная касса. Самке лучшие трубчатопластаяча-тке копструкции, включая к теплсвяе трубы, имеют удельную массу 5-Ю кг/м". Удельная касса капельных ТОА, даже еолк в качестве теплоносителя использовать жидкие металлы, на один два порядка меньше чея у существующих теплообменников.
Другим параметром, характеризующим эффективность теплообмен-ной поверхности является коыпшггкость СЮ теплообменника. Компактними считаются теплсобменнае аппараты, у которых величина К 3 ТОО hVm3. Компактность теплообменников, применяемых в авиашн е ракеткой технике в настоящее время уже доведена до Є000 иа/ма 8 случае использования нонодиспероннх потоков капель диаметре» даке 0,30 ак (рекомендуются размеры капель менее 0,3 мкЗ дает коэффициент компактности порідка 20000.
Возиохвоотъ применения в энергосистемах капельных теплообменников рассматривается в двух направленнях: первое - онесателыпк теплообнекные аппараты ССМ TOAD, используюцне вое способы переда чи теплоти. Исследования показали, что теплообмен при прямом кок-такте мекду газом и жидкостью, диспергированной до образоваши мелких кзлель, представляет собой заманчивый путь тернорегулиро вания. поскольку СМ ТОА характеризуются высокой эффективность* теплопередачи при компактной геометрии и низкой кассе.
Второе направление - ото ХЕДісостно-ігапельннй радиатор СЖКР] теплота в котором отводятся излучением в вакууме, куда теплоноситель выбрасывается в виде монодисперсного потока капель.
Очевидно, прениущеотвами капельных ТОА н объясняется везроо иша интерес к данному направлению исследований. Работы ведутся как в экспериментальном направленна по созданию капельнюс ТОА так и в теоретической по разработке методов расчета, но ооновннз недостатке** существующих методов является практически полное от
утствие экспериментального подтверждения данных расчете». Что в бщем-то объяснимо, так как речь идет о создания принципиально [ового типа ТОА.
Несмотря на указанные преимущества и большой объем работ, гроделаяный в направлении создания капельных ТОА - они все еще гаходятся в стадии концептуальной проработки в первую очередь вз-а сложностей в получении нонодисперентга потоков капель.
Следовательно, основным требованием при создания капельных еплообменников является получение моноднепереного потока капель, !0 вопрос: "Почему поток жидкости распадается на однородные кал-!й?"- Не является очевидным. Об-ьяснение лежит в процессе хашіеоб-коования, которчй требует отдельного подробного рассмотрения.
Проведенные исследования показали, что для создания действующего образца капельного ТОА ножно использовать достижения сущео-вувдей технологии. Однако, потребуется значительная работа по тешенкы множества технических проблем, прежде чем будет разработало устройство, имеющее практическое значение. Эти проблемы жлхяают: технику генерации капель вязких жидкостей я металла о [спользованнем технологии струйной печати; природа вза*>гчоде*?ствин їеяду жидкими каплями в условиях вакуума; проблема совместимости «атериалов и ряд других проблем, т.е. потребуется детальное технологическое исследование, чтобы полностью оценить возможности >той концепции.
Учитывал вышесказанное, ножяо объяснить возросший интерес-в отре к этому направлению исследований. Различными аспектами я<>-следования и практического применения нонодиспереннх потоков ве-цества в настоящее время занимаются многие ведущие научные пент-эн, как у нас в стране, так и за рубежом, такие как ШТУ, Мой, ІАИ, С-П ГПУ, Исследовательский центр им. Н.В. Келдыша, СИП РАП, Залшнгтонский университет, НАСА и такие ведущие а&рокосыичеокие-, >ирмы, как Boeing, McDonnell Douglns Аегозртсс, Gruimwrn, и Т.д.
, Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работа ївляетея создание на базе сущеетвушщей технологии моделей высокоэффективных капельных ТОА, способных передавать большие тепловые іотоки при малой массе, а также создание научной осс-н разработки ї конструирования капельных ТОА.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- разработать и создать экспериментальный стенд для и'ч-лело-
вания капельных ТОА и нх узлов;
- провести комплексные исследования процесса каплеобразов*
КИЛ ВЯЗКИХ ЖИДК0СТЄЙ;
исследовать существующие вибросистемы для выбора метаї наложения синхронизирующих сигналов, необходимых для получени монодисперсных потоков купель;
провести исследование теплофнзич'хких свойств материале с целью выявления "кандидатов" в теплоносители капельных Т0А-,
аналитически исследовать и разработать методы расчета ('итичизадии капельных ТОА с учетом потерь теплоносителя за сч »<..-парения;
разработать, создать и испытать модели капельных ТОА;
разработать и экспериментально исследовать различные коне трукции генераторов капель.
Научная новизна. В диссертационной работе представлены резу льтатн теоретической и экспериментальной разработок нового науч ного направления - интенсификации теплообмена монодисперсныни пс токами капель в ТОА различного типа: "жидкость - газ" - для ее здания смесмесительных теплообменников; ЖКР - для отвода теплот в вакууме излучением, некоторые массогабаритные и насеоэпергита ческие параметры которых значительно, а в некоторых случаях боле чем на порядок, превосходят соответствующие характеристики лучшн существующих аналогов (удельная масса и удельная мощность тепле обмепной поверхности);
впервые для сопел-фильер экспериментально установлено наліпи нескольких благоприятных частот бессателлитного процесса каплеоб разования;
впервые по результатам теоретических и экспериментальных иссле дозаний подучена критериальная зависимость для оптимальной часто ты бессателлитного процесса каплеобразования с минимальной длнно иераепаввгейоя части струи, обеспечивающей оптимальные массогаба ритнне и теплообменные характеристики устройств канлеструйной те хнологии;
созданы и експериментально испытаны рабочие модели капельны теплообыенных аппаратов, обеспечивающих получение высоких значе кий коэффициентов компактности, удельных массы и мощности тепло обменной поверхности, что говорит о больших потенциальных возмож ностях теплообменников данного типа;
проведены аналитическое исследования созданных моделей капель
л тетлообыенннх аппаратов. Предложены метода их расчета, опта-изацин и выбора их основных параметров; методы выбора теплонооз-елл, его расхода о учетом потерь за' счет испарения? негода спре-елення основных параметров кацельног» потока;
впервка на ооноваяии експериментально волучекнх и извеотннх даних получена зависимость для р&очета коэффициента теплоотдачи в юнодиеперонои потоке капель;
установлено, что для получения оптимальних параметров каплеоб-взования в создаваемых генераторах капель необходимо использо-ать цилиндрические сопла с коническим входом о углом раскрытая в ре делах 70...120 с соотношением Д/d = 0,5...1,5; - разработа-ы, созданы и испытаны различные типы генераторов капель. Приэе-:ена методика расчета виброоистемы и выбора ее активных и нассавше материалов.
Практическая ценность. Выполненная диссертационная работа меет теоретическое и практическое значение, т.к. результаты, по-[ученнке на основе разработанных теоретических положений определения оптимальной частоты каплеобразовния, коэффициента теплоотдачи монодисперсного потока капель и эффективной излучательнои пособности оптически толстого, излучающе поглощающего капопыюго :отока и результатов экспериментального исследования созданных Еоделей капельных ТОА, могут быть значительно ускорены сроки раэ->аботки и создания высокоэффективных, компактных капельных ТОА. 'езультаты работы использованы Научно - Производственный обьеди-гением "Астрофизика", Институтом Высоких Температур РАН и Секцией [рикладных Проблем при Президиуме РАН при разработке систем охла-сдения в создаваемых высокотемпературных энергетических 'установ-tax нового поколения. Материалы диссертации используются при чте~ ши курса лекций по "Теплофизике" в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
В целом материалы работы необходимо использовать научно-но-. іледовательскими, проектно-конструкторскнми организациями и пред-[риятиями, использующими кадлеструйную технологии (струйная пе-іать, ТОА, гранулирование, камеры сгорания и тл.).
Апробация работы. Основные положения работы я ее отдельные еоретические и экспериментальные результаты опубликованы, докла-іавались и- обсуждались в НГТ7 им. Н.Э. Баумана Скафедра "Теплота-яки", отделение С.'"-2); в Московском Энергетической Институте; в Іосковском Авиационном Институте; в ГТЩ РФ ЩІАК им ПЛ. Б^ртиока, ШИ ХИНИАШРКА, на Международных и Российских конференциях: Hex-
дународнне Симпозиумы по теплопередаче Шинок 1988 и 1992 г.Э; Европейский оеминар по теплопередаче СБохум, Гермаккя 1993 rJ; 6-й Международный Симпозиум по теплопередаче Шариа, I993rJ; 3-я Международная конференция по теплопередаче, механики жидкости и термодинамики (Гонолулу, Гаваи 1993 гО; Российская Аэрозольная конференция Шосква 1993 rJ; Международный Симпозиум по тепло -и насоообмену в энергоустановках (Москва 1995 rJ; Научно-техническая конферепгщя, посвященная 165 летии МГТУ ин. Н.Э. Баунана Шосква 1995 г.З; 10-я Еоеросоийская НТК, посшщевпая 150 - летаю оо дня рождения Н.Е. Жуковского (Москва 1996 rJ; Международная конференция "Ракетные космические технологии" Шосква 1998 rJ.
Публикации. Основное содерханне диссертации и обоснование выбора направления исследования опубликовано в 32 работах.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит на введения, 5-й глав, основных выводов, 2-х приложений и опиока литературы. Работа содержит 43S страницы машинописного текста, в том чиоле: 91 рисунка, 9 таблиц, библиография насчитывает 352 наименования, фотографий I.