Способ моделирования процесса тепло- и массообмена при испарении жидкости и устройство для его реализации

Группа изобретений относится к ракетно-космической технике и может быть использована при проведении экспериментальных исследований при физическом моделировании процессов испарения остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет-носителей. Раскрыт способ моделирования процесса тепло- и массообмена при испарении жидкости со свободной поверхностью в замкнутой емкости, основанный на воздействии давления парогазовой смеси, теплоты и ультразвука, измерении величин давления и температур парогазовой смеси, жидкости и стенок замкнутой емкости. При этом воздействие давления осуществляют путем откачивания парогазовой смеси из замкнутой емкости с фиксацией давления на значениях, при которых наблюдается интенсивное образование пузырьков жидкости; для повышения давления используют парогазовую смесь с заданной влажностью или нейтральный газ; воздействие теплового потока осуществляют с помощью изменения мощности электрического нагревателя и длительности его воздействия; влияние ультразвука на повышение температуры жидкости в замкнутой емкости определяют путем исключения из общей ультразвуковой мощности составляющей, затрачиваемой на перемешивание жидкости. Также раскрыто устройство для реализации способа моделирования процесса тепло- и массообмена. Группа изобретений позволяет получить экспериментальные данные, которые позволят исследовать параметры тепло- и массообмена, в частности получить регрессионное уравнение, описывающее скорость испарения жидкости как функции давления, температуры, параметров ультразвукового воздействия. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проведении экспериментальных исследований при физическом моделировании процессов испарения остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет-носителей.

Известны способ и устройство для его реализации для испарения жидких остатков топлива в баке, описанный на стр. 163-174 в кн. «Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду» (Монография) под ред. В.И. Трушлякова, Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. 220 с. Однако предлагаемый способ предусматривает испарение на основе теплоты, поступающей в замкнутую емкость (ЗЕ), получающейся в результате химической реакции.

Наиболее близким по технической сущности является «Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя» по патенту РФ №2474816 G01N 29/02, B64G 7/00, основанный на введении в экспериментальную установку теплоносителя (ТН) с заданными параметрами, обеспечении заданных условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого газифицируемого компонента ракетного топлива, проведении измерений температуры и давления в различных точках экспериментальной установки, отличающийся тем, что жидкий газифицируемый компонент ракетного топлива подвергают ультразвуковому воздействию, при этом параметры ТН и генерируемых ультразвуковых колебаний выбирают из условия минимизации критериев процесса газификации: времени процесса газификации, энергомассовых затрат и количества поданной в бак теплоты.

Недостатками этого способа при проведении экспериментальных исследований воздействия различных факторов, таких как: давление (ДВ) парогазовой смеси (ПГС), теплоты (ТВ) и ультразвука (УЗВ) на процессы испарения жидкостей со свободной поверхностью, находящейся в ЗЕ, являются:

а) известный способ предусматривает конвективный механизм подачи теплоты в ЗЕ и не применим для исследования влияния изменения ДВ ПГС, воздействия кондуктивной теплоты, т.е. для исследования термовакуумных технологий испарения жидкостей;

б) не предусматривает возможность ступенчатого изменения ДВ ПГС в ЗЕ.

Указанные недостатки устраняются за счет того, что в известном способе моделирования процесса тепло- и массообмена при испарении жидкости со свободной поверхностью в ЗЕ, основанном на воздействии различных факторов на процесс, в том числе, ДВ ПГС, теплоты и ультразвука, измерении величин давления ПГС, температур ПГС, жидкости, стенок ЗЕ, в качестве критерия эффективности воздействия каждого фактора и их совокупности на процесс испарения жидкости, использовании затраты энергии на испарения определенного количества жидкости в ЗЕ, вводят следующие действия:

а) воздействие ДВ в ПГС осуществляют путем откачивания ПГС из ЗЕ с фиксацией ДВ на значениях, при которых наблюдается интенсивное образование пузырьков газа в жидкости при одновременном воздействии ТВ и УЗВ, так и при воздействии каждого из них в отдельности,

б) воздействие изменения ДВ в ПГС в ЗЕ, в том числе и ступенчатого, на процесс испарения жидкости осуществляют при одновременном воздействии УЗВ, ТВ, так и при воздействии каждого в отдельности, при этом для повышения ДВ в ПГС используют ПГС с заданной влажностью или нейтральный газ типа азот, гелий,

в) воздействие теплоты, подаваемой в ЗЕ с помощью электрического нагревателя, осуществляют с помощью изменения мощности электрического нагревателя и длительности его воздействия, с учетом дополнительной теплоты за счет теплопередачи от стенок ЗЕ к ПГС,

г) влияние УЗВ на повышение температуры жидкости в ЗЕ определяют путем исключения из общей ультразвуковой мощности составляющей, затрачиваемой на перемешивание жидкости (вихревые течения и микропотоки),

д) влияние УЗВ на испарение жидкости за счет образования кавитационных пузырьков определяют при одновременном воздействии ТВ, ДВ, так и при воздействии каждого в отдельности, в том числе и ступенчатого изменения ДВ.

Реализация способа

Реализация способа поясняется чертежом.

В поддон 1 заливается исследуемая жидкость 2 и устанавливается в ЗЕ 3, которая заполняется газом, например, воздухом, азотом или гелием до заданного давления, которое определяется задачами и условиями проведения данного эксперимента, но не превышает 3 атм.

Для подачи в ЗЕ 3 воздуха, предварительно закрываются все вентили (4-9), кроме вентилей 10 и 11 и включаются все электроприборы и оборудование, газ (воздух) нагнетается компрессором 12. Через вентили 10 и 11 воздух заполняет ресивер, состоящий из двух баллонов 13.

После достижения в ресивере 13 определенного давления (до 10-16 атм.), измеряемого с помощью манометра 14, открываются последовательно вентили 4 и 5, и газ попадает во влагоотделитель 15, на котором установлен манометр. По нему устанавливается рабочее давление, которое определяется задачами и условиями проведения данного эксперимента, но не превышает 16 атм. Далее проходя через систему фильтрации 16, которая представляет собой блок фильтров, и предохранительный пневмоклапан 17, газ достигает расходомера 18, который состоит из регулятора расхода и датчика расхода.

С помощью расходомера 18 задается расход газа, который также определяется задачами и условиями проведения эксперимента. Далее газ поступает в нагреватель 19, на котором заданная температура поддерживается с помощью пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора 20.

В нагревателе газ достигает заранее заданной температуры. Для обеспечения достижения заданной температуры открывают вентиль 6, и газ сбрасывается через теплообменник и открытый вентиль 8 в выхлопной патрубок (утилизатор).

После того как газ достигнет заданной температуры, закрывается вентиль 6 и открывается вентиль 7. Газ поступает в ЗЕ 3 через входной патрубок 21.

Датчиками температуры 22 и давления 23 контролируются входные параметры газа. Датчиками температуры 24 и давления 25 контролируются выходные параметры ПГС, которая сбрасывается через пневмоклапан 26 и открытый вентиль 8 в выхлопной патрубок (утилизатор).

Для подачи в ЗЕ 3 азота или гелия используется баллон 27. Для этого закрываются все вентили, кроме вентиля 9, и включаются все электроприборы. Далее, в соответствии с программой экспериментов, могут включаться: вакуумный насос 28, теплоэлектронагреватель 29, УЗВ через пьезоэлектрические излучатели 30.

С использованием мобильных (термопары) датчиков температуры 31 определяются температуры ПГС, жидкости и стенок ЗЕ 3. Давление в ЗЕ 3 контролируется с помощью датчика давления 32.

В процессе откачки ПГС из ЗЕ 3 с помощью вакуумного насоса 28 и подключении УЗВ 30 при определенном давлении происходит вскипание жидкости из-за интенсивного процесса кавитации. Для исследования этого режима испарения ДВ в ЗЕ 3 может фиксироваться и сохраняться на этом уровне, а тепловое воздействие и УЗВ продолжается, как одновременно, так и по отдельности.

Оценка повышения температуры жидкости при УЗВ проводится на основе разделения общей мощности УЗВ на 2 части: кавитация и перемешивание за счет микропотоков и вихревых течений (см. Виноградов Б.В., Федин Д.А. Влияние частоты и амплитуды ультразвуковых колебаний на интенсивность кавитации // Вопросы химии и химических технологий. - Днепропетровск: УДХТУ, 2003. - №4. - С. 141-144).

Количество испарившейся жидкости определяется взвешиванием остатка после проведения эксперимента.

Оценка величины теплопередачи от стенок ЗЕ к ПГС осуществляется на основе решения традиционных уравнений теплопроводности [см., например, Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. - М.: ГЭИ, 1958. - 418 с.]

В рассматриваемом эксперименте параметры УЗВ являются постоянными, варьируемыми величинами является длительность интервала воздействия и его расположение на общем интервале процесса испарения.

Тепловое воздействие варьируется как по величине (например, от 20°C до 69°C), так и по длительности интервала воздействия (например, от 10 с до 30 с) и его расположение на общем интервале процесса испарения, который может достигать до 100-300 с.

В процессе проведения эксперимента давление ПГС в ЗЕ может изменяться как в сторону уменьшения за счет работы вакуумного насоса, так и повышаться за счет подачи ПГС (с заданной влажностью с использованием системы подачи воздуха из ресивера 13), или газов азота, гелия баллона 27, как в виде непрерывной функции, так и в виде скачков.

Полученная база данных экспериментов является основой для определения аналитического вида интенсивности испарения жидкости как функции от параметров ДВ, ТВ, УЗВ на основе регрессионного анализа.

Устройство для реализации способа

В качестве прототипа взято устройство по патенту РФ №2474816 G01N 29/02, B64G 7/00, включающее в свой состав экспериментальную установку в виде модельного бака, содержащего поддон для жидкости, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, два дополнительных входных патрубка, причем в один из входных патрубков экспериментальной установки установлен газоструйный излучатель, съемный поддон механически связан с пьезоэлектрическим излучателем.

К недостаткам данного устройства при его применении для реализации предлагаемого способа являются:

а) отсутствует вакуумный насос и теплоэлектронагреватель для создания различных тепловакуумных режимов;

б) отсутствует система подачи газа для реализации ступенчатого изменения давления.

Указанные недостатки устраняются за счет того, что в известном устройстве, включающем в свой состав экспериментальную установку, содержащего поддон для жидкости, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, съемный поддон механически связанный с пьезоэлектрическим излучателем дополнительно введены: вакуумный насос и баллон для подачи газа, соединенные с замкнутой емкостью трубопроводами с клапанами, и теплоэлектронагреватель для подогрева жидкости.

В процессе проведения экспериментов давление ПГС в ЗЕ может изменяться в диапазоне от 0,3 МПа до 0,001 МПа абсолютного.

Реализация предлагаемого способа и устройства позволит получить необходимые экспериментальные данные, которые позволят исследовать параметры тепло- и массообмена при воздействии указанных факторов, в частности, получить регрессионное уравнение, описывающее скорость испарения жидкости для рассматриваемых условий как функции давления, температуры, параметров ультразвукового воздействия.

1. Способ моделирования процесса тепло- и массообмена при испарении жидкости со свободной поверхностью в замкнутой емкости, основанный на воздействии различных факторов на процесс испарения жидкости, в том числе давления парогазовой смеси, теплоты и ультразвука, измерении величин давления парогазовой смеси, температур парогазовой смеси, жидкости, стенок замкнутой емкости, в качестве критерия эффективности воздействия каждого фактора и их совокупности на процесс испарения жидкости используют затраты энергии на испарение определенного количества жидкости в замкнутой емкости, отличающийся тем, что воздействие давления в парогазовой смеси осуществляют путем откачивания парогазовой смеси из замкнутой емкости с фиксацией давления на значениях, при которых наблюдается интенсивное образование пузырьков жидкости при одновременном воздействии ультразвука, теплоты, так и при воздействии каждого в отдельности, воздействие ступенчатого снижения или повышения давления в парогазовой смеси в замкнутой емкости на процесс испарения жидкости осуществляют при одновременном воздействии ультразвука, теплоты, так и при воздействии каждого в отдельности, при этом для повышения давления используют парогазовую смесь с заданной влажностью или нейтральный газ, а воздействие теплового потока, подаваемого в замкнутую емкость с помощью электрического нагревателя, осуществляют с помощью изменения мощности электрического нагревателя и длительности его воздействия, с учетом дополнительной теплоты за счет теплопередачи от стенок замкнутой емкости к парогазовой смеси, влияние ультразвука на повышение температуры жидкости в замкнутой емкости определяют путем исключения из общей ультразвуковой мощности составляющей, затрачиваемой на перемешивание жидкости, а именно вихревые течения и микропотоки, влияние ультразвука на испарение жидкости за счет образования кавитационных пузырьков определяют при одновременном воздействии теплоты, давления, так и при воздействии каждого в отдельности, в том числе и ступенчатого изменения давления.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее в свой состав замкнутую емкость, содержащую съемный поддон для жидкости, механически связанный с пьезоэлектрическим излучателем, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, компрессор для нагнетания воздуха, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены вакуумный насос и баллон для подачи газа, соединенные с замкнутой емкостью трубопроводами с клапанами, и теплоэлектронагреватель для подогрева жидкости.