СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО КОМПОНЕНТА РАКЕТНОГО ТОПЛИВА В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO MODEL PROCESS OF PROPELLANT LIQUID COMPONENT REMAINS GASIFICATION UNDER LOW PRESSURE AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет-носителей (РН) в условиях малой гравитации с использованием экспериментальных модельных установок в земных условиях, а также при натурных пусках РН с системами газификации.
Известно устройство, реализующее способ для удаления влаги в вакууме, защищенное патентом РФ на изобретение №2338979, содержащее камеру испарителя, снабженную рабочими телами и размещенную в ячейке с двумя осями вращения, конденсатор, сборник конденсата и насос.
Изобретение относится к аппаратам пищевой промышленности, а именно к оборудованию для концентрирования жидких и получения сухих пищевых продуктов путем их выпаривания и сушки в вакууме.
Данное устройство функционально предназначено для реализации способа испарения (газификации) жидкости в условиях высокого вакуума. Условия высокого вакуума созданы для интенсификации процессов выпаривания и сушки пищевых продуктов.
Однако данное устройство имеет ограниченные функциональные возможности применительно к ракетно-космической технике.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и устройству для его осуществления является способ моделирования процесса газификации (термохимического обезвреживания), описанный на стр.163-174 в кн.1 «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.
Способ включает моделирование поступления в газовую фазу окислителя (с заданными параметрами в виде струи из форсунки: формы и степени распыления, длины струи, перепада давления на форсунке), обеспечение условий взаимодействия в зоне контакта струи с поверхностью горючего.
Устройство для осуществления способа представляет собой экспериментальную установку (ЭУ), в виде модельного бака, который состоит из обечайки, сферического днища, и содержит поддон с двумя вваренными стаканами, температурные датчики, заправочно-сливную арматуру, датчики давления, дренажный трубопровод, расходомер, весоизмерительное устройство, утилизатор.
Непосредственное использование этого способа и устройства для его осуществления, основанных на получении теплоносителя (ТН) путем использования термохимической реакции взаимодействия самовоспламеняющихся компонентов ракетного топлива (КРТ), которые, как правило, токсичны, для термодинамического (а не термохимического процесса) процесса газификации других КРТ, например, керосина, возможно, однако, скорость газификации жидкого КРТ невысока, регулирование процесса зажигания смеси, управление процессом получения заданного количества тепла для газификации жидкости ограничено по функциональности и значительно отдалено от реальных условий, например, присутствие атмосферного давления, что, в свою очередь, увеличивает диапазон достоверных результатов. Это ограничивает универсальность этого способа для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ, в том числе и для учебных заведений при исследовании процессов газификации различных жидкостей, т.к. требует дорогостоящего оборудования, специализированных стендов и аттестованного персонала для работы с взрывоопасными, токсичными КРТ.
Заявляемое техническое решение направлено на решение ряда задач: повышение экономичности путем интенсификация процесса газификации жидких КРТ, расширение функциональных возможностей способа и устройства для его осуществления, возможность проведения концептуально новых экспериментов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, основанном на введении в ЭУ ТН, обеспечении условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого газифицируемого КРТ, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭУ, согласно заявляемому изобретению, перед подачей теплоносителя осуществляют понижение давления в ЭУ (до 0,01 МПа) через управляемый электропневмоклапан.
Величину пониженного давления процесса газификации определяют из условия минимизации критериев процесса газификации, например, время, энергомассовые затраты и количество теплоты:
- энергомассовые затраты:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>W</mi><mi>M</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mi>W</mi><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>T</mi><mi>H</mi></mrow><mo>∑</mo></msubsup></mrow>
,
i
где c - весовые коэффициенты, определяются в зависимости от степени важности составляющих, и выбираются традиционными методами, например, задач многокритериальной оптимизации,
W - затраченное количество киловатт-часов на работу компрессора, теплового электрического нагревателя и всех электроприборов, кВт/час,
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mrow><mi>T</mi><mi>H</mi></mrow><mo>∑</mo></msubsup></mrow>
- масса ТН, кг;
- количество поданной теплоты в бак:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mo>∑</mo></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>T</mi><mi>H</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>T</mi><mi>H</mi></mrow></msub><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
TH
где i - энтальпия ТН.
В качестве газа наддува используется гелий с параметрами избыточного давления до 0,3 МПа со сбросом до 0,01 МПа абсолютного.
В качестве ТН используется, например, азот при этом секундный расход обеспечивается путем регулирования вакуумного насоса.
Процентное содержание газифицированных продуктов определяют исключением из показаний газоанализатора состава теплоносителя и газа наддува.
Технический результат в части устройства достигается тем, что устройство для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, включающее в свой состав экспериментальную установку в виде модельного бака, содержащего поддон для жидкого компонента ракетного топлива, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, согласно заявляемому изобретению, ЭУ имеет в своем составе вакуумную камеру, для создания пониженного абсолютного давления до 0,01 МПа, с управляемым электропневмоклапаном и газоанализатор для определения процентного содержания газифицированных КРТ.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где
на фиг.1 изображена пневматическая схема ЭУ.
Предложенный способ моделирования процессов газификации осуществляется следующим образом:
над
1. ЭУ 3 помещают в вакуумную камеру (ВК) 1, соединенную с вакуумным насосом (ВН) 2. Давление газа наддува (гелия) в ЭУ 3 р равно 1 атм.
ЭУ 3 с залитой модельной жидкостью 4 соединена через гермоввод 5 и запорный клапан 6 с системой подачи теплоносителя (ТН) 7. В начальный момент запорный клапан 6 закрыт.
вк
вк
2. В ВК 1 с помощью ВН 2 создают исходное давление р диапазоне (1,0-0,01) атм. Величина исходного давления р варьируется в соответствии с программой экспериментов.
над
3. С помощью управляемого электропневмоклапана (дренажного клапана (УДК) 8, установленного на ЭУ 3, осуществляют понижение давления газа надува р из ЭУ 3, в ВК 1.
над
над1
1
1
2
2
В результате понижения начального давления наддува р=1 атм из ЭУ 3 в ВК 1 в ЭУ 3 устанавливают давление р, которое определяется из соотношения: pV=pV.
В результате сброса газа надува из ЭУ 3 в ВК 1 с пониженным давлением (0,1-0,01 МПа), которое выбирается из начальных условий эксперимента, происходит вскипание модельной жидкости, что в результате приведет к уменьшению энергии для подготовки ТН.
над1
4. После установления давления в ЭУ 3 и ВК 1 равного р, открывается запорный клапан 6 и в ЭУ 3 подается ТН, например азот, из системы подготовки ТН 7. ТН подается через газоструйный излучатель.
Параметры ТН и газоструйного излучателя определяют из условия минимизации критериев процесса газификации: время, энергомассовые затраты и количество теплоты.
Химический состав ТН, газа наддува и жидкости выбирают из условия возможности выявления их процентного содержания в газифицированных продуктах.
Процентное содержание газифицированных продуктов определяют исключением из показаний газоанализатора состава теплоносителя и газа наддува.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
5. В качестве ТН может быть взят, например, подогретый азот с заданной температурой из диапазона (
,
), обеспечиваемой системой подготовки 7, подаваемый с заданным массовым секундным расходом. Использование азота в качестве ТН, а в качестве газа наддува, например, гелия позволит определять состав газифицированных продуктов, посредством установленного газоанализатора.
6. Одновременно с подачей ТН в ЭУ 3 осуществляется откачка газов (азот, гелий, пары жидкости) из ВК 1 с помощью ВН 2.
Производительность ВН 2 равна скорости массового секундного поступления ТН, которая регулируется с помощью установленного перед насосом регулируемого дросселя.
Измеряемые параметры: давление, температура в разных точках ЭУ 3 и ВК 1, время процесса газификации, влажность, состав продуктов газификации.
Эффект предлагаемого способа и устройства для его осуществления заключается в возможности:
- получения значительного объема новых экспериментальных данных для исследования механизмов воздействия ультразвукового излучений на процесс газификации в условиях пониженного давления;
- повышение эффективности систем снижения техногенного воздействия ракетных средств выведения с жидкостными ракетными двигателями, за счет выбора оптимального состава и параметров системы газификации.
- исследования фундаментальной проблемы физики фазовых переходов жидкостей, процессов тепло- и массообмена в условиях пониженного давления (1,0-0,1 атм.), вскипания с учетом неопределенности граничных условий жидкости, испарения при подаче ТН и акустического воздействия.