СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК G01N29/02 B64G7/00 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет-носителей (РН) в условиях малой гравитации с использованием экспериментальных модельных установок в земных условиях, а также и при натурных пусках РН с системами газификации.

Известно устройство для ультразвуковой обработки топливовоздушной смеси в карбюраторах, защищенное патентом РФ на изобретение №2244846, содержащее RC-генератор ультразвука, излучатель, установленный непосредственно в смесительной камере карбюратора.

Устройство предназначено для дробления крупных капель топлива посредством ультразвуковой обработки топливовоздушной смеси в карбюраторах двигателей с внешним смесеобразованием. Излучатель в корпусе из бензостойкой резины, установленный в поток топливовоздушной смеси, излучает при этом колебания в двух направлениях, в которых наиболее вероятно появление крупных капель топлива.

Однако данное устройство для ультразвуковой обработки топливовоздушной смеси имеет ограниченные функциональные возможности применительно к ракетно-космической технике.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и устройству для его осуществления является способ моделирования процесса газификации (термохимического обезвреживания), описанный на стр.163-174 в кн.1 «Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду» (Монография) под ред. В.И.Трушлякова, Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. 220 с.

Способ включает моделирование поступления в газовую фазу окислителя (с заданными параметрами в виде струи из форсунки: формы и степени распыления, длины струи, перепада давления на форсунке), обеспечение условий взаимодействия в зоне контакта струи с поверхностью горючего.

Устройство для осуществления способа представляет собой экспериментальную установку (ЭУ) в виде модельного бака, который состоит из обечайки, сферического днища и содержит поддон с двумя вваренными стаканами, температурные датчики, заправочно-сливную арматуру, датчики давления, дренажный трубопровод, расходомер, весоизмерительное устройство, утилизатор, газоанализатор, основанный на использовании катализатора.

Непосредственное использование этого способа и устройства для его осуществления, основанного на получении теплоносителя (ТН) путем использования термохимической реакции взаимодействия самовоспламеняющихся компонентов ракетного топлива (КРТ), которые, как правило, токсичны, для термодинамического (а не термохимического процесса) процесса газификации других КРТ, например керосина, возможно, однако, скорость газификации жидкого КРТ невысока, регулирование процесса зажигания смеси, управление процессом получения заданного количества тепла для газификации жидкости практически затруднено. Это ограничивает универсальность этого способа для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ, в том числе и для учебных заведений при исследовании процессов газификации различных жидкостей, т.к. требует дорогостоящего оборудования, специализированных стендов и аттестованного персонала для работы с взрывоопасными, токсичными КРТ.

Заявляемое техническое решение направлено на решение задач снижения токсичности, повышение скорости газификации жидкого КРТ и экономичности, упрощение данного способа и обеспечение возможности применения данного способа для учебных целей и проведения научных исследований.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, основанном на введении в ЭУ ТН с заданными параметрами, обеспечении заданных условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого газифицируемого КРТ, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭУ, согласно заявляемому изобретению, жидкий газифицируемый КРТ подвергают ультразвуковому (УЗ) воздействию, при этом параметры ТН и генерируемых УЗ колебаний выбирают из условия минимизации критериев процесса газификации: времени процесса газификации, энергомассовых затрат, количества поданной в бак теплоты.

Жидкий газифицируемый КРТ подвергают УЗ воздействию, для этого ТН пропускают через УЗ газоструйный излучатель (ГСИ), установленный в один из входных патрубков. Выбором входного патрубка регулируют геометрический параметр ГСИ, так как расположение ГСИ относительно газифицируемой жидкости является одним из основных параметров ультразвукового воздействия. Также к поддону присоединен пьезоэлектрический излучатель (ПЭИ), при этом параметры ТН и генерируемых УЗ колебаний выбирают из условия минимизации критериев процесса газификации.

В процессе проведения лабораторных работ исследуются влияния изменения параметров ТН, ГСИ и ПЭИ от определенных ранее (оптимальных). Студент в процессе проведения лабораторных работ должен определить степень влияния параметров ТН, ГСИ и ПЭИ на общую картину процесса газификации, а также возможное взаимовлияние систем друг на друга. Например, воздействие ГСИ в определенных диапазонах интенсивности и частоты может привести к изменению амплитуды и частот параметров ПЭИ.

Технический результат в части устройства достигается также за счет того, что устройство для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, включающее в свой состав ЭУ, в виде модельного бака, содержащего поддон для жидкого КРТ, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, согласно заявляемому изобретению, устройство дополнительно содержит два входных патрубка, в один из которых установлен ГСИ.

Помимо ГСИ, в ЭУ установлен ПЭИ, который механически связан со съемным поддоном. Причем, УЗ воздействие прикладывают к жидкому КРТ как одновременно, так и по отдельности.

Сущность технического решения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображена пневматическая схема экспериментального стенда, поясняющая систему подготовки ТН,

на фиг.2 изображено устройство для осуществления заявляемого способа.

Воздействие волнового излучения, в частности ультразвукового, на процессы газификации заключается в изменении коэффициентов теплопроводности, дроблении капель жидкости, что в свою очередь увеличивает площадь теплообмена жидкости и ТН и, соответственно, уменьшает значения введенных критериев (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Главный редактор И.П.Голямина. - М.: «Советская энциклопедия», 1974. - 400).

Анализ имеющихся теоретико-экспериментальных данных по газификации жидкости показывает значительную зависимость параметров процесса газификации от граничных условий жидкости, взаиморасположения ГСИ в емкости относительно жидкости.

Предложенный способ моделирования процессов газификации осуществляется следующим образом:

В ЭУ вводят ТН с заданными параметрами:

Т - температура ТН, °C

m - расход ТН, м/с.

Обеспечивают заданные условия взаимодействия в зоне контакта ТН с жидким КРТ. Для этого, исходя из начальных условий эксперимента, выбирают граничные условия расположения жидкого КРТ (зеркало жидкости, капельное распределение), угол ввода γ и удлинение l ТН, где

γ - угол в плоскости, перпендикулярной поверхности жидкости между поверхностью газифицируемой жидкости и продольной осью ГСИ, град, (фиг.2),

l - расстояние в направлении распространения излучения ГСИ и поверхностью газифицируемой жидкости и ГСИ, м, (фиг.2).

В один из входных патрубков устанавливают ГСИ и подают через него ТН. При этом производят предварительную настройку излучателя, изменяя его параметры:

ω - частота звукового диапазона, Гц,

J - мощность звука, дБ.

В течение всей продолжительности эксперимента производят измерения входных и выходных параметров температуры и давления в различных точках ЭУ.

Прикладывают УЗ воздействия к поддону, на котором расположена газифицируемая жидкость, посредством ПЭИ.

Параметры ТН и УЗ воздействия выбирают из условия минимизации критериев процесса газификации.

Постановку задачи можно рассмотреть в виде оптимизации критериев процесса газификации как одного, например, времени газификации, так и нескольких одновременно (энергомассовые затраты, количество подданной теплоты).

- время газификации жидкого КРТ:

Посредством проведения серии экспериментов производят выбор оптимальных параметров ТН и УЗ излучателей для минимизации критерия газификации (времени газификации):

- энергомассовые затраты:

где c_i - весовые коэффициенты, определяются в зависимости от степени важности составляющих и выбираются традиционными методами, например, задач многокритериальной оптимизации,

W - затраченное количество киловатт-часов на работу компрессора, теплового электрического нагревателя и всех электроприборов, кВт/час,

- масса ТН, кг.

- количество поданной теплоты в бак:

где - энтальпия теплоносителя.

Реализация способа поясняется фиг.2.

Непосредственно, перед подачей ТН в ЭУ с ГСИ, он проходит через систему подготовки, которая поясняется фиг.1.

Предварительно производят запуск экспериментального стенда (фиг.1).

Для этого закрываются все вентили (1, 2, 3-5), кроме вентилей 6 и 7, и включаются все электроприборы и оборудование, ТН (воздух) нагнетается компрессором 8. Через вентили 6 и 7 воздух заполняет ресивер, состоящий из двух баллонов 9.

После достижения в ресивере 9 определенного давления (до 10-16 атм), измеряемого с помощью манометра 10, открываются последовательно вентили 1 и 2 и ТН попадает во влагоотделитель 11, на котором установлен манометр. По нему устанавливается рабочее давление, которое определяется задачами и условиями проведения данного эксперимента, а также критерия процесса газификации, но не превышает 16 атм. Далее, проходя через систему фильтрации 12, которая представляет собой блок фильтров, и предохранительный пневмоклапан 13, ТН достигает расходомера 14, который состоит из регулятора расхода и датчика расхода.

С помощью расходомера задается расход ТН, который также определяется задачами и условиями проведения эксперимента, а также критерия процесса газификации. Далее, проходя через теплообменник, ТН поступает в нагреватель 15, который регулируется с помощью трансформатора 16.

В нагревателе ТН достигает заранее заданной температуры. Для обеспечения достижения заданной температуры открывают вентиль 3 и сбрасывают ТН через теплообменник и открытый вентиль 4 в выхлопной патрубок (утилизатор). Входные параметры, температура и давление, контролируются датчиками 17 и 18, соответственно.

После того как ТН достигнет заданной температуры закрывается вентиль 3 и открывается вентиль 5. ТН поступает в ЭУ через ГСИ 19.

Расстояние l (фиг.1) регулируется за счет установки дополнительного удлинителя (на чертеже не показан). Датчиками температуры 20 и давления 21 контролируются выходные параметры газифицированной жидкости.

Устройство для осуществления способа моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ включает в свой состав ЭУ, которая состоит из ГСИ 19, трех входных патрубков 22, вваренных в боковую стенку под углами 0°, 30°, 45°, газифицируемой жидкости 23, поддона 24, установленного на ножках 25, выходного патрубка 26, ПЭИ 27 и приваренного сливного патрубка 28.

В результате указанной выше подготовки получаем ТН с заданными параметрами (температура, расход).

ТН, после подготовки (фиг.1), достигает одного из входных патрубков 22 (фиг.2). В этом патрубке установлен, предварительно настроенный ГСИ 19. ТН, проходя через ГСИ 19, воздействует на газифицируемую жидкость 23, находящуюся на поддоне 24, тем самым осуществляется процесс газификации. Поддон 24 установлен на четырех ножках 25, которые представляют собой тепловой мост, для уменьшения потерь тепла, идущего на нагрев конструкции. Газифицированные пары выводятся через отверстие 26. Съемный поддон механически связан с ПЭИ 27. Для слива остатков жидкости предусмотрено технологическое отверстие 28.

Использование УЗ систем, таких как ГСИ 19 и ПЭИ 27 позволяет многократно повысить степень интенсификации, что в свою очередь значительно повышает скорость газификации жидкости.

Эффект предлагаемого способа и устройства для его осуществления заключается в возможности использования его в учебных и научных целях и, как следствие, получении значительного объема новых экспериментальных данных для исследования механизмов воздействия УЗ излучений на процесс газификации и повышение эффективности систем снижения техногенного воздействия ракетных средств выведения с жидкостными ракетными двигателями, за счет выбора оптимального состава и параметров системы газификации.

Изобретения относятся к области исследования материалов и м.б. использованы при физическом моделировании процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет-носителей (РН). Моделирование осуществляют с помощью экспериментальной установки путем введения в нее теплоносителя (ТН) с заданными параметрами. ТН пропускают через ультразвуковой (УЗ) газоструйный излучатель. Для имитации условий малой гравитации прикладывают УЗ воздействия к поддону, на котором расположена газифицируемая жидкость. Для этого применяют пьезоэлектрический излучатель. Параметры ТН и УЗ излучателей определяют в процессе многокритериальной оптимизации - по критериям процесса газификации, таким как время, энергомассовые затраты, количество поданной в бак теплоты. Для реализации данного способа используется устройство в виде экспериментальной установки. Она включает в себя модельный бак, содержащий поддон для жидкого компонента ракетного топлива, датчики температуры и давления, входной и выходной патрубки. Причем в установку дополнительно введены два входных патрубка, в один из которых установлен газоструйный излучатель. Поддон выполнен съемным и механически связан с пьезоэлектрическим излучателем. Технический результат изобретений направлен на снижение токсичности, повышение скорости газификации жидкого компонента и экономичности, а также на упрощение способа и возможность его применения как для научных исследований, так и в учебных целях. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя, основанный на введении в экспериментальную установку теплоносителя с заданными параметрами, обеспечении заданных условий взаимодействия в зоне контакта теплоносителя с поверхностью жидкого газифицируемого компонента ракетного топлива, проведении измерений температуры и давления в различных точках экспериментальной установки, отличающийся тем, что жидкий газифицируемый компонент ракетного топлива подвергают ультразвуковому воздействию, при этом параметры теплоносителя и генерируемых ультразвуковых колебаний выбирают из условия минимизации критериев процесса газификации: времени процесса газификации, энергомассовых затрат и количества поданной в бак теплоты.

2. Устройство для моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя, включающее в свой состав экспериментальную установку в виде модельного бака, содержащего поддон для жидкого компонента ракетного топлива, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, отличающееся тем, что устройство содержит два дополнительных входных патрубка, причем в один из входных патрубков экспериментальной установки установлен газоструйный излучатель.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что съемный поддон механически связан с пьезоэлектрическим излучателем.