Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена актуальной проблеме повышения эффективности энергоустановок и техносистем многоразового использования на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования, в топливно-охлаждающих трактах которых происходят аномальные эффекты, связанные с особенностями теплоотдачи при докритических, критических и сверхкритических параметрах по давлению и температуре : а) увеличение коэффициента теплоотдачи (а) в 2-3 раза за счёт теплофизических свойств жидкого углеводородного горючего (охладителя); б) термоакустические автоколебания давления, которые способствуют: - интенсификации теплоотдачи на 40%; - образованию локальных чередующихся зон перегревов стенок греющего («горячего») канала с дальнейшим их прогаром, возникновением пожара и взрыва; - цикличному процессу откалывания твёрдых углеродистых отложений с дальнейшим их ростом, что способствует очистке каналов, но и их захолаживанию, закупориванию и выходу из строя системы топливоподачи и охлаждения, а также - созданию дополнительных систем очистки и контроля; в) процесс осадкообразования, являющийся очень опасным и негативным, т.к. приводит: - к прекращению функционирования искусственных поверхностных интенсифика- торов теплоотдачи в каналах, - к самопроизвольному нерасчётному и быстрому росту температуры стенки рубашки охлаждения и её прогару с дальнейшим возникновением пожара и взрыва энергоустановки и всего летательного аппарата (ЛА) или космического ЛА (КЛА), а также других техносистем, - к частичному и полному закоксовыванию форсунок, - к нерасчётному струйному распылу горючего с дальнейшим прогаром стенок сопла (ЖРД) или жаровой трубы (ВРД), - к частичной и полной потере тяги, - к образованию течи и пожара, - к неуправляемости и разносу энергоустановки из-за заклинивания подвижных деталей топливной системы и др. Существующие методы борьбы с осадкообразованием малоэффективны и экономически невыгодны. Отсутствуют способы предотвращения твёрдого углеродистого осадка при температуре более 473К. На основе анализа литературы об электрической природе процесса осадкообразования выдвинуто предположение о возможности борьбы с ним магнитными и электростатическими полями до возникновения твёрдой фазы. Кроме того, отсутствуют исследования по возможностям магнитных и электростатических полей: а) в условиях естественной конвекции интенсифицировать коэффициент теплоотдачи (а) при давлении более 1,0 МПа, а далее - в зоне критических и сверхкритических давлений - для жидких углеводородных горючих (охладителей), при увеличении давления - для газообразных; б) влиять на а в условиях вынужденной конвекции жидких и газообразных углеводородных горючих (охладителей) (в частности, метана); в) влиять на термоакустические автоколебания давления в жидких углеводородных горючих (охладителях); г) влиять на осадкообразование в жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях при их естественной и вынужденной конвекции. Отсутствуют: - алгоритмы и методики расчёта и учёта особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим (охладителям) без влияния электростатических и магнитных полей и с их влиянием; - конструктивные схемы топливно - охлаждающих каналов, датчиков и систем контроля, где бы комплексно решались вопросы учёта особенностей теплоотдачи без влияния Н и Е, с их влиянием, гибридно. Применение электростатических и магнитных полей для повышения ресурса, надёжности и эффективности энергоустановок и техносистем на углеводородных горючих (охладителях) является перспективным, но неисследованным. Теоретически исследовать это влияние на позитивные и негативные тепловые процессы в жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях практически невозможно, поэтому необходимыми и актуальными являются экспериментальные исследования.
Цель работы: на базе экспериментального исследования влияния электростатических и магнитных полей на тепловые процессы в жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях разработать методики расчёта и пути их применения для повышения эффективности энергоустановок и тех- носистем различного назначения и базирования.
Задачи исследования:
-
На основе обзора литературы и эксплуатации энергоустановок и техно- систем на углеводородных горючих и охладителях провести анализ: а) существующих путей борьбы с негативными явлениями и использования позитивных - при их проектировании, создании и эксплуатации; б) уровня научных исследований и практического применения электростатических и магнитных полей в жидких и газообразных углеводородных горючих (охладителях).
-
Экспериментально определить влияние электростатических и магнитных полей на тепловые процессы в жидких и газообразных углеводородных горючих (охладителях) в условиях их естественной и вынужденной конвекции в широком диапазоне параметров по давлению и температуре.
-
Создать методики расчёта влияния электростатических полей на тепловые процессы в углеводородных горючих (охладителях).
-
Разработать общие и частные алгоритмы и методики учёта позитивных особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим (охладителям) и борьбы с негативными - без влияния и с влиянием электростатических полей.
-
Разработать новые способы борьбы с негативными процессами, конструктивные схемы топливно-охлаждающих каналов, фильтров, форсунок, датчиков и систем контроля повышенной эффективности - без влияния электростатических полей, с их влиянием, гибридные.
Научная новизна.
-
-
Создан банк экспериментальных данных тепловых процессов в углеводородных горючих и охладителях с визуализацией динамики процессов без влияния и с влиянием электростатических полей; разработана классификация методов борьбы с негативным процессом осадкообразования.
-
Установлено, что магнитные поля оказывают очень слабое влияние на увеличение а и предотвращение осадка в жидких углеводородных горючих, а в газообразных - не влияют вообще, а электростатические поля - наоборот, оказывают эффективное воздействие.
-
При естественной и вынужденной конвекции жидких и газообразных углеводородных горючих (охладителей) при влиянии электростатических полей впервые: а) найдены максимально-возможные значения а; б) обнаружен процесс предотвращения осадка в зоне прохождения силовых линий; г) определены рабочие условия, зоны и границы возможной интенсификации а и предотвращения осадкообразования; д) установлено, что импульсное включение электростатических полей (со сменой или без смены полярности) с интервалами (0,5- 5,0)с не способствует увеличению а из-за времени релаксации электрического ветра, а приводит к появлению осадка на всём рабочем участке.
-
В жидких углеводородных горючих (охладителях) впервые: а) найдены условия всесторонней борьбы с термоакустическими автоколебаниями давления; б) установлено, что электростатические поля способствуют полной замене процессов кипения и псевдокипения на электроконвекцию с переносом кризисной границы в сторону увеличения плотности теплового потока (q); в) обнаружено, что пузыри и тепловые свили, псевдопузыри и псевдосвили полностью разрушаются на всём рабочем участке, а предотвращение осадка происходит только в зоне силовых линий электростатического поля; г) обнаружены условия влияния электростатических полей на раздвижение псевдосвилей на угол ф. (что необходимо для создания новых жидкостных тепловых приборов замера гравитации).
-
В газообразных углеводородных горючих (охладителях) впервые выявлено, что увеличение площади без осадка происходит из-за влияния дополнительных силовых линий от светящейся униполярной короны на отдающей игле.
-
Созданы и запатентованы: - новые методики расчёта влияния электростатических полей на повышение а и предотвращение осадкообразования; - общая и частные методики и алгоритмы по применению, учёту и расчёту особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим (охладителям) без использования электростатических полей, с их использованием, гибридно.
-
Разработаны и запатентованы: - новые способы борьбы с негативными процессами; - новые конструктивные схемы топливно-охлаждающих каналов, фильтров, форсунок, горелок, энергоустановок и техносистем, их датчиков и систем контроля.
Достоверность и обоснованность полученных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки результатов исследований, анализом точности измерений, повторяемостью результатов и их воспроизводимостью, применением статистических методов оценки погрешностей и подтверждением тепловых процессов без влияния и с влиянием электростатических полей визуализацией.
Практическая и научная значимость. Результаты экспериментальных исследований позволили: - обнаружить новые эффекты влияния электростатических полей на тепловые процессы в условиях естественной и вынужденной конвекции жидких и газообразных углеводородных горючих (охладителей); - создать банк данных по особенностям теплоотдачи к жидким и газообразным углеводородным горючим (охладителям) без влияния и с влиянием электростатических полей; - создать новые методики расчёта влияния электростатических полей на негативные и позитивные процессы в жидких и газообразных углеводородных горючих (охладителях); - разработать новые общую и частные методики и алгоритмы учёта особенностей теплоотдачи к жидким и газообразным углеводородным горючим (охладителям) без влияния и с влиянием электростатических полей при проектировании, создании и эксплуатации энергоустановок и техносистем наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования; - разработать и запатентовать новые способы борьбы с негативными процессами в жидких и газообразных углеводородных горючих (охладителях) без влияния и с влиянием электростатических полей; - разработать и запатентовать новые конструктивные схемы топливно - охлаждающих каналов, форсунок, фильтров, горелок, энергоустановок и техносистем, их систем контроля и управления без электростатических полей, с полями, гибридно. Результаты исследований и изобретения автора внедрены в реальные образцы энергоустановок и техносистем различного назначения и базирования, в работу НИИ и КБ, в учебную и научную работу ряда ВУЗов РФ. Применение данных методик, алгоритмов и изобретений значительно повысят ресурс, надёжность, безопасность, эффективность, экологичность и экономичность современных и перспективных энергоустановок и техносистем различного назначения и базирования.
Реализация основных положений диссертации. Основные результаты исследования, публикации, монографии, учебные пособия, разработки и изобретения автора использованы и используются в следующих организациях:
в НПО энергетического машиностроения (НПО «Энергомаш») им. акад. В.П. Глушко (г. Химки, Моск. обл.) при создании и эксплуатации космических энергоустановок многоразового использования «Курс» и «Барьер»;
в Саратовском ОАО «КБ Электроприбор» РОСАВИАКОСМОСа при разработке системы управления ЭЦР-235 ГТД перспективного ЛА;
в Центральном НИИ робототехники и технической кибернетики (г. С.Петербург) при разработке технических требований к научной аппаратуре и программы проведения космического эксперимента «Контур»;
в ФГУП ФНПЦ НИИХП (г. Сергиев Посад, Моск. обл.) при разработке научно-экспериментальных образцов новых ложных тепловых целей многоразового использования повышенной светимости на жидких углеводородных горючих;
в Нижегородском филиале ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова при создании перспективных разработок топливных систем скоростных судов с газотурбинными установками (суда с воздушной каверной (СВК), суда на воздушной подушке (СВП), экранопланы (ЭП));
в КПП ОАО «Казанское производственное предприятие «Авиамотор»» при опытной разработке и доводке новых модификаций камер сгорания ГТД НК-16СТ, НК-18СТ, НК-8-2У на газообразном углеводородном топливе, которые успешно прошли комплексные испытания, запущены в серийное производство и эффективно используются на станциях газоперекачки ГАЗПРОМА РФ;
в ОАО «Нальчинский машиностроительный завод» при создании перспективных разработок стационарных водоподготовительных установок типа УВС производительностью от 1 до 10 т/ч;
в КВВКУ, ВВИА, МВАА, ПГТУ, БГТУ («Военмех»), МГТУ, МГЭУ, КГТУ-КАИ, СПбГПУ, и других ВВУЗах и ВУЗах РФ - в учебных курсах: по двигателям и энергоустановкам наземного, авиационного, аэрокосмического и космического базирования (по теории, конструированию, диагностике, управлению); по ракетостроению и космонавтике; по спецтеплотехнике и гидравлике; по термодинамике и теплопередаче; по математическому моделированию и оптимизации систем теплоснабжения и кондиционирования; по физике и теплофизике; по автоматизированным системам обработки информации и управления; по космической робототехнике для экстремальных условий; по оптотех- нике; по материаловедению и технологии конструкционных материалов; по курсовому и дипломному проектированию и др.
Похожие диссертации на Влияние электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования
-
