НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o237.pdf (1202.63Кб)

УДК 533.2

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2 НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

В работе представлены возможные области применения бинарных смесей инертных газов с малым значением числа Прандтля. Показано, что эти смеси целесообразно применять в качестве рабочих тел для замкнутых газотурбинных установок, термоакустических устройствах и устройстве газодинамической температурной стратификации (трубе Леонтьева). В результате анализа ппродемонстрировано, что наиболее перспективными могут быть бинарные смеси He-Ar, He-Kr, He-Xe. Проанализированы результаты расчетов значений коэффициента динамической вязкости, коэффициента теплопроводности и теплоемкости при постоянном давлении для данных смесей в зависимости от молекулярной массы смеси для давлений 2 МПа и 7 МПа и температуре 400 К и 1200 К. По имеющимся в открытых источниках данным экспериментальных и численных исследований сторонних авторов выполнена верификация результатов расчета. Показано, что для теплоемкости при постоянном давлении во всем диапазоне параметров наблюдается хорошее совпадение результатов расчетов с данными верификации. При расчете значений коэффициента динамической вязкости при всех рассматриваемых температурах и давлениях используемая методика дает хорошие результаты для смесей He-Ar и He-Kr на всем интервале молекулярных масс смесей, практически не отличающиеся от верифицированных западных методик. Для He-Xe смеси при высоком давлении и низкой температуре расхождение достигает 25 % для состава, близкого к чистому Xe. Для остальных параметров расхождение не превышает 10%. При расчете коэффициента теплопроводности для смесей He-Ar и He-Kr наблюдается хорошее совпадение во всем диапазоне параметров, а для смеси He-Xe вблизи молекулярной массы смеси  60 г/моль при рассматриваемых давлениях занижение результатов расчета достигает 30 % для при температуре 1200 К и до 20 % при температуре 400 К. Показано, что занижение значений коэффициента теплопроводности для He-Xe смеси с увеличением температуры для всех молекулярных масс может частично скомпенсировать занижение значений коэффициента динамической вязкости, и суммарная погрешность расчета значения числа Прандтля в рабочем диапазоне параметров оказывается в пределах 15%.

1. Mason L.S., Shaltens R.K., Dolce J.L., Cataldo R.L. Status of Brayton cycle power conversion development at NASA GRC // Space Technology and Applications International Forum (2002): AIP Conference Proceedings. 2002. Vol . 608. P . 965-971. DOI:10.1063/1.1449813
2. Арбеков А.Н., Леонтьев А.И. Развитие космических газотурбинных установок в работах В.Л. Самсонова // Труды МАИ. Электрон. журн. 2011. № 43. Режим доступа: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=24713 (дата обращения 07.07.2015).
3. Tijani M.E.H., Zeegers J.C.H., de Waele A.T.A.M. Prandtl number and thermoacoustic refrigerators // The Journal of the Acoustical Society of America. 2002. Vol. 112, no. 1. P. 134-143. DOI:10.1121/1.1489451
4. Gaicobbe F.W. Estimation of Prandtl numbers in binary mixtures of helium and other noble gases // The Journal of the Acoustical Society of America. 1994. Vol . 96 , no. 6. P . 3568-3580.10.1121/1.410615
5. Леонтьев А.И. Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления (труба Леонтьева): пат. 2106581 Российская Федерация. 1998. Бюл. №7. 5  с .
6. Леонтьев А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков // Теплофизика высоких температур. 1997. Т . 35, № 1. С . 157-159.
7. Bammert K., Rurik J., Griepentrog H. Highlights and future developments of closed-cycle gas turbines // Journal of Engineering for Power. 1974. Vol. 96, no. 4. P. 342-348. DOI: 10.1115/1.3445856
8. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки последовательной схемы // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/359008.html (дата обращения 07.07.2015).
9. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки параллельной схемы // Тепловые процессы в технике. 2012. Т . 4, № 7. С . 326-331.
10. Арбеков А.Н. Выбор рабочего тела для замкнутых газотурбинных установок мощностью от 6 до 12 кВт, работающих на органическом топливе // Теплофизика высоких температур. 2014. Т . 52, № 1. С . 131-135. DOI: 10.7868/S0040364414010013
11. Tournier J. -M., El-Genk M.S., Gallo B.M. Best estimates of Binary Gas Mixtures Properties for Closed Brayton Cycle Space Application // 4^th International Energy Conversion Engineering Conference (San Diego, California, 26-29 June 2006): AIAA Paper, 2006. P. 4154-4167.
12. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей // Наука и образование. МГТУ им . Н . Э . Баумана . Электрон . журн . 2014. № 5. С . 314-329. DOI:10.7463/0514.0710811
13. Арбеков А.Н., Новицкий Б.Б. Экспериментальное исследование характеристик ступени малоразмерного центробежного компрессора // Наука и образование. МГТУ им . Н . Э . Баумана . Электрон . журн . 2012. № 8. С . 491-504. DOI:10.7463/0812.0432308
14. El-Genk M.S., Tournier J-M. Selection of noble gas binary mixtures for Brayton space nuclear power systems // 4^th international Energy Conversion Engineering Conference (San Diego, California, 26-29 June 2006): AIAA Paper, 2006. P . 4168-4176. DOI: 10.2514/6.2006-4168
15. Арбеков А.Н., Суровцев И.Г., Дермер П.Б. Эффективность теплопередачи в рекуперативных теплообменниках с высокоскоростными газовыми потоками при низких числах Прандтля // Теплофизика высоких температур. 2014. Т . 52, № 3. С . 463-468. DOI: 10.7868/S004036441403003X
16. Harty R., Mason L.S. 100-kWe lunar/Mars Surface Power Utilizing the SP-100 Reactor with Dynamic Conversion // Proceedings of the 10^th Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion: AIP Conference proceedings. 1993. Vol. 271. P. 1065-1071. DOI:10.1063/1.43087
17. Kilstra J.F., Verkooijen A.H.M. Conceptual Design for the Energy Conversion System of a Nuclear Gas Turbine Cogeneration Plant // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A: Journal of Power and Energy. 2000. Vol .   214, no .   5. P .   401-411. DOI: 10.1243/0957650001537967
18. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Температурная стратификация в сверхзвуковом потоке газа // Известия АН. Энергетика. 2000. № 5. С. 101-113.
19. Бурцев С.А. Исследование путей повышения эффективности газодинамического энергоразделения // Теплофизика высоких температур. 2014. Т . 52, № 1. С . 14-21. DOI: 10.7868/S0040364414010062
20. Бурцев С.А. Методика расчета устройств газодинамической температурной стратификации при течении реального газа // Тепловые процессы в технике. 2013. № 9. С. 386-390.
21. Бурцев С.А. Анализ влияния различных факторов на значение коэффициента восстановления температуры на поверхности тел при обтекании потоком воздуха. Обзор // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 11. DOI:10.7463/1104.0551021
22. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование температурной стратификации воздушного потока, протекающего через сверхзвуковой канал, с центральным телом в виде пористой проницаемой трубки // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2013. № 5. С. 134-145.
23. Бурцев С.А. Исследование температурного разделения в потоках сжимаемого газа: дис. ... канд. техн. наук. М., 2001. 124   с.
24. Волчков Э.П., Макаров М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковом потоке // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 2. С. 19-31.
25. Здитовец А.Г., Титов А.А. Влияние формы поверхности теплоизолированного стержня, омываемого сверхзвуковым потоком, на коэффициент восстановления температуры // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 2. С. 111-117.
26. Бурцев С.А., Васильев В.К., Виноградов Ю.А., Киселёв Н.А., Титов А.А. Экспериментальное исследование характеристик поверхностей, покрытых регулярным рельефом // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 1. С. 263-290. DOI: 10.7463/0113.0532996
27. Кочуров Д.С. Исследование транспортных и теплофизических свойств бинарных смесей инертных газов с использованием автоматизированной системы расчета Tetra // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 2. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/708327.html (дата обращения: 07.07.2015).
28. Diaz G., Campo A. Artificial neural networks to correlate in-tube turbulent forced convection of binary gas mixtures // International Journal of Thermal Sciences. 2009. Vol. 48, iss. 7. P. 1392-1397.
29. Jean-Michel P. Tournier, Mohamed S. El-Genk. Properties of noble gases and binary mixtures for closed Brayton Cycle applications // Energy Conversion and Management. 2008. Vol. 49. P. 469-492.
30. Mohamed S. El-Genk, Jean-Michel Tournier Noble-Gas Binary Mixtures for Closed-Brayton-Cycle Space Reactor Power Systems // Journal of Propulsion and Power. 2007. Vol. 23, no. 4. P. 863-873. DOI: 10.2514/1.27664
31. Picket P.E., Taylor M.F., McEligot D.M. Heated turbulent flow of helium-argon mixtures in tubes // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1979. Vol. 22. P. 705-719.
32. Bammert K., Klein R. The influence of He-Ne, He-N₂ and He-CO₂gas mixtures on closed cycle gas turbines // ASME reference paper 74-GT-124. 1974. P . 1-8.
33. Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М., Титов А.А., Медвецкая Н.В. Экспериментальное исследование особенностей теплообмена при вдуве гелия через проницаемую поверхность в сверхзвуковой поток аргона // Тепловые процессы в технике. 2012. № 6. С . 253-261.
34. Melissa A. Haire, David D. Vargo. Review of helium and xenon pure component and mixture transport properties and recommendation of estimating approach for Project Prometheus (viscosity and thermal conductivity) // Space Technology and Applications International Forum (2007): AIP Conference proceedings, 2007. Vol. 880. P. 559-570. DOI: 10.1063/1.2437494
35. Paul K. Johnson. A method for calculating viscosity and thermal conductivity of a helium-xenon gas mixture. Final contractor report. NASA Center for AeroSpace Information. 2006. 19 p.
36. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей: пер. с англ. / под ред. Е.В. Ступоченко. М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. 931 с. [ Hirshfelder J . O ., Curtiss Ch . F ., Bird R . B . Molecular theory of gases and liquids . New York: John Wiley and Sons, 1954. London: Chapman and Hall, 1954.].
37. Исаев С.И., Миронов Б.М., Никитин В.М., Хвостов В.И. Основы термодинамики, газовой динамики и теплопередачи / под ред. В.И. Хвостова. М.: Машиностроение. 1968. 275 с.
38. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1972. 720 с.
39. Рабинович В.А., Вассерман А.А., Недоступ В.Н., Векслер Л.С. Теплофизические свойства неона, аргона, криптона и ксенона / под ред. В.А. Рабиновича. М.: Изд - во стандартов, 1976. 636 с .