Диссертация (1024982), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Рис. 5.1, а иллюстрирует поперечное сечение трубопровода с теплоизолирующей наружной оболочкой 1 и несущей трубой 2, полость 3 которойзаполнена газом-теплоносителем.Рис. 5.1, б схематично отражает расположение экранов ЭВТИ, где —порядковый номер экрана, а индексы и обозначают соответственно внутреннюю и наружную поверхности -го цилиндрического экрана. За экран сномером = 0 принята внешняя поверхность несущей трубы.В основе модели лежит система уравнений, каждое из которых описывает поток энергииот -го к ( + 1)-му экрану с учетом как радиационной, так и кондуктивной112составляющих [101]:1, ( )+,+1,1(︁1+1, (+1 )−14)︁ , (4 − +1) + gas + pad == , , ( )4 , = 0, − 1, (5.1)где , и , ( ), , и , ( ) — площадь и коэффициент черноты внутреннейи наружной поверхности -го экрана соответственно; — температура -гоэкрана; — постоянная Стефана-Больцмана; gas — составляющая тепловогопотока, обусловленная теплопроводностью остаточного газа между экранами;pad — составляющая теплового потока, связанная с теплопередачей посредством конусообразных выступов или иных специальных разделительных прокладок между экранами.
Конкретный вид температурной зависимости gas в(5.1) определяется давлением и химическим составом газовой смеси [104, 105],а вид слагаемого pad определяется в основном геометрией и материалом выступов (либо структурой и материалом разделительных прокладок) и можетбыть оценен теоретически [104] или экспериментально [106].Решение системы (5.1) в частном случае пренебрежения влиянием остаточного газа и разделительных прокладок — вакуумном случае — может бытьполучено аналитически. Если же такое пренебрежение недопустимо, то данная нелинейная система имеет лишь численное решение.5.2. Результаты численного моделирования теплофизическиххарактеристик ЭВТИПосредством вышеописанной модели проведено численное моделирование трубопровода с ЭВТИ при условиях, представленных в Таблице 15.Целями расчетов являлись:1) определение количества экранов ЭВТИ, необходимого для поддержания заданной наружной температуры трубопровода;2) получение распределения температуры по экранам при варьированиидавления остаточного газа в межэкранных промежутках;113Таблица 15.Значения характерных параметров при расчете трубопровода с ЭВТИНаружный радиус несущей трубы(0-го экрана)тр.
, мм50Температура наружной поверхности несущей трубытр. , К1 500Температура внешней поверхностиЭВТИн , К650Материал экрановМолибденКоэффициент черноты внутреннейповерхности 0-го экрана0, (0 , К)0,32Коэффициенты черноты внутренней и наружной поверхности -гоэкрана, ( , К),, ( , К), = 1, − 10,017(300);0,03(500);0,043(600);0,055(700);0,068(800);0,08(900);0,093(1 000); 0,105(1 100);0,117(1 200); 0,142(1 400);0,166(1 600) [93]Коэффициент черноты наружнойповерхности -го экрана, ( , К)0,2Расстояние между экранамимкм160Толщина экрановмкм50Остаточный газВоздух3) выявление зависимости удельной мощности излучения, уходящего снаружной поверхности трубопровода, от количества экранов;4) исследование изменения эффективного коэффициента теплопроводности изоляции с увеличением количества экранов.Под эффективным коэффициентом теплопроводности ЭВТИ, состоящейиз экранов, в данной работе подразумевается величина eff , равная коэффициенту теплопроводности эквивалентного теплоизолятора, выполненногоиз слоя сплошного материала той же толщины.
В цилиндрической геометрииона может быть выражена какeff =(︁ ln 1 +Δтр)︁2(тр − н ),(5.2)где Δ — сумма ширины межэкранного промежутка и толщины экрана, —погонная мощность теплового потока (приходящаяся на единицу длины тру114бопровода).Как следует из теории [104, 105], для случая достаточно разреженногогаза, когда длина свободного пробега молекул значительно превышает расстояние между теплообменивающимися поверхностями, характерна пропорциональная зависимость теплопроводности межэкранного газа от давления.
Этоприводит к достижению нижнего предела насыщения эффективной теплопроводности ЭВТИ с уменьшением давления, что обусловлено перераспределением вкладов кондуктивного и излучательного механизмов теплопереносав пользу излучательной составляющей. С переходом в область достаточновысоких давлений теплопроводность газа достигает своего верхнего предела насыщения, сохраняя постоянное значение, практически не зависящее отдавления. При этом суммарный вклад механизмов переноса тепла в ЭВТИтакже не зависит от давления. Следовательно, результирующая (эффективная) теплопроводность ЭВТИ в указанном диапазоне давлений практическипостоянна. Результаты, полученные численным моделированием, полностьюподтверждают данные положения (Рис. 5.2, 5.3).На Рис. 5.2 приведены зависимости температуры н наружной поверхности ЭВТИ (Рис.
5.2, а) и погонной мощности излучаемого наружной поверхностью ЭВТИ теплового потока (Рис. 5.2, б ) от количества экранов приразличных давлениях остаточного газа. Как видно из Рис. 5.2, а, при давлении остаточного газа на уровне 13 Па структура ЭВТИ должна включать в себя 20 экранов для обеспечения соответствия поставленным требованиям. Приэтом погонная мощность излучения, согласно Рис. 5.2, б , составит 0,65 кВт/м.Изменение соотношения вкладов кондуктивного и излучательного механизмов теплопереноса хорошо отражает Рис.
5.3, а, иллюстрирующий распределение температуры по экранам при различных давлениях остаточного газа.С ростом давления крутизна кривых температурного распределения уменьшается.Как следует из Рис. 5.3, б , эффективный коэффициент теплопроводно115(а). н ()(б ). ()Рис. 5.2.Зависимость температуры н наружной поверхности ЭВТИ и погонноймощности излучаемого ею теплового потока от количества экранов приразличных давлениях остаточного газа (тр = 1 500 К)сти ЭВТИ в значительной степени определяется давлением остаточного газа.При давлении 13 Па его значение составляет 9,6 мВт/(м · К).
Небольшое снижение эффективного коэффициента теплопроводности с уменьшением количества экранов показывает, что добавление дополнительного экрана к струк116туре ЭВТИ оказывается более «выгодным» в сравнении с таким же утолщением слоя эквивалентного теплоизолятора из сплошного материала.(а). ()(б ). eff ()Рис. 5.3.Распределение температуры по экранам и зависимость эффективногокоэффициента теплопроводности eff (5.2) ЭВТИ от количества экранов при различных давлениях остаточного газаДостижение верхнего предела насыщения на всех представленных графиках проявляется в слиянии кривых 7 и 8, соответствующих давлениям1171,3 · 104 Па и 6,7 · 104 Па.
Нижним пределом насыщения можно считать кривые 1 и 2, соответствующие давлениям 0,1 Па и 1 Па.5.3. Экспериментальное исследование теплофизическиххарактеристик ЭВТИ. Верификация моделиДля проведения экспериментальных исследований теплофизических характеристик ЭВТИ был изготовлен макет трубопровода со слоем ЭВТИ, общий вид которого представлен на Рис.
5.4. Для этого на фольговой молибде(а)(б )Рис. 5.4.Общий вид экспериментального макета трубопровода c ЭВТИновой ленте механическим способом была создана матрица конусообразныхвыступов высотой 160 мкм. После намотки обработанной ленты на несущуюстальную трубу указанные выступы обеспечивали эквидистантное расположение экранов друг относительно друга.Макет размещался внутри вакуумной камеры экспериментального стенда, что обеспечивало необходимый уровень давления остаточного газа. Нагрев и поддержание необходимой температуры на внутренней стенке макетав ходе испытаний осуществлялись при помощи нихромового омического нагревательного элемента.
Выделяемая нагревателем тепловая мощность регулировалась в автоматическом режиме по заданной программе при помощиПИД-регулятора с реализацией обратной связи по показаниям термопары,закрепленной на внутренней поверхности макета.118С целью исключения влияния краевых эффектов торцевые части макетазакрывались теплоизоляцией из базальтового волокна. В ходе экспериментарегистрировались значения температур внутренней и наружной поверхностеймакета (в центральной и краевой частях), а также его торцевой изоляции.Условия теплофизических испытаний и значения геометрических параметров макета сведены в Таблицу 16.Таблица 16.Условия теплофизических испытаний и параметры макета трубопровода сЭВТИВнутренний радиусДлина макетаКоличество экрановРасстояние между экранамиДостигнутая температура внутренней поверхности макетаДавление остаточного газа в камере24 мм150 мм31160 мкм760 ℃1 ÷ 2 ТоррРис.
5.5 отражает временные зависимости показаний температурныхдатчиков в процессе выхода макета трубопровода с ЭВТИ на стационарныйрежим.Рис. 5.5.Временные зависимости показаний температурных датчиков в процессевыхода макета трубопровода с ЭВТИ на стационарный режимРасчетное распределение температур по экранам, полученное c использованием разработанной физико-математической модели при идентичных за119данных значениях параметров макета и начальных внешних условиях, представлено на Рис. 5.6.Рис.
5.6.Расчетное распределение температур по экранам ЭВТИСопоставление экспериментальных и расчетных зависимостей позволило оценить погрешность разработанной модели, которая составила 5 %.5.4. Выводы к Главе 51. Предложена конструктивная схема трубопровода, предназначенногодля применения в составе энергодвигательных установок перспективных космических аппаратов, состоящего из двух оболочек. Конструкционная частьгазовода реализуется из СКМ, а теплоизолирующая — на основе высокотемпературной ЭВТИ.2. Развита физико-математическая модель, описывающая распространение теплового потока через слой ЭВТИ с учетом кондуктивного и радиационного механизмов теплопередачи и позволяющая определить зависимости ееосновных теплофизических характеристик.3.
С использованием разработанного программного обеспечения проведено численное параметрическое моделирование трубопровода с ЭВТИ. Получены зависимости теплового потока и эффективного коэффициента тепло120проводности от количества экранов в слое изоляции, а также распределениетемпературы по экранам ЭВТИ при различных давлениях остаточного газа. Показано, что при остаточном давлении 10 Па для решения поставленнойзадачи применима изоляция, состоящая из 20 экранов; при этом плотностьтеплового потока, уходящего с наружной поверхности ЭВТИ, будет иметьзначение на уровне 1,9 кВт/м2 , что соответствует температуре наружной поверхности около 630 К; при этом эффективный коэффициент теплопроводности изоляции составит 9,6 мВт/(м · К).4. Проведена верификация разработанной физико-математической модели путем сопоставления результатов численного моделирования с результатами теплофизических испытаний макета трубопровода с ЭВТИ. Показано,что погрешность разработанной модели на превышает 5 %.121Основные выводыРазработан универсальный комплексный подход к прогнозированию характеристик и созданию высокотемпературных конструкционных СКМ, обладающих заданным набором физических свойств и предназначенных дляприменения в условиях интенсивных и резко меняющихся тепловых воздействий в составе узлов энергетических и двигательных установок космическогои наземного назначения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
