Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы создания газогенераторов на твердом топливе с заданными характеристиками 19
1.1. Способы получения заданных характеристик твердотопливных газогенераторов 19
1.2. Математическое моделирование процесса теплообмена при фильтрации горячего газа в пористых материалах 25
1.3. Экспериментальные исследования процесса теплообмена при фильтрации горячего газа в пористых материалах 32
1.4. Анализ примеров практического применения низкотемпературных газогенераторов с порошкообразным емкостным охладителем 40
Выводы. Постановка задач диссертационной работы 42
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель 45
2.1. Обезразмеренная модель фильтрации горячего газа через порошковый материал 46
2.2. Определение основных параметров, влияющих на процесс теплообмена в пористой среде 49
2.3. Коэффициент аккумуляции тепла порошкообразным охладителем 50
2.4. Результаты численных исследований процесса фильтрации горячего газа в порошковом материале 52
2.4.1. Фильтрация сухого газа 52
2.4.2. Фильтрация влажного газа 58
2.5. Расчет основных параметров, влияющих на процесс теплообмена в пористой среде 62
Выводы 72
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования твердотопливного газогенератора с порошкообразным емкостным охладителем 74
3.1. Экспериментальная установка и методы исследования 75
3.2. Характеристики горячего газа на входе в охладитель 76
3.3. Порошкообразный охладитель и теплоаккумулирующие материалы 77
3.4. Определение характеристик эффективности охладителя 79
3.5. Рабочий процесс в порошкообразном охладителе 81
3.5.1. Волна теплообмена 83
3.5.2. Волна конденсации 84
3.5.3 Расчет основных параметров теплообмена в пористой среде 85
3.5.4. Потеря устойчивости волны теплообмена и ее устранение при фильтрации влажного газа 86
3.5.5. Исключение частиц конденсированной фазы в газе на выходе из охладителя 90
3.5.6. Стабильность и глубина охлаждения 91
3.5.7. Продолжительность охлаждения и чистота охлажденного газа 92
3.6. Экспериментальное определение плотности порошкового материала в корпусе охладителя 92
3.6.1. Объекты и методика испытаний 93
3.6.2. Плотность снаряжения охладителя 95
3.6.3. Плотность снаряжения охладителя с сетками 96
Выводы 96
ГЛАВА 4. Методы проектирования и практическое применение низкотемпературного газогенератора на твердом топливе 99
4.1. Рекомендации расчета и проектирования НТГГ с порошкообразными емкостными охладителями 99
4.1.1. Рекомендации характеристик порошкового материала охладителя 99
4.1.2. Рекомендации параметров конструкции НТГГ 103
4.1.3. Рекомендации характеристик продуктов сгорания газогенераторных топлив 106
4.2. Описание конструкции газогенератора с порошкообразным емкостным охладителем 107
4.3. Применение газогенераторов с порошкообразным емкостным охладителем в аварийно-спасательных системах 109
4.3.1. Низкотемпературный газогенератор для обеспечения работы пневмодомкрата 109
4.3.2. Низкотемпературный газогенератор для наддува спасательного плота 111
4.3.3. Газогенератор с регулируемой температурой 112
4.3.4. Низкотемпературный газогенератор регулируемого давления 114
Выводы 116
Общие выводы : 118
Литература
- Способы получения заданных характеристик твердотопливных газогенераторов
- Обезразмеренная модель фильтрации горячего газа через порошковый материал
- Экспериментальная установка и методы исследования
- Рекомендации расчета и проектирования НТГГ с порошкообразными емкостными охладителями
Введение к работе
В последнее время увеличивается число катастроф. Они бывают техногенные (катастрофы, связанные со старением техники, что особенно актуально не территории России, человеческим фактором, например пожары, аварийные ситуации на предприятиях, особенно на опасных производствах), природные катаклизмы (наводнения, землетрясения, ураганы, оползни) и терроризм. Катастрофы влекут за собой потери жизни и здоровья людей, а так же большие материальные затраты. Одним из путей предотвращения и (или) сведение к минимуму последствий выше указанных бедствий является создание аварийно-спасательных систем.
Значение надежных аварийно-спасательных систем для любого военного или гражданского объекта очень велико. Говоря другими словами, любое производство, любой вид транспорта, любой промышленный объект должны оснащаться системами, предотвращающими возможность наступления аварийных ситуаций, будь то возможный взрыв, пожар, транспортное столкновение или выброс опасных для человека и окружающей среды химических веществ (радиации, бактерий и т.д.). Эти же системы должны в случае аварии в кратчайшие сроки ее ликвидировать и минимизировать урон для людей, зданий и оборудования [1 - 3].
Все множество типов аварийно-спасательных систем объединяет одно свойство: они задействуются от независимых источников энергии. В большинстве случаев такими источниками являются либо баллоны сжатого (сжиженного) газа, либо электрические аккумуляторы. Недостатками выше перечисленных устройств являются, прежде всего, низкая надежность срабатывания, необходимость постоянного обслуживания и большая зависимость от температуры эксплуатации. Поэтому возникает множество отказов аварийных систем, что влечет за собой крайне тяжелые последствия.
Вот несколько крупнейших катастроф и аварий, произошедших в России в 80-90-х годах XX века и 2000-е годы XXI века:
Башкирская катастрофа (отказ системы обнаружения утечек газового конденсата и автоматического перекрытия продуктопровода) [1,3]; две крупнейшие аварии в МПС (на затяжных подъемах в Пензенской и Свердловской областях из-за отказа основной и резервной системы питания пневмотормозов, тяжелые грузовые поезда скатились на жилые поселки) [1]; взрывы осенью 1999 г жилых домов в Москве и Волгодонске [4] привели к гибели сотен ни в чем не повинных людей (надежные аварийно-спасательные системы могли бы спасти больше жизни людей, чем удалось); пожар на Останкинской телебашне [5] (отсутствие надежной системы пожаротушения привело к гибели людей и большим материальным затратам); пожар в здании Манежа [6] на площади порядка 5000 м2 в центре Москвы (отсутствие надежной системы пожаротушения привело к гибели двух сотрудников пожарной службы и полному обвалу крыши здания); в результате землетрясения и цунами в юго-восточной Азии в конце декабря 2004 года [7] погибли около 225000 человек, а финансовый ущерб составил $ 13 млрд (недостаток надежных и в необходимом количестве средств спасения, в том числе надувных плотов и понтонов).
Исходя из анализа отказов аварийных систем видно, что главной причиной является низкая надежность исполнительных устройств и механизмов (70 .. 80 % всех несрабатываний). Примерно 10 .. 15 % отказов приходится на средства обнаружения и столько же на средства управления исполнительными устройствами аварийных систем.
Однако, нештатное поведение исполнительных устройств - это, в основном, отказы автономных источников энергии аварийных систем, т.е. элементов, которые должны обеспечивать функциональную эффективность и надежность.
В этом отношении для аварийно-спасательных систем идеально подходят в качестве источников энергии твердотопливные газогенераторы (ГИТ) [1,2].
Газогенераторами называются энергетические устройства, которые вырабатывают сжатый газ с обеспечением регулирования его количества, расхода и давления. Основным достоинством газогенераторов является их способность выделять на единицу веса или объема по сравнению с любыми неядерными источниками энергии, используемыми в настоящее время. В большинстве случаев К.П.Д. этих систем оказывается достаточно высоким и достигает максимума при использовании высокотемпературных газов. Однако указанное достоинство газогенераторов является в то же время существенным недостатком и значительно усложняет их проектирование. Это связано с необходимостью обеспечения соответствия между высокими температурами газа в зоне непосредственного использования и применяемыми конструкционными материалами [8].
Твердотопливные газогенераторы нашли широкое применение в ракетно-космической технике. Их главные узлы во многом сходны с главными узлами основных ракетных двигателей, однако рабочие процессы в газогенераторах имеют существенные особенности, которые необходимо учитывать при их проектировании и отработке [9].
В настоящее время существует большое количество научных публикаций и патентов, посвященных созданию и исследованию газогенераторов и вспомогательных устройств (охладители горячих газов) [10 - 56]. Краткие сведения о газогенераторах имеются, в том числе и в руководствах по основам проектирования ракетных двигателей [10 - 17].
Основные преимущества газогенераторов заключены в следующем: большой температурный диапазон работы (± 60 С); независимость рабочих параметров от температуры эксплуатации; высокая надежность (Р > 0,998); полная автономность работы в любой среде (космос, высокогорье, морские глубины); долговечность (15-20 лет); отсутствие проверок и регламентного обслуживания; - возможность генерирования практически любых по составу газов, с любым законом изменения расхода, давления и температуры.
Рассмотрим ряд параметров ТТГГ более подробно.
Объем. Заряд твердого топлива, при сгорании которого образуется требуемое количество газа, занимает меньший объем, чем газы, хранящиеся в баллонах при любом давлении.
Вес. К этому параметру применим тот же самый критерий. Если учесть вес баллонов, содержащих газ под давлением, то окажется, что вес одного газогенератора будет значительно меньше. С увеличением размеров системы разница в весе возрастает. При использовании горячих газов весовое преимущество становится подавляющим. В случае применения теплообменника его вес следует включить в вес системы. При этом преимущества газогенераторной системы получаются не столь явными, особенно для генераторов малых размеров.
Безопасность. Газобаллонная система содержит газ при высоком давлении в течение длительного времени хранения и использования газа. Каждый из таких резервуаров представляет потенциальную опасность. Газогенератор не находится под давлением, за исключением периода работы. Высокое давление имеет место лишь в области камеры сгорания и не распространяется на всю систему. Рабочее давление в газогенераторах так же обычно значительно ниже, чем в газобаллонной системе. Это существенно упрощает требования техники безопасности при использовании топливной системы.
Контролируемость параметров. Газогенератор можно спроектировать таким образом, чтобы обеспечить требуемое количество газа в определенное время при заданном расходе. Расход газа из газобаллонной системы уменьшается по мере снижения давления в ней, и для получения требуемого количества газа обычно необходимо более длительное время, чем при использовании соответствующей топливной системы. Работа газогенератора может по существу не зависеть от температуры хранения, в то время как расход газа из газобаллонной системы снижается при понижении температуры окружающей среды [8].
Твердотопливные газогенераторы сочетаются с любым типом приводов и в состоянии обеспечить все виды механической энергии. В последнее время научные разработки в области химии твердых топлив позволили отечественным производителям: НПО «Алтай», ФІДДТ «Союз», АО «Пермский завод им. Кирова», НПО «Технолог», НИИПХ, НИИПМ и др. создать газогенерирующие составы и на их основе ТТГГ с уникальными свойствами: источники инертных газов С02 и N2; источники холодных и чистых продуктах сгорания ТТГГ [1,2].
На базе газогенераторов с этими топливами стало возможным создание принципиально новых аварийно-спасательных систем. Например, систем ингибирования газового взрыва или тушения пожаров на взрывоопасных производствах путем быстрого заполнения инертным газом или пожаротушащим аэрозолем. Сделать это за 2-4 секунды в большом объеме возможно только с помощью ТТГГ. Причем такая аварийно-спасательная система должна включаться в общую схему АСУ ТП предприятия и обеспечивать выдачу управляющих сигналов на пожаротушащие газогенераторы только после обнаружения технологическим контроллером утечек взрывоопасной среды (или вспышек горючих компонентов) и выполнения технологических аварийных команд (останов оборудования, выключение вентиляции, герметизация помещения и т.д.).
Источники холодных и чистых продуктов сгорания ТТГГ, разработкой которых интенсивно занимались ОКБ «Темп» при ПГТУ, АО «Пермский завод им. Кирова», НИИПМ и др., позволили создать в последнее время целую гамму аварийно-спасательных систем с силовыми пневмоцилиндрами. Это, прежде всего, тормозные системы для автомобильного и железнодорожного транспорта, пневмо-газоприводы для шаровых кранов магистральных газопродуктопроводов и т.д. Эти системы могут включаться как в АСУ защищаемого объекта, так и иметь собственную автоматику управления [1,2].
Выше указанные источники холодных и чистых продуктов сгорания ТТГГ являются низкотемпературными газогенераторами на твердом топливе (НТГТ).
На дорогах России случается большое количество дорожных аварий. Во многих случаях люди после такой аварии остаются в «плену» искореженного металла. При спасении их жизни счет идет на минуты и секунды. Для этого спасательными службами применяется различного рода аварийно-спасательный пневмоинструмент. В качестве рабочего тела для такого типа инструментов можно применять холодный газ, вырабатываемый НТГГ.
Не редко в наши дни случаются и авиакатастрофы. Аварийно-спасательный пневмоинструмент может применяться и в этих случаях. При аварийной посадке воздушного судна на воду НТГГ могут использоваться в качестве источника холодного газа для наддува спасательных плотов. При аварийной посадке самолета на землю НТГГ могут применяться для быстрого наддува аварийных трапов.
Помимо техногенных катастроф, причиной которых является, обычно, старение техники и человеческий фактор, случаются и природные катастрофы (наводнения, ураганы, землятресения и т.д.). При проведении операций спасательными службами так же применяются различные средства спасения, в том числе аварийно-спасательный пневмоинструмент, надувные плоты и понтоны и т.п. [8, 37]. Низкотемпературные газогенераторы можно применять и в этих случаях для обеспечения надежной и быстрой работы выше указанных спасательных средств.
Случаются отказы тормозных систем у большегрузных тяжелых автомашин и товарных поездов. Последствия таких отказов обычно очень тяжелые. Источником механической энергии для аварийных тормозных систем для автомобильного и железнодорожного транспорта могут служить НТГГ.
Так же НТГГ могут применяться в качестве источника механической энергии для газонаполняемых эластичных домкратов. Такие домкраты могут применяться при извлечении людей из машин после аварий, разбора разрушенных зданий и освобождения людей из-под завалов и т.д.
Большой проблемой для всего цивилизованного мира сегодня является терроризм. Вследствие его разрушаются здания, другие инженерные сооружения, происходят аварии различного рода, что ведет к потере человеческих жизней и большим материальным затратам. Аварийно-спасательные системы с использованием НТГГ конечно же не могут оградить людей и технику от действий террористов. Но они могут уменьшить последствия террористических актов, спасти человеческие жизни, сохранить технику, уменьшить затраты на спасательные операции и восстановительные работы.
На рисунке 1 показаны основные сферы применения аварийно-спасательных систем с использованием низкотемпературного газогенератора на твердом топливе.
Преимущества применения НТГГ для аварийно-спасательных систем состоит в следующем:
Высокая надежность. Обуславливается простотой конструкции, большим периодом отработки в реальных условиях эксплуатации, применением серийных твердых топлив и высоко надежных составных элементов конструкции.
Компактность. НТГГ имеют небольшие габариты и вес при большой мощности и эффективности. Например, газонаполняемый эластичный домкрат, где НТГГ применяется в качестве источника механической энергии, можно доставлять на вертолете, сбрасывать на парашюте. Обычный кран такими способами на место аварии доставить невозможно. Тем самым уменьшается время доставки средства спасения на место аварии, что может спасти не одну человеческую жизнь.
Аварийно-спасательные системы
Источники холодного газа для заполнения объема
Источники механической энергии
Системы наддува спасательных средств и понтонов
Аварийные приводы для шаровых кранов магистральных нефтепроводов
Газонаполняемые эластичные домкраты
Аварийные тормозные системы для автомобильного и железнодорожного транспорта ' Надувные аварийно-спасательные трапы самолетов
Аварийно-спасательный пневмоинструмент
Рис. 1. Область применения НТГГ.
Быстрое развертывание. Подготовка к работе НТГГ занимает считанные минуты, что увеличивает шансы на благоприятный исход спасательной операции.
Большой гарантийный срок службы. Составляет 10 .. 15 лет. В то время как у баллонов со сжатым газом гарантийный срок службы не превышает 1 года, что связано с техническим устройством баллонов.
5. Отсутствие периодических проверок и регламентных работ.
Специфика технического устройства НИ 1 позволяет не проводить периодические проверки и регламентные работы во время всего гарантийного срока службы.
Большой температурный диапазон. Рабочий температурный диапазон для НТГГ составляет от - 50 С до + 50 С.
Независимость рабочих параметров от температуры эксплуатации. У баллонов с сжатым газом при температуре - 50 С резко падает давление, что ведет к снижению работоспособности на 20 .. 30 %. В то время как у НТГГ рабочие параметры практически не меняются. Это позволяет работать в условиях крайнего севера и регионах с очень жарким климатом.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Целью диссертационной работы является экспериментально-теоретическое обоснование создания низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с порошкообразным. емкостным охладителем, обеспечивающих заданные характеристики аварийно-спасательных систем.
ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Для достижения указанной цели необходимо:
1. Выявить характерные параметры процесса теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель. Определить условия образования волны теплообмена, состоящие в соблюдении количественных соотношений для выявленных параметров процесса.
2. Экспериментально подтвердить существование волны теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель при определенных выше теоретически условиях образования волны. Разработать характеристики порошкообразного емкостного охладителя, комплексно описывающие эффективность его работы. Экспериментально определить их значения и сравнить с подобными характеристиками других охладителей.
Экспериментально исследовать и определить максимальные плотности перспективных материалов охладителя.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать рекомендации проектирования порошкообразных емкостных охладителей с учетом значений основных параметров, которые обеспечивают волновой теплообмен. С применением этих рекомендаций рассчитать параметры низкотемпературных газогенераторов для обеспечения работы аварийно-спасательных систем.
МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ Использованы методы и подходы теории фильтрации газа через пористую среду, теплообмена в дисперсной среде, газовой динамики, математического моделирования, проектирования, конструирования и проведение испытаний нестандартного оборудования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
1. Выявлены характерные параметры процесса теплообмена в порошкообразном емкостном охладителе. Проведены теоретические исследования влияния этих параметров на процесс теплообмена. Впервые определены условия возникновения волнового теплообмена при фильтрации горячих газов, содержащих пары воды, через пористую среду.
2. Определено влияние содержания паров воды в продуктах сгорания газогенераторных топлив на распространение волны теплообмена.
3. Обнаружен эффект «замораживания» химического состава продуктов сгорания при их резком охлаждении в порошкообразном охладителе.
4. Введены характеристики охладителей: глубина охлаждения горячего газа, стабильность температуры газа на выходе из охладителя, массовая эффективность охладителя. Впервые экспериментально определены характеристики для порошкообразных емкостных охладителей, проведено сравнение с другими типами охладителей и показано существенное преимущество по этим характеристикам порошкообразных охладителей.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
1. Выявленные характерные параметры теплообмена в порошкообразном охладителе могут применяться при анализе процессов теплообмена в устройствах, использующих фильтрацию горячего газа через пористые среды.
2. Разработанные методы упаковки порошкообразных емкостных охладителей позволяют уменьшить массу и габариты низкотемпературных газогенераторов и, соответственно, аварийно-спасательных систем.
Результаты диссертационной работы позволяют рекомендовать для использования в НТГГ серийные газогенераторные топлива с высокими эксплутационными характеристиками.
Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы в целом могут быть использованы при проектировании и отработке низкотемпературных газогенераторов на твердом топливе для аварийно-спасательных систем и авиационной и в ракетно-космической технике.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ
1. Характерные параметры, определяющие возникновение волны теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель и соответствующие им условия.
2. Экспериментальные характеристики для порошкообразных емкостных охладителей.
3. Определение максимальных плотностей и коэффициентов газопроницаемости материалов охладителя.
4. Рекомендации по проектированию порошкообразного емкостного охладителя с учетом значений основных параметров, которые обеспечивают волновой теплообмен. С применением этих рекомендаций рассчитать параметры низкотемпературных газогенераторов для обеспечения работы аварийно-спасательных систем.
ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:
Использованием основополагающих уравнений теории теплообмена и фильтрации газа в пористой среде, значений термодинамических и теплофизических величин, приведённых в академических справочниках, а также известных, проверенных на практике, экспериментальных характеристик взаимодействия газа и пористой среды.
Хорошим согласованием результатов расчёта и проведённых в работе экспериментов, а также их совпадением с данными других авторов.
Применением современных. аттестованных приборов, поверенных и надежных средств измерения и регистрации, опробованных методик.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ Разработанные принципы организации волнового теплообмена, уточненные математические модели, спроектированные экспериментальные установки, методики исследований и полученные в результате исследований расчётные и экспериментальные данные использованы: при разработке низкотемпературного газогенератора для прямоточного реактивного двигателя на порошкообразных металлических горючих; при проектировании низкотемпературного газогенератора для пневмодомкратов; при проектировании низкотемпературных газогенераторов для аварийных систем перекрытия газопродуктопроводов; при проектировании низкотемпературных газогенераторов для аварийных тормозных систем для железнодорожного транспорта; - в учебном процессе кафедр РКТ и ТКА ПермГТУ.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Результаты диссертационной работы докладывались на: - Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2004, 2005 г. Пермь, 2004, 2005 гг; конкурсе на лучший научный доклад студентов и аспирантов по естественным, техническим и гуманитарным наукам, г. Пермь, 2004 г; XXV Российской школе по проблемам науки и технологий, г. Миасс, 2005 г;
Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «VIII Королёвские чтения», г. Самара, 2005 г;
Всероссийской научно-технической конференции «Ракетно-космические двигательные установки», МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 2005 г.
ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы; изложена на 130 страницах, содержит 35 рисунков, 15 таблиц; список литературных источников включает 106 наименований.
БЛАГОДАРНОСТИ
Автор выражает благодарность научному руководителю, д.т.н., профессору Серебренникову Сергею Юрьевичу, к.т.н., докторанту Малинину Владимиру Игнатьевичу, к.т.н. Потапову Борису Федосеевичу.
Способы получения заданных характеристик твердотопливных газогенераторов
К настоящему времени наиболее низкотемпературные газогенераторные топлива имеет температуру продуктов сгорания (ПС) 1110 .. 1230 К (давление в камере 7 МПа) [1,2, 57].
Столь высокая температура ПС исключает непосредственное применение этих и других серийных топлив в НТГГ для аварийно-спасательных систем. Таким образом, для использования твердых топлив в НТГГ, необходимо снижение температуры продуктов сгорания.
Рассмотрим известные способы получения генераторного газа с пониженной температурой. На рисунке 1.1. показаны основные способы понижения температуры продуктов сгорания газогенераторов на твердом топливе.
Температура продуктов сгорания твердотопливного газогенератора может быть снижена посредством введения специальных добавок [18, 19]. Однако снижение температуры продуктов сгорания является недостаточным (до 800 К). Кроме того, специальные добавки ухудшают характеристики твердых топлив: изменяется закон горения, ухудшается состав газа, изменяется температурный диапазон применения газогенератора.
Важная область применения газогенераторов - наддув эластомерных и тканевых мешков. Примерами использования в данной области могут служить понтоны, спасательные плотики, аварийные шасси скользящего типа, поплавковые шасси. Многие из этих систем надуваются непосредственно продуктами сгорания топлива [8]. Замкнутые системы подобного типа применяются в тех случаях, когда окружающая среда непригодна для заполнения емкости. Для подводных установок, например, используются замкнутые системы, обеспечивающие плавучесть, сигнализацию, подъем и т.д. Аналогичным образом для работы в вакууме или условиях, близких к вакууму, так же требуются системы замкнутого типа. В тех же случаях, когда заполнение производится на воздухе, благодаря применению струйного насоса существенно уменьшаются размеры газогенератора и расход топлива. Это устройство аналогично известному паровому эжектору с соплом для высоконапорного газа внутри трубки Вентури. При истечении высоконапорного газа образуется зона пониженного давления, в результате чего происходит засасывание окружающего воздуха в насос. Продукты сгорания топлива и воздух перемешиваются за счет турбулентности потока, после чего газовоздушная смесь направляется в полость, которая должна быть заполнена газом. Если насосы данного типа работают при наиболее эффективном перепаде давления, то можно получить отношение расходов воздуха к газу 5:1 или выше. При заданном объеме, заполняемом газом, это приводит к соответствующему уменьшению размеров газогенератора. Применение- эжекторных систем дает дополнительные преимущества, т.к. поступающий воздух так же охлаждает газовую смесь. Конечная температура газа, таким образом, пропорциональна температуре воздуха в окружающей среде, температуре продуктов сгорания топлива и соотношению их расходов. В некоторых случаях результирующая температура достаточно низка и поэтому дополнительного охлаждения вообще не требуется, а в других случаях может понадобиться дополнительное устройство для снижения температуры.
Обезразмеренная модель фильтрации горячего газа через порошковый материал
Исходя из выше изложенного, можно сделать следующие выводы: - проведен анализ проблемы создания газогенераторов на твердом топливе с заданными характеристиками; - проведен анализ способов получения заданных характеристик (понижения температуры) твердотопливных газогенераторов; - проведен анализ математического описания процессов фильтрации горячего газа через пористую среду; - проведен анализ экспериментальных исследований коэффициентов теплообмена при фильтрации горячего газа через пористую среду, коэффициента теплопроводности через пористую среду и процесса охлаждения продуктов сгорания твердотопливного газогенератора в порошкообразном емкостном охладителе.
Анализ так же показал, что в ряде работ теоретически показан и экспериментально обнаружен факт возникновения волны теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный охладитель.
Однако в рассмотренных работах: - не определены характерные параметры процесса теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель и условия образования волны теплообмена; экспериментально не подтверждено существование волны теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель при определенных значениях параметров процесса, которые обуславливают возникновение волны теплообмена; - не разработаны характеристики порошкообразного емкостного охладителя, комплексно описывающие эффективность его работы; - не исследованы и не определены максимальные плотности перспективных материалов охладителя; - не разработана методика инженерного расчета и проектирования порошкообразного емкостного охладителя с учетом значений основных параметров, которые обеспечивают волновой теплообмен; соответственно, с применением этой методики не разработан низкотемпературный газогенератор для обеспечения работы устройств аварийно-спасательных систем. Таким образом, в диссертационной работе ставятся следующие задачи:
1. Выявить характерные параметры процесса теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель.
Определить условия образования волны теплообмена, состоящие в соблюдении количественных соотношений для выявленных параметров процесса.
2. Экспериментально подтвердить существование волны теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель при определенных выше теоретически условиях образования волны. Разработать характеристики порошкообразного емкостного охладителя, комплексно описывающие эффективность его работы. Экспериментально определить их значения и сравнить с подобными характеристиками других охладителей.
3. Экспериментально исследовать и определить максимальные плотности перспективных материалов охладителя.
4. На основе теоретических и экспериментальных исследований фильтрации горячего газа в пористой среде создать методику инженерного расчета и рекомендации по проектированию порошкообразного емкостного охладителя, с учетом значений основных параметров, которые обеспечивают волновой теплообмен. С применением этой методики рассчитать низкотемпературные газогенераторы для обеспечения работы устройств аварийно-спасательных систем.
Экспериментальная установка и методы исследования
Подход к разработке установки и методов исследования основывался на характере поставленных задач и разработанной ранее схеме организации волнового теплообмена. Последняя предусматривает следующие три шага. Во-первых, выбирается теплоаккумулирующий материал охладителя. Во-вторых, определяется удельный расход газа и время его подачи в охладитель. При этом задаются допустимыми отклонениями температуры газа на выходе охладителя от среднего значения. Наконец, в-третьих, обеспечивается подача горячего газа в охладитель с удельным расходом, равным расчетному значению.
Экспериментальная установка была разработана в работе [55], ее схема показана на рисунке 1.7, приведенном в главе 1. Она состоит из заряда газогенераторного твердого топлива и порошкообразного охладителя, объединенных в общем корпусе генератора низкотемпературного газа.
Газогенератор может работать с зарядами ПТТ различных марок. В комплект газогенератора входит набор сменных сопел с различными площадями критических сечений, что дает возможность изменять внутрибаллистические характеристики. Время работы газогенератора может изменяться в пределах 5 .. 100 с постановкой зарядов различной длины и скорости горения и компенсацией свободных объемов инертным имитатором ГГТТ. Зажигание заряда осуществляется навеской пиротехнической смеси, а инициирование - посредством стандартного пиропатрона.
В экспериментальном газогенераторе охлаждению были подвергнуты продукты сгорания твердых топлив с характеристиками, приведенными в главе 2 (табл. 2.1.). Параметры газогенератора в испытаниях изменялись в следующих пределах (табл. 3.1).
Основное отличие продуктов сгорания газогенератора при использовании разных топлив состояло в различном содержании конденсированных частиц сажи и влаги. При медленном охлаждении испытуемых газовых смесей в них выпадают частицы сажи и происходит конденсация водяного пара. Выпадение сажи в продуктов сгорания топлива 1 происходит при уменьшении температуры с 1200 К, а в продуктах сгорания топлива 2-е 1000 К. Содержания сажи и влаги при различных температурах показаны на рисунке 2.14, приведенном в главе 2.
Отметим, что выбор газа, содержащего водяной пар и при охлаждении частицы сажи, обусловлен стремлением изучить работу порошкообразного охладителя при фильтрации газовых смесей, являющихся продуктами сгорания серийных зарядов ГГТТ. Напомним, что требованием к разрабатываемым генераторам низкотемпературного газа на основе зарядов ГГТТ и порошкообразного охладителя является генерация газа высокой чистоты (отсутствие твердых частиц) и сухости (отсутствие капель воды).
Прежде всего, необходимо подобрать наиболее приемлемые теплоаккумулирующие материалы для порошкообразных охладителей. В этом качестве интересны порошки бора и оксида кремния, которые использовались ранее в испытаниях экспериментальной установки, состоящей из газогенератора на твердом топливе и порошкообразного охладителя (гл. 1), [55].
Предпочтительным теплоаккумулирующим материалом для реализации эффекта волнового теплообмена является порошковый бор, обладающий уникальным сочетанием низкой теплопроводности и высокой теплоемкости. Порошок оксида кремния интересен в связи с его химической инертностью к продуктам сгорания, содержащим активные газы. Основные характеристики выбранных теплоаккумулирующих материалов и охладителей приведены ниже в таблице 3.2 и в таблице 3.3.
Порошок бора произведен по ТУ 113-12-11.098-88 (УНИХИМ, г. Свердловск). Порошок оксида кремния представляет собой кварцевый песок, произведенный на фабрике песков (г. Пермь).
Устройство охладителя (глава 1, рис. 1.7, п. 5, 6), [55] представляет собой виброуплотненную насыпку порошкообразного теплоаккумулирующего материала, размещенную в корпусе газогенератора и фиксированную с двух сторон решетками. Решетка, примыкающая к входному торцу охладителя, при необходимости могла одновременно выполнять функции фильтра и, в этом случае, изготавливалась из металлокерамики. Конечно, в источниках газа фильтры устанавливают на выходе из устройства. Однако, как было показано выше, в главе 2, фильтр на выходе порошкообразного охладителя не нужен, поскольку выпадение сажи в потоке газа не имеет места в связи с высоким темпом охлаждения во фронте волны теплоотдачи. Металлокерамический фильтр на вход в порошкообразный охладителя ставили иногда лишь для того, чтобы отловить малые количества сажи, которые могут выпадать в краткий начальный период времени, когда решетка и корпус еще не прогрелись. Как показано на рисунке 1.7, устройство было снабжено датчиками для измерения и записи параметров процесса теплообмена: температур охладителя температур газа на входе и выходе, давлений газа на входе и выходе из охладителя.
Рекомендации расчета и проектирования НТГГ с порошкообразными емкостными охладителями
Актуальной задачей современной техники является создание генераторов газа для аварийно-спасательных и вспомогательных систем для авиационно-ракетной техники [1, 2]. Совокупность наиболее жестких требований к газогенераторам (ГГ) состоит в следующем: безопасность в обращении, высокая готовность к использованию, минимальный вес и габариты, обеспечение работы и хранения газогенераторов при температуре от - 50 С до 50 С и влажности до 98 %, температура газа на выходе из генератора не более 350 К, отсутствие в газе конденсированной фазы. Указанные требования ограничивают применение в ГГ серийных газогенераторных топлив, так как типовые охладители продуктов сгорания не могут обеспечить эти требования.
На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса фильтрации и теплообмена продуктов сгорания твердотопливного газогенератора в порошкообразном емкостном охладителе, рассмотренных во второй и третьей главе диссертационной работы, ниже разработаны рекомендации расчета и проектирования НТГГ удовлетворяющих выше указанным требованиям.
Изменение локального гидравлического сопротивления, вызванного различными причинами (спеканием дисперсного материала, заплавлением его пор, его сублимацией), приводит к неравномерной фильтрации продуктов сгорания через дисперсный материал охладителя, искажению и размыванию фронта распространения тепла и, в конечном счете, - к переходу от волнового процесса теплообмена к объемному.
Экспериментальные исследования, изложенные в главе 3, позволили сделать следующие выводы. Если Г/ меньше или равна Тз, то дисперсные частицы порошка будут расплавляться, сливаться между собой и частично «заплавлять» проходное сечение, что приведет к нарушению однородности фильтрации горячих продуктов сгорания через дисперсный материал и возникновению неустойчивого фронта распространения тепла. Возможен также прорыв высокотемпературных газов через весь слой дисперсного материала к выходу охладителя. Если Гу превышает Тз менее чем на 20%, то возможно неоднородное спекание дисперсного материала, что также приводит к неоднородности фильтрации. Такие процессы снижают надежность работы охладителя, его массовую эффективность и поэтому недопустимы.
Если Т2 меньше или превышает Тз меньше, чем на 20%, то будет происходить газификация материала, и его пористость в зоне высокой температуры увеличится. Такой процесс может происходить неоднородно по всей зоне и носит вероятностный, случайный характер, т.е. в разных частях материала охладителя объем пор будет разным, что вызовет неустойчивость теплового фронта в дисперсном материале и снижение массовой эффективности охладителя.
Таким образом, существенным условием возникновения процесса волнового теплообмена является выполнение охладителя из дисперсного материала, имеющего температуры плавления 7 разложения или сублимации (Г2), превышающие температуру продуктов сгорания твердотопливного заряда (Тз) по меньшей мере на 20 %.
Диаметр частиц d дисперсного материала от 0,1 до 0,5 мм установлен по результатам экспериментальных исследований (гл. 3), которые показали, что при d 0,1 мм значительно снижается коэффициент проницаемости материала, повышается гидравлическое сопротивление, и как следствие, возникает большой перепад давления по длине охладителя. А это повлечет за собой постепенный рост давления в газогенераторе и охладителе в течение работы и вызванное этим постоянное увеличение расхода генераторного газа, т.е. неоптимальный режим работы генератора и невозможность его длительной работы ( 100с), а также необходимость увеличения толщины стенок корпусов и, соответственно, их массы.
Так же при уменьшении диаметра частиц дисперсного материала, и уменьшении удельного расхода продуктов сгорания через охладитель (вызванного стремлением уменьшить гидравлическое сопротивление, возросшее из-за уменьшения размера частиц) характерный параметр теплообмена bo сильно возрастает (становится больше единицы). В конечном итоге это приводит к нарушению одного из условий возникновения волнового теплообмена, указанных во второй главе (2.9).
Экспериментальные исследования показали, что при размере частиц порошкового материала охладителя d 0,5 мм возрастает толщина фронта распространения тепла, и процесс теплообмена приобретает не чисто волновой характер, а переходный - от волнового к объемному. Расчетными исследованиями установлено, что при d 0,5 мм значение характерного параметра теплообмена щ становиться меньше 0,1. Это приводит к нарушению одного из условий возникновения волнового теплообмена (2.9).
Таким образом, экспериментальные и теоретические исследования указывают на сильное снижение массовой эффективности порошкообразного охладителя при диаметре его частиц более 0,5 мм. Также в этом случае в охладителе исчезает эффект «замораживания» состава продуктов сгорания, что приводит к образованию большого количества сажи в охлажденном газе. Следовательно, охладитель не обеспечивает чистоту охлажденного газа.
