Содержание к диссертации
Введение
1. Низкотемпературное оборудование и области его использования 8
1.1 Температурные диапазоны работы низкотемпературного оборудования 8
1.2 Основные вопросы использования низких температур 9
1.2.1 Низкотемпературная обработка деталей двигателей 9
1.2.2 Возможные области использования холодильных испарительных установок 13
1.3 Требования технологических низкотемпературных процессов производства двигателей ЛА 14
1.3.1 Низкотемпературная термическая обработка деталей двигателей Л А 14
1.4 Виды холодильных машин 16
1.4.1 Общие положения 16
1.4.2 Классификация низкотемпературных установок 17
1.5 Методики расчета низкотемпературных испарительных установок 23
1.6 Задачи исследования 28
2. Экспериментальные исследования процессов тепломассобмена в низкотемпературных испарительных установках 29
2.1 Общие положения 29
2.2 Цели и задачи экспериментальных исследований 29
2.3 Модель экспериментальной установки ' 32
2.4 Экспериментальная установка 34
2.4.1 Состав экспериментальной установки 34
2.4.2 Последовательность проведения экспериментального исследования 36
2.5 Измерение температур 47
2.6 Критериальные уравнения 52
2.6.1 Коэффициенты теплоотдачи 52
2.6.2 Определение множителей и показателей степеней критериальных уравнений 53
2.7 Кипение азота на поверхности нагревателя 55
2.8 Расход хладагента 60
2.9 Выводы по главе 65
3. Теплотехнический расчет низкотемпературных испарительных технологических установок 66
3.1 Цели и задачи 66
3.2 Общие положения 66
3.3 Основные геометрические и конструктивные характеристики установок 67
3.4 Уравнение теплового баланса низкотемпературной испарительной установки 69
3.4.1 Общий вид и составляющие теплового уравнения теплового баланса 69
3.4.2 Решение уравнения теплового баланса низкотемпературной испарительной установки 72
3.4.3 Определение значений теплоемкости 74
3.4.4 Определение значений теплопроводности 76
3.4.5 Определение кинематической вязкости 78
3.5 Решение прямой задачи 80
3.5.1 Общие положения 80
3.5.2 Определение объема и размеров рабочего объема установки 81
3.5.3 Определение режимов течения потоков паров азота 83
3.5.4 Коэффициенты теплоотдачи 88
3.5.5 Расход хладагента 92
3.5.6 Расчет параметров элементов низкотемпературной испарительной установки 95
3.6 Решение обратной задачи 99
3.7 Выводы по главе 101
4. Программно - вычислительный комплекс «Криоген» 102
4.1 Цели и задачи 102
4.2 Общие положения 102
4.3 Структура ПВК «Криоген» 103
4.4 Математическое обеспечение и программное обеспечение 105
4.5 Алгоритм расчета низкотемпературных испарительных установок 1 Об
4.6 Ввод исходных данных 110
4.7 Выполнение расчетов 111
4.8 Выводы по главе 114 5.Конструкция установки и принцип работы 115
5.1 Цели и задачи 115
5.2 Принципиальная схема 115
5.3 Принцип работы установки 117
5.4 Конструкция установки 118
5.4.1 Корпус рабочего объема «АХК6» 118
5.4.2 Загрузочный люк рабочего объема 120
5.4.3 Рабочий объем 120
5.4.4 Вентилятор 121 5.4.5Испаритель 121
5.4.6 Система хранения и подачи хладагента 123
5.5 Система динамического охлаждения теплоизоляции рабочего объема 126
5.5.1 Принцип работы системы динамического охлаждения 126
5.5.2 Конструкция системы динамического охлаждения 127
5.6 Методика оценки экономической эффективности низкотемпературной испарительной установки 130
5.7 Выводы по главе 133 6
Выводы по работе 134
Список использованных источников
- Температурные диапазоны работы низкотемпературного оборудования
- Последовательность проведения экспериментального исследования
- Основные геометрические и конструктивные характеристики установок
- Математическое обеспечение и программное обеспечение
Введение к работе
Интенсивное развитие низкотемпературной и криогенной техники является одной из характерных особенностей научно-технического прогресса в течение последних 20-25 лет. С каждым годом расширяется круг вопросов, стоящих перед низкотемпературной техникой, возникают новые направления использования низких и сверхнизких температур, возрастает их роль в современных областях науки и техники.
Развитие новых видов низкотемпературных холодильных и криогенных установок открыло принципиально новые возможности при решении многих актуальных задач физики, электроники, энергетики, систем связи, вычислительной техники, биологии медицины и др. Низкотемпературная обработка азотом, дала возможность придавать деталям машин большую износостойкость и прочность, помогла решить проблему длительной транспортировки скоропортящихся продуктов на большие расстояния. Можно утверждать, что уровень и перспективы развития многих важнейших разработок и исследований в значительной мере определяются возможностями и темпами развития низкотемпературной техники.
Значительное место низкотемпературные технологии занимают в процессах технологии производства, испытаниях, технической эксплуатации, диагностики тепловых ракетных, авиационных двигателей и энергетических установок летательных аппаратов. Результатом применения низкотемпературных процессов в процессах производства ракетных и авиационных двигателей является повышение безопасности полетов, надежности за счет получения деталей и элементов авиационных ГТД с лучшими механическими свойствами. Авиационные двигатели, в состав которых входит большое количество разнообразной РЭА работают при жестком воздействии климатических факторов. Надежности элементов радиоэлектронной аппаратуры образцов элементов авиационных ГТД и их энергоустановок в условиях воздействия внешних факторов сегодня уделяется первостепенное внимание. Это объясняется тем, что эти элементы в значительной степени определяют боевые и тактико-технические характеристики авиационной техники в целом и РЭА, являются их неотъемлемой и важной составной частью. В обеспечении надежности РЭА одно из первых мест занимает проведение достоверных испытаний, в том числе климатических.
Комплекс программ испытаний позволяет решить проблемы, связанных с обеспечением надежной и эффективной работы элементов авиационных, ракетных двигателей и энергоустановок летательных аппаратов.
5 Создание промышленных образцов новых низкотемпературных установок требует решения комплекса сложных специфических задач как в области точного криогенного машиностроения, так и в смежных отраслях.
На сегодня существует большое количество низкотемпературных и криогенных машин, отличающихся друг от друга как конструктивно, так и принципом действия. Все чаще низкотемпературные машины оснащаются системами электронного регулирования, без которых стало невозможным проведения процесса охлаждения или криостатирования согласно заданному режиму.
Опыт создания и внедрения низкотемпературных и криогенных машин показал, что успешная разработка любой криогенной установки и полная реализация их параметров для решения поставленной задачи могут быть достигнуты лишь при тщательном учете особенностей конструкции охлаждаемых устройств и специфики их работы. Более того, и ряде случаев наиболее рациональным вариантом является рассмотрение охлаждаемого объекта как единого устройства, параметры составных частей которых тесно взаимосвязаны. Проектирование и повышение эффективности существующих низкотемпературных установок на современном этапе развития невозможно без внедрения новых методик расчета холодильной и криогенной техники и применения современных пакетов прикладных программ для ЭВМ.
Расчет каждого из видов низкотемпературных машин имеет свои особенности и зависит от конструктивных особенностей, области и специфики применения.
Так во многих отраслях науки и техники, сельском хозяйстве нашел применение класс расходных жидкостных низкотемпературных установок, не имеющих компрессора и других подвижных частей. Охлаждение и поддержание низкой температуры охлаждаемого объекта в них достигается за счет теплоты фазового перехода криоагента. Этот класс установок в свою очередь так же можно разделить на группы по ряду признаков, но их общей характерной особенностью является разомкнутый цикл, хладагент не циркулирует в системе, а покидает ее пределы после определенной последовательности термодинамических преобразований.
Ряд таких азотных холодильных установок серии «АХК» был создан в КуАИ-СГАУ на кафедре теплотехники и тепловых двигателей и нашел широкое применение на предприятиях авикосмического комплекса для решения задач низкотемпературной обработки деталей двигателей ЛА, испытаний и доводки существующих и вновь создаваемых образцов деталей и систем тепловых, электроракетных двигателей и энергоустановок летательных аппаратов. Азотные холодильные установки были использованы как компонент комплекса «ПОЛЮС», позволяющего генерировать с
высокой точностью влажный воздух при заданной температуре, и применяемого для поверки гигрометров.
Значительное количество низкотемпературных установок на предприятиях аэрокосмического профиля устарели и требуют модернизации. Существующие на сегодня низкотемпературные фреоновые и детандерные установки, в основном, ненадежны и дороги в эксплуатации.
В настоящий момент существует задача по созданию новых установок подобного типа, соответствующих требованиям технологических процессов низкотемпературной термообработки деталей двигателей ЛА при обеспечении меньшей стоимости технологического процесса. Эта задача может быть решена за счет внедрения в процесс производства деталей двигателей ЛА недорогих холодильных испарительных установок. Поэтому создание новых и реконструкция существующих холодильных установок, отвечающих требованиям технологических процессов и обеспечивающих меньшую стоимость технологического процесса. Один из основных путей снижения стоимости реализации технологического процесса при использовании испарительных установок -снижение расхода хладагента.
Для решения этой задачи необходимы соответствующие методики расчета. Расчет таких низкотемпературных машин - многофакторная задача, при решении которой необходимо учитывать характеристики рабочего тела, давления и температуры, а так же необходимость максимального использования массы рабочего тела в баллоне при различных условиях эксплуатации системы. В настоящей работе разработана методика теплотехнического расчета низкотемпературных испарительных установок. Полученные в настоящей работе математические зависимости и положения позволяют в короткие сроки произвести проектирование новой низкотемпературной установки для конкретных задач, произвести модернизацию существующих установок. На основании совместного анализа теоретических и экспериментальных исследований установок ряда «АХК» предложены мероприятия, позволяющие повысить КПД камер на различных режимах работы и их эксплуатационные свойства. Предложена конструктивная схема динамического охлаждения теплоизоляции рабочего объема, позволяющая снижать до 20% расход хладагента.
В настоящий момент низкотемпературные камеры ряда АХК, в создании которых участвовал автор, эксплуатируются на различных предприятиях России и зарубежья. Так низкотемпературные камеры АХК используются для низкотемпературной обработки деталей на предприятиях ОАО «Металлист», ОАО «Гидроавтоматика», ООО «Жигулевская машиностроительная компания», в службе наземного обслуживания
7 космодрома «Байконур» введен в эксплуатацию генератор влажного газа «Полюс 5М», позволяющий производить поверку гигрометров с высокой степенью точности. Ведутся работы по созданию низкотемпературной камеры и реконструкции детандерной низкотемпературной установки с последующим ее переводом на жидкий азот на заводе ОАО «Моторостроитель».
Температурные диапазоны работы низкотемпературного оборудования
Процессы повышения потенциала классифицируются согласно [24],[25] от положения температурных уровней: верхнего - теплоприемника Тв и нижнего теплоотдатчика Тн по отношению к температуре окружающей среды То.с. Если температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды, а теплоприемника равна этой температуре, осуществляющая отвод тепла система называется рефрижератором (класс R - от английского refrigeration - охлаждение). При температурах теплоотдатчика и теплоприемника выше температуры окружающей среды соответствующий трансформатор тепла называется тепловым насосом (класс Н - от английского heat - тепло). При температурах теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды, а теплоприемника выше температуры окружающей среды трансформатор тепла осуществляет обе функции - и рефрижератора и теплового насоса (класс RH).
Температурный режим работы низкотемпературной техники очень важен при конструировании, обслуживании и определении эксплутационных затрат соответствующих установок. В таблице 1.1 представлены температурные зоны работы наиболее распространенных в практике низкотемпературных установок [22].
При производстве двигателей ЛА важной задачей является повышение механических свойств наиболее ответственных деталей двигателей. Согласно [54],[68],[75], к прочностным характеристикам материалов, идущих на изготовление деталей двигателей ЛА, предъявляется ряд требований: износостойкость; прочность; предел текучести; твердость; жаростойкость; жаропрочность; удельная жесткость.
Ряд механических свойств и качество изготавливаемой детали напрямую связаны с строением и составом материалов, идущих на ее изготовление [10],[11]. При производстве сталей образуется несколько разнородных структур соединения металла с углеродом, отличающихся по строению кристаллической решетки, и в значительной степени влияющих на их механические свойства. Одним из важных мероприятий при производстве наиболее ответственных деталей двигателей ЛА является осуществление превращения Fey(C) — Fea(C) (так называемого аустенит- мартенситного превращения )
[58],[70],[73]. На рисунке 1.2 приведен фрагмент диаграммы железо - углерод, на котором показана область образования аустенита при производстве сталей. Аустенитпая структура значительно снижает твердость металла [38],[40],[41]. Твердость стали типа Х12М после закалки с 1160С получается порядка 34 Re, что объясняется преобладанием аустенитной структуры [81]. При дальнейшей обработке образца низкими температурами удается достичь повышения твердости до 65 Re. Такие высокие значения твердости соответствуют мартепситнои структуре и указывают на малое количество остаточного аустенита [41],[39],[108],[109].
Таким образом, низкотемпературное закаливание детали - один из наиболее эффективных способов реализации процесса мартенситного превращения. Процесс превращения аустенита в мартенсит характеризуется рядом особенностей [20],[38],[55],[56],[57]:
1.увеличение количества мартенсита в структуре при всех температурах от комнатной до 100 К происходит только за счет возникновения новых кристаллов, а не за счет роста ранее образовавшихся;
2.при быстром охлаждении в области температур ниже 220К аустенит может быть переохлажден в той или иной степени. Чем больше скорость охлаждения, тем меньшее количество аустенита подвергается аустенитному превращению . Такой аустенит может быть превращен в мартенсит при вторичном медленном прохождении через этот интервал температур. Влияние скорости охлаждения аустенита на образование метастабильпых структур приведены на рисунке 1.3;
3.превращение аустенита в мартенсит протекает в определенном температурном интервале: начинается при температуре Мн и заканчивается при более низкой температуре Мк (так называемые мартенситиые точки). Значительное количество мартенсита образуется при температуре Мн, однако дальнейшее образование мартенсита значительно замедляется и дальнейшее превращение возможно только при дальнейшем охлаждении стали в интервале температур Мн - Мк; 4.на положение мартенситных точек оказывает влияние состав стали; 5.проведение превращения аустенита в мартенсит до конца невозможно. При отсутствии процесса низкотемпературной закалки в сталях остается порядка 30 - 40% остаточного аустенита. Низкотемпературная закалка температурой порядка 180 - 200К в течение Каждой из кривой на рисунке 1.3 [53],[54],[59],[67]соответствует определенный темп охлаждения: процесс А - ведет к образованию феррита, происходит в результате охлаждения стали с печыо; процесс В - образуется перлит, более интенсивное охлаждение стали вместе с печыо; процесс С - образование сорбита и тростита, охлаждение стали воздушной струей; процесс D - образование мартенсита, охлаждение стали с критической скоростью. При большей скорости охлаждения разложения зерен аустенита не происходит. Сравнительные механические свойства получаемых структур приведены в таблице 1.2 [38],[53],[70].
Низкотемпературной обработке с целью разрушения остаточного аустенита при производстве деталей двигателей ЛА низкотемпературной термообработке подвергаются следующие детали: подвергающиеся высокочастотным циклическим нагрузкам, изготавливающиеся из сталей ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ; сочленения, работающие при повышенных температурах, изготавливающиеся из легированых Cr, Si, Mo и W сталей, а так же сталей ледебуритпого и мартеиситпого классов; быстрорежущие стали марок Р9, Р12, Р18, Р9К10, Р18К5Ф2.
В число деталей, изготавливающихся с использованием процесса низкотемпературной закалки входят [42],[64],[85]: стальные ленты крепления агрегатов; кольца подшипников; топливные форсунки камер сгорания двигателей ЛА; кольца камер сгорания авиационных двигателей; седла клапанов поршневых авиационных двигателей.
Последовательность проведения экспериментального исследования
После задания необходимой температуры термостатирования в диапазоне 150...270К происходит запуск низкотемпературной испарительной установки и комплекса измерительного оборудования. Включается электронагреватель. Электрическая мощность в цепи электронагревателя контролируется по ваттметру с токовым выходом. Сигнал о значении мощности электрического тока в цепи электронагревателя блока подачи хладагента фиксируется в базе данных компьютера. Питание электронагревателя блока подачи хладагента осуществляется входящим в состав низкотемпературной установки блоком питания, 27В постоянного тока. Блок подачи хладагента снабжен поплавковым датчиком уровня азота с дискретным сигналом на выходе, обеспечивающим автоматическое размыкание цепи питания нагревателя и его отключение в момент полного испарения азота в Дыоаре. При этом, с помощью медь-константановых термопар, происходит непрерывное измерение температур поверхности нагревательного элемента и хладагента. Одновременно начинается испарение азота в прилежащих к нагревательному элементу областях, давление в сосуде Дыоара повышается и хладагент через заборное устройство поступает в подающий трубопровод и рабочий объем. При этом с помощью датчиков давления, подключенных к рабочему объему и блоку подачи топлива сосуда Дыоара, осуществляется измерение разности давления. В рабочем объеме происходит вскипание азота с одновременным понижением температуры. Изменение температуры контролируется двумя медь-константановыми термопарами, введенными в рабочий объем. Изменение температуры стенок рабочего объема установки также производится набором медь-константановых термопар. До момента достижения температуры термостатирования дозирующий электромагнитный клапан, соединенный с оконечным элементом подающего трубопровода, постоянно открыт. При достижении в рабочем объеме избыточного давления 0,01 МПа открывается дозирующий клапан системы динамического охлаждения и пары азота при температуре термостатирования стравливаются в канал системы динамического охлаждения (СДО). Температура в канале измеряется термопарами. Изменение массы азота в сосуде Дыоара в процессе работы измеряется платформенными весами.
Процесс снятия показаний датчиков был автоматизирован автором путем включения в состав экспериментальной установки микропроцессорных контроллеров типа ТМ 5103. В микропроцессорном контроллере заложены градуировочные характеристики для термопар типа медь константан и компенсация ЭДС холодного спая осуществляется автоматически. С использованием контроллеров осуществлялось преобразование токовых сигналов датчиков и ЭДС термопар в цифровой сигнал, передаваемый далее на ЭВМ с специализированным программным обеспечением. На ЭВМ осуществлялась обработка результатов эксперимента с последующим занесение в базу данных. Схема автоматизации экспериментальной установки приведена на рисунке 2.3. Позиции, обозначенные знаком , использовались только при экспериментальных исследованиях установки с системой динамического охлаждения
На основании полученных экспериментальных значений производится расчет абсолютных и относительных погрешностей проведенных измерений, определяется среднеарифметическое каждой из величин. Формулы для статистической обработки полученных данных приведены в таблицах 2.3, 2.4, 2.5.
Экспериментальные значения температуры потока по внешней теплоизоляционной стенке установки с СДО (а), температуры внешней теплоизоляционной стенки установки с СДО (б), температуры внешней стенки канала СДО (в), температуры потока в канале СДО (г), температуры внутренней стенки канала СДО (д), температуры внутренней стенки установки с СДО (е), температуры внешней стенки установки без СДО (ж), температуры внутренней стенки установки без СДО (з).
По результатам измерения температур паров азота в рабочем объеме была рассчитана максимальная разность температур в рабочем объеме испарительной установки. Результаты расчета максимальной разности температур в рабочем объеме приведен в таблице 2.9.
Из значений таблицы 2.9 видно, что максимальная разность температур в рабочем объеме установки не превышает ± 2К на любом температурном режиме работы, что удовлетворяет требованиям технологических процессов низкотемпературной термической обработки деталей двигателей ЛА.
При выходе низкотемпературной испарительной установки на режим термостатирования температура элементов рабочего объема изменяется неравномерно. Рабочая температура, необходимая для начала проведения термической низкотемпературной обработки детали двигателя ЛА, достигается значительно раньше, чем температура термостатирования. При этом наблюдается большая разность температуры между парами азота в рабочем объеме и внутренней стенкой рабочего объема. Режим термостатирования характеризуется относительной стабильностью значений температур элементов рабочего объема по времени. По результатам проведенных автором экспериментальных исследований, начало режима термостатирования принято с момента достижения разности средних значений температур паров азота и внутренней стенки рабочего объема не более 5К. Для всех температурных режимов время достижения в рабочем объеме рабочей температуры составляло 20 - 30% от времени выхода установки на режим термостатирования.
Характер изменения температуры в рабочем объеме без СДО при выходе на различные температуры термостатирования представлен на рисунке 2.6, с СДО на рисунке 2.7.
Основные геометрические и конструктивные характеристики установок
Основной целью настоящей главы являлось создание методики теплотехнического расчета низкотемпературных испарительных установок для реализации технологического процесса низкотемпературной термической обработки деталей двигателей ЛА. Методика расчета должна обеспечивать: решение как прямой, так и обратной задачи теплотехнического расчета низкотемпературных испарительных установок; определение среднемассового расхода хладагента при выходе установки на режим расчетной температуры с учетом конструкции установки и массы материалов, подлежащих низкотемпературной термообработке; определять расход хладагента за полный цикл низкотемпературной термической обработки деталей двигателей ЛА.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: составить уравнение теплового баланса низкотемпературной испарительной установки; предложить алгоритм решения прямой и обратной задач теплотехнического расчета низкотемпературных испарительных технологических установок; вывести расчетные зависимости для методики расчета с учетом результатов проведенных экспериментальных исследований; произвести анализ и сравнение результатов расчета и полученных во второй главе настоящей работы экспериментальных данных.
При проектировании низкотемпературных испарительных установок для решения задач термообработки деталей двигателей ЛА решается либо прямая, либо обратная задача. Прямая задача решается, главным образом, при создании нового образца низкотемпературной испарительной установки. При этом известен требуемый температурный режим работы установки, объем пространства для захолаживаемых деталей, их масса и материал. Конструкция рабочего объема, требуемая мощность нагревательного элемента, калибр подающего трубопровода при этом являются неизвестными. Обратная задача напротив решается при модернизации и доработки существующего образца низкотемпературной установки. Геометрические и конструктивные параметры установки являются известными величинами. В этом случае расчет позволяет определить расход хладагента, возможный объем и массу деталей, подвергаемых низкотемпературной обработке, технико-экономические показатели установок. В общем виде уравнение теплового баланса низкотемпературной испарительной установки имеет вид & =0 2 СІ), где Qj. - общее количество теплопоступлений в рабочий объем, Дж; QN2 - общее количество тепловой энергии поглощаемой азотом в рабочем объеме при испарении, Дж.
Тепловой поток в рабочий объем при выполнении как прямого, так и обратного выражения находится по формуле = 6,+ -1--3600+0, (3.2), где QK - тепло, которое необходимо отвести, для охлаждения рабочего объема до средней температуры теплоизоляционных стенок, Дж; qKp - тепловой поток в рабочий объем извне, Вт; г - время работы на режиме термостатирования, час; Qd - тепло, которое необходимо отвести, для охлаждения деталей до температуры термостатирования, Дж.
Тепло, отводимое от конструкции рабочего объема при осуществлении низкотемпературной обработки деталей двигателей ЛА QK, определяется массой и теплоемкостыо материалов, входящих в состав конструкции рабочего объема и рассчитывается по формуле QK=-mKt]cKl(T)dT О-!), 1=1 г0 где тк1 - масса і - ого материала в конструкции рабочего объема, кг; си(Т) - функция теплоемкости і - ого элемента в конструкции рабочего объема, Дж/кг-К; Тк - среднее значение температуры элементов рабочего объема, К.
Средняя температура принимается равной среднеарифметическому значению температуры окружающей среды и температуры в рабочем объеме и рассчитывается по выражению Т +Т
Согласно таблице 3.3, основными материалами в рабочем объеме являются нержавеющая сталь и теплоизолятор, преимущественно аэрогель. Масса прочих элементов в конструкции рабочего объема невелика и ей можно пренебречь. В таком случае в гДе mkcm,ckcm(T) " масса и функция теплоемкости в зависимости от температуры для конструкционной стали; ткиз скиэ(Т) - масса и функция теплоемкости в зависимости от температуры теплоизолятора.
Тепловой поток в рабочий объем извне определяется значениями теплового потока через теплоизоляционную стенку рабочего объема, загрузочный люк и днище и в общем виде может быть описан выражением Якр=Яст+Яд„+Ял (3.6), где qcm - тепловой поток через теплоизоляционную стенку рабочего объема, Вт; qdll - тепловой поток через днище рабочего объема, Вт; qn - тепловой поток через загрузочный люк рабочего объема, Вт.
В силу относительно малого значения теплового потока через загрузочный люк и днище относительно теплового потока через теплоизоляционную стенку рабочего объема для большинства видов низкотемпературных испарительных установок значения тепловых потоков через загрузочный люк и днище можно считать равными. В этом случае дкр=Ясп,+2я„ О-7) Значение теплового потока через теплоизоляционную стенку рабочего объема qcm определяется разностью температур, геометрической формой поверхности стенки, значением термических сопротивлений ее элементов и ее площадью. Для цилиндрической стенки в соответствии с рисунком 2.1 и таблицей 2.1 и [73] значение теплового потока находится по выражению qcm= K— -А _Тх Т\, 1 — (3.8), x2d2 /2Лз V/ АЛ Аб б /2Л Ч АЛ /а, где Л, - полная высота стенки по наружному обмеру, м. Величины с индексами 3,4,6,7 используются только при расчете установок с динамическим охлаждением теплоизоляции рабочего объема. Для установки с прямоугольной формой внешних стенок значение теплового потока можно рассчитать по формуле где S3,S7 - значения толщин соответствующих элементов теплоизоляционной стенки, м; F - площадь поверхности внешней поверхности теплоизоляционной стенки рабочего объема, м2. Время работы установки на режиме термостатирования г определяется требованиями технологического процесса низкотемпературной термической обработки детали двигателя ЛА. Загрузочный люк и днище установки при выполнении теплотехнического расчета установки можно считать плоскими стенками и рассчитывать по выражению ял=ддн = ссмт0-т9) (зло), где Fn - площадь загрузочного люка, м2. Количество тепла, которое необходимо отвести от охлаждаемых деталей определяется массой и видом охлаждаемого материала и рассчитывается по формуле 0,=- (2 7-(3.11), где mdi - масса і - ого вещества в охлаждаемой детали, кг; сді(Т) " Функция теплоемкости і - ого вещества в конструкции рабочего объема, Дж/кг-К. При охлаждении деталей, состоящих из однородного вещества выражение упрощается и принимает вид п fi, =-md\cd{T)dT Q.U). Тепло, поглощаемое азотом в рабочем объеме складывается из двух составляющих: тепла, поглощаемого при испарении азота и тепла, поглощаемого парами азота пи нагреве.
Математическое обеспечение и программное обеспечение
Математическое обеспечение расчетной части ПВК «Криоген» получено автором из следующих источников: обработкой результатов экспериментальных исследований низкотемпературных установок с использованием существующих методов математического анализа и прогнозирования; Математические зависимости, входящие в ПВК «Криоген» приведены в главе 3 настоящей работы. Полученные автором полиномиальные математические зависимости, позволяют производить расчет необходимой величины при определенном(ых) значении(ях) аргумента(ов) искомой функции. максимальная относительная погрешность расчета расхода хладагента с помощью разработанного в рамках настоящей работы ПВК не превышает 15%. ПВК «Криоген» разработан и создан с применением следующих программных продуктов: пакета программ Microsoft Office; Создание документации, электронных таблиц, графических элементов. MathCAD professional 2001, 1986-2000 Math Soft, Inc.;
Статистическая и аналитическая обработка экспериментальных данных, составлены расчетные зависимости для определения теплофизических свойств материалов и показателей низкотемпературных установок, произведено решение систем дифференциальных уравнений для определения теплофизических свойств паров азота и воздуха. Borland Delphi; Создание интерфейса и машинного кода ПВК «Криоген» с реализацией описанного набора сервисных возможностей.
Алгоритм расчета низкотемпературных испарительных установок
Алгоритм расчета теплового баланса низкотемпературной установки отражает последовательность действий и процессов, выполняемых ЭВМ при расчете. Математические вычисления, производимые ЭВМ в различных ступенях алгоритма реализованы по выражениям, рассчитанным и записанным в главе 4 настоящей работы. Разработанный автором алгоритм ПВК «Криоген» обеспечивает: возможность проведения теплотехнического расчета элементов как для отдельных элементов, так и для установки в целом; сравнение и анализ результатов расчета установок различного конструктивного исполнения в интервале рабочих температур 150 - 240К; информирование пользователя о получении в ходе расчетов нежелательных результатов, с выводом соответствующих информационных сообщений; возможность возврата пользователя из различных точек программы на предыдущие этапы и изменения введенных данных с целью получения желаемых результатов и конструкции установки.
Алгоритм расчета представлен на рисунке 4.2. Программа реализует поэтапный ввод данных с возможностью контроля результатов промежуточных вычислений. Работа пользователя начинается со стартового окна ПВК «Криоген». В этом окне разработанный в рамках настоящей работы ПВК «Криоген» обеспечивает возможность:
Вид окна ввода геометрических параметров приведен на рисунке 4.4. загрузить файл проекта, выполненный ранее; создать новый проект; выбрать вариант расчета; выбрать группу вводимых данных; получить сведения о возможностях программного комплекса и основных принципах проектирования и расчета низкотемпературных испарительных систем для низкотемпературной термообработки деталей двигателей ЛА. При вводе данных в файл проекта ПВК позволяет пользователю осуществлять визуальный контроль за вводимыми данными в окне параметров и получать сведения о заведомо неверных введенных данных.
В процессе работы ПВК возможно осуществлять расчет промежуточных и итоговых значений параметров из различных точек программы с сохранением результатов промежуточных и/или итоговых точек расчета. Такая возможность позволяет в любой момент вернуться к желаемой точке расчета, произвести коррекцию введенных данных и оценить влияние определенного параметра или их группы на результаты расчета параметров установки, ее элементов и характеристик. В ходе выполнения промежуточных расчетов пользователь имеет возможность сам определить набор величин, отображающихся в таблицах и на графиках.
В ходе выполнения расчетов пользователь получает информационные сообщения о неудачных рабочих режимах и конструктивных ошибках рассчитываемой низкотемпературной установки. В момент получения такого сообщения ПВК предлагает пользователю вернуться на один из предыдущих этапов и изменить определенную группу исходных данных.
По окончанию расчета созданный автором ПВК позволяет получить результаты расчета в виде графиков, таблиц, отчетов или файла. Любая из перечисленных выше форм может быть отображена на экране, сохранена в файле, выведена на печать. На усмотрение пользователя в таблицах могут присутствовать любые из рассчитываемых параметров.
В настоящей работе с помощью разработанного автором ПВК «Криоген» был произведен теплотехнический расчет низкотемпературных испарительных установок различной конструкции.
По результатам обзора существующих образцов низкотемпературных установок, проведенного в первой главе настоящей работы, установлено, что они не позволяют обеспечить реализацию технологических процессов низкотемпературной термообработки деталей двигателей ЛА в соответствии с соответствующими требованиями и высокими технико-экономическими показателями. Результаты экспериментальных и теоретических исследований автора свидетельствуют о возможности создания более совершенного образца низкотемпературной испарительной установки, отвечающей требованиям современных технологических процессов производства двигателей ЛА и обеспечивающей меньший расход хладагента за счет использования системы динамического охлаждения теплоизоляции рабочего объема. В связи с этим в пятой главе настоящей работы была поставлена цель создания образца низкотемпературной испарительной установки с системой СДО, отвечающей в полной мере требованиям технологического процесса низкотемпературной термической обработки деталей двигателей ЛА и меньшим расходом хладагента по сравнению с прототипом - установкой «АХК5». Для достижения поставленной цели необходимо решение следующего ряда задач: создание принципиальной схемы низкотемпературной испарительной установки с системой динамического охлаждения теплоизоляции рабочего объема, отвечающей требованиям процесса низкотемпературной термической обработки деталей двигателей ЛА; снижение расхода хладагента за счет усовершенствования конструкции основных элементов существующей низкотемпературной установки «АХК5» с динамическим охлаждением теплоизоляции рабочего объема с учетом результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных автором; разработка конструкции элементов системы динамического охлаждения теплоизоляции рабочего объема; определение экономического эффекта внедрения системы динамического охлаждения теплоизоляции рабочего объема путем проведения технико-экономического анализа.