Расчетно-экспериментальные исследования процессов тепло- и массообмена в тепловых аккумуляторах

• Автор: Кошлаков, Владимир Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 143 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1: ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПОВ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
1.1. Особенности конструкций и области применения существующих аккумуляторов тепла
1.2. Выбор и обоснование совместимости материалов в заданных условиях эксплуатации тепловых аккумуляторов для солнечной энергетической двигательной установки
1.2.1 Выбор тепло аккумулирующего вещества
1.2.2. Совместимость конструкционных и теплоаккумулирующих материалов высокотемпературного электронагревательного теплового аккумулятора -теплообменника
1.2.2.1 Испарение графита и его взаимодействие с водородом.
1.2.2.2. Совместимость подложки из углеграфитовых материалов с
! . . I
тонкослойными защитными покрытиями ,
1.2.2.3. Уменьшение скоростей испарения графита и его взаимодействия с водородом путем использования защитных покрытий.
1.3. Математическое и физическое моделирование рабочих процессов
1.4. Постановка задачи
ГЛАВА 2: ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОВОМ АККУМУЛЯТОРЕ.
2.1. Описание установки теплового аккумулятора ТАКК-
2.2. Система уравнений, моделирующая процессы
2.2.1. Режим «заряд»
2.2.2. Режим «разряд»
2.3. Метод решения систем уравнений, алгоритм численного расчета и тестирование программы расчета.
ГЛАВА 3: ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО-И МАССООБМЕНА ПРИ ТЕЧЕНИИ ВОДОРОДА В КАНАЛАХ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
3.1. Исследование процессов теплообмена на модельной экспериментальной установке ТА
3.1.1 Описание модельной установки
3.1.2 Результаты исследования процессов теплообмена на модельной установке
3.2. Законы теплообмена при течении газа в канале с зернистым наполнителем

3.2.1 Характеристики зернистого наполнителя в канале ТА
3.2.2 Анализ процессов теплообмена в зернистом слое и определение законов теплообмена при течении газа в каналах ТА.

3.3 Результаты экспериментального исследования механизмов взаимодействия углеграфитовых материалов с водородом
3.3.1 Результаты испытаний модельных образцов УГМ на установке МП-
3.3.2 Результаты испытаний графитового наполнителя при течении водорода в каналах экспериментальной установки ТАКК-50.
ГЛАВА 4: РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА.
4.1. Экспериментальные исследования на установке теплового аккумулятора ТАКК-50.
4.1.1 Описание установки ТАКК-50.
4.1.2 Результаты испытаний установки ТАКК-
4.1.3 Сравнения результатов испытаний на установке ТАКК-50 с результатами численного решения
1 • • I
4.2. Экспериментальные исследования на установке теплового аккумулятора ТАКК-
4.2.1 Описание установки ТАКК-5 и результаты экспериментов
4.2.2 Результаты испытаний установки ТАКК-
4.2.3 Анализ результатов испытаний на установке ТАКК-5 и сравнение с результатами численного расчета
4.3. Параметрические расчеты различных конструкций, в том числе и конструкций тепловых аккумуляторов
4.3.1 Расчетное исследование процессов теплообмена в тепловом аккумуляторе с энергоемкостью до 170 МДж ТАКК-
4.3.2 Расчетное исследование процессов теплообмена в тепловом аккумуляторе с энергоемкостью до 370 МДж ТАКК-
4.4. Расчетно-параметрические исследования теплового состояния сопла-анода плазмотрона ПСМ-
Заключение !
Литература.
Приложение

• Введение
• Развитие авиационной и ракетно-космической техники характеризуется непрерывным увеличением энергонапряженности двигателей и энергетических установок1,

летательных аппаратов, а также элементов их конструкций; Среди основных проблем современной космонавтики стоит вопрос об увеличении удельного импульса тяги ракетных двигателей космических аппаратов (КА). Одним из перспективных и эффективных способов решения данной проблемы является повышение энергетических характеристик компонентов ракетного топлива в камере сгорания жидкостных ракетных! двигателях (ЖРД) за счет предварительного подогрева, что приводит к увеличению удельного импульса тяги космических аппаратов.
С этой целью в составе двигательной установки (ДУ) современных ЖРД
• возможно использование тепловых накопителей энергии или тепловых аккумуляторов (ТА), в которых на режиме работы ДУ происходит нагрев текущих по магистралям компонентов топлива.
В Исследовательском Центре им. М.В.Келдыша в последние годы ведется
интенсивная работа по созданию солнечной энергетической двигательной установки '
(СЭДУ) с использованием тепловых аккумуляторов.
Необходимость использования в составе СЭДУ накопителя энергии в задаче транспортировки КА может быть проиллюстрирована следующими простыми соображениями [1.1]. В виду малой развиваемой тяги СЭДУ (единицы-десятки ньютонов) в отсутствие системы накопления энергии на борту и при условии обеспечения!
приемлемого времени выведения КА на целевую орбиту (1-2 месяца) могут быть
реализованы только схемы с непрерывным режимом работы ДУ (см.рис. 1.1, вариант В), не выгодные по энергетическим затратам. Так, например, для реализации перехода с низкой опорной орбиты с утлом наклонения 1=63 град (космодром «Плесецк») на геостационарную орбиту (ГСО) (1=0) при схеме выведения с непрерывным режимом работы ДУ требуется создать суммарное приращение характеристической скорости
» 8700-^/, а при 2-х импульсной схеме, характерной для ДУ большой тяги (ЖРД и
I I -
РДТТ), - только 5200 у/ (см.рис. 1.1. вариант А). Известно, что удельный импульс тяги
. современных кислородно-водородных ЖРД для разгонных блоков составляет 460с и
более. Ожидаемый импульс тяги тепловых двигателей в составе СЭДУ не превысит
< 800..850с при использовании наиболее эффективного рабочего тела - водорода, и не
может компенсировать различия в требуемых величинах АУ1ар (с учетом большей'
Глава 2: Физико-математическое моделирование процессов теплообмена в тепловом '
аккумуляторе.
2.1. Описание установки теплового аккумулятора ТАКК-
Как было отмечено выше, тепловой аккумулятор предназначен для накопления тепловой энергии и передачи ее водороду, подаваемому в маршевый двигатель. Схема установки теплового аккумулятора ТАКК-50 приведена на рис. 1.6 [2.1]. ;
Графитовый тепловой аккумулятор выполнен в виде цилиндра с
! . . . | I-
токоподводами, штуцерами и фланцами для входа и выхода водорода. Внутри теплового;
блока размещается ТЭН, который осуществляет его нагрев между импульсами. За счет
высокой теплопроводности графита реализуется практически однородное тепловое'
состояние всего внутреннего объема ТА. (Неоднородность теплового поля на стадии
нагрева обусловлена конечной, хотя и высокой теплопроводностью графита и тепловыми

утечками. Расчеты показали, что при максимальном уровне утечек тепла < 1 кВт1 температурные перепады в нагретом режиме не превышают 10 К, а в процессе нагрева нагреве — 80 К).
Для протока водорода внутри теплового блока формируется 16 цилиндрических каналов диаметром 15 мм. Каналы заполняются зернистым (пористым) материалом, что обеспечивает развитую поверхность теплообмена для нагрева водорода по мере его движения вдоль зернистого слоя. Передача тепла в зернистый слой от теплового блока осуществляется за счет теплопроводности элементов засыпки и переноса

излучения. Съем тепла с зернистого слоя водородом осуществляется в основном за счет конвекции.
Полость для размещения ТЭНа изолирована от водорода, что позволяет использовать известные и отработанные системы электронагревателей, изготавливаемых
из плотных марок графита или углерод-углеродных композиционных материалов

(УУКМ). (Имеется положительный опыт использования графитов и УУКМ в ТЭНах1 различной конфигурации с мощностью до 40 кВт при температурах эксплуатации до 3000 К и количеством включений до 103).
УУКМ структуры 20 и 30 могут также успешно использоваться для изготовления силовых корпусов и элементов крепления в местах, исключающих их контакт с водородом.
Для защиты углеграфитовых материалов от воздействия водорода могут быть использованы следующие решения, подтвержденные предыдущим опытом: