Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы создания СПТ ДВПТ на основе тепловой трубы. Постановка задачи
1.1. Проблемы создания эффективных нагревателей ДВПТ
1.2. Предпосылки использования тепловых труб в системах передачи теплоты ДВПТ
1.3. Классификация и анализ СПТ
1.3.1. Классификация СПТ :.
1.3.2. Анализ экспериментальных работ по созданию СПТ с Промежуточным теплоносителем
1.4. Цель проведения комплексных расчетно-экспериментальных
исследований. Постановка задачи на создание математической модели СПТ ДВПТ
2. Физико-математические основы тепловой трубы. Принципиальные особенности обеспечения конструкторских и расчетно-экспериментальных работ по СПТ ДВПТ
2.1. Физические процессы в тепловой трубе и их взаимосвязи
2.2. Предельные физические ограничения мощности тепловой трубы ..
2.2.1. Вязкостный предел мощности
2.2.2. Звуковой предел мощности
2.2.3. Капиллярное ограничение мощности
2.2.4. Ограничение по уносу жидкости из КПС в паровое пространство
2.2.5. Ограничение по вскипанию теплоносителя в КПС испарителя..
2.3. Современные методы расчетных исследований тепловых труб и присущих им теплофизических процессов
2.4. Особенности конструкции системы передачи теплоты ДВПТ 70
2.5. Теплофизические условия работы и режимные параметры СПТ... 77
2.5.1. Постановка задачи на оценочный расчет СПТ 77
2.5.2. Распределение температуры и теплового потока в испарителе... 80
2.5.3. Термическое сопротивление элементов конструкции и физических процессов в СПТ 83
2.5.4. Предельные ограничения мощности СПТ по физическим условиям работоспособности І85
2.6. Интенсивность подвода теплоты и ограничение по мощности источника для СПТ с испарителем щелевого типа 88
2.7. Предельные ограничения по термомеханической прочности : тепловой трубы 93
2.8. Предел тепловой мощности паровой камеры по интенсивности испарения 100
2.9. Основные требования и методические принципы построения математической модели СПТ 101
3. Комплексная математическая модель СПТ и ее информационно- программное обеспечение 104
3.1. Принципы системно-термодинамического подхода при комплексном моделировании СПТ 104
3.2. Методические принципы построения математической модели 108 СПТ.
3.2.1. Общие положения универсального подхода к моделированию СПТ 108
3.2.2. Математическая структура построения модели СПТ 111
3.3. Физические основы комплексной математической модели СПТ... 116
3.3.1. Уравнение состояния пара щелочных металлов 116
3.3.2. Расчет параметров в паровом пространстве СПТ типа паровая камера 123
3.3.3. Одномерная гидродинамическая модель потока пара 129
3.3.4. Гидродинамическая модель течения жидкого теплоносителя 139
3.3.5. Оценка интенсивности фазовых переходов.; 146
3.4. Логическая структура программного комплекса для расчета СПТ.. 147
4. Расчено-экспериментальные исследования СПТ 154
4.1. Организация и особенности проведения экспериментальных исследований СПТ 154
4.2. Характеристики опытных СПТ 158
4.2.1. СПТ кольцевого типа 158
4.2.2. СПТ трубчатого типа 162
4.3. Результаты экспериментальных исследований опытных СПТ 164
4.3.1. Исследование опытных СПТ в стационарных условиях. Идентификация параметров настройки математической модели спт : 164
4.3.2. Исследование опытной СПТ трубчатого типа при работе от камеры сгорания 170
4.4. Результаты расчетных исследований опытных и перспективных СПТ 184
4.4.1. Работоспособность КПС опытных СПТ 184
4.4.2. Согласование параметров СПТ и камеры сгорания 189
4.4.3. Оценка ожидаемых показателей перспективных типов СПТ 192
5. Выводы и рекомендации 204
Заключение 207
Литература
- Предпосылки использования тепловых труб в системах передачи теплоты ДВПТ
- Предельные физические ограничения мощности тепловой трубы
- Общие положения универсального подхода к моделированию СПТ
- Исследование опытных СПТ в стационарных условиях. Идентификация параметров настройки математической модели спт
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Работы двигателестроителей в области Двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ) в последние Десятилетия увенчались созданием опытных образцов, приближаюпщхся по своим качествам к параметрам, которые могут обеспечить ДВПТ конкурентоспособность в широком спектре областей применения: для автомобилей, подводных технических средств, гелиоэнергетики, многотопливных электрогенераторов и других. Особо следует отметить успех фирмы «Kockums», двигатели которой успешно прошли опытную эксплуатацию на французской исследовательской подводной лодке «SAGA-I», шведской боевой подводной лодке «Nacken» и были установлены в качестве подводных двигателей малого хода на шведские лодки нового поколения типа А-19 «Gotland».
Однако, несмотря на реальные достижения отдельных фирм, следует признать, что в целом оптимистичные прогнозы энтузиастов, заявленные на базе успехов двадцати-тридцатилетней давности, не оправдались.
Среди главных проблем сложностью и актуальностью отличается задача создания нагревателя, выдерживающего при температуре стенок 873... 1073 4С давление рабочего тела до 10...20 МПа и воздействие теплового потока до 1 МВт/м2. Использование принципа прямого нагрева делает нагреватель конструктивно и технологически сложным, наиболее трудоемким и дорогим элементом ДВПТ, в значительной степени определяющим его надежность и ресурс.
Неравномерность температуры в кольцевом нагревателе вследствие неоднородности параметров пламени горелки и условий теплопередачи может Достигать 200...300 К по высоте трубок, и 100... 150 К в сечении на одинаковой высоте. Имеются также температурные градиенты в сечении каждой отдельной трубки. Разброс температуры газов и трубок вызывает неравномерность удельного, теплового потока по поверхности нагревателя, вынуждает значительно занижать расчетную температуру нагревателя и, как следствие, снижает индикаторный КПД ДВПТ.
Один из возможных путей решения проблемы создания надежного и эффективного нагревателя состоит в том, чтобы для подвода теплоты к нему применить специальную, систему передачи теплоты (СПТ), работающую по принципу тепловой трубы или термосифона. При малом термическом сопротивлении и незначительных потерях теплоты такая СПТ способна обеспечить нагревателю равномерное температурное поле, а также независимость геометрических характеристик тешюпередающих поверхностей внешнего и внутреннего контуров Д В Ш.
Целями работы являются:
1. Разработка методических принципов математического описания СПТ ДВПТ, выполненных на базе двухфазных капиллярно-
гравитационных тепловых труб.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА
О»
2. Создание многоуровневой иерархической модели и программно-математического обеспечения для выполнения комплексных расчетных исследований СПТ.
В соответствии с этим при выполнении работы решены следующие методические, теоретические и экспериментальные задачи:
произведен анализ структурных и конструктивных схем, физических процессов и условий работы перспективных типов СПТ;
созданы математические модели для расчета процессов в капиллярно-гравитационной СПТ с жидкометаллическим теплоносителем;
проведены логически увязанные между собой вычислительные и стендовые исследования, направленные на повышение адекватности разработанного программно-математического обеспечения;
определены оптимальные конструктивные и режимные параметры для перспективных конструктивных схем СПТ транспортного типа;
на качественном и количественном уровне выявлено влияние параметров СПТ на эффективность и другие качества ДВПТ.
Методика исследований основана на принципах системного подхода применительно к сложной термодинамической системе. При разработке математических моделей базой служили фундаментальные положения, эмпирические соотношения и экспериментальные данные механики жидкостей и газов, термодинамики, теории теплообмена, теоретические и экспериментальные методы, применяемые при исследовании теплообменных аппаратов, тепловых двигателей и их элементов.
Разработка математических моделей и обработка опытных данных произведены на основании математических методов для численного решения задачи Коши, систем обычных и дифференциальных уравнений, методов интерполяции функций, статистической обработки опытных данных, одномерной и многомерной оптимизации.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях:
систематизирован опыт создания и исследования СПТ с промежуточным теплоносителем;
разработаны математические модели процессов в капиллярно-гравитационной жидкометаллической тепловой трубе с зоной конденсации в виде паровой камеры и с транспортной зоной сложной конфигурации;
внесены дополнения в инженерную методику расчета параметров эффективности и проверки работоспособности тепловой трубы, в том числе введены: понятие коэффициента запаса мощности по величине капиллярного напора, соотношения для ограничения теплового потока в конденсаторе и испарителе по условию термомеханической прочности и для испарителя по интенсивности теплоотдачи на внешней поверхности;
проведены расчетно-экспериментальные исследования по обоснованию перспективных СПТ для ДВПТ транспортного типа.
Практическая ценность. Предложенные в работе методы расчетно-эксперименталъных исследований и полученные результаты используются в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях при выполнении НИР и ОКР:
для обоснования конструкции и режимных параметров теплообменных аппаратов на базе тепловых труб в составе перспективных энергетических установок, в том числе с нетрадиционными источниками теплоты;
для углубленного анализа влияния конструкции СПТ и нагревателя на режимные параметры и показатели эффективности ДВПТ; для дальнейшего совершенствования методик расчета рабочих процессов в системах и элементах ДВПТ.
Реализация работы. Результаты выполненного исследования были использованы при выполнении исследовательских и проектных работ в Центральном ордена «Знак почета» научно-исследовательском дизельном институте, Федеральном государственном унитарном предприятии «Конструкторское бюро «Арсенал» имени MB.- Фрунзе," Санкт-Петербургском Государственном морском техническом университете в учебном процессе для специальностей 1012 «Двигатели внутреннего сгорания» и 1402 «Судовые энергетические установки».
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на I Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и пути развития экспериментально-теоретических и опытно-конструкторских работ по двигателям с внешним подводом теплоты» (Ташкент, 1979 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета (бывший ЛКИ) в 1980, 1984, 1988, 1990, 1993, 1997, 1999 гг., на заседании секции судовых дизельных установок Научно-технического общества судостроителей им. акад. А.Н. Крылова в 1985 и 2002 гг., на секции «Тепловые насосы» Объединенного научного совета ГКНТ СССР и АН СССР (Москва, 1990 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок» (Ленинград, 1990), на симпозиуме при международной выставке «Энергетика-95» (СПб, 1995), на научно-практической конференции ВВМИУ им. Ф.Э. Дзержинского «200 лет служения России» (СПб, 1998), на научно-технической конференции «Двигатели внутреннего сгорания двадцать первого века» (СПб, 2000).
Публикации. Результаты исследования изложены в 27 печатных работах (из них 14 без соавторов), в том числе 2 брошюры, 18 статей, 1 авторское свидетельство на изобретение, 6 тезисов докладов. Отдельные разделы диссертации содержатся в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненных в СПбГМТУ (ЛКЙ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав и заключения; общий объем 227 страниц. Основной текст на 142 страницах иллюстрирован 14 таблицами и 79 рисунками. Список литературы включает 159 наименований.
Предпосылки использования тепловых труб в системах передачи теплоты ДВПТ
Важнейшими параметрами рабочего процесса ДВПТ, определяющими удельную мощность, КПД и ресурс двигателя, являются температура на теплообменной стенке нагревателя Тн и среднее (или максимальное) давление рабочего тела РСр (Ртах) внутреннего контура. В лучших опытных образцах ДВПТ, хорошо доведенных и отработанных как по элементам внутреннего, так и внешнего контуров, условия работы нагревателя характеризуются средней температурой стенки порядка Тн«923...1073 К и средним давлением внутри трубок до Рср«10...20 МПа при циклически изменяющемся тепловом потоке и знакопеременном характере течения рабочего тела внутреннего контура /80/.
Типичная компоновка и распределение температуры по элементам «горячей головы» доведенного до стадии опытного образца двигателя шведской фирмы USS марки 4-95 (Р-40) приведена на рис. 1.1 /123/, а на рис. 1.2 приведены варианты исполнения нагревателя /158/. В двигателе 4-95 четыре цилиндра двойного действия расположены в два ряда и в плане образуют квадрат. Подобным же образом, но с разворотом в плане на 45, корпуса регенераторов размещены на одном уровне с цилиндрами. Сложно изогнутые U-образные трубки нагревателей скомпонованы в единую корзину. Геометрия трубок выбрана исходя из условий эффективного теплообмена во внешнем контуре. Для обеспечения в разных сечениях по высоте (соответственно и по диаметрам) равных межтрубных щелей для прохода продуктов сгорания внутреннему со стороны продуктов сгорания участку трубок, расположенному под углом к оси симметрии нагревателя, придан эвольвентный профиль. Наружный участок трубок, обогреваемый продуктами сгорания при меньшей температуре и экранированный от лучевой составляющей теплового потока, выполнен оребренным и ориентирован вертикально. Единая на четыре цилиндра камера сгорания расположена по центру. Воздух вентилятором подается в кольцевой преднагреватель и далее через завихритель-турбулизатор к форсунке. Основные характеристики двигателя 4-95 следующие: диаметр цилиндра - 50 мм, ход поршня - 48 мм, рабочее тело - водород или гелий, частота вращения - до 4000 мин 1, эффективный КПД при мощности 40 кВт 32%. Достижение высокого уровня форсировки двигателей фирмы USS стало возможным благодаря доведению величины среднего давления до 15 МПа и температуры трубок нагревателя до 973 - 993 К. Эффективность внешнего контура достигнута благодаря высокой среднезнтальпийной температуре горячих газов в огневом факеле (2273 К) и компактному щелевому преднагревателю, обеспечивающему охлаждение выпускных газов до 463 К.
Результаты расчетно-экспериментальных исследований системы подвода теплоты показывают, что использование продуктов сгорания на топливах углеводородного состава (керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ и подобные) накладывает жесткие ограничения на процесс теплообмена в нагревателе двигателя. По этим причинам, несмотря на то, что величина КПД источника тепловой энергии находится на высоком уровне (до 90%), низкая эффективность теплообмена со стороны продуктов сгорания не позволяет получить высокий КПД системы подвода теплоты. Это объясняется не плохой организацией рабочего процесса в системе передачи теплоты, а физическими свойствами продуктов сгорания топлив углеводородного состава как энергоносителей при теплообмене /42/. Повысить КПД системы подвода теплоты можно конструктивными мерами, компонуя специальным образом в виде компактного теплообменника нагреватель ДВПТ. Однако этот путь не может быть использован в полной мере, поскольку на нагреватель жесткие конструктивные ограничения налагает рабочий процесс во внутреннем контуре.
В итоге проблема создания высокоэкономичных внешних камер сгорания с глубиной регулирования 1:10 при одновременном обеспечении равномерного нагрева трубок нагревателя становится в один ряд с наиболее значимыми проблемами ДВПТ/40, 119/.
Практически на всех современных двигателях применяются нагреватели трубчатого типа. В таких конструкциях при использовании прямого способа нагрева трубок продуктами сгорания теоретические требования к теплообменным поверхностям по внешнему и внутреннему контуру находятся в противоречии друг с другом.
Условия, повышающие эффективность теплообмена во внешнем контуре, фактически сводятся к снижению удельного теплового потока. Кратко их можно сформулировать в двух пунктах: большая теплообменная поверхность, набранная из трубок малого диаметра, плотная многорядная компоновка, обеспечивающая эффективный теплообмен и экранирование стенок камеры сгорания от воздействия лучевой составляющей.
Во внутреннем контуре вследствие высокой скорости вынужденного движения рабочего тела, условия теплообмена значительно лучше и необходимые размеры теплообменной поверхности нагревателя определяются из комплексного, как правило, оптимизационного, расчета внутреннего контура с учетом уровня форсировки ДВПТ по мощности, величине тепловых потерь, термического и гидравлического сопротивлений. На стадии этих расчетов требования к геометрии нагревателя также не совпадают. Высокий КПД может быть получен при больших значениях площадей теплообмена и проходного сечения, в то время как высокая удельная мощность двигателя достигается при малом мертвом объеме внутреннего контура.
Предельные физические ограничения мощности тепловой трубы
Интересная установка создана фирмой STM Inc. /114/. Прототипом для нее послужили работы фирмы Philips, в частности двигатель барабанного типа 4-215 и гравитационно-капиллярные СПТ теплового аккумулятора и химических реакторов. Установка включает в себя четырехцилиндровый двигатель двойного действия, блок теплообменников внешнего контура и разветвленную натриевую СПТ. В этой работе удачно была реализована идея независимой компоновки испарителя и камеры сгорания, которая сняла ограничения по увязке с конденсатором-нагревателем. Развитая ребристая поверхность испарителя с 40 плоскими щелями для продуктов сгорания обеспечила ему малое термическое сопротивление, составляющее на расчетном режиме для процессов теплопроводности и испарения 2,2 К. Полное сопротивление СПТ составило 9 К, причем 4,8 К приходилось на конденсацию в компактном нагревателе. Экранирование холодным воздухом горячих поверхностей и очага горения (Ттах=2397...2473 К) свело тепловые потери к 819 Вт. В результате теплообменный блок, вырабатывающий 104 кВт теплоты, включающий в том числе и преднагреватель, получился малогабаритным (330x250x100 мм) и эффективным СПспт 85...90%). При этом важно отметить, что параметры эффективности, а также характеристика запуска СПТ определялись экспериментально. Для этого, чтобы не пережечь испаритель, разогрев осуществлялся ступенчато. Время выхода на номинальный режим составило 15 мин., переход СПТ в изотермическое состояние осуществлялся через 7...8 мин. после включения камеры сгорания. Эксперименты, в которых температура на стенке превышала 1273 К, выявили нежелательную высокотемпературную диффузию неконденсирующихся газов во внутреннюю полость тепловой трубы через стенки испарителя, однако температурный порог, определяющий начало этого явления, в публикациях не указывается. В целом, двигатель STM4-120 оказался вполне удачным. На это указывает также и то, что по опубликованным данным Министерство энергетики США приобрело такой двигатель для исследований по программе использования солнечной энергии. В 1988г. на базе 2,5-киловаттного свободнопоршневого двигателя установку подобной комплектации создали также на фирме Sunpower Inc. /120/.
В 1990-е годы, судя по содержанию публикаций, интерес к тепловым трубам несколько уменьшился. По-видимому, это не следует связывать с наступившим разочарованием в их свойствах. Наиболее вероятная главная причина - уменьшение числа и объема опубликованных работ по двигателям для подводной и космической техники. Однако, вполне возможно, что негативной рекламой для тепловых труб стало успешное применение в подводных лодках двигателя V4-275R, выполненного по традиционной схеме с прямым нагревом /57,43,144/.
Тем не менее, фирмы STM Inc., SBP, Cummins PG отдают явное предпочтение применению тепловых труб в двигателях с нетрадиционными источниками энергии (солнечный, изотопный) /145/.
Из новых разработок следует выделить натриевую тепловую трубу для гибридного источника теплоты, разработанную в институте теплотехники Штутгарта /119/. Разработка выполнена для солнечного Стирлинг-генератора фирмы SBP на базе двигателя V-160 (SOLO-161), конструкция предназначена для обеспечения работы совместно с газовой камерой горения при недостаточной интенсивности освещения. Особенностью ее является высокая компактность и внешнее по отношению к натрию расположение трубок нагревателя. Как правило, конструкции с тепловой трубой выполняются в виде паровой камеры вокруг нагревателя, теплота подводится в них через боковые или торцовые поверхности или через дополнительный элемент (испаритель). Такими, в частности, являются системы передачи теплоты, выполненные фирмами STM Inc. и Cummins PG. В рассматриваемой конструкции тепловая труба выполнена в виде кольцевого цилиндра, внутренняя поверхность которого предназначена для восприятия солнечного излучения, сфокусированного концентратором, а наружная боковая снабжена продольными ребрами и служит для обогревания продуктами сгорания. В первом варианте 52 трубки нагревателя располагались в кольцевых канавках непосредственно в корпусе тепловой трубы, а ребра выполнялись накладными. Во втором (испытания начались в 1997 г.), - трубки нагревателя располагаются на торце тепловой трубы, а продольные ребра выполнены непосредственно в корпусе. Испытания 1996...1997 гг. показали, что термическое сопротивление всей системы при температуре нагревателя 923 К составляет 100 К, тепловая труба переходит в изотермическое состояние при 773 К, время разогрева трубы камерой сгорания из холодного состояния 25 мин. Причем, поскольку режим минимальной мощности камеры сгорания оказался излишне мощным и опасным для конструкции в холодном состоянии, разогрев осуществлялся в. импульсном режиме, - требовалось более 30 включений /105, 119/.
Таким образом, перспективы применения тепловых труб в СПТ ДВПТ определяются их исключительно высокими качествами как теплообменных устройств (теплопроводность, изотермичность, саморегулируемость), а применение их наиболее целесообразно в двигателях со следующими отличиями: высокая форсировка нагревателя по температуре и тепловому потоку, нетрадиционные источники теплоты, экспериментальные установки для изучения физических процессов в «идеальном» изотермическом нагревателе.
Общие положения универсального подхода к моделированию СПТ
Основные направления теоретических исследований по тепловым трубам один из видных теоретиков по данному вопросу д.т.н. Л.Л. Васильев разделил на две категории /1II:
1. Определение предельных характеристик для мощности тепловой трубы исходя из анализа гидро-газодинамики потоков пара и жидкости, достижение предельных характеристик по скорости переноса пара (скорость звука), взаимодействие потока пара с поверхностью пленки жидкости в пористом фитиле, возникновение вскипания жидкости в фитиле испарительной зоны.
2. Определение термического сопротивления тепловой трубы или нахождение температурного поля вдоль ее внешней поверхности в зависимости от плотности теплового потока и условий теплообмена на внешней поверхности в зоне испарения и конденсации.
Такое разделение связано в основном с выбором параметров для оценки работоспособности и эффективности тепловой трубы без акцента на сущности протекающих процессов. Комплексный анализ и оптимизация этих процессов во взаимодействии возможны с помощью ЭВМ в случае создания соответствующего программно-математического обеспечения. Создание этого математического аппарата связано с большими трудностями, поскольку исследуемые тепловые трубы различаются не только по конструктивным и теплофизическим параметрам, но и по назначению, условиям работы, теплоносителям. Стремление к удовлетворению этих требований в каждом конкретном случае привело к тому, что к настоящему времени создано большое количество различных расчетных моделей и методик. Известные методики можно разделить по функционально-целевому назначению на три группы.
1. Математические модели высокого уровня сложности с подробным описанием внутренних физических процессов, присущих собственно тепловой трубе, при минимальных упрощениях граничных условий (в основном это относится к процессам теплоподвода и теплоотвода), конструкции и свойств конструкционных материалов и теплоносителя.
2. Математические модели, подробно описывающие один или несколько из физических процессов (гидродинамика пара, фазовые переходы, механизм переноса теплоносителя в жидкой фазе и др.) и предназначенные, в частности, для расчета и анализа описанных явлений, принимая их наиболее значимыми на определенных эксплуатационных режимах тепловой трубы.
3. Расчетные методики, которые по назначению и уровню сложности относятся к инженерным, предназначенным для обеспечения проектно-конструкторских работ и проведения оценочных теплофизических расчетов, включая расчет эффективности теплообменных устройств на базе тепловых труб.
Модели первых двух групп, построенные на базе дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса, относятся к наиболее сложным. Они, так же как и наиболее сложные инженерные методики, могут быть реализованы только с использованием компьютерной техники. При этом важное значение приобретают такие параметры модели, как время счета одного варианта, объем памяти ЭВМ, необходимый для трансляции и выполнения программы\ а также объем вводимой исходной информации.
Описание процессов переноса энергии и вещества в тепловой трубе в общем виде наиболее полно приведено в работах Л.Л.Васильева /4, 15, 18, 19/. Для стационарного несжимаемого потока пара в пренебрежении силами гравитации система уравнений неразрывности, сохранения количества движения и энергии имеет вид: divW = 0 -pn-W-(VW) = -VPn+nn-V2W (2.11) . Cp-Pn-VTn= .V2Tn Стационарное течение теплоносителя в жидкой фазе для случая ламинарного потока и теплообменные процессы в КПС описываются следующей системой уравнений gradP = -цж G /рж к F сж ЄФ Рж WJK -УТЖ =divq (2.12) q = Л gradT, где Л - тензор теплопроводности КПС, насыщенной жидкостью (для общего случая с различной теплопроводностью КПС в осевом и радиальном направлениях). Система уравнений (2.11) - (2.12) дополняется уравнениями теплопроводности, описывающими перенос энергии в корпусе и КПС и кинетики фазовых переходов на поверхности раздела жидкость-пар. Интегрирование данной системы уравнений в общем виде для тепловой трубы сложной конструкции является трудоемкой задачей, требующей больших затрат машинного времени, что остается справедливым даже для ЭВМ современного уровня. В связи с этим при разработке математических моделей тепловой трубы авторы вводят физические и конструктивные упрощения. Конструктивные упрощения используются как при создании математической модели, так и в процессе проведения расчетов
Исследование опытных СПТ в стационарных условиях. Идентификация параметров настройки математической модели спт
Конструкция СПТ ДВПТ, в основном, определяется формой, взаимным расположением и геометрическими размерами теплообменных поверхностей испарителя и конденсатора, которыми являются соответственно поверхность, обогреваемая источником теплоты, и нагреватель двигателя.
Поскольку в СПТ с промежуточным теплоносителем многие сложные вопросы, связанные с теплообменом на наружной поверхности во внешнем контуре, снимаются или упрощаются, основные требования к нагревателю как к элементу внутреннего контура двигателя приобретают более весомое значение. Принимая в качестве определяющих условия достижения приемлемых параметров двигателя по экономичности, удельной мощности и прочности, можно сформулировать следующие требования к нагревателю: высокий удельный тепловой поток, минимальное гидравлическое сопротивление рабочему телу внутреннего контура, минимальное термическое сопротивление СПТ, минимальный мертвый объем по внутреннему контуру, высокие уровни температуры теплообменной поверхности и давления во внутреннем контуре, простота и технологичность конструкции.
В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет теплообменная поверхность в виде трубы с малым внутренним диаметров, составляющим, как правило, dH=2...6 мм. В связи с этим в большинстве известных ДВПТ применяются нагреватели кожухотрубного типа, состоящие из большого числа компактно расположенных минимально изогнутых U-образных трубок, в которых коллекторы и соединительные каналы по возможности имеют простую форму, минимальную протяженность и малый мертвый объем. В расчетных методиках такие конструкции описываются тремя основными параметрами: внутренним диаметром ёц, длиной LH И количеством трубок нагревателя NH.
В СПТ, работающей по принципу тепловой трубы, компоновку трубчатого нагревателя, отличающегося в этом случае простотой, можно охарактеризовать как свободный трубчатый пучок. Эта конструктивная особенность объясняется тем, что эффективность теплоподвода посредством теплоты конденсации теплоносителя практически не зависит от взаимного расположения и ориентации трубок. Типичная конструкция такого типа, разработанная в Ридингском университете, представлена на рис. 1.13. Необходимо отметить, что в СПТ с принудительной циркуляцией даже при использовании таких хороших по свойствам переноса теплоносителей, как жидкие щелочноземельные металлы, вследствие конвективного теплоподвода нагреватель имеет более сложную конструкцию. Как пример можно привести конструкцию головки цилиндра двигателя RD-46 фирмы General Motors, рис.2.3 /62/. Наряду с конструкциями на базе трубок в ДВПТ применяются более простые и технологичные щелевые нагреватели. В последнее время построено несколько образцов двигателей, в нагревателях которых конструктивно сочетаются трубчатый и щелевой варианты. Так, нагреватель двигателя NS03T японской фирмы Toshiba Corp. состоит из двенадцати цилиндрических стаканов, в которых кольцевые щелевые каналы для прохода рабочего тела внутреннего контура образованы наружной трубой диаметром 16 мм с помощью внутренней трубки и сердечника-вытеснителя (рис.2.2) /117/. При относительно малом числе несложных деталей и сварных швов в этой конструкции удалось получить теплообменную поверхность внутреннего контура в виде щели шириной всего лишь 1 мм.
В таблице 2.2 обобщены опубликованные данные по нагревателям ДВПТ. Несмотря на обильную информацию, носящую, однако, как правило, рекламный характер, о значительном количестве построенных и испытанных ДВПТ, при составлении таблицы испытывались затруднения. Так, для ДВПТ, построенных фирмами Philips и USS, добившихся наиболее впечатляющих результатов, в открытой печати полного набора необходимых данных ни по одному из опытных образцов обнаружено не было. Приведенные в таблице 2.2. параметры нагревателей определены расчетным путем, за исключением первых четырех двигателей, для которых удельный тепловой поток известен по опубликованным данным /ПО/. Осредненный за цикл расчетный удельный тепловой поток q приведен к активной теплообменной поверхности нагревателя по внутреннему контуру. При расчете термического сопротивления RT теплопроводность материала принята X = 25 Вт/м-К, что соответствует нержавеющим сталям марки типа Х18Н9Т при температуре около 1000К. Для двигателя NS03T термическое сопротивление определено непосредственно по известному перепаду температуры. При определении относительного объема нагревателя VH/VS в качестве базового принят объем, вытесняемый рабочим поршнем, а объем нагревателя VH ПО возможности включал коллекторы, соединительные каналы и другие мертвые объемы.
Поскольку в таблице представлены опытные образцы, имеющие различное- целевое назначение и созданные в виде экспериментальных установок, общий разброс параметров достаточно велик: удельный тепловой поток 53...790 кВт/м , термическое сопротивление трубчатых нагревателей 0,25...1,27 К/кВт, относительный объем нагревателя 0,15...0,75. Относительно малое число двигателей, снабженных СПТ с промежуточным теплоносителем, с достоверной и полной информацией о нагревателях и почти полное отсутствие информации о результатах лабораторных испытаний таких нагревателей не позволяют объективно выделить специфические условия теплоподвода в СПТ с промежуточным теплоносителем. Можно лишь отметить, что применение косренного нагрева позволяет значительно уменьшить относительный объем нагревателя до величины (0,15...0,28)-Vs, в то время как при прямом нагреве объем нагревателя составляет (0,35...0,74) -Vs.
