Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1: Особенности конструкции и принципов организации работы тепловых аккумуляторов
1.1. Особенности конструкций и области применения существующих аккумуляторов тепла
1.2. Выбор и обоснование совместимости материалов в заданных условиях эксплуатации тепловых аккумуляторов для солнечной энергетической двигательной 15s установки
1.2.1 Выбор теплоаккумулирующего вещества 15
1.2.2. Совместимость конструкционных и тешюаккумулирующих материалов
высокотемпературного электронагревательного теплового аккумулятора - 19
теплообменника
1.2.2.1 Испарение графита и его взаимодействие с водородом. 19
1.2.2.2. Совместимость подложки из углеграфитовых материалов с тонкослойными защитными покрытиями ,
1.2.2.3. Уменьшение скоростей испарения графита и его взаимодействия с водородом путем использования защитных покрытий. 35
1.3. Математическое и физическое моделирование рабочих процессов 29
1.4. Постановка задачи 33
ГЛАВА 2: Физико-математическое моделирование процессов теплообмена в тепловом аккумуляторе .
2.1. Описание установки теплового аккумулятора ТАКК-50 35
2.2. Система уравнений, моделирующая процессы 36
2.2.1. Режим «з аряд» 3 7
2.2.2. Режим «разряд» 41
45
2.3. Метод решения систем уравнений, алгоритм численного расчета и тестирование программы расчета. 50
ГЛАВА 3: Исследования процессов тепло-и массообмена при течении водорода в каналах тепловых аккумуляторов 50
3.1. Исследование процессов теплообмена на модельной экспериментальной
установке ТА
3.1.1 Описание модельной установки 5 О
3.1.2 Результаты исследования процессов теплообмена на модельной установке 51
3.2. Законы теплообмена при течении газа в канале с зернистым наполнителем 53
3.2.1 Характеристики зернистого наполнителя в канале ТА 53
3.2.2 Анализ процессов теплообмена в зернистом слое и определение законов 54 теплообмена при течении газа в каналах ТА.
3.3 Результаты экспериментального исследования механизмов взаимодействия углеграфитовых материалов с водородом
3.3.1 Результаты испытаний модельных образцов УГМ на установке МП-4 60
3.3.2 Результаты испытаний графитового наполнителя при течении водорода в каналах экспериментальной установки ТАКК-5 0. ,
ГЛАВА 4: Результаты численного и экспериментального 67 исследования процессов тепло- и массообмена .
4.1. Экспериментальные исследования на установке теплового аккумулятора ТАКК-
50.
4.1.1 Описание установки ТАКК-5 0. 67
4.1.2 Результаты испытаний установки ТАКК-50 68
4.1.3 Сравнения результатов испытаний на установке ТАКК-50 с результатами численного решения
4.2. Экспериментальные исследования на установке теплового аккумулятора ТАКК-5 72'
4.2.1 Описание установки ТАКК-5 и результаты экспериментов 72
4.2.2 Результаты испытаний установки ТАКК-5 73
4.2.3 Анализ результатов испытаний на установке ТАКК-5 и сравнение с результатами численного расчета
4.3. Параметрические расчеты различных конструкций, в том числе и конструкций тепловых аккумуляторов
4.3.1 Расчетное исследование процессов теплообмена в тепловом аккумуляторе с энергоемкостью до 170 МДж ТАКК-170
4.3.2 Расчетное исследование процессов теплообмена в тепловом аккумуляторе с энергоемкостью до 370 МДж ТАКК-250 82
4.4. Расчетно-параметрические исследования теплового состояния сопла-анода плазмотрона ПСМ-100
Заключение ,' 89
Литература.
- Выбор и обоснование совместимости материалов в заданных условиях эксплуатации тепловых аккумуляторов для солнечной энергетической двигательной 15s установки
- Система уравнений, моделирующая процессы
- Законы теплообмена при течении газа в канале с зернистым наполнителем
- Сравнения результатов испытаний на установке ТАКК-50 с результатами численного решения
Введение к работе
* Развитие авиационной и ракетно-космической техники характеризуется'
непрерывным увеличением энергонапряженности двигателей и энергетических установок1
летательных аппаратов, а также элементов их конструкций; Среди основных проблем
современной космонавтики стоит вопрос об увеличении удельного импульса тяги
ракетных двигателей космических аппаратов (КА). Одним из перспективных и
эффективных способов решения данной проблемы является повышение энергетических
характеристик компонентов ракетного топлива в камере сгорания жидкостных ракетных!
двигателях (ЖРД) за счет предварительного подогрева, что приводит к увеличению
удельного импульса тяги космических аппаратов.
С этой целью в составе двигательной установки (ДУ) современных ЖРД
возможно использование тепловых накопителей энергии или тепловых аккумуляторов
(ТА), в которых на режиме работы ДУ происходит нагрев текущих по магистралям
компонентов топлива.
В Исследовательском Центре им. М.В.Келдыша в последние годы ведется интенсивная работа по созданию солнечной энергетической двигательной установки^
і
(СЭДУ) с использованием тепловых аккумуляторов.
Необходимость использования в составе СЭДУ накопителя энергии в задаче транспортировки КА может быть проиллюстрирована следующими простыми соображениями [1.1]. В виду малой развиваемой тяги СЭДУ (единицы-десятки ньютонов) в отсутствие системы накопления энергии на борту и при условии обеспечения! приемлемого времени выведения КА на целевую орбиту (1-2 месяца) могут быть реализованы только схемы с непрерывным режимом работы ДУ (см.рис. 1.1, вариант В), не выгодные по энергетическим затратам. Так, например, для реализации перехода с низкой опорной орбиты с углом наклонения і=63град (космодром «Плесецк») на геостационарную орбиту (ГСО) (і=0) при схеме выведения с непрерывным режимом работы ДУ требуется создать суммарное приращение характеристической скорости
&Viap ~ 8700-% , а при 2-х импульсной схеме, характерной для ДУ большой тяги (ЖРД и
-it
РДТТ), - только 5200м/ (см.рис. 1.1. вариант А). Известно, что удельный импульс тяги
. современных кислородно-водородных ЖРД для разгонных блоков составляет 460с и
более. Ожидаемый импульс тяги тепловых двигателей в составе СЭДУ не превысит
« 800..850с при использовании наиболее эффективного рабочего тела - водорода, и не
может компенсировать различия в требуемых величинах AV (с учетом большей'
5 сложности СЭДУ и малой плотности водорода, а следовательно, и большего объема и массы топливного отсека). Поэтому единственно возможным решением является использование импульсного двигательного режима работы СЭДУ со схемами выведения, обеспечивающими аналогичные с ДУ большой тяги величины ЬУ .
Для реализации этого на борту аппарата необходим достаточно большой по запасаемой энергии бортовой аккумулятор (многие десятки-сотни МДж), в котором энергия будет накапливаться в течение большей части орбитального витка, а во время короткого импульса тяги в нужный момент времени накопленная энергия будет отдаваться для нагрева рабочего тела (водорода). Схема выведения должна в этом случае строиться таким образом, чтобы основная часть витка с солнечной стороны использовалась для накопления в аккумуляторе тепловой энергии.
Исходя из особенности назначения, тепловой аккумулятор должен обеспечить подогрев водорода с любым расходом от температур на входе до температур, необходимых для поддержания требуемых значений удельного импульса тяги. На рис. 1.2 приведены зависимости теоретического удельного импульса тяги в пустоте от соотношения расходов кислорода и водорода Ко и от температуры нагрева водорода, полученные для давления в камере сгорания рк=1,8 МПа и степени расширения сопла Fa - 500. Как видно из рисунка, повышение температуры водорода приводит к увеличению удельного импульса тяги от 550с до 700с при увеличении температуры водорода до 1600-н2000К, соответственно.
При решении задачи увеличения температуры водорода перед его подачей в
камеру сгорания возникает ряд научных и технических вопросов, без решения которых,
і невозможно эффективно организовать рабочий процесс подогрева водорода. К таким
вопросам относятся: задача интенсификации теплообменных процессов в каналах и всей
конструкции ТА; задача увеличения эрозийной стойкости материалов на режимах работы
ТА; задача увеличения эффективности тепловой защиты ТА; задача оптимизации
организации рабочих процессов с помощью программного обеспечения и т.д. Решения
данных задач должны укладываться в рамки основных требований по экономичности,
которая характеризуется эффективным использованием внутренних и внешних ресурсов;
требований по массовым и габаритным характеристикам, для увеличения полезной
... і і
доставляемой КА нагрузки. .
ТА представляет собой теплообменное устройство высокой интенсивности, в котором накопленная тепловая энергия передается протекающему через него теплоносителю. Нарис. 1.3. представлена конструктивная схема одного из разработанных
тепловых аккумуляторов. ТА включает в себя электронагревательную систему, теплоаккумулирующий блок с каналами для протока рабочего тела, а также тепловую изоляцию.
С учетом технических, эксплуатационных и физических особенностей КА на основе СЭДУ высокотемпературный электронагревательный тепловой аккумулятор, предназначенный для нагрева водорода перед его подачей в камеру сгорания, способен выдерживать большое число циклов «нагрев-охлаждение». Один цикл работы ТА в составе СЭДУ включает в себя следующие режимы:
Режим «заряда» - накопление тепловой энергии двигательной установкой на солнечной стороне орбитального витка без протока рабочего тела; ,
Режим «разряда» - импульсный сброс тепловой энергии с нагревом рабочего тела и его подачей в камеру сгорания ЖРД;
Режим «охлаждения» - выравнивание тепловых полей в ТА.
Одной из основных проблем при создании и применении тепловых аккумуляторов является обеспечение эффективной наружной тепловой изоляции, поскольку наличие значительных потерь тепла не только требует повышения тепловой мощности СЭДУ (а, следовательно, вызывает увеличение ее массы и габаритов), но и
обостряет проблему сбора этого тепла, его отвода и сброса в окружающее пространство.
... і і
Наиболее эффективной представляется экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) из' тугоплавкого металла (например, молибдена) с большим количеством экранов в виде фольги или комбинированные покрытия из теплостойких углеродных материалов (ткань, войлок и т.п.).
На разработанных и изготовленных в Центре Келдыша конструкциях тепловых!
і аккумуляторов были проведены испытания с нагревом ТА до высоких температур и
последующей подачей рабочего тела (водород, гелий, воздух и т.д.). Кроме того, были
проведены опыты на экспериментальных установках, моделирующих отдельные
физические процессы.
Резюмируя сказанное, а также учитывая результаты поисковых работ по СЭДУ
(см. раздел 1.1), рабочая конструкция ТА должна отвечать достаточно обширному набору
требований и ограничений, основные из которых сводятся к следующему:
Минимальный вес и габариты конструкции теплового аккумулятора;
Высокая плотность компоновки и удельной тепловой емкости ~ 1МДж/кг;
Минимальные тепловые потери, не превышающие ~1-4-2%;
Эффективный нагрев водорода до температур ~ 1500-^2000 К, при минимальном изменении температуры водорода за цикл разряда (под
7 эффективным в данном случае понимается минимальная разница между температурой ТА и температурой водорода на выходе из ТА) Большой ресурс работы ~ 500-И 000 сек при значительном числе циклов
заряд-разряд (несколько сотен раз). Чтобы удовлетворить перечисленным требованиям и ограничениям,' определить оптимальные характеристики ТА, сформулировать рекомендации по выбору! материалов и конфигурации теплоаккумулирующих блоков, каналов, в которых осуществляется течение и подогрев водорода, теплоизоляции и других элементов, необходимо разработать программно-методическое обеспечение, позволяющее моделировать газодинамические и тепловые процессы, протекающие в ТА, с учетом существенной нестационарности процессов тепломассообмена. В рамках разработки программно-методического обеспечения необходимо наряду с разработкой численных методов провести также экспериментальную проверку.
Поэтому одновременно с разработкой тепловых аккумуляторов для СЭДУ проводилось создание специализированного пакета 2-D и 3-D прикладных программ, позволяющих моделировать физические процессы, определять тепловое состояние и рассчитывать параметры теплообмена при течении газов. Пакет включает в себя головную программу, базу данных для хранения и обработки информации, а также ряд подпрограмм' расчета нестационарных тепловых и газодинамических параметров течений. Исходными1 ' данными для расчетов являлись: геометрия ТА, термодинамические характеристики рабочего тела и теплофизические характеристики (ТФХ) материалов конструктивных элементов ТА.
Результаты численного моделирования продемонстрировали хорошую сходимость с полученными на практике экспериментальными данными. Помимо этого,1 были определены наиболее эффективные теплообменные наполнители в каналах ТА, по которым протекает рабочее тело. В результате проведенных экспериментов на установках ТА и численного анализа были получены закономерности теплообмена в виде соответствующих критериальных соотношений и определены коэффициенты теплообмена в каналах ТА.
В зависимости от режима работы и энергоемкости установки ТА температура материалов конструктивных элементов может изменяться в пределах 400 -* 2400 К, что может привести к интенсивному взаимодействию этих материалов с водородом и между; ' собой и, как следствие, повлиять на параметры рабочего тела и ресурс работы двигательной установки. Предотвратить взаимодействие можно с помощью защитных покрытий, либо использовать более стойкие материалы. С целью выбора материала
Цель диссертационной работы. Разработка физико-математической методики исследования нестационарных процессов сложного сопряженного теплообмена в тепловых аккумуляторах. Расчетно-экспериментальная отработка конструктивных элементов и всей конструкции ТА на рабочих режимах с целью описания процессов тепло- и массообмена в тепловых аккумуляторах и совершенствование их конструкций.
Задачи исследования.
1. Разработка физико-математической модели, численного алгоритма' и программы
расчета процессов теплообмена на разных режимах работы тепловых
і і і.
аккумуляторов. . . ,
Проведение экспериментальных исследований процессов тепло- и массообмена на различных установках ТА.
Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.
Получение эмпирических критериальных соотношений, описывающих процессы теплообмена в ТА. \
Анализ и усовершенствование конструкции тепловых аккумуляторов.
Исследование процессов взаимодействия материалов и защитных покрытий на элементах конструкций в газовой среде при высоких температурах.
Актуальность работы.
Актуальность определяется тем, что разрабатывается научно-методическая основа для создания тепловых аккумуляторов, являющихся ключевым элементом солнечной энергодвигательной установки КА, применение которой обеспечивает прирост. энергетических характеристик компонентов топлива в камере .сгорания ДУ,на 30ч-40% по,. сравнению с традиционными криогенными ЖРД, что приводит к увеличению удельного импульса тяги ракетных двигателей и уменьшению стоимости доставки полезной нагрузки на геопереходную или геостационарную орбиты.
Научная новизна работы.
Разработана методология физического и математического моделирования рабочих, процессов тепловых аккумуляторов, которая позволяет решать задачи сложного сопряженного теплообмена в условиях нестационарных режимов работы ТА применительно к СЭДУ и которая позволяет проводить адекватное и информативное описание тепловых процессов в конструкции ТА.
Разработаны и созданы экспериментальные установки, позволяющие моделировать процессы течения и теплообмена рабочего тела в каналах ТА, а также процессы тепло- и массообмена в элементах конструкции ТА!
Получены и обобщены экспериментальные данные, характеризующие процессы тепло- и массообмена при циклических нагрузках на режимах зарядки и разрядки
ТА, а также определены основные механизмы взаимодействия водорода с материалами конструктивных элементов ТА. 4. Получены законы теплообмена при течении водорода в каналах ТА. Практическая значимость.
Созданный расчетно-методический аппарат позволил провести оптимизацию конструктивных решений и параметров ТА, обеспечив эффективные условия нагрева водорода при минимальных массовых и габаритных характеристиках ТА. Кроме того, созданное программно-математическое обеспечение позволило провести оптимизацию работы высокотемпературных установок, в том числе промышленных плазмотронов при
прогнозировании их ресурса и работоспособности. '. !
і і
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на XXVI Сибирском теплофизическом семинаре в Институте теплофизики СО РАН г.Новосибирск, на П-ой международной конференции РКТ-2003, а также на научно-технических конференциях молодых ученых МФТИ 1999-2002г.г. и на заседаниях научно-технического совета,' Центра Келдыша. В ходе работы над диссертацией опубликовано ряд печатных работ, в том числе полная версия доклада в трудах XXVI Сибирского теплофизического семинара, тезисы и доклад в трудах И-ой международной конференции РКТ-2003, две статьи в электронном научном журнале МФТИ и статья в научно-техническом журнале «Двигатель», также ряд работ в виде тезисов и докладов различных конференций и семинаров.
На защиту выносятся:
Методика физического и математического моделирования рабочих процессов в, различных конструкциях ТА. . . ,
Результаты параметрических расчетов процессов теплообмена при циклическом режиме работы ТА на стадиях зарядки и разрядки ТА.
Полученные эмпирические соотношения в виде критериальных законов теплообмена при течении рабочего тела в каналах ТА.
Результаты экспериментальных исследований процессов тепло- и массообмена на различных установках ТА.
Результаты экспериментальных исследований процессов уноса материалов элементов ТА и стойкости защитных покрытий в газовых средах при высоких температурах.
Результаты расчетно-экспериментальных исследований, направленных на оптимизацию параметров рабочих режимов тепловых аккумуляторов с дальнейшими рекомендациями по усовершенствованию их конструкций.
її:
Выбор и обоснование совместимости материалов в заданных условиях эксплуатации тепловых аккумуляторов для солнечной энергетической двигательной 15s установки
В современной промышленности аккумуляторы или тепловые аккумуляторы (ТА) нашли применение во многих областях. К наиболее распространенным направлениям, в которых используются ТА, относятся: автомобилестроение; коммунальное хозяйство; гражданское строительство; металлургия; космическая промышленность1 и самолетостроение. .
Несмотря на широкие сферы применения тепловых аккумуляторов, конструктивные схемы различных ТА имеют общие свойства, принцип действия и 1 некоторые основные конструктивные элементы. Во многих ТА происходит преобразование либо электрической, либо солнечной, либо какого-нибудь другого вида энергии в тепловую, которая аккумулируется в основном элементе тепловых] аккумуляторов - теплоаккумулирующем веществе. Аккумулированная тепловая энергия передается теплоносителю, который может быть использован как рабочее тело в камере сгорания двигателя, так и в других целях. Однако, каждая из существующих конструкций имеет ряд отличий, определяемых назначением ТА.
На рис. 1.4т 1.9 приведены некоторые схемы тепловых аккумуляторов, в том числе и аккумуляторов разработанных в Центре Келдыша.
На рис. 1.4 приведена схема аккумулятора солнечной энергии [1.2], которая используется для нагрева и сохранения больших объемов воды при высокой температуре; в условиях умеренного и холодного климата. Сущность изобретения: радиальные каналы (5,6,7,8) расположены в горизонтальных плоскостях на дне (3) и под крышкой (2) резервуара (1), последний заполнен теплоносителем (12) и снабжен прозрачной герметичной оболочкой (9), образующей со стенкой резервуара воздушную полость, в которой вертикально размещены периферийные каналы (4,5) по числу радиальных. Под1 днищем и над крышей резервуара размещены радиально брусья, образующие каналы, сообщенные с воздушной прослойкой. Процесс нагревания воды и аккумулирование тепла в резервуаре осуществляется от солнечной энергии. Конструкция аккумулятора солнечной энергии позволяет нагревать воду в больших объемах до высокой температуры, сохранять положительную температуру теплоносителя в течение длительного времени без затрат электрической энергии и выполнять функцию источника тепловой энергии. Данная конструкция ТА может найти применение при возведении и эксплуатации объектов сельского хозяйства, строительства, теплоснабжения небольших населенных пунктов и промышленных зданий различного назначения. На рис. 1.5-5-1.8 представлены конструкции тепловых аккумуляторов для1 СЭДУ, разработанные в Центре Келдыша, имеющие патенты РФ. Данные типы ТА могут быть использованы в космической технике для нагрева газа и компонентов топлива ракетных двигателей, в самолетостроении, а также в других отраслях промышленности.
На рис. 1.5 приведена конструкция теплового аккумулятора, разработанная под руководством А.С.Гонтаря в Научно-исследовательском институте Научно-производственного объединения «Луч» [1.3]. Данная конструкция теплового аккумулятора предназначена для использования в солнечных электродвигательных установках и обеспечивает накопление тепла от концентратора солнечной энергии. ТА ) содержит графитовый теплоаккумулирующий блок (1) с продольными каналами (2) в виде радиальных пазов, внутри которых размещены защитные элементы (3). Защитные элементы могут быть выполнены в виде тонкостенных полых вкладышей из Re, форма которых повторяет форму паза, причем толщину радиально ориентированных стенок .і . вкладыша выбирают из условия обеспечения термического контакта стенок с ответными1 поверхностями паза под действием давления рабочего тела. Также в конструкцию данного ТА входят: торцевые коллекторы (4), соединенные с вкладышами (3) и предназначенные для подвода и отвода рабочего тела; центральная полость (5) для приемки излучения от концентратора солнечного излучения или размещения электронагревателя; корпус ТА (б).
Работа данной конструкции ТА осуществляется следующим способом. Тепловая энергия, поступающая в центральную полость (5), распространяется по объему блока (1) за счет теплопроводности графита, и происходит накопление тепловой энергии на световой части траектории. В двигательном режиме во входной коллектор (4) поступает водород (Нг), проходит через вкладыши (3) к выходному коллектору (4), нагреваясь до рабочей температуры, и далее к двигателю. В этом режиме отвод тепла от графитового блока (1) к Нг осуществляется через графит и границу раздела между графитом и плотно прижатых к нему вкладышей (3) под воздействием давления Нг.
На рис. 1.6 представлена конструкция ТА для СЭДУ (краткое название ТАКК-50), разработанная и изготовленная сотрудниками отделения 2 Центра Келдыша под руководством МироноваВ.В. [1.4]. Тепловой аккумулятор содержит корпус (1); крышки (2), (3) с патрубками входа и выхода газа; теплоаккумулирующий элемент (4), изготовленный из графита марки МПГ-6, отделенный от корпуса (1) со всех сторон теплоизоляцией (5); плоский электрический нагреватель (6) с токоподводами (7), которые через электроизоляционные втулки (8) выведены из тепло аккумулирующего элемента; канала или кольцевую щель (9) для прохода газа; коллекторы (10) - входной, (11) выходной, образованные соответственно крышками (2), (3) и цилиндром теплоаккумулирующего элемента по коническим контактным поверхностям; пористую вставку или набор плохообтекаемьгх тел (12). j Принцип работы данного ТА аналогичен конструкции, изображенной на рис. 1.5. Перед подачей газа теплоаккумулирующий блок нагревается при помощи электрического теплонагревателя (ТЭН). Затем после отключения ТЭНа в каналы, в которых размещена пористая вставка или набор плохообтекаемьгх тел, через патрубки подают холодный газ (Т=300 К). При этом газ нагревается (Т 1300 К) и собирается в выходном коллекторе и через патрубок подается потребителю. Энергоемкость такого ТА составляет 50 МДж. ТА прошел ряд испытаний, показав достаточно высокую эффективность при малых габаритах. . . , . 1 і В результате проведенных работ по созданию ТА для СЭДУ в отделении 2 была разработана и запатентована полномасштабная модель теплового аккумулятора ТАКК-250 [1.5] (см. рис. 1.7). Принцип работы и основные конструктивные элементы этого ТА практически не имеют отличия от разработанной ранее конструкции ТАКК-50. Однако, вместо монолитного теплоаккумулирующего блока в ТАКК-250 графитовый теплоаккумулирующий блок состоит из секторных элементов, стыкуемых по продольным выступам на боковых поверхностях элементов и формирующих внутреннюю цилиндрическую полость для размещения нагревателя, при этом в секторных элементах расположены по окружности цилиндрические каналы, в которых установлены по плотной посадке теплообменники в виде трубопроводов, стенки которых прочно скреплены с зерновой засыпкой. Такая конструкция имеет большую запасаемую тепловую мощность 370МДж и большую надежность.
Система уравнений, моделирующая процессы
Как было отмечено выше, тепловой аккумулятор предназначен для накопления тепловой энергии и передачи ее водороду, подаваемому в маршевый двигатель. Схема установки теплового аккумулятора ТАКК-50 приведена на рис. 1.6 [2.1]. ;
Графитовый тепловой аккумулятор выполнен в виде цилиндра с токоподводами, штуцерами и фланцами для входа и выхода водорода. Внутри теплового1 блока размещается ТЭН, который осуществляет его нагрев между импульсами. За счет высокой теплопроводности графита реализуется практически однородное тепловое состояние всего внутреннего объема ТА. (Неоднородность теплового поля на стадии нагрева обусловлена конечной, хотя и высокой теплопроводностью графита и тепловыми утечками. Расчеты показали, что при максимальном уровне утечек тепла 1 кВт1 температурные перепады в нагретом режиме не превышают 10 К, а в процессе нагрева нагреве — 80 К).
Для протока водорода внутри теплового блока формируется 16 цилиндрических каналов диаметром 15 мм. Каналы заполняются зернистым (пористым) материалом, что обеспечивает развитую поверхность теплообмена для нагрева водорода по мере его движения вдоль зернистого слоя. Передача тепла в зернистый слой от теплового блока осуществляется за счет теплопроводности элементов засыпки и переноса излучения. Съем тепла с зернистого слоя водородом осуществляется в основном за счет конвекции.
Полость для размещения ТЭНа изолирована от водорода, что позволяет использовать известные и отработанные системы электронагревателей, изготавливаемых из плотных марок графита или углерод-углеродных композиционных материалов .і (УУКМ). (Имеется положительный опыт использования графитов и УУКМ в ТЭНах1 различной конфигурации с мощностью до 40 кВт при температурах эксплуатации до 3000 К и количеством включений до 103). УУКМ структуры 2D и 3D могут также успешно использоваться для изготовления силовых корпусов и элементов крепления в местах, исключающих их контакт с водородом.
Для защиты углеграфитовых материалов от воздействия водорода могут быть использованы следующие решения, подтвержденные предыдущим опытом: зб; - нанесение защитного покрытия из нитрида циркония с использованием газофазного метода напыления. Покрытие обладает такими же коэффициентами! . і термического расширения (к.т.р.), как и специальные марки графитов и УУКМ, и в незначительной степени подвержено модификации с переходом нитрида в карбид циркония. Стойкость покрытия подтверждена при температурах до 2500 К. Технология нанесения нитрида циркония на углеграфитовые детали, включая моноблок, ТЭНы и гранулы пористого слоя освоено в НИИГрафит, имеются также необходимые компоненты и комплектующие для изготовления отдельного образца; - нанесение защитного покрытия из карбида кремния проникающего типа с; карбидизацией графита или УУКМ на глубину 0,5ч-1,5 мм поверхностного слоя детали. В,, t качестве базового варианта могут быть использованы разработанные в НИИГрафит и УНИИКМ технологии изготовления карбидкремниевых композиционных материалов. Экспериментально подтверждена окислительная стойкость и трещиностойкость таких покрытий сэндвичного типа в водородной среде при температурах до 2300 К. Корпус изготавливается из УУКМ и представляет собой .тонкостенную . оболочку толщиной 3-4 мм. Рационально использовать УУКМ, изготавливаемые по технологии пластикового передела методом намотки (материалы типа КУП-ВМ, Граурис). Плотность таких материалов составляет 1,4 — 1,45 г/см .
Условия работы материала корпуса не требуют специальных мер его защиты, температура эксплуатации УУКМ — до 3000 К без ухудшения физико-механических характеристик.
Для тепловой изоляции теплового блока ТА используется система экранов из. угольной ткани, обернутой слоем муллита. Для крепления экранов используется каркас из, , нержавеющей фольги. Для минимизации тепловых потерь количество экранов определено исходя из энергомассового баланса СЭДУ.
Данная работа посвящена изучению процессов, происходящих в подобных конструкциях теплового аккумулятора на разных стадиях его работы («заряд», «разряд», «охлаждение»). В дальнейшем результаты работы можно применить к другим, . исследуемым конструкциям.
Система уравнений, моделирующая процессы. В соответствии с описанием физических процессов в предыдущих разделах [2.1], выведем систему уравнений, описывающую динамику передачи тепла на разных 37 і режимах работы теплового аккумулятора. Предполагаем, что все процессы, протекающие в ТА, нестационарны и, в зависимости от допущений, являются 2-х или 3-х мерными. Ниже приводится вывод основных уравнений для каждого из режимов. і
Как уже отмечалось выше, на режиме «заряда» при отсутствии подачи рабочего тела происходит нагрев теплоаккумулирующего графитового блока при помощи ТЭНа с внутренней стороны блока. Передача тепла внутри конструкции ТА при этом происходит за счет теплопроводности. В качестве независимых переменных используются. время / и цилиндрические координаты г,(р,х. Для описания, процесса передачи тепла в,. , общем трехмерном случае, необходимо определить тепловое состояние элементов конструкции ТА, а точнее их температуру Ts на каждый момент времени t после начала работы ТА в каждой точке расчетной области (г,(р,х).
Законы теплообмена при течении газа в канале с зернистым наполнителем
Для исследования процессов теплообмена в каналах ТА и эффективности работы элементов наполнителя в каналах была разработана и изготовлена модельная установка. Схема установки представлена на рис.3.1. В качестве канала использовалась ; тонкостенная трубка из нержавеющей стали с внутренним диаметром 15мм и длиной і ... і 460мм. Размеры; и геометрия трубки в точности повторяли;натурный канал. В трубку] помещались различного типа наполнители, которые фиксировались двумя решетками.
Решетки имели проходные сечения в виде семи двухмиллиметровых отверстий каждая.! Все размеры внутренних частей трубки строго соответствовали размерам проходных каналов натурного теплового аккумулятора. Трубка помещалась в ванночку с водой объемом 5 л. После нагрева такой конструкции с наполнителями до 100С через нее пропускался воздух с известным расходом. В течение эксперимента температура ві конструкции поддерживалась постоянной и равной 100 С. В эксперименте фиксировались следующие параметры: расход воздуха; давление воздуха на входе, на выходе и перепад давлений; температура воздуха на выходе и окружающая температура воздуха. Измерения давления производились U-образными манометрами, температуры - хромель-копелевыми термопарами, а расхода - объемным способом. С этой целью на входе и! на выходе из ; трубки были предусмотрены специальные штуцеры и фланцы. Вс# конструкция ; . . . . , . і. , теплоизолировалась
Результаты продувок воздуха с нагревом представлены нарис. 3.2 ирис. 3.3. Из рисунка видно, что наибольшим газодинамическим сопротивлением і .... і і. J обладает канал с. зернистой засыпкой из графита, наименьшим, как й следовало ожидать, » при его заполнении стержнями без центрального стержня и пустой канал. Значение крайних перепадов давлений отличается примерно в 3...4 раза. Значение перепада на разделительной решетке примерно на порядок меньше крайних верхних значений для засыпок из крупки и комбинации крупки и стержней.
Результаты, представленные на рис. 3.3, показывают, что наибольший! теплосъем осуществляется при засыпке канала крупкой и комбинации засыпки крупка -; стержни. Наименьший эффект - при заполнении стержнями без центрального стержня. Продувки пустого канала дали самый минимальный эффект.
Ниже приведены предварительные расчеты конвективных коэффициентов теплообмена применительно к модельному эксперименту при течении воздуха по каналу диаметром 15 мм. и длиной 460 мм. с различными вариантами наполнителей [2.2]
1) Стержни — 4шт. диаметром 6мм., эквивалентный диаметр проходного 1 .Alt сечения 9,0 мм., пористость — 0,36. Коэффициент теплообмена а рассчитывался . по формуле: Nu = 0,023 PrM Re0,8 Результаты расчета коэффициента теплообмена при расходе G=0,3-2,0r/c: ак=27-125Вт/(м2К) .
2) Стержни 4шт. диаметром 6мм. и центральный стержень Змм., эквивалентный диаметр проходного сечения канала 8,5 мм., пористость — 0,36. Коэффициент теплообмена ос рассчитывался по формуле: Nu = 0,023 PrMReM Результаты расчета коэффициента теплообмена при расходе G=0J3-2,0r/c: J ак=30-139Вт/м К
3) Стержни 4шт. диаметром бмм.с периферийными стержнями и центральный1 стержень Змм., эквивалентный диаметр проходного сечения канала 6,9 мм., пористость 0,36. Коэффициент теплообмена а рассчитывался по формуле: Nu = 0,023 Pr0 4 Re0-8 " Результаты расчета коэффициента теплообмена при расходе G=03-2,0r/c: і ак = 44-203Вт/м2К
4) Кольцевая щель с внешним диаметром Дг=15 мм. и внутренним Ді=14 мм. Высота щели 0,5мм. является характерной для расчета Re и Рг. Коэффициент теплообмена а рассчитывался по формуле: ( тт 0,2S JVw = 0,015PrMRe0-81 J Л I Результаты расчета коэффициента теплообмена при расходе G=0l5-2,0 г/с: ак=П2-340Вт/(м2К) !
5) Наполнитель из зернистого материала с диаметром одного зерна 6мм.(470 зерен в канале), пористость 0,62. Коэффициент теплообмена а рассчитывался по формуле: Nu = 2 + 0,03 Pr0-33 Re-54 + 0,35Pr0-36 Re0-58 . ! Результаты расчета коэффициента теплообмена при расходе G=0,5-2,0 г/с: і ак=112-236(Вт/м2К) На рис 3.4. приведены результаты расчетов в виде зависимости температуры воздуха на выходе из канала от расхода для различных вариантов заполнения канала:
Методика расчета приведена в разделе 3.2.2. Как показал расчет, с увеличением расхода газа температура воздуха на выходе из канала уменьшается, что и подтверждается. экспериментом.
Из экспериментальных данных (рис 3.2) и расчетных соотношений видно, что! і . і і наилучший результат дают наполнители из зерен, щелевой канал и канаїл со многими цилиндрическими стержнями. Таким образом, для описания процессов теплообмена необходимо определять параметры теплообмена для каждой конкретной задачи.
В результате проведенных опытов для испытаний на модельном тепловом аккумуляторе был выбран наполнитель, дающий наибольший теплосъем и представляющий собой набор графитовых зерен.
Сравнения результатов испытаний на установке ТАКК-50 с результатами численного решения
После проведения испытаний был проведен расчетный анализ, в котором учитывались следующие параметры: ТФХ материалов элементов конструкции ТА, мощность ТЭН, параметры теплоизолирующих слоев и параметры рабочего тела водорода. Расчет проводился для разных режимов работы ТА[4.5,4.6]. Режим «заряд»
Для определения теплового состояния ТА на режиме нагр ева численно1 решались рассмотренные в разделе 2.2,1 уравнения (2.2) и (2.15). Для этого была] использована двумерная программа расчета поля температур в осесимметричной постановке. Расчетная модель блока ТА представляет собой полый цилиндр с цилиндрической щелью вместо 1 б-ти кольцевых каналов для протока водорода (см.раздел 2.2.1). Схема расчетной области представлена на рис.4.7. В трехмерной постановке расчетная область представляет собой 3- D сектор с теплообменным каналом посередине (рис. 4.8). Результаты расчета в осесимметричной постановке; удовлетворительно \ согласуются с результатами трехмерного расчета на режиме заряда. Поэтому . В дальнейшем использовалась осесимметричная программа, т.к. она требует меньших затрат. времени, по сравнению с трехмерной. Однако для более точного расчета теплового состояния ТА необходимо, конечно, использовать трехмерную программу. ; ] В качестве материалов элементов конструкции использовались теплоаккумулирующий материал графит МПГ-6 и теплозащитные материалы — УУКМ "Граурис" и "Муллит". Теплофизические свойства материалов приведены в различных1 работах НИИГрафит и представлены на рис. 4.9 - 4.14
На рис. 4.9 - 4.12 приведены свойства материала МПГ-6. По данным [3.7] плотность материала меняется от 1700 кг/м3 до 1590 кг/м3 в диапазоне температур 300 — 1700 К(рис.4.9). Однако в работе [3.6] для плотности МПГ-6 приведено значение, не зависящее от температуры и равное 1890 кг/м - такое же, как и для графита В-1; одинаковыми являются и удельные теплоемкости материалов (рис.4Л0). Поэтому--первоначально в качестве объемной теплоемкости материала МПГ-6 принималась! объемная теплоемкость графита В-1 (рис. 4.11). Эта величина утонялась после определения плотности материала в данной конструкции ТА, которая рассчитывалась по і t массе и объему блока и составляла 1763 кг/м . Зависимость объемной; теплоемкости] материала по уточненной величине плотности также приведена на рис. 4.11.
Зависимости коэффициентов теплопроводности материала МПГ-6 от температуры приведены на рис. 4.12. Нижняя кривая взята из справочника [3.6], верхняя - построена по аппроксимационной формуле: X — 90(1800 - Т)/1500 + 60 (Вт/м К), справедливой в диапазоне температур до 2000 К и переданной из НИИГрафит в 1998 г. Обе зависимости использовались в расчетах режимов нагрева и разрядки ТА.
На рис. 4.13, 4.14 приведены зависимости от температуры удельной теплоемкости и теплопроводности материала "Граурис" по работам [3.6,3.7]. Видно, что в интервале температур 300 - 1700 К эти зависимости мало отличаются, поэтому в качестве исходных данных принимались значения по работе [3.7]. Плотность материала р = 1300
Для материала "Муллит" плотность и теплоемкость принимались постоянными и равными, соответственно, 400 кг/м3 и 1190 Дж/(кг К), а зависимость теплопроводности от температуры определялась по формуле: X = 0,05 +4 Ю п Т3 Вт/(м К). Начальная температура всех элементов конструкции составляла ЗООК.
В качестве граничного условия на внутренней поверхности бло!ка со стороны; , электронагревателя задавался тепловой поток, определяемый ] мощностью! электронагревателя. В качестве граничного условия на внешней и боковых поверхностях; высокотемпературной изоляции задавался сток тепла излучением (см. раздел 2.2.1). Так как на внешней поверхности экспериментальной установки отсутствовала экранно вакуумная тепловая изоляция, то в расчетах учитывался сток тепла со стального корпуса!, і
Анализ показал, что в режиме "ЗАРЯД" показания термопар хорошо! коррелируют с расчетными данными (даже с учетом изменения мощности ТЭН в процессе работы в 1-м испытании). Сравнение расчетов с экспериментом показано на рис.4.15.
Проведенные расчетные оценки по балансу энергии показали, что тепловые потери составили 4 кВт, что хорошо согласуется с численными расчетами при решении системы! дифференциальных уравнений. Таким образом, тепловые потери составили; около 40% от1,! полученной электронагревателем энергии. Поэтому в дальнейшем следует использовать,, t более эффективную тепловую защиту с целью снижения потерь; тепла, тем самым/ уменьшая время нагрева теплоаккумулирующего блока ТА до заданной температуры. В1 качестве теплозащиты может использоваться экранно-ваккумная теплоизоляция (ЭВТИ), которая может существенно снизить потери энергии (при обеспечении соответствующего значения вакуума). Резким «разряд
Разработанная программа расчета параметров ТА и водорода в режиме "РАЗРЯД" позволила провести анализ полученных экспериментальных данных. Были определены не только коэффициенты теплообмена путем решения системы дифференциальных уравнений, описывающей течение водорода через каналы ТА;и; изменение температурных полей в графитовом блоке (см. раздел 3.2), но также были!; проведены сравнения с результатами экспериментов. На рис.4.16 показаны расчетные значения температуры графитового блока в режиме "РАЗРЯД", а также показания термопар во время эксперимента. По падению уровня температур на этих кривых можно определить характеристики теплового аккумулятора, зависящие от темпов охлаждения; , графитового блока. і При расчете параметров водорода в каналах ТА использовались законы теплообмена в виде степенной зависимости числа Nu от чисел Re и Рг, которая определялась путем обобщения экспериментальных данных ранее проведенных на аналогичной установке экспериментов для различных газов(водород, азот, гелий, воздух) и при различных уровнях дисперсности. Определив таким образом коэффициенты" теплообмена, были проведены расчеты в 2-D и 3-D постановке температуры водорода на] выходе из каналов ТА в режиме "РАЗРЯД" и сравнительный анализ с показаниями термопары №10 (рис. 4.17). В режиме "разряд" расчеты показали, что при течении водорода через каналы, аккумулированная энергия в массиве графитового блока будет передаваться газу, постепенно уменьшаясь, что приводит к постепенному уменьшению температуры газа на выходе из канала и самого блока ТА. Результаты расчетов, а также; сравнение с опытными данными приведены на рис. 4.17, 4.18. Разработанная программа; позволяет прослеживать динамику изменения тепловых полей в блоке ТА (рис.4.18), а также позволяет рассчитывать параметры рабочего тела (рис.4.17). В целом наблюдается удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных данных.
