К вопросу оценки теплообмена в двухфазных потоках

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-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

хода и коэффициентов теплоотдачи. Для проведения этой серии экспериментов собрана холодильная установка, работающая по обратному циклу Карно с необходимым диаметром труб (5-10 мм), размещенная в климатической камере объемом 10 м3.

Рис. 2. Температурное поле двухфазного теплообменника

На основе проведенных экспериментов по температурному полю (рис. 2) двухфазного теплообменника можно определить длину фазового перехода без разрыва первого рода.

Обработка экспериментальных данных будет служить основой верификации алгоритма расчета и проектирования системы терморегулирования космических аппаратов. На основе алгоритма планируется создать эффективный инструмент оптимизации подобных систем.

Библиографические ссылки

1. Гущин В. Н. Системы терморегулирования // Основы устройства космических аппаратов : учебник для вузов. М. : Машиностроение, 2003. С. 197-216.

2. Данилова Г. Н., Богданов С. Н., Иванов О. П. и др. Теплообменные аппараты холодильных установок / под ред. Г. Н. Даниловой. 2-е изд., перераб. и доп. Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. 303 с.: ил.

© Ходенков А. А., Мокеев В. В., 2013

УДК 658.26; 621.165.1

Д. В. Чикирда, Н. И. Степанов, Т. А. Тасенко, А. А. Ходенков

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

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА ОРГАНИЧЕСКИХ РАБОЧИХ ТЕЛАХ

Рассматриваются вопросы моделирования рабочего процесса паротурбинной установки на органическом рабочем теле. Приводится цикл работы установки и его термодинамический анализ. Представлены методы расчета и проектирования подобных установок. Описывается экспериментальная установка.

В настоящее время все большее значение приобретают паросиловые циклы на органических рабочих телах (ОРТ) - фреоне, аммиаке, этаноле, изобутане и т. д. Такие циклы получили название Organic Rankine Cycle (ORC) [1]. С помощью таких циклов возможно использование низкопотенциальных тепловых источников в производстве механической и электрической энергии.

На сегодняшний день это направление энергетики сдерживается отсутствием эффективных методов расчета и проектирования паротурбинных установок (ПТУ), позволяющих утилизировать тепловую энергию с низкотемпературными параметрами теплоносителя. Такие методы возможно разработать с применением математического моделирования тепловых технических систем [2].

Авторами была разработана математическая модель ПТУ ОРТ, был составлен алгоритм расчета и проведены численные исследования рабочих режимов установки и энергетического баланса турбины. Алгоритм расчета характеризуется следующими параметрами. Исходные данные: температура нагревателя, температура холодильника, геометрия рабочих элементов (профиль соплового аппарата, площадь теплообмена испарителя и конденсатора, диаметр колеса турбины и т.д.). Рассчитываемые параметры: массо-

вый расход рабочего тела, адиабатная мощность турбины, потери в турбине, термодинамические параметры рабочего тела на входе и на выходе из турбины, скорости рабочего тела в проточной части турбины, потребная мощность насоса, КПД турбины.

Результаты расчета баланса турбины по модели приведены на рис. 1.

Мощьость Вт

7000 -1—

5000 6300 6600 6900 7100 7300 7Б00 оКмин

Обороты насоса Рис. 1. Баланс мощностей турбины

Установлена тенденция увеличения КПД с наращиванием адиабатной мощности турбины. Это связано с перестройкой треугольников скоростей и уменьшением потерь с выходной скоростью. Оптимальны-