НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: Denisov_P.pdf (1080.35Кб)

УДК 629.7.085; 629.764.7	Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

Температурная подготовка компонентов ракетного топлива (КРТ) перед заправкой ими топливных баков изделий ракетно-космической техники  – одна из операций, реализуемых технологическим оборудованием наземных комплексов космодромов. Охлаждение высококипящих КРТ проводится для увеличения их плотности и создания запаса холода для компенсации нагрева в ходе проведения заправочных и последующих операций предстартовой  подготовки ракет космического назначения.

Рассматривается методика и результаты моделирования охлаждения КРТ в рекуперативном теплообменнике теплоносителем, в свою очередь охлаждаемым посредством барботажа жидким азотом. Система охлаждения состоит из двух рабочих емкостей (для охлаждаемого КРТ и теплоносителя),  контуров циркуляции КРТ и теплоносителя через теплообменник, а также системы охлаждения теплоносителя в емкости при барботаже жидким азотом. Введение промежуточного теплоносителя между КРТ и жидким азотом позволяет исключить кристаллизацию КРТ на охлажденных поверхностях теплообменника.

Моделирование работы таких систем необходимо для определения их основных проектных параметров, обеспечивающих эффективное охлаждение компонентов ракетного топлива, времени и количества жидкого азота, затрачиваемых на операцию. Создание математической модели является сложной задачей из-за необходимости учёта многих различных теплообменных процессов, протекающих при работе системы. Также, для определения влияния различных параметров на протекающие процессы необходимо учитывать зависимость всех параметров теплообмена друг от друга: коэффициентов теплоотдачи, коэффициентов теплопередачи, тепловых потоков и т.д.

Приведен обзор  зарубежных и российских публикаций из 10 наименований, посвященных отдельным вопросам и процессам, протекающим при охлаждении жидких сред, в том числе и КРТ, жидким азотом. Сделан вывод о необходимости определения условий охлаждения КРТ до требуемой температуры при наименьших затратах жидкого азота. Экспериментальные данные, приведенные в данных публикациях согласуются с результатами применения рассматриваемой модели и её составных частей.

В предложенном алгоритме расчетов математические модели разделены на три блока, между которыми предусмотрен обмен данными и промежуточными результатами. Отдельные блоки содержат модели теплопритоков в контурах циркуляции КРТ и теплоносителя, модели охлаждения-нагрева КРТ и теплоносителя в теплообменнике и модели теплообмена КРТ и теплоносителя в емкостях. При проведении вычислений учитываются изменения теплофизических свойств КРТ и теплоносителя от температуры, а также характеристики насосов. Модель теплопритоков от насосных установок включает в себя гидромеханический расчёт циркуляционного контура и расчёт величины теплового потока, выделяемого насосом. Модель работы теплообменника  основана на дифференциальных уравнениях стационарного теплообмена, где в качестве переменной выступает координата по длине теплообменника. Результаты работы этих двух моделей включаются в модель теплообмена горючего и теплоносителя в их емкостях, которая основана на дифференциальных уравнениях квазистационарного теплообмена.

Результатами моделирования являются интерполированные функции температур горючего и теплоносителя, а также металлических оболочек их емкостей. Анализируя эти графики можно вычислить показатели эффективности работы системы охлаждения: время охлаждения партии и относительные затраты жидкого азота (масса затраченного жидкого азота, отнесенная к массе охлаждаемой партии). Для рассматриваемого в качестве примера случая охлаждения порций 13260 кг и 3300 кг высококипящего окислителя при различных комбинациях параметров системы время охлаждения составляет 2,8…78,3 часов, а относительные затраты азота составили 0,178…0,322.

Сделан вывод о возможности использования разработанного методического аппарата для моделирования охлаждения ракетного топлива оборудованием наземных комплексов с применением жидкого азота и промежуточного теплоносителя для определения рациональных конструктивных и функциональных параметров оборудования системы, при которых  достигаются наименьшие затраты жидкого азота на проведение  охлаждения КРТ.

Список литературы

1. Золин А.В., Чугунков В.В. Методика анализа теплообменных процессов компонентов ракетного топлива при выполнении операции заправки топливных баков ракеты на стартовом комплексе // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2012. № 12. С. 8-12.
2. Золин А.В., Чугунков В.В. К выбору технического облика и рациональных параметров систем охлаждения и обезвоживания для хранилищ углеводородного горючего космодромов // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2012. Спец. вып. «Работы студентов и молодых ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана». С. 39-42.
3. Александров А.А., Золин А.В., Кобызев С.В., Чугунков В.В. Сравнительный анализ технологий обезвоживания ракетного топлива с применением азота для наземных комплексов космодромов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2013. № 1.С. 12-22.
4. Александров А.А., Денисов О.Е., Золин А.В., Чугунков В.В.. Охлаждение ракетного топлива стартовым оборудованием с применением жидкого азота // Известия ВУЗов Машиностроение. 2013. № 4. С. 24-29.
5. Комлев Д.Е., Соловьев В.И. Охлаждение нафтила методом криогенного барботажа // Новости техники. М.: КБТМ, 2004. С.137-141.
6. Домашенко А.М., Блинова И.Д. Исследования тепломассообмена при сбросе криогенных продуктов в воду // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. № 12. С. 17-19.
7. Wen D.S., Chen H.S., Ding Y.L., Dearman P. Liquid nitrogen injection into water: Pressure build-up and heat transfer // Cryogenics. 2006. Vol. 46, no. 10. P. 740-748. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2006.06.007
8. Золин А.В., Кобызев С.В., Чугунков В.В. Моделирование тепло- и массобменных процессов подготовки топлива к заправке ракет на стартовых комплексах: электронное учеб. издание. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 206 с.
9. Александров А.А., Гончаров Р.А., Игрицкий В.А., Чугунков В.В. Методика выбора рациональных режимов охлаждения углеводородного горючего стартовым оборудованием перед заправкой топливных баков ракеты – носителя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. № 1. С. 40-46.
10. Гончаров Р.А., Чугунков В.В. Определение параметров и режимов работы стартового оборудования по охлаждению углеводородного горючего перед заправкой в бортовые баки ракеты-носителя // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2012. Спец. вып. «Работы студентов и молодых ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана». С. 34-38.