СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО КОМПОНЕНТА РАКЕТНОГО ТОПЛИВА В БАКАХ ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR SIMULATING PROCESS OF GASIFICATION OF LIQUID ROCKET FUEL COMPONENTS IN TANKS OF SPENT STAGE OF CARRIER ROCKET AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидких компонентов ракетного топлива (КРТ) в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет-носителей (РН) в условиях малой гравитации с использованием экспериментальных установок (ЭУ) в наземных условиях.
Известен способ моделирования процесса газификации (термохимическое обезвреживание), описанный на стр. 163-164 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.).
Для осуществления способа устройство представляет собой 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, газоанализатор, основанный на использовании катализатора.
Однако непосредственное использование этого способа и устройства для его реализации для несамовоспламеняющихся КРТ практически невозможно.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ моделирования процесса газификации, защищенный патентом РФ на изобретение №2461890, МПК G09B 23/00, опубл. 20.09.2012.
Способ предусматривает введение в ЭУ газовой струи (теплоносителя, далее ТН) с заданными параметрами, обеспечение заданных условий взаимодействия в зоне контакта газовой струи с поверхностью жидкого газифицируемого КРТ, проведение измерений температуры, давления в различных точках бака, выбор оптимальных параметров подаваемого ТН и условия его ввода выбирают из условия минимума критерия, например энергомассовые затраты, количество тепла, поданного в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, формирование заданных граничных условий, утилизацию тепловой энергии, находящейся в газифицированных продуктах, при этом в качестве модельной жидкости используют воду, керосин, ацетон, спиртовую смесь, а в качестве ТН используют воздух, пары воды.
Однако непосредственно использовать этот способ для моделирования термодинамического процесса газификации жидкости теплоносителями с близким химическим составом и физико-химическими параметрами к тем, что будут использоваться в реальном процессе, невозможно.
ср
м
На практике получение реального ТН связано со сжиганием реальных твердотопливных, жидкостных или гибридных газогенерирующих составов (ГГС), что должно осуществляться непосредственно в процессе газификации, но это практически не реализуемо из-за множества административных, технических и экономических препятствий, а именно, необходимости получения разрешения на работы с взрывчатыми веществами, их хранением, подготовкой соответствующего персонала, существенной модернизации стенда, помещения и т.д. С другой стороны, организация исследования процесса газификации даже в лабораториях, имеющих разрешение на работы с взрывчатыми веществами, связана со значительными затратами. Необходимость проведения многочисленных экспериментов, в том числе по отработке технологии газификации, при выборе оптимальных параметров ТН (температура, массовый секундный расход и углы ввода), различных граничных условий положения жидкости, времени на процесс газификации и т.д. приводит к тому, что число экспериментов может быть значительным, что соответствует большим затратам реальных ГГС, загрязнению окружающей среды. При проведении экспериментов вместо использования реального ТН предлагается использование синтезированного реального ТН, а для отработки всех процессов использовать модельный ТН.
Заявляемое техническое решение направлено на снижение затрат при проведении экспериментальных исследований, приближение условий проведения экспериментов к реальным, с возможностью использования экспериментальной базы не только в научных, но и в учебных целях.
ср
м
м
ЭУ
м
м
ср
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, включающем введение в ЭУ газовой струи с заданными параметрами, обеспечение заданных условий взаимодействия в зоне контакта газовой струи с поверхностью жидкого газифицируемого КРТ, проведение измерений температуры, давления в различных точках бака, согласно заявляемому изобретению общий процесс моделирования разбивают на два этапа, при этом на первом этапе осуществляют сжигание реальных ГГС для газификации данного КРТ, например керосина, определяют химический состав и физико-химические параметры реального ТН, а затем определяют химический состав и физико-химические параметры модельного ТН, например, на основе смесей воздуха, азота, монооксида и диоксида углерода, воды для отработки процесса газификации КРТ в ЭУ, на втором этапе нагревают ТН до заданной температуры Т, выбранной из условия теории подобия и достижимой для данной ЭУ, направляют в ЭУ, отрабатывают схемы подачи ТН, схемы размещения испаряемой жидкости в ЭУ, систему измерения (датчики влажности, скорости потока ТН), определяют коэффициенты тепло и массоотдачи и, после получения достоверных результатов, формируют ТН путем смешения газов из автономных баллонов в соответствии с концентрацией, определенной на первом этапе, нагревают до температуры, реализуемой ЭУ, подают в ЭУ и определяют коэффициенты тепло- и массоотдачи, состав продуктов газификации по времени.
Выбор реальных ГГС осуществляют из условий максимальной эффективности бортовой системы газификации невырабатываемых остатков КРТ, устанавливаемой на борту ОЧ, например, с использованием критерия минимальной массы ГГС,
Минимальное количество модельного теплоносителя  для подачи заданного количества теплоты в ЭУ, требуемого для испарения заданной массы КРТ, определяют из условия:
где
0
ср
Q - тепло, выделяемое газообразными продуктами при сжигании реальных ГГС массой 1 кг и при охлаждении ТН, от начальной температуры до температуры газификации КРТ, например керосина,
1
м
ЭУ
Q - тепло, получаемое при охлаждении ТН  от температуры, получаемой в нагревателе Т, до температуры, при которой происходит газификация КРТ, например керосина,
ср
- количество ТН, необходимого для испарения заданной массы КРТ, с использованием реального ГГС.
м
ср
ЭУ
ЭУ
Перед подачей ТН (ТН или ТН) с температуры Т в ЭУ, предварительно проводят прогрев соединительной и запорной арматуры горячим воздухом для снижения затрат ТН на нагрев до температуры Т.
м
ср
ЭУ
Перед подачей ТН (ТН или ТН) с температурой Т в ЭУ предварительно заполняют ЭУ газом гелием, имитирующим наддув бака, до заданного давления.
ср
м
Технический результат в части устройства достигается за счет того, что в устройство, включающее в свой состав ЭУ, содержащую поддон для жидкого КРТ, систему подачи газового потока, датчики температуры, давления и расхода, дренажный трубопровод с дренажно-предохранительным клапаном, утилизатор, газоанализатор, компрессор, ресивер, теплоэлектронагреватель, теплообменник, последовательно соединенные с помощью арматуры с теплоизолирующим покрытием, дополнительно вводят баллоны, содержащие химически устойчивые газообразные составляющие продуктов сгорания реальных ГГС - ТН и модельный ТН,соединенные через регулируемые клапаны с коллектором, соединенным с нагревателем, датчики влажности и скорости потока ТН.
Предложенное техническое решение осуществляется следующим образом.
Общий процесс моделирования газификации разбивают на два этапа, которые реализуются на экспериментальных стендах (ЭС), территориально размещенных в разных местах.
На первом этапе осуществляют:
Р
1) сжигание реальных ГГС для газификации КРТ, определение химического состава и физико-химических параметров продуктов сгорания ТН.
Выбор реальных ГГС для использования в экспериментальных исследованиях осуществляют из условий эффективности бортовой системы газификации невырабатываемых остатков КРТ, устанавливаемой на борту ОЧ, например минимальной массы (см., например: Трушляков В.И., Лемперт Д.Б., Белькова М.Е. Исследование возможности испарения остатков жидкого топлива в баках ступеней ракет // Омский научный вестник. - 2014, №2(130), с. 52-57, где приведены различные ГГС и рекомендации по их выбору);
м
2) определяют возможный химический состав и физико-химические параметры модельного теплоносителя ТН для отработки процесса газификации, например керосина в ЭУ, например, на основе смесей воздуха, азота, монооксида и диоксида углерода, паров воды.
м
м
м
м
Химический состав модельного ТН выбирается из условий доступности, стоимости, возможности определения его концентрации в продуктах газификации существующим приборным составом, например, при использовании в качестве ТМ воздуха, азота, а в качестве модельной жидкости - воды, выделение в составе продуктов газификации процентного содержания воды, ТН и газа наддува (воздух) - невозможно, т.к. наличие воды будет присутствовать в Т и газе наддува.
На втором этапе осуществляют:
м
ЭУ
м
м
1) предварительный прогрев соединительной и запорной арматуры, заполнение гелием ЭУ до заданного давления, подачу нагретого ТН до температуры Т в ЭУ, отрабатывают схемы подачи ТН, схемы размещения испаряемого КРТ в ЭУ, систему измерения, после получения достоверных результатов, ТН, а необходимое количество  для подачи заданного количества тепла в ЭУ, необходимой для испарения заданной массы КРТ, определяют из условия (1).
6
7,41
2,58
10
f
кр
f
0
Например, при сгорании пороха СНNО (энтальпия образования ΔH°=-600 kJ/kg) при давлении 2 атм температура горения Т=3074 K. При его охлаждении до температуры Т=570 K (300°С) энтальпия образования продуктов сгорания составит ΔH°=-7430 kJ/kg. Следовательно, выделилось тепло в количестве Q=6830 kJ/kg.
1
Аналогичный расчет для азота показывает, что будучи нагретым до 1270 K (1000°С), а затем охлажденным до 570 K (300°С), в процессе охлаждения от 1270 до 570 K выделится тепло ΔQ=800 kJ/kg.
В результате расчета по (1) получаем, что при охлаждении 6830/800=8.53 кг азота от 1000°С до тех же 300°С, в ЭУ поступит такое же количество тепла, как и при сгорании 1 кг пороха, с последующим охлаждением продуктов его сгорания до 300°С.
Таким образом, определив количество тепла, которое нужно для испарения заданного количества КРТ, и потребное количество реального ГГС , по (1) можно определить количество . При расчете потребного количества тепла необходимо учитывать все тепловые потери;
ср
ср
ЭУ
2) формируют реальный ТН путем смешения газов из автономных баллонов в соответствии с концентрациями, определенными на первом этапе, нагревают ТН до температуры Т и подают в ЭУ. Затем определяют коэффициенты тепло- и массоотдачи, изменение состава продуктов газификации во времени.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена пневмогидравлическая схема экспериментального стенда.
м
ср
В ЭУ 1 вводят струю ТН (ТН или ТН) с заданными параметрами (химический состав, расход, давление и температура), определенными заранее. Для этого производят запуск экспериментального стенда (фиг. 1).
м
ср
ЭУ
ЭУ
Перед подачей ТН (ТН или ТН) с температурой Т в ЭУ, предварительно проводят прогрев соединительной и запорной арматуры горячим воздухом для снижения затрат ТН на нагрев до температуры Т.
Для этого предварительно закрываются все вентили, кроме вентилей 2-4, и включаются все электроприборы и оборудование. Воздух нагнетается компрессором 5 через вентили 2-4 и заполняет ресивер, состоящий из двух баллонов 6.
После достижения в ресивере 6 определенного давления (до 10-16 атм), измеряемого с помощью манометра 7, открываются последовательно вентили 8 и 9 и воздух попадает во влагоотделитель 10. Далее, проходя через систему фильтрации 11, которая представляет собой блок фильтров, и предохранительный пневмоклапан 12 с датчиком давления, по которому устанавливается рабочее давление, воздух поступает в нагреватель 13, который регулируется с помощью трансформатора 14.
В нагревателе воздух достигает заранее заданной температуры и через вентиль 15 и 16 сбрасывается через теплообменник 17 в выхлопной патрубок (утилизатор), при этом происходит прогрев соединительной и запорной арматуры до температуры, определяемой по датчику температуры 18.
После прогрева соединительной и запорной арматуры компрессор 5 выключается, вентили 2-4, 8-9 закрываются, открывается вентиль 19 и ЭУ 1 заполняется газом гелием из баллона 20 до заданного давления, определяемого по датчику давления 21.
м
Осуществляется подача ТН в ЭУ 1 из баллона 22 через дренажно-предохранительный клапан 23, редуктор 24, дроссель 25 и нагреватель 13.
м
Отрабатывают схемы подачи ТН, схемы размещения испаряемого КРТ в ЭУ, систему измерения.
ср
Р
ср
ср
Осуществляется подача ТН в ЭУ 1. Для этого открываются вентили 26 и газы из баллонов 27 через дренажно-предохранительные клапаны 28, редукторы 29 и дроссели 30 поступают в коллектор 31, в котором смешиваются. Количество баллонов 27 зависит от количества компонентов, необходимых для моделирования реального ТН. Необходимое соотношение компонентов задается с помощью редукторов 29 и дросселей 30. Полученный ТН через вентиль 32 по нагретой соединительной и запорной арматуре поступает в нагреватель 13, который регулируется с помощью трансформатора 14. Расход ТН определяется расходомером 33, а температура на входе в ЭУ датчиком температуры 18.
Расход теплоносителя, величина которого определена задачами и условиями проведения эксперимента, задают расходомером 33.
р
ТН поступает в ЭУ, выходные параметры газифицированной жидкости контролируют датчиками температуры 31 и давления 21.
С использованием мобильных датчиков температуры 34, скорости потока ТН 35 и влажности воздуха в ЭУ 36 определяют параметры процесса газификации жидкости.
Предохранительный пневмоклапан 37 обеспечивает надежность систем ЭУ (по величине избыточного давления). По выхлопному трубопроводу газифицированные продукты, проходя через теплообменник, поступают в утилизатор.