Разработка методики расчета коэффициента теплоотдачи к газообразному метану в условиях его естественной конвекции

Язык труда и переводы:
УДК:
629.7.036
Дата публикации:
08 января 2022, 02:17
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Абдуллин Мансур Рустамович
КНИТУ-КАИ; ООО «Газжилсервис»
Аннотация:
На основе результатов экспериментальных исследований и анализа научно-технической литературы разработаны алгоритм и новая методика расчета коэффициента теплоотдачи к газообразному метану в условиях его естественной конвекции — без влияния и с влиянием электростатических полей. В докладе приводятся результаты экспериментальных исследований с газообразным метаном при его естественной конвекции — без влияния и с влиянием магнитных и электростатических полей.
Ключевые слова:
газообразный метан, сжиженный природный газ, электростатические поля, магнитные поля, естественная конвекция
Основной текст труда

На основе результатов экспериментальных исследований и анализа научно-технической литературы разработаны алгоритм и новая методика расчёта коэффициента теплоотдачи к газообразному метану в условиях его естественной конвекции – без влияния и с влиянием электростатических полей.

В связи с переводом наземной, авиационной и космической техники на метановое горючее [1–5], необходимо более глубоко исследовать и изучать особенности тепловых процессов в сжиженном природном газе (СПГ) (в метане), а также в его газообразном состоянии. Для изучения особенностей тепловых процессов газообразного метана были созданы экспериментальные установки и рабочие участки по его естественной и вынужденной конвекции, проведены всесторонние экспериментальные исследования.

В докладе приводятся результаты экспериментальных исследований с газообразным метаном при его естественной конвекции – без влияния и с влиянием магнитных и электростатических полей.

Результаты экспериментальных исследований показали, что [3–16]:

  • повышение давления в экспериментальной бомбе способствует увеличению коэффициента теплоотдачи к газообразному метану;
  • при повышенных температурах нагрева рабочих участков на металлических поверхностях из нержавеющей стали марки Х18Н10Т появляется слой углеродистого осадка светло-серого цвета и рыхлой структуры;
  • скорость осадкообразования в 10 раз меньше, чем в жидких углеводородных горючих и охладителях;
  • магнитные поля не влияют на тепловые процессы в газообразном метане;
  • электростатические поля, наоборот, оказывают существенное влияние на увеличение коэффициента теплоотдачи и на предотвращение осадкообразования.

Создана экспериментальная база данных о возможностях повышения коэффициента теплоотдачи к газообразному метану при его естественной конвекции — без применения и с применением электростатических полей.

При обработке результатов экспериментальных исследований был разработан алгоритм(и методики) расчета коэффициента теплоотдачи к газообразному метану без влияния и с влиянием электростатических полей, который состоит из следующих пунктов:

  1. Анализ термодинамического состояния газообразного метана при его естественной конвекции при различных температурах и давлениях.
  2. Расчёт температуры рабочей пластины в объеме экспериментальной установки и рабочего участка при различных давлениях.
  3. Построение рабочих графиков зависимости температуры от давления при различных плотностях теплового потока — без влияния и с влиянием электростатических полей.
  4. Анализ полученных графиков.
  5. Разработка формул расчета температуры в зависимости от давления припостоянных плотностях теплового потока — без влияния и с влиянием электростатических полей.
  6. Разработка формул расчета коэффициента теплоотдачи в зависимости от давления при постоянных плотностях теплового потока — без влияния и с влиянием электростатических полей.
  7. Оценка влияния электростатических полей на тепловые процессы.
  8. Сравнение полученных результатов расчета с формулами других авторов.

Данный алгоритм и методики позволят производить расчеты без проведения сложных и дорогостоящих экспериментальных исследований.

Применение данного алгоритма и методики расчета открывает возможность проектирования и создания новых форсунок, каналов, фильтров, баков различных летательных аппаратов повышенных характеристик — без использования электростатических полей и с полями.

Теоретически и экспериментально установлено [3–16], что при прохождении СПГ по каналам системы наружного регенеративного охлаждения жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и ЖРД многоразового использования (ЖРДМИ) происходит конверсия сжиженного метана, т. е. он превращается в газообразный метан. Но этот процесс происходит не в полном объеме, т. е. к форсункам горючего в ЖРД и ЖРДМИ поступает двухфазная смесь, состоящая из жидкой и газообразной фаз, из-за чего формируется неустойчивая и опасная работа двигателей.

Авторами доклада разработаны новые конструктивные схемы ЖРД и ЖРДМИ, в которых обеспечивается полная и эффективная предтопливная подготовка углеводородного горючего (метана) без применения и с применением электростатических полей для его сжигания в камере сгорания:

  • в газообразном и сжиженном состояниях одновременно;
  • в газообразном состоянии.

Доклад сопровождается новыми запатентованными схемами метановых ЖРД и ЖРДМИ.

Литература
  1. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей / под ред. В.П. Глушко. М.: Машиностроение, 1989. 464 с.
  2. Бакулин В.Н., Брещенко Е.М., Дубовкин Н.Ф. и др. Газовые топлива и их компоненты. Свойства, получение, применение, экология: справочник. М.: Издат. дом МЭИ, 2009. 614 с.
  3. Алтунин К.В., Абдуллин М.Р. и др. Исследование тепловых процессов в газообразном метане для создания перспективных двигателей и энергоустановок наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования // Труды 51-х чтений, посв. разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского. РАН. РАКЦ. Секция 2: Проблемы ракетной и космической техники. (Калуга, 20–22 сентября 2016 г.). РАН. РАКЦ. Казань: Изд-во Ка-занского университета, 2017. С. 169–177.
  4. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р., Платонов Е.Н., Яновская М.Л. Некоторые пути развития реактивных двигателей летательных аппаратов // Военмех. Вестник БГТ. 2019. № 55. С. 419–424.
  5. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Алиев И.Н., Абдуллин М.Р., Давлатов Н.Б., Платонов Е.Н., Яновская М.Л. Некоторые пути повышения эффективности жидких и газообразных углеводородных и азотосодержащих горючих для двигателей летательных аппаратов // Тепловые процессы в технике. 2019. Т. 11, № 10. С. 453–479.
  6. Алтунин В.А., Абдуллин М.Р., Шигапов Р.Р., Зырянов С.П., Яновская М.Л. Результаты экспериментальных исследований тепловых процессов в газообразном метане // Авиакосмические технологии (АКТ – 2019): тез. ХХ Междунар. науч.-техн. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. Воронеж: Элист, 2019. С. 13–14.
  7. Алтунин В.А., Абдуллин М.Р., Давлатов Н.Б., Шигапов Р.Р., Яновская М.Л. Исследование возможности интенсификации теплоотдачи к жидким и газообразным углеводородным и азотосодержащим горючим и охладителям // Сб. тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов «Авиационные двигатели и силовые установки». Секция 7: Авиационная химмотология (Москва, 28–30 мая 2019 г.). М.: Изд-во ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», 2019. С. 316–317.
  8. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р., Яновская М. Анализ результатов экспериментальных исследований газообразного метана в условиях его естественной конвекции // Тр. 54 Чтений, посв. разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского. Секция 2: Проблемы ракетной и космической техники. (Калуга, 17–18 сентября 2019 г.). РАН. РАКЦ. Казань: Изд-во Казанского ун-та, 2020. С. 83–93.
  9. Алтунин В.А., Абдуллин М.Р., Яновская М.Л. Особенности тепловых процессов в рубашке охлаждения метанового ЖРД // Тр. 12-й Общерос. молодеж. науч.-технич. конф. «Молодежь. Техника. Космос». (Санкт-Петербург, 23–25 апреля 2020 г.). Т. 1. СПб: БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2020. С. 18‒20.
  10. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р., Азина Ж.В., Чигарев М.Н., Алиев И.Н., Самедова З.А. Особенности применения электростатических полей в условиях естественной конвекции газообразного метана // Тр. 11-й Всерос. конф. «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 26–29 января 2021 г.). М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. Ч. 2. С. 135–139.
  11. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р., Чигарев М.Р., Алиев И.Н., Яновская М.Л. Экспериментальное исследование тепловых процессов в газообразном метане при его естественной конвекции // Инженерный журнал: наука и инновации. 2021. № 5 (113). DOI: 10.18698/2308-6033-2021-5-2080
  12. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р., Чигарев М.Р., Алиев И.Н., Яновская М.Л. Экспериментальное исследование влияния электростатических полей на тепловые процессы в газообразном метане при его естественной конвекции // Инженерный журнал: наука и инновации. 2021. № 6 (114). DOI: 10.18698/2308-6033-2021-6-2086
  13. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р., Чигарев М.Р., Алиев И.Н., Яновская М.Л. Методики расчета тепловых процессов в условиях естественной конвекции газообразного метана при влиянии электростатических полей // Инженерный журнал: наука и инновации. 2021. № 7 (115). DOI: 10.18698/2308-6033-2021-7-2094
  14. Абдуллин М.Р., Алтунин К.В., Чигарёв М.Р., Яновская М.Л., Алтунин В.А. (науч. рук.). Исследование возможности разработки конструктивных схем метановых жидкостных ракетных двигателей // 16-е Королёвские чтения: сб. матер. Междунар. молодеж. научн. конф., посв. 60-летию полета в космос Ю.А. Гагарина (5–7 октября 2021 г.). Секция 5: Теория, конструкция, надежность, прочность и технология производства двигателей летательных аппаратов. Самара: Изд-во Самарского ун-та, 2021. Т. 1. С. 189–190.
  15. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р., Чигарёв М.Р., Баданов Н.С., Яновская М.Л. Разработка конструктивных схем метановых жидкостных ракетных двигателей // Матер. докл. 56-х Науч. чтений «Циолковский и прогресс науки и техники в XXI веке». Секция 2: Проблемы ракетной и космической техники. Калуга: Эйдос, 2021. Ч. 1. С. 218–220.
  16. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р., Ефимов Д.Е. Некоторые пути совершенствования двигателей и энергоустановок марки «НК» на жидких и газообразных углеводородных горючих // Тез. докл. 20-й Междунар. конф. «Авиация и космонавтика» (Москва, 22–26 ноября 2021 г.). М.: Перо, 2021. С. 86–88.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.