Применение прямых силовых циклов на низкокипящих рабочих телах

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

Н-к 'СТ0

к

Для ее решения используются численные методы. В результате решения, с учетом начальных и граничных условий, получаем значения температур на посадочных местах ЭРИ.

Перегрев тепловыделяющих ЭРИ относительно их посадочных мест определяется исходя из установочных параметров ЭРИ по расчетной схеме, приведенной на рис. 2.

© Танасиенко Ф. В., Шевченко Ю. Н., 2013

УДК 658.26; 621.165.1

Т. А. Тасенко, И. О. Прокаев Научный руководитель - А. В. Делков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ПРИМЕНЕНИЕ ПРЯМЫХ СИЛОВЫХ ЦИКЛОВ НА НИЗКОКИПЯЩИХ

РАБОЧИХ ТЕЛАХ

Оцениваются проблемы и перспективы утилизации низкопотенциальных тепловых источников. Рассматриваются цикл работы установки паротурбинной установки на низкокипящем рабочем теле.

Тенденции роста цен на энергоносители и сокращение их запасов определяют необходимость поиска путей разработки и эффективного использования новых и альтернативных источников энергии. По результатам анализа отечественной и зарубежной литературы возможно выделить 4 типа источников тепла, являющихся перспективными для освоения и требующих разработки специфического подхода к их использованию в качестве энергетических ресурсов [1; 2]:

геотермальное тепло;

тепловая мощность солнечного излучения;

тепловые выбросы промышленности;

тепловые потоки от двигателей и бортовой аппаратуры транспортных систем, в том числе автомобилей, морского транспорта, космических аппаратов.

Особенность вышеприведенных источников - наличие отличной от окружающей среды температуры, которой, впрочем, не достаточно для организации традиционных паросиловых циклов на водяном паре. Температурный напор, - разница между температурой теплового источника и окружающей средой, - для этих источников лежит в диапазоне 60-200 °С. В литературе такие источники получили название низкопотенциальных.

Перспективными и наиболее распространенными методами трансформации тепловой энергии в механическую и электрическую являются паросиловые циклы на турбомашинах. Такие циклы функционируют по принципу переноса тепла от источника к области теплосброса с выработкой энергии. При указанных температурных напорах паросиловой цикл возможно осуществить только с помощью специфических рабочих тел - органических (этанол, фреон, изобутан и т. д.).

Актуальность исследования и разработки вышеприведенных энергетических ресурсов заключена в том, что, не смотря на их перспективность, до сих пор отсутствуют адекватные и оптимальные методы их использования. Инженерные разработки подобных паротурбинных установок (ПТУ) на органических

рабочих телах (ОРТ), представленные на мировом рынке (Turboden (Italy), Infinity Turbine LLC (USA)), имеют эффективный КПД в диапазоне 10-12 % и ограниченные диапазоны применения. Эффективных методов проектирования и оптимизации подобных установок еще не разработано.

Принципиальная структурная схема ПТУ на ОРТ (рис. 1) включает в себя следующие элементы:

1. Турбина - используется активная осевая турбина для превращения энергии рабочего тела в работу.

2. Циркуляционный насос - предназначен для повышения давления рабочего тела и подачи его в испаритель.

3. Испаритель - предназначен для передачи тепла от источника к рабочему телу.

4. Конденсатор - предназначен для передачи тепла рабочего тела источнику холода и перевода рабочего тела в жидкую фазу.

5. Электрогенератор.

Структурная схема установки и цикл работы

Принцип работы установки следующий. Рабочее тело получает тепло от источника в испарителе, за счет чего он испаряется и нагревается. После этого рабочее тело поступает на турбину, где расширяется с отводом энергии. Давление и температура рабочего тела при этом снижаются. Далее рабочее тело поступает в конденсатор, где конденсируется за счет взаи-

Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов»

модействия с источником холода. Жидкое рабочее тело сливается в ресивер, откуда отбирается циркуляционным насосом и подается в конденсатор.

На сегодняшний день это направление энергетики сдерживается отсутствием эффективных энергетических установок, позволяющих утилизировать тепловую энергию с низкотемпературными параметрами теплоносителя. Проблема эта связана со сложностью проведения проектировочных расчетов, - термодинамические параметры органических рабочих тел в установке меняются весьма существенно, определяя ее энергетические параметры. Очевидно также, оптимизацию установки в подобных условиях проводить затруднительно.

Между тем, любая установка представляется совокупностью ее элементов, функционирующих в заданных граничных и начальных условиях. При такой постановке становится возможным применить к энерго-

силовым установкам принципы системного математического моделирования, обозначив в качестве целевой функции оптимизацию конструкции и параметров цикла.

Библиографические ссылки

1. Brasz Joost J. Power Production from a Moderate - Temperature Geothermal Resource // Joost J. Brasz, Bruce P. Biederman, Gwen Holdmann. Paper presented at the Geothermal Resources Council Annual Meeting September 25-28th, 2005; Reno, NV, USA.

2. Sotirios Karellas, Andreas Schuster Supercritical Fluid Parameters in Organic Rankine Cycle Applications Int. J. of Thermodynamics Vol. 11 (No. 3), pp. 101-108, September 2008.

© Тасенко Т. А., Прокаев И. О., 2013

УДК 621.57

А. А. Ходенков, В. В. Мокеев Научный руководитель - А. А. Кишкин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ТЕПЛООБМЕНА В ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКАХ

Рассматриваются вопросы расчета характеристик теплообмена при двухфазном течении в аппаратах систем терморегулирования. Приводится описание экспериментальных исследований.

Современные темпы развития космических аппаратов, выводимых на орбиту для обеспечения связи и зондирования, обуславливают необходимость размещения на борту большого количества оборудования, работа которого характеризуется значительными тепловыделениями. Соответственно возникает необходимость применения эффективных систем терморегулирования, обеспечивающих отвод необходимого тепла при возможно меньших массо-габаритных параметрах [1].

Таким требованиям соответствуют двухфазные системы терморегулирования, например, в составе контурных тепловых труб, которые позволяют получить значительный массо-энергетический выигрыш по сравнению с системами, использующими только теплоемкостный механизм.

Эффективность двухфазного теплообменника определяется степенью интенсивности теплообмена и площадью распространения фазового перехода [2]. Оценка эффективности обычно производится на этапе проектировочного расчета. Однако в настоящее время вопрос достоверного расчета таких систем остается открытым. Это обусловлено особенностями работы двухфазных СТР:

-изменение свойств сред в зависимости от степени фазового перехода по длине канала (рис. 1);

-наличие различных режимов течения в трубах те-плообменного аппарата;

-изменение скорости, числа Рейнольдса и коэффициента теплоотдачи по длине фазового перехода.

а

7>

а

QJ

с (1'

Рис. 1. Картина течения с фазовым переходом в теплообменнике системы терморегулирования

В настоящем исследовании ставится задача унифицировать расчетный аппарат для создания универсальных алгоритмов, подходящих для произвольной системы СТР КА, позволяющих существенно повысить энергоэффективность и снизить массо-габаритные параметры. Первая часть исследования включает в себя моделирование движения двухфазного потока в трубах малых диаметров.

Для этих целей был спроектирован экспериментальный стенд, позволяющий снимать температуры, давления, массовые расходы, с возможностью визуализации движения двухфазного потока.

Была проведена серия экспериментальных исследований с целью определения длины фазового пере-