Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Использование низкотемпературных газогенераторов на твердом топливе (НТГГ) в технологиях аэрозольного пожаротушения. Анализ проблемы создания НТГГ
1.1. Аэрозоль и традиционные средства объемного тушения 18
1.2. Влияние различных факторов на огнетушащую способность аэрозоля 22
1.3. Основные требования к НТГГ. Дополнительные требования к аэрозольным НТГГ
1.4. Способы понижения температуры продуктов сгорания в „ газогенераторах
1.5. ЬСлассификация основных типов теплообменных аппаратов. Анализ fi параметров влияющих на интенсивность конвективного теплообмена
Выводы по главе. Постановка задач диссертационной работы 46
ГЛАВА 2 Математические модели рабочих процессов в НТГГ 50
2.1. Физическая модель рабочих процессов в НТГГ 50
2.2. Модель воспламенителя 51
2.3. Модель камеры сгорания 52
2.4. Модели инертных теплообменников с каналами сложной формы
2.4.1. Обобщенный принцип построения эквивалентной схемы 54
2.4.2. Трубчатый теплообменник 58
2.4.3. Пластинчатый теплообменник 63
2.4.4. Теплообменник с турбулизаторами 70
2.4.5. Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления
Выводы по главе 78
ГЛАВА 3 Исследование процессов тепло-массообмена в НТГГ 80
3.1. Исследование тепло-массообмена в канале круглого сечения 81
3.1.1. Расчет потерь давления на z-м участке теплообменника 81
3.1.2. Сопряженная задача теплообмена для малых чисел Ві
3.1.3. Сопряженная задача теплообмена для больших чисел Ві 84
3.2. Исследование влияния конструктивных и режимных параметров теп- 96 лообменника на основные выходные характеристики НТГГ
3.3. Сопоставление расчетных данных с экспериментом 106
Выводы по главе 107
ГЛАВА 4 Исследование влияния параметров НТГГ на параметры среды в защищаемом помещении
4.1. Физическая и математическая модели помещения 109
4.2. Математическая модель пограничного слоя при взаимодействии дозвуковой неизотермической струи с преградой
4.2.1. Математическая формулировка задачи 117
4.2.2. Алгоритм решения уравнений пограничного слоя в системе MathCAD. Сведение краевой задачи к начальной задаче
4.2.3. Результаты моделирования 122
Выводы по главе 128
Основные результаты и выводы
- Основные требования к НТГГ. Дополнительные требования к аэрозольным НТГГ
- Модели инертных теплообменников с каналами сложной формы
- Сопряженная задача теплообмена для малых чисел Ві
- Математическая модель пограничного слоя при взаимодействии дозвуковой неизотермической струи с преградой
Введение к работе
Актуальность темы. Реферируемая диссертация посвящена разработке низкотемпературных твердотопливных газогенераторов (НТГГ) с инертными теплообменниками, которые могут быть использованы в качестве источника холодного рабочего тела как в ракетно-космической технике и авиации, так и в народном хозяйстве. Интенсивное развитие исследований данного направления, в первую очередь, обусловлено потребностью предприятий ВПК реализовать накопленный потенциал в новых наукоемких разработках, востребованных рынком.
Важнейшей областью применения НТГГ являются аварийно-спасательные системы, к ним относятся: системы приводнения вертолетов; системы перекрытия магистралей газо- и нефтепроводов; системы натяжения ремней и надува подушек безопасности легковых автомобилей; системы, генерирующие чистые газы (02, С02, N2) или аэрозоли различного назначения и др. В отличие от известных источников энергии для аварийно-спасательных систем, таких как баллоны сжатого газа, электрические аккумуляторы или двигатели внутреннего сгорания, НТГГ обладают высокой производительностью и надежностью срабатывания (р>0,995) вне зависимости от температуры окружающей среды.
Актуальным представляется использование НТГГ с инертными теплообменниками как генераторы огнетушащего аэрозоля (ГОА) с целью повышения эффективности и безопасности систем и установок объемного пожаротушения. Сущность метода тушения аэрозолем заключается в заполнении объема помещения смесью инертных газов (С02, N2) и мелкодисперсных частиц (KNO3, К2С03 и др.) размером 0,5 ... 2,0 мкм, образующейся в ГОА при горении твердотопливного заряда с температурой Т = 540 ... 1700 К и давлением/? = 0,12 ... 0,2 МПа. Частицы оказывают активное ингибирующее воздействие на реакции окисления в пламени, а инертные газы способствуют вытеснению кислорода. Основными параметрами, характеризующими эффективность и безопасность аэрозольного пожаротушения, являются: интенсивность подачи продуктов сгорания (ПС), их состав и температура. В настоящее время при участии Голубчи-кова В. Б., Милёхина Ю. М., Копылова Н. П., Аликина В. Н. и др. ученых разработаны твердотопливные композиции, обеспечивающие оптимальный состав и интенсивность подачи продуктов сгорания, однако проблема экономически оправданными методами максимально снизить температуру аэрозоля при сохранении его пожаротушащей эффективности остается актуальной.
В этом отношении в качестве генераторов огнетушащего аэрозоля оптимально подходят НТГГ с инертными теплообменниками. В отличие от химических методов охлаждения, дающих жидкофазную составляющую, инертные теплообменники практически не снижают пожаротушащую эффективность аэрозоля, так как быстрое охлаждение твердой и газовой фаз на выходе из камеры сгорания сохраняет минимальный размер частиц и предотвращает их дальнейшее слипание и коагуляцию.
Поскольку к газогенераторам для установок аэрозольного пожаротушения предъявляются наиболее жесткие требования по температуре ПС, в диссертационной работе особое внимание уделяется разработке НТГГ данного назначения, тем не менее, полученные результаты не исключают возможности применения НТГГ с инертными теплообменниками в авиации, ракетно-космической технике и в аварийно-спасательных системах на твердом ракетном топливе.
Целью диссертационной работы является разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками, обеспечивающих заданные температурно-расходные характеристики продуктов сгорания.
Задачи исследования
Научное обоснование принципиальной схемы НТГГ с инертным теплообменником. Адаптация существующих математических моделей для описания процессов нестационарного теплообмена при движении продуктов сгорания в каналах сложной формы. Разработка соответствующего программного обеспечения.
Комплексное исследование влияния режимных параметров инертного теплообменника и объемно-массовых характеристик его конструкции на основные выходные характеристики НТГГ.
Разработка рекомендаций для проектирования инертных теплообменников НТГГ, снижающих энтальпию ПС на 80 % и более.
Исследование влияния температурно-расходных характеристик аэрозольных НТГГ на термодинамические параметры среды в защищаемых помещениях.
Методика исследования
Распределение температур при течении ПС в каналах сложной формы и выходные характеристики НТГГ получены в результате решения нестационарной задачи сопряженного теплообмена методом конечных разностей в системе Maple. При определенных условиях задача сопряженного теплообмена решена аналитически, с помощью преобразований Фурье и Лапласа. Экспериментальные исследования выходных характеристик НТГГ проводились в лаборатории кафедры РКТиЭУ ПГТУ.
Научная новизна
1. Решена задача сопряженного нестационарного теплообмена с адаптированными для элементов конструкций НТГГ начальными и граничными условиями.
2.Определена связь между процессами теплообмена в каналах сложной формы и выходными характеристиками НТГГ.
3. Изучено влияние выходных характеристик НТГГ на термодинамические параметры воздушно-аэрозольной смеси в защищаемых помещениях после срабатывания установок аэрозольного пожаротушения.
Практическая значимость
1. Разработаны методики комплексного проектирования инертных теплообменников НТГГ, представленные в виде алгоритмов, математических моде-
лей, программного обеспечения и номограмм, позволяющие подобрать типоразмер конструкций с заданными входными и выходными характеристиками.
2. Полученные теоретические результаты исследования рабочих процессов в инертных теплообменниках позволяют дать рекомендации для применения НТГГ в высокоэффективных и безопасных установках аэрозольного пожаротушения и в других аварийно-спасательных системах, таких как: системы генерирующие газы со специальными свойствами; системы надува спасательных средств и понтонов; системы аварийного торможения и растормаживания в автотранспорте; системы катапультирования в авиации и др.
На защиту автором выносится:
1. Классификация конструкций НТГГ по способу снятия тепла.
Математическая модель процессов нестационарного теплообмена с учетом адаптированных граничных и начальных условий к каналам сложной формы инертных теплообменников НТГГ.
Основные результаты математического моделирования рабочих процессов в инертных теплообменниках, их влияние на выходные характеристики НТГГ и рекомендации для проектирования.
Результаты исследования влияния температурно-расходных характеристик НТГГ на термодинамические параметры воздушно-аэрозольной среды в защищаемых помещениях.
Достоверность результатов
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается:
1. Использованием полуэмпирических зависимостей, термодинамических
и тепло физических величин, апробированных и подтверждённых практикой.
2. Удовлетворительным согласованием результатов моделирования и
проведённых экспериментов на серийных изделиях «АГАТ» и «ОПАН».
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 - в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.
Реализация работы
Разработанные методики, алгоритмы, программы и полученные в результате исследований расчётные данные использованы: в конструкторских разработках ОКБ «Темп», ИВЦ «Техномаш»; в учебном процессе кафедры ТКА ПермГТУ.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
VI, VII, VIII, IX Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», Пермский государственный технический университет, г. Пермь: 2002, 2004, 2006, 2008 г.
Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «VIII Королёвские чтения», Самарский государственный аэрокосмический университет им. С. П. Королева, г. Самара, 2005 г.
Национальной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ - 2006», г. Казань, 2006 г.
Международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьева, г. Рыбинск, 2006 г.
Международной молодежной научной конференции «XIV Туполевские чтения», Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева, г. Казань, 2006 г.
Объём и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и двух приложений; изложена на 149 страницах, содержит 74 рисунка, 6 таблиц; список литературных источников включает 111 наименований.
Автор выражает благодарность научному руководителю, зав. кафедрой ТКА, доценту, канд. техн. наук Потапову Борису Федосеевичу, профессору, докт. техн. наук Серебренникову Сергею Юрьевичу, докт. техн. наук Малинину Владимиру Игнатьевичу, профессору, докт. техн. наук Сальникову Алексею Федоровичу.
Основные требования к НТГГ. Дополнительные требования к аэрозольным НТГГ
В России и за рубежом в качестве средств объемного пожаротушения, широкое распространение получают твердотопливные генераторы огнету-шащего аэрозоля и системы / установки пожаротушения на их основе. Этот факт объясняется определенными преимуществами аэрозольных технологий локализации огня по отношению к традиционным методам [23 — 25, 30, 33, 36,37].
Проведем сравнительный анализ технико-экономических показателей традиционных установок объемного пожаротушения и аэрозольных с газогенераторами на твердом топливе. Используемые в установках объемного пожаротушения огнетушители можно классифицировать по пяти основным признакам: 1. По виду применяемого огнетушащего вещества (ОТВ), огнетушители подразделяют на: — пенные; — газовые; — порошковые; — аэрозольные; — комбинированные. 2. По принципу вытеснения ОТВ огнетушители подразделяют на: — закачные; — с баллоном сжатого или сжиженного газа; — с газогенерирующим элементом; — с термическим элементом; — с эжектором. 3. По значению рабочего давления огнетушители подразделяют на огнетушители низкого давления (рабочее давление ниже или равно 2,5 МПа при температуре окружающей среды (20 ± 2) С) и огнетушители высокого давления (рабочее давление выше 2,5 МПа при температуре окружающей среды (20 ± 2) С). 4. По возможности и способу восстановления технического ресурса огнетушители подразделяют на: — перезаряжаемые и ремонтируемые; — неперезаряжаемые. 5. По назначению, в зависимости от вида заряженного ОТВ, огнетушители подразделяют: — для тушения загорания твердых горючих веществ (класс пожара А); — для тушения загорания жидких горючих веществ (класс пожара В); — для тушения загорания газообразных горючих веществ (класс пожара С); — для тушения загорания металлов и металлосодержащих веществ (класс пожара Д); — для тушения загорания электроустановок, находящихся под напряжением (класс пожара Е). Огнетушители могут быть предназначены для тушения нескольких классов пожара.
Рассмотрим тактико-технические характеристики современных установок объемного пожаротушения и выявим основные преимущества и недостатки того или иного способа локализации огня.
Установки пенного пожаротушения используют в основном для тушения возгораний легковоспламеняющихся и горючих жидкостей.
К достоинствам данного вида пожаротушения можно отнести существенное изолирующее действие пены, препятствующее проникновению паров горючего к пламени. Основные недостатки пены: небольшой срок хранения; значительный материальный ущерб защищаемому помещению.
Установки газового пожаротушения используют для защиты электропомещений, окрасочных цехов, помещений вычислительных центров и др. Газы не наносят вреда защищаемому объекту. Они легко проникают в любые полости независимо от наличия экранов. Газовое пожаротушение имеет ряд существенных недостатков: — в настоящее время С/, Вг — содержащие хладоны признаны экологически опасными вследствие воздействия на озоновый слой Земли; — существует необходимость затрат на периодическую перезарядку (1 раз в 5 лет) и освидетельствование баллонов ОТВ.
Установки порошкового пожаротушения можно использовать при тушении пожаров различных категорий помещений, в том числе электрооборудования под напряжением.
Порошковое пожаротушение имеет ряд достоинств и недостатков. Среди достоинств - высокая тушащая способность и универсальность, простота утилизации, широкий температурный интервал применения. Среди недостатков - слеживаемость, комкование порошка в баллоне, низкая проникающая способность, загрязнение объектов.
Установки аэрозольного пожаротушения используют огнетушащий аэрозоль, образующийся при горении твердотопливного аэрозолеобразующе-го состава (АОС). Данное вещество содержит частицы солей и окислов щелочных и щелочноземельных металлов (2К2СОз ЗН20, NH4HCO3, КНСОз, KN03 и др.), размером 0,5 - 2 мкм. Аэрозоль подается на значительные расстояния интенсивной струей газов (N2, С02 и др.), которые также образуются при горении АОС. Высокая огнетушащая способность аэрозоля обуславливается, во-первых, более развитой контактной поверхностью частиц по сравнению с порошками (достигает десятков міг), во-вторых, наличием в продуктах сгорания инертных газов. Системы аэрозольного пожаротушения могут применяться в широком диапазоне климатических условий, удобны в эксплуатации и монтаже, не оказывают разрушительного воздействия на озоновый слой Земли, обладают сравнительно малой стоимостью и длительным сроком эксплуатации. Аэрозоль не оказывает коррозийного воздействия на большинство конструкционных и электроизоляционных материалов. Такие системы могут применяться для тушения пожаров электротехнического оборудования и других энергетических объектов, для защиты транспортных средств, маслохозяйств, двигательных отсеков судов и т. п.
Модели инертных теплообменников с каналами сложной формы
В предыдущем разделе были описаны достоинства и недостатки различных способов понижения температуры ПС в твердотопливных газогенераторах. Одним из эффективных способов является пропускание газа через инертные теплообменные аппараты различной конструкции.
Проблема интенсификации процессов теплообмена и перемешивания в теплообменных аппаратах является в настоящее время одной из актуальнейших. Ее решение имеет большое научное и практическое значение. Уменьшая размеры и массу теплообменников, их металлоемкость и стоимость, можно одновременно улучшить поперечное перемешивание потока, снизить неравномерность температур по сечению аппарата, понизить на- грев поверхности теплообменников [77].
Различают смесительные, регенеративные и рекуперативные теплообменники. В смесительных аппаратах происходит непосредственное перемешивание нагретого и холодного теплоносителей. В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность нагрева периодически омывается то горячей, то холодной средой. В рекуперативных аппаратах перенос теплоты от одной среды к другой осуществляется через разделяющую их стенку. Существующие теплообменники отличаются друг от друга также формой, размерами, конфигурацией поверхностей теплообмена, видами теплоносителей и другими особенностями рис. 1.11. Исходя из специфики функционирования НТГГ, далее будем рассматривать рекуперативные теплообменные аппараты с различными конфигурациями поверхностей теплообмена.
Проблема интенсификации процессов теплообмена между (жидкостью / газом) и поверхностью рассматривается в публикациях [11, 15, 16, 17, 34, 35, 74, 94, 95, 96, 97 и др.]. Общее рассмотрение проблемы содержится в работах [77 - 93 и др.].
Возникающий между поверхностью и газом тепловой поток описывается выражением Q=afAT, где а — коэффициент теплоотдачи, f — поверхность теплообмена, AT — температурный напор. Указанные три параметра являются основными средствами интенсификации теплообмена в тепло-обменном аппарате.
Перейдем к рассмотрению конструктивных решений направленных на интенсификацию процессов конвективного теплообмена между газом и поверхностью. Одним из эффективных методов интенсификации теплообмена является использование коротких каналов в качестве конструктивных элементов [71, 82, 86, 87]. В коротком канале (длиной до z/D 30), схема которого представлена на рис. 1.12 местный коэффициент теплоотдачи изменяется в 2 раза и более. На графике рис. 1.13 показано распределение относительного коэффициента теплоотдачи Nu/Nu по длине канала для равномерного и полностью развитого профиля скорости на входе. Сравнение кривых показывает, что значение Nu/Nux для однородного распределения скорости на входе в обогреваемый участок существенно выше, чем для случая полностью развитого профиля скорости.
Теплоотдача в коротком канале при естественной турбулизации потока, хорошо описывается зависимостью 1.1. Z 3 !t д 7 В l-ite=104;2-ite = 2xl05; Рис. 1.13. Изменение теплоотдачи на начальном участке канала в зависимости от числа Re, относительной длины z/D участка и от профиля входной скорости, q = const - - равномерный профиль скорости; полностью развитый профиль скорости NuD = 0,022rRe8Pr0 43, (1.1) где кт — поправка на тепловой начальный участок стабилизации при наличии турбулентного пограничного слоя с самого начала канала. Эта поправка вводится в расчет при ReD 1,55x105. При этом z D 15, г =1,38( 1 , (1.2) — 15,Ь=1. (1.3) D Коэффициент гидравлического сопротивления в коротком канале определяется формулой 0 334 Ref где Rez = Re(z/d), причем число Re: вычисляется с злетом изменения вязкости газа по длине канала, что обусловлено изменением термодинамической температуры потока.
Авторами работы [77] предложен метод интенсификации теплообмена за счет закрутки потока в каналах. В теплообменных аппаратах с пучками витых труб удается не только интенсифицировать теплообмен закруткой потока одновременно как внутри витых труб, так и в межтрубном пространстве, но и существенно увеличить теплообменные поверхности на единицу объема аппарата. На рис. 1.14 схематично представлен элемент теплообменника с витыми трубами овального профиля, закрепленными прямыми круглыми концами в трубных досках. На графике рис. 1.15 показано распределение относительного коэффициента теплоотдачи Nu Nu/jp в пучке витых труб в зависимости от относительного шага закрутки пучка и числа Re.
Сопряженная задача теплообмена для малых чисел Ві
В общем случае инертный теплообменник можно рассматривать как канал или совокупность каналов сложной формы, рис.2.2., [1].
Процессы движения продуктов сгорания и теплообмена, протекающие внутри каналов, имеют ярко выраженный нестационарный характер и в общем случае описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных, в которую входят уравнения: неразрывности, движения, энергии, состояния, переноса излучения и диффузии [74,78].
Одним из способов решений такой системы являются методы группового анализа. С помощью которых можно получать классы инвариантных, частично инвариантных и дифференциально-инвариантных решений. Их построение сопряжено с большими вычислительными трудностями [1,23,98].
Поскольку при проектировании НТГТ практический интерес представляют не изменение параметров ПС в пространстве, а лишь средний расход, температура и давление по длине конструкции, задачу целесообразно рассмотреть в одномерной квазистационарной постановке. При этом расчетная схема (PC) ТО может быть сведена к более простой эквивалентной схеме (ЭС) (рис.2.2.), представляющей совокупность последовательно расположенных цилиндрических участков постоянного сечения, сопряженных через контактные разрывы нулевой длины [1].
Главным условием моделирования реальных процессов на каждом участке ЭС является: В работе [1] показано, что для выполнения поставленного условия, прежде всего, необходимо выполнение равенств площадей, продольных координат и радиусов в і-м. канале (2.14-2.16):
При переходе к (ЭС) принимаются следующие допущения: 1. За длину участка zt (ЭС) берется максимальное расстояние от входа к выходу PC, замеренное в продольном сечении вдоль по образующей внутренней поверхности [1]. Обосновать это можно тем, что сложная внутренняя конфигурация участка приводит к выработке дополнительной турбулентности и возникновению, особенно за уступами, вторичных вихревых течений относительно большого радиуса. Такое течение увеличивает фактическую длину пробега каждого элементарного объема потока ПС вблизи поверхности теплообмена. Для подтверждения этого на рис.2.3. [91] показана фото графия подобного течения при обтекании прямоугольной каверны, с различными отношениями длины к высоте. Линии тока визуализируются при помощи алюминиевого порошка в глицерине; 2. В качестве контактного разрыва между сопряженными участками ЭС принимается сосредоточенный коэффициент местного сопротивления Ь между моделируемыми участками PC. Физически это означает, что в ЭС при движении газа с участка на участок параметры в зоне контактного разрыва (w, Т, Р, Re, Рг) изменяются скачком, после чего до следующего разрыва они меняются только за счет трения и теплообмена [1]; 3. При переходе через разрыв ядро потока остается изоэнтропным, а температура меняется только за счет изменения полного давления; 4. За контактным разрывом в ЭС коэффициент теплоотдачи a(z) стабилизируется адекватно коэффициенту гидравлического сопротивления (z) за местным сопротивлением в PC. b/h=\ b/h =0,5 Рис.2.3. Картина течения в прямоугольной каверне В работе [1] получена зависимость коэффициента теплоотдачи за уступом a(z) от коэффициента местного гидравлического сопротивления Ъ .
Процессы движения ПС и теплообмена в z -м канале описываются одномерными уравнениями неразрывности (2.18), количества движения (2.19), энергии (2.20), состояния (2.21). Температурное поле в стенке канала и в корпусе теплообменника рассчитывается по уравнению теплопроводности (2.22). Начальные и граничные условия для (2.18-2.22) задаются в зависимости от конструктивной схемы ТО [1,11,23,34,35,78-82]. Для упрощения записи индекс К в последующих выражениях будем опускать.
Расчетная схема трубчатого теплообменника состоит из пучка параллельно обтекаемых труб находящихся внутри цилиндрического корпуса, рис.2.4. Теплообмен внутри труб (каналы 1), в межтрубном пространстве (каналы 2) и в объемах между периферийными трубами и корпусом (каналы 3) протекает преимущественно в виде вынужденной конвекции. Корпус обменивается теплом с окружающей средой естественной конвекцией и излучением.
В общем случае (при NP=k) расчетная схема ТО состоит из каналов круглого и астроидного сечений, количество которых определяется формулами (2.23) и (2.24). Число периферийных каналов всегда постоянно и равно шести (2.25).
Математическая модель пограничного слоя при взаимодействии дозвуковой неизотермической струи с преградой
В центральном столбце рис. 2.12. построены трехмерные графики сопротивлений по осям абсцисс и ординат, которых отложена безразмерная площадь f сечения и приведенная ширина решетки a/djr/ds). В правом столбце построены проекции графиков в осях и a/de(r/ds) для / = 0,4...0,6. На входной кромке гидравлические сопротивления всех решеток имеют примерно одинаковые значения. Однако стабилизация потока в отверстиях со срезанными и скругленными краями происходит на 37...47% быстрее по отношению к отверстиям без фасок. Поток полностью стабилизируется в решетке на рис.2.12.д. при a/ds-2; в решетках на рис.2.12Дв - при a/ds=0,2 и r/da=0,16, соответственно. Из результатов моделирования следует, что решетки со срезанными и скругленными краями отверстий обладают меньшим сопротивлением, поэтому их использование в конструкциях инертных ТО наиболее целесообразно.
Обобщая изложенный в главе материал, можно сделать следующие выводы:
Рассмотрена физическая картина процессов в НТГГ. Время работы генератора можно условно разделить на три этапа: воспламенение твердого топлива и выход НТГГ на рабочий режим (0,005...0,01 с); нестационарное заполнение газом объема конструкции до момента вскрытия выходной мембраны (0,1...0,3 с); квазистационарное течение продуктов сгорания в камере сгорания и каналах инертного теплообменника (0,3... 12 с).
Построена математическая модель НТГГ, включающая в себя блоки уравнений неразрывности, количества движения, энергии, состояния и теплопроводности, последовательно описывающие процессы в воспламенителе, камере сгорания и инертном теплообменнике.
На основе анализа эффективности интенсификаторов теплообмена, проведенного в главе 1, предложены конструктивные схемы инертных теплообменников и методики их расчета. Основная идея разработанных расчетных методик состоит в том, что теплообменник можно представить в виде эквивалентной схемы состоящей из цилиндрических участков постоянного сечения, сопряженных через контактные разрывы нулевой длины. На каждом из участков эквивалентной схемы необходимо решить задачу сопряженного теплообмена с соответствующими начальными и граничными условиями.
Проведен анализ особенностей течения в каналах сложной формы. Построены графики коэффициентов местного гидравлического сопротивления для прямоугольной каверны, решеток и диафрагм с различными краями отверстий. В частности выявлено, что наилучшие условия теплообмена в прямоугольной каверне достигаются при 6/5о 1, но это приводит к некоторому увеличению коэффициента сопротивления и габаритных размеров канала. Решетки со срезанными и скругленными краями отверстий обладают меньшим сопротивлением, стабилизация потока в них происходит на 37...47% быстрее по отношению к решеткам с отверстиями без фасок. Однако более интенсивная стабилизация потока уменьшает уровень его турбулентности и, следовательно, коэффициент теплоотдачи. Поэтому при проектировании ТО НТГГ очень важно найти оптимальный баланс между коэффициентами теплоотдачи и местного гидравлического сопротивления. Эффективным инструментом для решения поставленной задачи является численное моделирование.
Работа НТГГ сопровождается тепловыми потерями в воспламенителе, камере сгорания и инертном теплообменнике. Как показано в статье [12], доля тепловых потерь в стенки воспламенителя и камеры сгорания несущественна и, как правило, в расчетах учитывается в виде поправки. Основная часть тепловых потерь приходится на ТО. Поэтому при проектировании НТГГ важно рассмотреть процессы тепло-массообмена в каналах сложной формы более детально.
В главе 2 показана возможность преобразования расчетных схем ТО с каналами сложной формы к эквивалентным схемам, состоящим из одного или нескольких цилиндрических участков постоянного сечения, сопряженных через контактные разрывы нулевой длины. На каждом участке эквивалентной схемы требуется совместно решить дифференциальные уравнения неразрывности (2.18), количества движения (2.19), энергии (2.20), состояния (2.21) и теплопроводности (2.22).
В настоящей главе получены численные и аналитические решения системы (2.18-2.22) в квазистационарной постановке для больших и малых чисел Ві. Предполагается, что в любой момент времени в канале устанавливается распределение температуры. Это соответствует действительности, когда процесс теплообмена происходит быстрее, чем изменение температуры. С данными допущениями уравнение движения через уравнение состояния приводится к формуле для расчета потерь давления на і-м участке, а уравнение энергии заменяется задачей сопряженного теплообмена. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации к проектированию, представленные в виде номограмм, позволяющих подобрать типоразмер теплообменника с заданными выходными характеристиками. С учетом рекомендаций разработаны конструкции ТО снимающие удельную энтальпию газа на 80% и более.
