Національний аерокосмічний університет імені М.Є.Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

КНИШ Людмила Іванівна

УДК 621.311.243..629.78

ВИБІР РАЦІОНАЛЬНИХ ГЕОМЕТРИЧНИХ І ДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ФАЗОПЕРЕХІДНОГО ТЕПЛОПРИЙМАЧА – АКУМУЛЯТОРА КОСМІЧНОЇ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ

Спеціальність 05.07.05 –

двигуни та енергоустановки літальних апаратів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі двигунобудування Фізико – технічного інституту Дніпропетровського державного університету, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор Габринець Володимир Олексійович, Дніпропетровський національний університет, професор кафедри двигунобудування

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Доценко Володимир Миколайович, Національний аерокосмічний університет ім.М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Луценко Василь Іванович, Інститут геотехнічної механіки Національної Академії наук України, заступник начальника відділу високотемпературної теплотехніки.

Провідна установа – Державне конструкторське бюро “Південне” ім. М.К.Янгеля, Національне космічне агентство України

Захист дисертації відбудеться “ 18 ”квітня ” 2003 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.02 в Національному аерокосмічному університеті ім.М.Є.Жуковського “ХАІ” за адресою:

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім.М.Є.Жуковського “ХАІ”.

Автореферат розіслано “_4_”_березня_” 2003 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор Ю.О.Крашаниця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Використання у космосі газотурбінних перетворювачів енергії з фазоперехідним теплоакумулятором “тверде тіло – рідина”– один з перспективних напрямків вирішення проблеми тепло- та енергопостачання сучасних космічних апаратів. Такі системи мають високий коефіцієнт корисної дії, можливість реального отримання значних рівнів електричної потужності. Вони практично не деградують під впливом постійних променевих потоків, екологічно і технологічно небезпечні.

Початок функціонування бортових динамічних енергоустановок з фазоперехідним теплоакумулятором неможливо без проведення фундаментальних наукових досліджень в цьому напрямі. Розробка математичної моделі, яка описує процеси в теплоприймачі – акумуляторі (ТПА) дає можливість, не прибігаючи до складних та коштовних експериментальних досліджень, виконати аналіз відповідності ТПА, що розробляється, вимогам по забезпеченню стабільної роботи енергосистеми в цілому, провести об’ємні багатопараметричні дослідження з метою вибору найбільш раціональних геометричних і динамічних параметрів накопичувача, визначення варіантів компонувань перспективних космічних сонячних енергетичних установок (КСЕУ).

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана за науковим напрямком кафедри двигунобудування Фізико-технічного інституту Дніпропетровського національного університету. Робота складає частину досліджень, які виконувалися в науково-дослідному інституті енергетики ДНУ відповідно до держбюджетної науково-дослідної теми № 145/93.

Результати дисертаційних досліджень мають практичний інтерес для розробників енергетичних систем, як космічного так і наземного призначення.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є вибір найбільш раціональних геометричних, динамічних, масогабаритних параметрів теплоприймача – акумулятора (ТПА) КСЕУ на основі математичного моделювання процесів нестаціонарного теплообміну та гідродинаміки, що відбуваються в ньому.

Для досягнення поставленої мети були вирішені задачі, які виносяться на захист:

- розроблена математична модель, яка найбільш повно описує фізичні процеси в ТПА КСЕУ;

- визначені оптимальні геометричні характеристики концентратора і апертури ТПА в залежності від потрібної електричної потужності установки, висоти орбіти, параметрів газодинамічного циклу;

- науково обґрунтовано вибір чисельного методу дослідження, визначені границі його застосування;

- на основі математичної моделі створено комплекс програм, призначений для розрахунку основних параметрів ТПА;

- проведені методичні дослідження з вибору найбільш раціональних геометричних і динамічних характеристик системи прийому та акумулювання сонячної енергії;

- на основі чисельних експериментів проаналізовано вплив на роботу ТПА коефіцієнта теплопровідності теплоносія та температури теплоносія на вході в теплообмінний апарат;

- створена наближена інженерна методика визначення основних характеристик ТПА, яка може буди корисна при проектуванні таких пристроїв та проведенні технологічних експериментів;

- обґрунтовано вірогідність результатів шляхом зіставлення з експериментальними даними;

- запропоновані практичні рекомендації що до вибору конструкції ТПА, розміщенні його у складі КСЕУ, а також що до вибору типу теплоносія й ТАМу.

Об’єктом дослідження є космічна сонячна енергетична установка, яка функціонує по замкнутому газотурбінному циклу Брайтона.

Предмет дослідження - теплоприймач – акумулятор, робота якого основана на використанні прихованої теплоти фазового переходу “тверде тіло – рідина”, міститься в межах об’єкту.

Методи дослідження. У роботі як метод розрахунку основних характеристик ТПА використовується чисельний метод скінчених різниць. Врахування теплоти фазового переходу проводиться за допомогою введення коефіцієнту ефективної теплоємності. Моделювання теплообмінних і гідродинамічних процесів в ТПА здійснюється шляхом спільного розв’язання рівнянь теплопровідності для ТАМу та для теплоносія у нелінійний нестаціонарній двовимірній постановці.

Для визначення меж використання чисельного методу, а також розробці наближеної інженерної методики застосовується аналітичний квазістаціонарний метод Л.С. Лейбензона.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше проведено комплексне теоретичне дослідження основного технологічного вузла КСЕУ, що складається з теплоприймача та фазоперехідного теплоакумулятора “тверде тіло – рідина”, які конструктивно з’єднані.

Створено математичну модель процесів теплообміну і гідродинаміки в ТПА КСЕУ. В моделі вперше враховуються нелінійні граничні умови променевого теплообміну по закону Стефана - Больцмана на режимі розрядки, та умовами, які враховують потужний потік сконцентрованого сонячного випромінювання на режимі зарядки.

2. Розроблено методи розрахунку основних геометричних характеристик і динаміки ТПА, яка базується на чисельному розв’язанні нестаціонарної двовимірної задачі Стефана для шару ТАМу і задачі конвективного теплообміну для теплоносію в каналі у спряженій постановці.

3. В основу вибору раціональних геометричних характеристик концентратора і апертури ТПА вперше покладена величина, яка характеризує геометричну досконалість дзеркала і точність його виготовлення.

4. Отримані нові результати, що стосуються впливу теплофізичних характеристик теплоносія на динамічні та масогабаритні показники ТПА при турбулентному режимі течії.

5. На основі проведених наукових досліджень і чисельних експериментів автором запропоновано розподіл речовин, що акумулюють високотемпературне тепло на класи, в залежності від співвідношення часу розрядки і зарядки, способу акумулювання та енергетичних характеристик установки.

Практичне значення одержаних результатів. На основі математичної моделі процесів у ТПА, було розроблено програмний модуль для визначення найбільш раціональних параметрів фазоперехідного ТПА з турбулентним режимом течії, в якому проводиться врахування взаємного впливу системи прийому сонячного випромінювання й параметрів газотурбінного циклу. Запропоновані рекомендації що до вибору параметрів розрахунку й визначено область застосування створеної програми.

Отримані наближені аналітичні залежності, які дозволяють визначити основні характеристики сумісного ТПА. Введення спеціального множника, за допомогою якого враховуються променеві втрати через апертуру, дозволяє користуватися цією методикою при інженерних розрахунках сумісного ТПА, а також при підготовці та проведенні експериментів і обробки їх результатів.

Запропоновано заходи що до поліпше

ння масогабаритних показників сумісних ТПА, обґрунтовано їх ефективність.

Результати дослідження, наведені в дисертації, можна застосовувати при проектуванні перспективних систем енергопостачання та підтримання теплових режимів космічних апаратів, при будівництві та експлуатації місячних баз, інших космічних об’єктів майбутнього. Вони можуть бути використані в галузях народного господарства, пов’язаних із проектуванням установок нетрадиційної енергетики для об’єктів будівництва, транспорту та ін.

Розроблені автором положення реалізовані в навчальному процесі Фізико-технічного інституту Дніпропетровського національного університету при проведенні лекцій, виконанні курсових і дипломних проектів по курсам “Машинні перетворювачі енергії” та “Акумулювання енергії”, які викладаються відповідно навчальної програми для студентів за спеціальністю “Нетрадиційні джерела енергії”.

Особистий внесок здобувача. Автору особисто належить основна частина ідей, теоретичних і практичних досліджень та розробок, наведених у дисертації, а саме: визначення загальної методології та основних напрямків дослідження, формулювання математичної постановки задачі, вибір методів рішення, розробка і реалізація на ЕОМ програмного комплексу, всебічний аналіз результатів, формулювання основних наукових і практичних рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися, обговорювалися та одержали позитивну оцінку на ІІ - IV Міжнародній молодіжній науково – практичній конференції “Людина і космос”, Дніпропетровськ, 2000 -2002р.; на IV Міжнародній конференції по технології запуску “Космічні рідинні двигуни”, Бельгія, м. Льєж, 2002р.; на науковому семінарі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Харків, 2002р., на наукових семінарах Дніпропетровського національного університету, Дніпропетровськ, 2000-2002рр. на семінарі державного КБ “Південне”, Дніпропетровськ, 2002р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 6 наукових праць, в тому числі 5 статей в фахових виданнях України та 1 тези - в збірнику матеріалів конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота виконана на 171 сторінках, містить 51 рисунок. Список використаних джерел містить 81 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі на основі аналізу факторів, що впливають на розвиток перспективних систем енергозабезпечення космічних апаратів, зроблено висновок про високу ефективність використання сонячних енергосистем з ТПА “тверде тіло – рідина”. Сформульовані основні причини, що перешкоджають початку функціонування таких пристроїв, запропоновані шляхи розв’язання вказаних проблем, із яких найбільш ефективним є розвиток методів чисельного моделювання процесів, що проходять в ТПА і, таким чином, обґрунтовано актуальність та доцільність роботи, сформульовано метод і задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі розглянуто можливість використання теплоприймача – акумулятора з фазовим переходом “тверде тіло – рідина” у складі космічної сонячної енергетичної установки. Проаналізовані основні конструктивні рішення таких приладів і вибрано найбільш ефективне з них з точки зору енергетичних, масогабаритних та проектних показників. Це є порожнинний теплообмінник, усередині якого знаходяться трубки з теплоносієм і ТАМом, які заповняються по принципу “труба в трубі” (рис.1).

Рис.1. Схема теплоприймача – акумулятора:

1 – потік сонячного випромінювання; 2 – концентратор; 3 – апертура ТПА; 4 – порожнина приймача; 5 – циліндричні канали з теплоносієм і ТАМом; 6 - турбіна; 7 - генератор; 8 - компресор; 9 - регенератор; 10 – холодильник – випромінювач | Проведено огляд існуючих теоретичних і експериментальних досліджень, який показав, що теплові й гідродинамічні процеси в ТПА вивчені недостатньо, особливо це стосується установок, в яких теплоприймач і акумулятор конструктивно з’єднані.. Проаналізовані основні недоліки існуючих методів математичного моделювання, які не дозволяють у повній мірі врахувати більшість факторів, що впливають на роботу пристроїв. Результати описаних досліджень надто складно, а іноді й не можливо використовувати при проектуванні конкретних сумісних ТПА.

У другому розділі досліджується взаємний вплив параметрів системи “концентратор - теплоприймач-

акумулятор” і термодинамічного циклу газотурбінного перетворювача в КСЄУ. Обґрунтовуються критерії вибору вихідних параметрів розрахунку системи, наводяться його основні етапи.

Описані методичні дослідження по визначенню оптимальних геометричних характеристик концентратора і апертури ТПА, в основу яких покладена величина геометричного ККД дзеркала. Аналітичний вираз для цього параметра вибирався на основі методу Р.Апарісі:

, де - відносний радіус апертури приймача, RПР і RК – радіус апертури приймача і радіус концентратора відповідно, а величина с має вигляд:

, де uK - кут розкриття концентратора, а h – міра точності, яка визначається в теорії помилок.

Функціональна залежність ефективності системи прийому сконцентрованого сонячного випромінювання від відносного радіуса

покладена в основу визначення оптимальних геометричних розмірів концентратора і апертури приймача.

Використання фазопереходного акумулятора не знижає ККД системи прийому, але суттєво впливає на її геометричні характеристики. Врахування теплоти, необхідної для акумулювання, проводиться за допомогою спеціального множника, який визначається емпірично і залежить від висоти орбіти і типу ТАМу. Проведення методичних досліджень з врахуванням збільшення площі концентратора дозволяє визначити оптимальні геометричні розміри дзеркала і апертури ТПА.

Рис.2. Залежність ККД системи прийому від температури фазового переходу ТАМів | Запропонована методика також виявляє найбільш приємний рівень температур фазового переходу ТАМів (950К – 1400К), який забезпечує ефективну роботу космічної енергосистеми в цілому (рис.2).

Сформульовано перелік властивостей, що повинні мати хімічні речовини, для використовування в космічних сонячних енергосистемах.

На основі багаточисельних літературних даних, складена таблиця основних теплофізичних характеристик теплоакумулюючих матеріалів, яка може буде корисна при проектуванні ТПА.

Наведено наближене аналітичне розв’язання задачі вибору раціональних геометричних і динамічних параметрів ТПА за допомогою одновимірного квазістаціонарного методу Л.С.Лейбензона. Одновимірність в цьому випадку розглядається в поперечному напрямі. Система рівнянь складається із стаціонарного рівняння теплопередачі, критеріального рівняння конвективного теплообміну та квазістаціонарного рівняння енергії на границі розподілу фаз і доповнюється умовами, які враховують задану величину гідравлічних втрат у тракті.

Рішення знаходилось методом послідовних наближень за допомогою спеціально створеної програми.

У третьому розділі розглянуто питання створення узагальненої математичної моделі процесів теплообміну і гідродинаміки, які мають місце в ТПА.

На підставі аналізу різних методів розрахунку обґрунтовано вибір методу скінчених різниць, як основного для чисельної реалізації задачі. Цей метод дозволяє моделювати геометрію та динаміку системи при прийнятних витратах обчислювальних ресурсів.

Сформульовані необхідні припущення для стінок порожнини, для ТАМу та для теплоносія в каналі. Врахування нелінійної граничної умови на границі розподілу фаз, де теплофізичні показники мають розрив, проводиться за допомогою методу ефективної теплоємкості. Цей метод найкраще

Рис.3. Одинична труба теплоприймача – акумулятора |

підходить для розв’язання багатовимірних та багатофазних задач, які характерні для процесів в ТПА. Формулюється математична постановка задачі дослідження динаміки процесів в ТПА (рис.3), яка має спряжений характер і у безрозмірному виді складається із рівняння енергії для шару ТАМу:

, (1)

рівняння енергії для теплоносія, який рухається у каналі:

, (2)

умов зв’язку теплових потоків на границі ТАМ-теплоносій:

, (3)

;

граничних умов у вхідному перерізі:

для теплоносія: , (4)

для ТАМу: , (5)

граничних умов в вихідному перерізі:

для ТАМу: , (6)

граничних умов на поверхні ТАМу:

, (7)

та початкових умов: Fo=0 (8)

У рівняннях (1-8) як характерний розмір вибрано величину внутрішнього радіуса каналу з теплоносієм RТН , тоді - безрозмірна радіальна координата; - безрозмірна аксіальна координата; - безрозмірна відносна температура, а ,,,, - числа Фур’є, Пекле, Кірпічова, Старка і Стефана відповідно.

Безрозмірні теплофізичні коефіцієнти мають вигляд:

,

Зміни поля швидкості в теплоносію враховувалось за допомогою профілю швидкості Пею, який характерний для турбулентного та перехідного режиму течії теплоносія:

. (9)

Для побудови дискретних аналогів наведених рівнянь область ТАМу і теплоносія замінювалась однією дискретною областю, до якої характерним образом застосовувався метод скінчених різниць. На основі дискретних рівнянь розроблено чисельний алгоритм, розглянуто порядок його реалізації на ЕОМ. Описані функціональні можливості розрахункової програми.

Окремо досліджувались питання стійкості розрахунків, рівня дискретизації, величини розрахункових кроків по координатам та часу, температурний інтервал двохфазної зони, які дозволяють “зловити” границю розподілу фаз і забезпечать необхідний рівень точності.

У четвертому розділі наведені результати чисельного дослідження процесів, які мають місце в ТПА КСЕУ.

Під раціональними геометричними характеристиками розуміється довжина каналу з теплоносієм і ТАМом, а також товщина шару ТАМу, які забезпечують постійну температуру теплоносія на виході з каналу для всього періоду кругової орбіти апарату (рис.4). Паралельно з дослідженням температурного поля теплоносія, досліджувалось температурне поле і рух границі розподілу фаз у ТАМі (рис.5).

Рис.4. Зміни відносної середньомасової температури теплоносія на виході із ТПА |

а) б)

Рис.5. Характер руху границі розподілу фаз для L/R=50, L/R=100, L/R=75 відповідно: а) – розрядка; б) – зарядка

Чисельні експерименти проводились на моделі ТПА, який є складовою частиною 3-кіловатної енергетичної установки, що функціонує на низьких геоцентричних орбітах (500-550 км). Як ТАМ в моделі ТПА виступає фторід літію, а як теплоносій – суміш газів гелію та ксенону. Для такої моделі були визначені найбільш раціональні геометричні й динамічні характеристики.

В ході експериментів виявилось, що знайдена постійна температура теплоносія на виході з ТПА далека від значення температури фазового переходу ТАМу, який використався

Наближення температури теплоносія до температури фазового переходу проводилось за допомогою варіацій динамічних (витратних) характеристик системи (рис.6). Було проаналізовано також поведінку границі розподілу фаз при різних значеннях витрат теплоносія (рис.7).

Рис.6. Температурні розподіли на виході

з ТПА при різних значеннях величини

витрат теплоносія |

а) б)

в) г)

Рис.7. Положення границі розподілу фаз для різних значень витрат теплоносію при L=LОПТ: а)GЦ/G=30; б)GЦ/G=40; в)GЦ/G=50; г) GЦ/G=60

Таким чином, проведені дослідження доказали можливість проектування ТПА заданого температурного рівня, який наближається до температури фазового переходу ТАМу.

Рис.8. Зміни температури теплоносія по довжині труби у залежності від значення коефіцієнту теплопровідності теплоносія:

1- НОМ /2; 2- НОМ; 3 - 2НОМ | Важливим моментом є вивчення впливу деяких теплофізичних параметрів на ефективність роботи ТПА. Так, підвищення коефіцієнту теплопровідності теплоносія суттєво поліпшує енергетичні й

масогабаритні показники установки в цілому (рис.8).

Результати чисельних експериментів показали, що швидкість руху границі

розподілу фаз у аксіальному напрямі в більшому ступені впливає на поведінку системи, ніж у радіальному.

Цей факт покладено в основу створення наближеної аналітичної методики, яка розроблена за допомогою одновимірного квазістаціонарного наближення, застосованого в аксіальному напрямі. У результаті розв’язання системи рівнянь енергії й теплопередачі з заданими граничними умовами, було знайдено математичне співвідношення, що служить неявною залежністю безрозмірної відносної температури теплоносія від безрозмірної відносної довжини каналу з теплоносієм:

. (10)

Врахування величини променевих втрат може проводитися за допомогою спеціального множника А, який знаходиться в ході попередніх розрахунків і має постійне значення для кожного виду ТАМу

. (11)

Значення множника А для деяких ТАМів приведені в таб.1.

Таблиця 1

ТАМ | LiH | Li2CO3 | LiF+CaF2 | LiF | NaF | MgF2

ТФ, К | 961 | 999 | 1042 | 1120 | 1260 | 1530

А | 0,13 | 0,15 | 0,17 | 0,22 | 0,34 | 0,69

Наведена інженерна методика може бути дуже корисна при проектуванні конкретних ТПА, а також при підготовці і проведенні експериментальних досліджень систем такого роду.

Оцінка вірогідності та визначення обмежень чисельного експерименту здійснювалась шляхом порівняння з експериментальними даними. Приведений чисельний алгоритм було застосовано до розрахунку основних характеристик експериментальної установки (рис.9). Для узагальнення результатів чисельних, експериментальних та аналітичних досліджень, критерієм порівняння вибрано величину , яка міститься в формулі (10). Доказано задовільну узгодженість отриманих даних (рис10).

Рис.9. Схема експериментальної установки: 1 – контейнер з ТАМом; 2- канали з теплоносієм; 3-нагрівач; 4 – рекуператор; 5-холодильник; 6 – насос; 7-напорний бак; 8-витратомір; 9- ємність з теплоносієм; 10 – ємність з ТАМом |

Рис.10. Порівняння результатів експериментальних і чисельних досліджень теплообміну в одиничному циліндричному елементі теплоакумулятору: 1-наближена аналітична методика; 2-експеримент; 3- чисельне дослідження

У розділі 5 досліджено питання поліпшення характеристик сумісних ТПА, сформульовані основні рекомендації по проектуванню ТПА космічного призначення.

Для детального вивчення вибрана група ТАМів (гідрид літію LiH, карбонат літію Li2CO3, евтектична суміш фторидів кальцію та літію LiF+CaF2, а також флориди літію LiF, натрію NaF та магнію MgF2), які найбільш підходять для застосування в ТПА КСЕУ.

Передбачається, що ця система функціонує на низької (500 - 600 км) орбіті при цьому час перебування в тіні (розрядка) складає приблизно 36 хвилин, а перебування на сонці (зарядка) – 59 хвилин.

У ході чисельних досліджень були виявлені особливості поведінки кожної хімічної речовини в циліндричних ємностях фазоперехідного ТПА КСЄУ. Відмічено, що основні малогабаритні характеристики системи при використанні різних ТАМів залежать від співвідношення часів перебування апарату в тіні та на сонці, перш за все від часу зарядки. На основі цього запропоновано розподіл ТАМів на дві основні групи у залежності від того, який тип акумулювання має перевагу теплоємний чи фазоперехідний.

Для речовин першої групи характерним є те, що стабільну роботу ТПА на режимі розрядки забезпечує набагато менша кількість ТАМу, ніж на режимі зарядки, де має місце суттєвий перегрів його. Тому для нормального функціонування системи на двох режимах треба збільшувати кількість ТАМу, при цьому роль фазоперехідного акумулювання зменшиться і ТПА буде працювати у більший мірі як теплоємний (рис.11). Сформована в перші хвилини роботи ТПА границя розподілу фаз практично не рухається уздовж труби. Малогабаритні характеристики такого пристрою значно збільшаться, особливо це стосується ТПА, які проектуються на високі рівні електричної потужності (від 10 кВт і вище). До цієї групи ТАМів можна віднести LiH, Li2CO3, LiF+CaF2.

Ці речовини можна рекомендувати для енергетичних установок малої та середньої потужності, а також у тому разі, коли час розрядки більший чи дорівнює часу зарядки.

а) б)

Рис.11. Характерний рух границі розподілу фаз для речовин першої групи:

а)-розрядка; б)- зарядка.

а) б)

Рис.12. Характерний рух границі розподілу фаз для речовин другої групи:

а)-розрядка; б)- зарядка | ТАМи другої групи –LiF, NaF – більш підходять для використання в установках, які функціонують в інтервалі часу, що розглядався. Співвідношення маси ТАМу на режими розрядки і зарядки в цьому разі рівномірні, що забезпечує стабільну роботу системи на двох режимах. Акумулятор працює як фазоперехідний (рис.12), його маса оптимальна, особливо при високих рівнях електричної потужності. Це дає змогу рекомендувати ці речовини для використання в КСЄУ, які функціонують на

низьких орбітах і мають середні та високі значення електричної потужності.

На основі проведених чисельних експериментів виконано аналіз переваг і недоліків ТПА з різними видами ТАМів, а також перераховані заходи що до поліпшення енергетичних і масогабаритних характеристик цих пристроїв, сформульовані рекомендації по використанню тих чи інших матеріалів при проектуванні сумісних ТПА певного призначення, потужності, а також співвідношення часу перебування на Сонці й в тіні - тривалості періоду розрядки і зарядки.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає у комплексному дослідженні основного технологічного вузла КСЕУ – сумісного фазоперехідного ТПА. Запропоновані методи розрахунку найбільш раціональних геометричних і динамічних характеристик цього пристрою. Задача розв’язана шляхом створення математичної моделі, яка описує теплообмінні та гідродинамічні процеси в ТПА. Проведені на її основі методичні дослідження дозволили створити теоретичні основи забезпечення стабільної роботи космічної сонячної газотурбінної установки.

В роботі одержані такі основні результати:

1. Запропонована математична модель, яка має спряжений характер і базується на двовимірній задачі Стефана для шару ТАМу і задачі теплопровідності для теплоносія в каналі. У математичній моделі враховуються нелінійні граничні умови нестаціонарного променевого теплообміну на теплоприймаючій поверхні (по закону Стефана – Больцмана), умови, пов’язані з виділенням та поглинанням теплоти фазового переходу (введення коефіцієнту ефективної теплоємності), вводиться профіль швидкості, який враховує можливі режими течії теплоносія (профіль Пея). Чисельна методика дозволяє визначити поле температур і теплових потоків в ТПА, досліджувати особливості процесів теплообміну в цьому пристрої, одержати необхідні результати при прийнятних витратах обчислювальних ресурсів.

2. Розроблено розрахунковий метод, заснований на спільному розв’язку рівнянь енергії для ТАМу та теплоносію у нелінійній нестаціонарній постановці, двовимірний характер задачі було враховано за допомогою метода розщеплення. Розрахунковий метод дозволяє врахувати взаємозалежні фактори, що впливають на робочі процеси в ТПА, забезпечуює при цьому необхідну вірогідність одержуваних результатів.

3. Створена методика та комплекс програм розрахунку основних параметрів ТПА, які можна ефективно використати для розв’язання проблеми забезпечення стабільності роботи газотурбінного перетворювача теплової енергії, а також надають досліднику можливість здійснити:

- аналіз компонувань ТПА у складі космічної сонячної енергетичної установки;

- оцінку впливу основних геометричних параметрів (площі теплосприймальної поверхні, товщини шару ТАМу, довжини каналу з теплоносієм та ін.) та динамічних параметрів (витрат теплоносія, температури теплоносія на вході в канал) на робочі характеристики ТПА і установки в цілому;

- вибір найбільш раціональних параметрів накопичувача;

- оцінку впливу значення коефіцієнту теплопровідності теплоносію на динамічні та масогабаритні показники системи;

- розрахунок складних перехідних режимів роботи ТПА;

- вибір параметрів органів керування.

4. На основі одержаних результатів створена наближена інженерна методика, яка дозволяє на початкових етапах проектування оцінити реальні геометричні та динамічні характеристики системи. Порівняння наближеної методики з результатами експериментальних досліджень довело можливість врахування променевих втрат за допомогою спеціального додаткового множника, знайденого у ході попередніх розрахунків.

5. Розроблена інженерна методика визначення раціональних геометричних характеристик концентратора і апертури ТПА, в основу якої покладена величину геометричної досконалості дзеркала. Встановлено вплив температурного режиму порожнини ТПА, яка дорівнює температурі фазового переходу ТАМу, на ефективність роботи системи.

6. Показана можливість використання в високотемпературних ТПА ТАМів, що мають різні теплофізичні та термодинамічні якості. Вивчені особливості поведінки гідриду літію LiH, карбонату літію Li2CO3, евтектичної суміші фторидів кальцію та літію LiF+CaF2, а також флоридів літію LiF, натрію NaF та магнію MgF2 у циліндричних ємностях під дією потужного потоку сконцентрованого сонячного випромінювання. Доказано, що для того щоб система функціонувала стабільно і мала мінімальні масогабаритні показники, першорядне значення має співвідношення часу розрядки та зарядки. На основі цього запропоновано розподіл речовин на дві групи в залежності від енергетичних та часових характеристик системи, видані рекомендації, що до проектування конкретних високотемпературних енергетичних установок.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кныш Л.И., Габринец В.А. Зарядные характеристики теплоаккумулятора с фазовым переходом “твёрдое тело – жидкость” лунной солнечной энергетической установки // Космічна наука і технологія. – 2001. – Т.7, №1. – С.138 – 140.

Формулювання основної задачі, одержання та аналіз отриманих результатів виконано спільно. Вибір методу і проведення досліджень виконані автором.

2. Кныш Л.И., Габринец В.А. Оптимизация геометрических параметров теплоприёмника – аккумулятора космической солнечной энергетической установки, работающий по циклу Брайтона // Космічна наука і технологія. – 2002. – Т.8, №1. – С.115 – 118.

Визначення напрямку наукового дослідження, попередній теоретичний аналіз виконано спільно. Розробка методики досліджень та формулювання основних висновків виконані автором.

3. Кныш Л.И. Определение рациональных геометрических и динамических характеристик теплоприёмника – аккумулятора с фазовым переходом “твёрдое тело-жидкость” космической солнечной энергетической установки // Авіаційно – космічна техніка і технологія. – Харків: ХАИ. - 2002. - №29. – С.52-56

4. Кныш Л.И. Сравнение результатов численных и опытных данных, полученных при исследовании работы фазопереходного теплоприёмника – аккумулятора // Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. – Дніпропетровськ: Навчальна книга. – 2002. – Т.4 -С. 34 - 39.

5. Кныш Л.И., Габринец В.А. Некоторые рекомендации по применению высокотемпературных теплоаккумулирующих материалов в космической энергетике // Проблемы высокотемпературной техники. – Днепропетровск: ДНУ. – 2002. – С. 67-71.

Аналіз результатів та формулювання практичних рекомендацій виконано спільно. Проведення досліджень та одержання результатів виконані автором.

6. Кныш Л.И. Динамические характеристики теплоприёмника – теплоаккумулятора, использующего теплоту фазового перехода “твёрдое тело- жидкость” КСЭУ // Збірник тез IV Міжнародної молодіжної науково – практичної конференції “Людина і космос”. – Дніпропетровськ: НЦАОМУ. – 2002. – С.112.

АНОТАЦІЯ

Книш Л.І. Вибір раціональних геометричних і динамічних параметрів фазоперехідного теплоприймача – акумулятора космічної сонячної енергетичної установки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.05 – двигуни та енергоустановки літальних апаратів. – Національний аерокосмічний університет імені М.Є.Жуковського “ХАІ”, Харків, 2003.

Дисертацію присвячено питанням проектування сумісних фазоперехідних теплоприймачів – акумуляторів (ТПА) “тверде тіло – рідина” для космічних сонячних енергетичних установок (КСЕУ).

В роботі вирішена задача забезпечення стабільної роботи КСЕУ, мінімізації її маси на основі вибору найбільш раціональних геометричних та динамічних параметрів ТПА.

Створено математичну модель процесів теплообміну і гідродинаміки в ТПА, яка має двовимірний спряжений характер, в якої враховані нелінійними граничними умовами променевого теплообміну. Розроблено чисельний алгоритм, який об'єднує нестаціонарний фазовий перехід в теплоакумулюючому матеріалі і змушену конвекцію теплоносія. Визначені найбільш раціональні параметри ТПА КСЕУ, проаналізовані особливості функціонування цих систем. Запропонована нова інженерна методика визначення основних характеристик сумісних ТПА. Розроблена методика оптимізації геометричних характеристик концентратора і апертури ТПА. Надані конкретні рекомендації що до поліпшення енергетичних і масогабаритних показників цих пристроїв.

Основні результати роботи використані в навчальному процесі кафедри двигунобудування Фізико – технічного інституту Дніпропетровського національного університету.

Ключеві слова: космічна сонячна енергоустановка, теплоприймач – акумулятор, фазовий перехід “тверде тіло – рідина”, чисельне моделювання, спряжена задача Стефана.

АННОТАЦИЯ

Кныш Л.И. Выбор рациональных геометрических и динамических параметров теплоприёмника – аккумулятора космической солнечной энергетической установки. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.05 – двигатели и энергоустановки летательных аппаратов. – Национальный аэрокосмический университет имени М.Е. Жуковского, “ХАИ”, Харьков, 2003.

Диссертация посвящена вопросам проектирования совмещённых теплоприёмников – аккумуляторов (ТПА) “твёрдое тело – жидкость” для космических солнечных энергетических установок.

В работе решена задача обеспечения стабильной работы КСЭУ, минимизация её массы на основе выбора наиболее рациональных геометрических и динамических характеристик ТПА.

Проведенный теоретический анализ позволил обосновать выбор наилучшей по энергетическим, технологическим и массогабаритным показателям компоновочной схемы ТПА, которая представляет собой полосной теплообменник, с расположенными внутри цилиндрическими трубками с теплоносителем и теплоаккумулирующим материалом.

Разработана математическая модель, описывающая процессы теплообмена и гидродинамики в накопителе. Для нахождения наиболее рациональных параметров ТПА использовался расчётный метод, оснований на совместном решении двумерной задачи Стефана для слоя теплоаккумулирующего материала (ТАМа) и задачи теплопроводности для турбулентно движущегося теплоносителя в канале в сопряжённой нелинейной нестационарной постановке. Введение профиля скорости, учитывающего возможные режимы течения теплоносителя (профиль Пэя), постановка нелинейных граничных условий лучистого теплообмена на тепловоспринимающей поверхности ТАМа, учет теплоты фазового перехода с помощью введения коэффициента эффективной теплоёмкости позволяет учесть практически все взаимозависимые факторы, влияющие на рабочие процессы в ТПА.

Разработан и реализован на ЭВМ численный алгоритм, позволяющий на основании распределения температурных полей и полей тепловых потоков, выявить основные критерии проектирования совмещённых ТПА, которые обеспечат стабильную работу газотурбинного цикла, минимизацию массы космической энергоустановки.

В ходе численных экспериментов была доказана возможность проектирования совмещённого ТПА, рассчитанного на определённый температурный уровень, равный температуре фазового перехода теплоаккумулирующего материала.

Проведены методические исследования по определению оптимальных геометрических характеристик концентратора и апертуры ТПА, в основу которых положена величина геометрического КПД зеркала, характеризующая совершенство его изготовления.

На основании проведенного исследования разработана обобщённая инженерная методика, позволяющая определять основные параметры совмещённых ТПА. Эта методика может быть полезна при проектировании конкретных теплоаккумулирующих установок, а также при подготовке и проведении экспериментов.

Получена удовлетворительная сходимость результатов численного и экспериментального исследования, что доказывает достоверность найденных результатов и делает возможным их применение в проектно – конструкторской работе.

Доказано, что для того чтобы рассматриваемая система работала стабильно и обладала минимальными массогабаритными показателями, первостепенное значение имеет соотношение времени разрядки и зарядки. В этой связи предложено деление веществ, которые могут быть использованы в высокотемпературном аккумулировании на две группы, в зависимости от энергетических и временных режимов функционирования. Выданы рекомендации по проектированию конкретных теплоаккумулирующих систем.

Основные результаты работы использованы в учебном процессе кафедры двигателестроения Физико-технического института Днепропетровского национального университета.

Ключевые слова: космическая солнечная энергоустановка, теплоприёмник – аккумулятор, фазовый переход “твёрдое тело – жидкость”, численное моделирование, сопряжённая задача Стефана.

ABSTRACT

Knysh L.I. The Selection of Rational of Geometrical and Dynamic Characteristics of the Heat Receiver and Thermal Energy Storage Module with a Phase – Change Material of Space Solar Energy System. – A manuscript.

The dissertation for candidate’s degree of technical sciences by speciality 05.07.05 – engines and power plant of aircraft, - National Aerospace University named Zhukovsky, “KhAI”, Kharkov, 2003.

The dissertation is devoted to problems of designing of the heat receiver and thermal energy storage module (HR -TESM) with a phase – change material of space solar energy system (SSES).

The problem of guarantee of the stable work SSES, minimization of the mass on the basis of selection most rational geometric and dynamic parameters of the HR –TESM is decided.

The mathematical model of processes of heat exchange and hydrodynamic, whish has two – dimension conjugate character with nonlinear boundary conditions of radiation of heat exchange, is created.

The numerical procedure, which unites the transient change of phase of the phase-change material and the forced convective for the transfer fluid, is developed.

The most rational parameters of the HR -TESM are defined, the peculiarity of the function these systems are analyzed. The new engineering technique for definition of the main characters of the combine HR-TESM is proposed. The technique of the definition of the optimal geometrical characters of the concentration and the aperture of the HR-TESM are elaborated.

The concrete recommendations for the improvement of the mass and energetic indexes these devices are formulated.

The main results are used in the educational process of the chair of building of engines of the Physics and Technical Institute of the Dnepropetrovsk National University.

Key words: the space solar energy system, the heat receiver and thermal energy storage module, the change of phase “ solid phase - liquid”, numerical modeling, a conjugate Stefan problem.