ім. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО

“Харківський авіаційний інститут”

ЄПІФАНОВ КОСТЯНТИН СЕРГІЙОВИЧ

УДК 629.78.064:536.24

ПАРАМЕТРИЧНА ІДЕНТИФІКАЦІЯ
РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК
З ДВОФАЗНИМ ТЕПЛОНОСІЄМ
ДЛЯ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ

Спеціальність: 05.07.05 – двигуни та енергоустановки

літальних апаратів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ХАРКІВ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному аерокосмічному університеті
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Горбенко Геннадій Олександрович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки

України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, Габринець Володимир

Олексійович, професор кафедри, Дніпропетровський

національний університет Міністерства освіти і науки

України

кандидат технічних наук Кислов Олег Володимирович,

доцент кафедри, Харківський інститут ВПС

ім. І. Кожедуба Міністерства оборони України

Провідна установа: Державне конструкторське бюро “Південне”

ім. М.К. Янгеля Міністерства промислової політики

України

Захист відбудеться “ 4 ” червня 2004 року о 1300 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.02 в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

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

Автореферат розісланий 29.04.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор | Ю.О. Крашаниця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток космічних апаратів (КА), особливо супутників зв’язку та космічних станцій, супроводжується зростом потужності бортових споживачів енергії і, відповідно, потужності систем енергозабезпечення. Однак при цьому більш гостро постає задача відводу тепла, яке виділяється від енергетичної установки (ЕУ) КА, бортового комплексу обладнання та приладів. Ця задача розв’язується спеціальною підсистемою ЕУ КА – підсистемою теплоперенесення або забезпечення теплового режиму (СЗТР). Основним способом відводу тепла (для терморегулювання), який застосовувався до цього часу на КА з великим тепловиділенням, є примусове перенесення тепла з використанням однофазних теплоносіїв. Маса СЗТР надто значна і складає на існуючих об’єктах біля 10% від маси вантажу, який виводиться на орбіту. Зріст тепловиділення на перспективних КА до 10 кВт і більше з одночасним збільшенням їх лінійних розмірів ставить задачу розробки систем терморегулювання, які використовують двофазний киплячий теплоносій. Такі системи легші від аналогічних однофазних систем і використовують менше енергії. Однак двофазний контур (ДФК) тепловідведення СЗТР – принципово нова система, яка раніше не використовувалася в практиці проектування КА. Перехід до двофазного теплоносія викликає необхідність вирішення цілого ряду нових задач. Так, наприклад, при проектуванні ДФК тепловідведення СЗТР ЕУ КА виникає питання оцінки коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації в умовах мікрогравітації. Вірогідних даних про цю величину немає, а отримання нових даних шляхом прямого виміру занадто складне внаслідок особливостей конструкції конденсаторів. Перспективним вузлом ДФК СЗТР ЕУ КА є гідроакумулятор з тепловим регулюванням (ТГА), який призначений для керування тиском в ДФК. Він має більшу надійність порівняноі з гідроакумуляторами інших типів. Однак процеси, які протікають при його роботі в умовах мікрогравітації, також мало вивчені. Явища, які відбуваються в каналах з двофазним теплоносієм на різних режимах роботи СЗТР, також вимагають додаткових досліджень.

Таким чином, для найважливіших елементів ЕУ КА єдиним можливим шляхом отримання необхідних для їх раціонального проектування характеристик робочих процесів є проведення льотного експерименту. При цьому автономні випробування цих елементів не завжди результативні через відсутність можливості вимірювання всіх необхідних параметрів, а економічні причини зумовлюють необхідність комплексування випробувань, зокрема, виконання випробувань функціональних груп елементів ЕУ або ЕУ в цілому. В цих умовах найбільш ефективним для визначення робочих характеристик елементів СЗТР ЕУ є використання методів їх параметричної ідентифікації за результатами вимірювання параметрів робочого процесу всієї системи.

На цей час розроблено велику кількість методик розв’язання задачі параметричної ідентифікації теплоенергетичних систем. Ці методики описано в ряді робіт різних наукових шкіл і авторів. Серед них необхідно відзначити роботи О.М. Аліфанова, Є.А. Артюхіна, Ю.М. Мацевитого, М.І. Нікітенко, Д.Ф. Симбірського та інші. Але більша частина цих робіт присвячена розв’язанню зворотних задач теплопровідності, тобто параметричній ідентифікації математичних моделей, які враховують теплопередавальні та теплоакумулюючі властивості об’єктів дослідження. Але у зазначених вище та подібних випадках при розв’язанні задач інженерного синтезу крім явищ теплоперенесення необхідно також описувати явища масоперенесення. Для цього розробляються математичні моделі, в яких явища тепломасоперенесення подаються у вигляді інтегральних форм законів збереження енергії, маси та імпульсу, що забезпечує адекватність їх опису. Питання параметричної ідентифікації подібних моделей вивчені недостатньо, тому адаптація методик розв’язання задачі параметричної ідентифікації для даного типу моделей є безумовно актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” згідно з держбюджетною темою “Теоретичні основи моделювання теплоенергетики сучасних об’єктів авіаційно–космічної техніки” (№ Г205–15/2000), а також госпдоговірними темами №ЦТФ–8/97 “Розробка системи забезпечення теплового режиму РС МКС “АЛЬФА” з ракетно–космічною корпорацією (РКК) “ЕНЕРГІЯ” (Росія); №114/99 – ХАІ “Розробка системи виміру концентрації повітря в пароповітряній суміші методом дискретного пробовідбору для стенда БКВ–213” та №ЦТФ–106/99 “Розробка системи вимірювання вмісту повітря в пароповітряній суміші” з Електрогорським науково–дослідним центром з безпеки атомних станцій (Росія). В усіх роботах дисертант приймав участь як виконавець.

Мета і задачі наукового дослідження. Метою роботи є визначення робочих характеристик елементів ЕУ КА з двофазним теплоносієм для забезпечення ефективного проектування ЕУ КА з високими техніко–економічними показниками.

Задачі дослідження, зумовлені метою роботи, такі:

– адаптувати методику параметричної ідентифікації до визначення коефіцієнтів математичної моделі ДФК СЗТР КА;

– застосувати та провести апробацію методики при розв’язанні конкретних задач параметричної ідентифікації, а саме: визначити залежність коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації в умовах мікрогравітації від режимних параметрів; оцінити інтенсивність теплоперенесення в ТГА в умовах мікрогравітації; розробити методику визначення газовмісту в парогазових сумішах у швидкоплинних процесах.

Об’єкт дослідження – енергетичні установки космічних апаратів, зокрема ДФК СЗТР КА.

Предмет дослідження – закономірності процесів тепломасообміну в ДФК СЗТР ЕУ КА з двофазним теплоносієм.

Методи дослідження. Для досягнення мети і вирішення задач дослідження використано: методи фізичного і математичного моделювання теплофізичних процесів в ЕУ КА, методи експериментальних досліджень, методи статистичної обробки результатів експериментів, а також методи розв’язання задач параметричної ідентифікації.

Наукову новизну мають такі результати дослідження:

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення мають такі результати дослідження:

1. Отримані значення коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації в невагомості для конденсаторів з капілярним відводом конденсату, які дозволяють проектувати СЗТР КА з конденсаторами даного типу.

2. Доведення того, що роботу теплообмінника в умовах невагомості можна досліджувати на наземних стендах, тому що процес конденсації при капілярному відводі рідкої фази від поверхні теплообмінника слабо залежить від інтенсивності гравітації.

3. Доведення того, що керування процесом в ДФК за непрямими вимірами тиску в ТГА із використанням температури стінки бака ТГА не приводить до погіршення характеристик системи автоматичного керування (САК) порівняноі з керуванням на основі прямих вимірів тиску.

4. Залежності концентрації повітря від часу в ході експериментів на стенді БКВ–213, які дозволили оцінити достатність прийнятих заходів щодо локалізації можливої аварії ядерного реактора типу ВВЕР–440.

Особистий внесок здобувача. Здобувач зробив уточнення математичної моделі ДФК; розробив методику вирішення задачі параметричної ідентифікації, адаптовану для ДФК; з використанням математичної моделі ДФК із застосуванням експериментальних даних провів параметричну ідентифікацію математичної моделі ДФК, в якій використовувався конденсатор з капілярним відводом конденсату від охолоджуваної; на основі даних експериментів провів аналіз інтенсивності процесів теплопередачі в гідроакумуляторі з тепловим регулюванням; розробив методику параметричної ідентифікації залежності концентрації повітря від часу за допомогою даних системи дискретного пробовідбору; розробив методику обробки результатів експериментів, виконав обробку результатів експериментів та відновив залежність концентрації повітря від часу в ході експериментів на стенді БКВ–213.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і одержали позитивну оцінку:

– на науково–технічній конференції “Теплові труби, теплові насоси, двофазні системи терморегулювання в спеціальній техніці”, Харків – Рибаче, 1998;

– V міжнародному конгресі двигунобудівників, Харків – Рибаче, 2001;

– Першій обласній конференції молодих вчених “Тобі Харківщино – пошук молодих”, 2002;

– конференціях молодих вчених Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” в 2001, 2002 рр.

Публікації. Зміст роботи опубліковано в 7 статтях, в тому числі 5 – в спеціалізованих наукових виданнях, які відповідають переліку ВАК України, та 2 – в російських виданнях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів основної частини, висновків і списку використаних джерел. Робота виконана на 173 сторінках машинописного тексту, із них 42 ілюстрації по тексту, 15 ілюстрацій на 14 сторінках, 24 таблиці по тексту. Список використаних джерел містить 86 найменувань на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показано актуальність адаптації методик ідентифікації до математичних моделей ЕУ КА з двофазним теплоносієм.

В першому розділі виконано огляд і аналіз опублікованих робіт, присвячених дослідженню тепломасообміну в умовах мікрогравітації, а також методик ідентифікації та щодо розв’язання зворотних задач теплоперенесення (ЗЗТ).

Розвиток космічної техніки поставив вимоги збільшення кількості тепла, яке відводиться, та вагової віддачі систем терморегулювання. Цим умовам в системи терморегулювання на основі двофазних контурів теплоперенесення. Однак процеси, які протікають в контурах даного типу в умовах мікрогравітації, вивчені недостатньо. Найбільш маловивченим є процес конденсації. Дослідження в наземних умовах (на стендах спеціальної конструкції, балістичних установках та стендах, розташованих на борту літаків, які рухаються за траєкторією Кеплера) не дозволяють отримати повну картину явищ внаслідок короткочасності експериментів. Єдиним способом отримати повне уявлення про явище, яке розглядається, є експеримент в умовах космічного польоту.

Обробка результатів такого експерименту містить визначення параметрів процесу теплоперенесення за відомим розподілом температур, тиску та інших параметрів. Існує багато методик вирішення подібних задач. Один з найбільш ефективних підходів до розв’язання цієї задачі базується на застосуванні параметричної ідентифікації. Метод параметричної ідентифікації використовувався для вирішення ЗЗТ, які виникають при дослідженні теплових процесів в елементах турбомашин і енергетичних установок, теплозахисного покриття літальних апаратів та ін. Необхідно адаптувати його до розв’язання задач, які виникають в СЗТР ЕУ КА при дослідженні теплових процесів, які супроводжують масообмін.

Розглянемо класичний підхід до вирішення задачі параметричної ідентифікації математичної моделі елемента (див. рис. 1, а). При постановці задачі ідентифікації використовуються безпосередньо сама математична модель елемента СЗТР ЕУ КА з невідомими числовими характеристиками процесів, його вектор незалежних змінних та його вектор вимірів . Однак для параметричної ідентифікації математичної моделі СЗТР ЕУ КА з двофазними елементами даний підхід не завжди припустимий. Температура та тиск двофазної суміші “рідина–пар” пов’язані між собою, а вимір паровмісту в більшості елементів незручний. Таким чином, однозначно визначити стан двофазної суміші на вході в елемент або виході з нього часто неможливо, що не дозволяє сформувати вектори і . Переважним для наведеної системи є застосування підходу, який показано на рис.1, б. В даному випадку проводиться ідентифікація не математичної моделі окремого елемента, а моделі системи в цілому. Більша, ніж для окремого елемента, кількість вимірюваних параметрів дозволяє доповнити інформацію, якої бракує, і підвищити точність ідентифікації. Працездатність даного алгоритму було випробувано при розв’язанні ряду задач, які наведено нижче.

Другий розділ присвячено опису методики ідентифікації процесів теплопередачі при конденсації в умовах мікрогравітації. В першій частині розділу наведено опис експериментального стенда для дослідження теплообміну при мікрогравітації, дано характеристику експериментів і подано методику вибору вихідних даних для проведення ідентифікації.

У другій частині розділу розглянуто процедуру вибору структури математичної моделі теплогідравлічних процесів в стенді, ідентифікації і аналізу результатів з метою оцінки похибки ідентифікації.

Для вивчення поведінки двофазного контуру теплоперенесення російського сегмента Міжнародної космічної станції в умовах невагомості в 1999 році на борту вантажного корабля “Прогрес” було проведено льотний експеримент, в підготовці якого приймав участь автор.

Експериментальна установка ЛЕУ–1М являє собою замкнутий контур теплоперенесення з примусовим прокачуванням теплоносія. Його принципову схему наведено на рис. 2. Установка призначена для підтвердження працездатності двофазного контуру теплоперенесення в умовах невагомості, перевірки можливості регулювання температури за допомогою гідроакумулятора з тепловим регулюванням і визначення коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації. Як теплоносій використовувався аміак. Діапазон теплового навантаження, яке передається, – 0 … 1160 Вт.

У контурі використовувався конденсатор із капілярним відводом конденсату від охолоджуваної поверхні. Пара конденсувалась на нарізних канавках. Тепло, яке виділялось при конденсації, відводилось тепловою трубою. Рідкий теплоносій відводився з поверхні конденсації по капілярних канавках у порожнину переохолоджувача. Двофазна суміш по паровій магістралі надходила до наступного конденсатора.

Тепло, відведене від теплоносія в РТО, передавалось до радіаційної панелі за допомогою теплової труби. Керування контуром виконувалось за допомогою зміни тиску в ТГА, вмиканням і вимиканням електронагрівачів і переключенням електромагнітних клапанів (ЕМК).

Для аналізу роботи контуру використовувались результати льотних експериментів на ЛЕУ–1М і дані його наземного аналога – стенда НДІ ТП.

Визначення коефіцієнтів тепловіддачі в конденсаторах проводилось шляхом розв’язання задачі параметричної ідентифікації: визначались компоненти вектора параметрів математичної моделі, які забезпечували мінімальний розбіг між відповідними компонентами вектора параметрів, які спостерігаються, і вектора вихідних параметрів математичної моделі.

Математична модель контуру теплоперенесення формувалася методом ідеалізованих елементів. Ідеалізовані елементи – це геометричні образи рівнянь гідродинаміки і теплопередачі, які характеризують здатність вузла або агрегату системи накопичувати теплоносій, змінювати його енергію, імпульс, здатність передавати тепло між теплоносієм і поверхнею вузла або агрегату або між поверхнями вузлів і агрегатів. Сукупність ідеалізованих елементів утворює нодалізаційну схему, яка є геометричним образом системи рівнянь, які описують процеси тепломасообміну в контурі теплоперенесення.

Геометричний образ математичної моделі контуру теплопереносу ЛЕУ–1М показано на рис. 3. Стаціонарна математична модель не містила повну модель ТГА і АТ1. Блок нагрівачів моделювався як один елемент. Теплообмін поміж трубопроводами і навколишнім середовищем не враховувався.

Як параметри, за якими спостерігали, використовувались температури в паровій магістралі на виході з конденсаторів ТТ1–ТТ5 і температура на виході з газозбірника. Вектор ідентифікованих параметрів математичної моделі містив:

– коефіцієнт тепловіддачі при конденсації двофазного теплоносія в конденсаційній порожнині конденсатора конд, який задано в вигляді залежності числа Нусельта від чисел Рейнольдса і Прандтля Nu = f(Re,Pr) = (ідентифіковані параметри с1 и с2);

– коефіцієнт тепловіддачі рідкого аміаку в конденсаційній порожнині конденсаторів
ТТ1 – ТТ5 рід 1, газозбірника ГС1 рід 2 і в порожнині переохолоджувачів конденсаторів
ТТ1 – ТТ5 рід 3, де – число Нусельта; – число Рейнольдса плівки конденсату; – число Прандтля плівки конденсату; q – тепловий потік, Вт/м2; l – характерний розмір (крок нарізки 1 мм); – динамічна в’язкість, Пас; – теплопровідність, Вт/(мК);
r – приховане тепло пароутворення, Дж/кг; cp – питома теплоємність, Дж/( кгК).

Вектор вхідних параметрів містив:

– тиск в ТГА (визначався за показниками датчика ДД1);

– теплове навантаження, яке підводилось до контуру (визначалось за номінальною потужністю нагрівачів);

– умови тепловідведення від конденсаторів (температура холодної частини теплової труби, яка дорівнює показникам датчиків ДТ30 для ТТ5, ДТ31 для ТТ4, ДТ19 для ТТ2 і ТТ3, ДТ16 для ТТ1 і ГС1).

Розв’язання задачі ідентифікації виконувалося методом найменших квадратів з використанням матричної факторизації (SVD – розклад), що дозволило отримати сталі рішення у випадку незадовільної обумовленості системи рівнянь.

Оцінка похибки визначення ідентифікованих параметрів виконувалась на основі аналізу коваріаційної матриці. Діагональними елементами коваріаційної матриці були дисперсії розподілу оцінок ідентифікованих параметрів, решта елементів – коефіцієнти кореляції ідентифікованих параметрів Коваріаційна матриця оцінок похибок P() визначалась за формулою

, (1)

деR – (m m) – коваріаційна матриця похибок вимірювання параметрів, за якими спостерігали;

– матриця чутливості параметрів, за якими спостерігали, до зміни ідентифікованих параметрів математичної моделі;

m – кількість параметрів, за якими спостерігали;

r – кількість ідентифікованих параметрів;

N – кількість вимірів.

Інформацію про дисперсії D, середньоквадратичні відхиленнях ?, абсолютну ? і відносну ? похибки ідентифікованих параметрів наведено в табл.1.

Таблиця 1

Оцінка похибок ідентифікованих параметрів |

D | у | Д | е, %

с1 | 0,1605 | 0,4006 | 1,202 | 3,0

с2 | 7,683.10–6 | 2,771.10–3 | 8,315.10–3 | 1,2

рід 1 | 72,04 | 8,488 | 25,46 | 12,7

рід 2 | 1223,9 | 34,98 | 105,0 | 52,5

рід 3 | 1,152 | 1,073 | 3,219 | 1,6

Зведена інформація про результати ідентифікації коефіцієнтів тепловіддачі в конденсаторах льотної експериментальної установки ЛЕУ–1М, а також дослідження аналогічних агрегатів на наземних стендах Центра ім. М. Келдиша (НДІТП) і стенді ФВ–А ХАІ графічно подана на рис. 4. В стенді ФВ–А ХАІ при дослідженні конденсатора, аналогічного тому, який є на ЛЕУ–1М як теплоносій використовувався фреон –113.

У результаті ідентифікації математичної моделі блока конденсаторів було отримано критеріальну залежність, яка описує інтенсивність тепловіддачі для конденсаторів нарізного типу в умовах невагомості при тиску аміаку 12 ... 13 кгс/см2:

Nu =, (2)

де с1 = 41.454,

с2 = 0.7191.

Рекомендується використовувати залежність (2) при проектуванні систем тепловідведення для космічних апаратів з конденсаторами даного типу. Оціночне значення похибки коефіцієнта тепловіддачі, отриманого за допомогою (1) і (2), складає ±18%.

Третій розділ присвячено опису оцінки ефективності роботи ТГА вибраної конструкції як елемента системи керування ДФК СЗТР ЕУ КА.

Досліджуваний гідроакумулятор з тепловим регулюванням, призначений для підтримки тиску в контурі. Він являє собою вісесиметричний бак, на осі симетрії якого встановлено нагрівач, що забезпечує можливість підвищення тиску в баці. Внаслідок особливостей конструкції гідроакумулятора з тепловим регулюванням тиск в баці ТГА визначається температурою межі розподілу рідкого та пароподібного аміаку у баці. При роботі ТГА в умовах мікрогравітації пароподібний аміак буде знаходитись в найбільш гарячій зоні – в районі нагрівача, а рідка фаза на периферії. Для надійної роботи ТГА необхідно підводити тепло тільки до рідкої фази. Щоб виконати цю вимогу в умовах мікрогравітації, порожнина ТГА розділена радіальними перегородками з капілярними структурами на сегменти.

E результаті рідина під дією капілярних сил переміщeється від периферії до гарячої поверхні нагрівача. Пар накопичується в центрі кожного сегмента.

Керування нагрівачем, який здійснює нагрів теплоносія в баці і підвищення тиску в контурі, здійснюється за показами датчика температури, який розміщено на стінці бака. Розміщення датчика всередині бака небажано через ускладнення конструкції та зниження надійності. Різниця між температурою стінки бака і температурою межі розподілу рідкого і пароподібного аміаку в баці залежить від інтенсивності теплопередачі в шарі рідкого аміаку. Ця величина визначається теплопровідністю аміаку і конвективною складовою теплоперенесення, яка зумовлена термокапілярною конвекцією. Інтенсивність конвекції складно визначити з теоретичних міркувань і не можна визначити експериментально в наземних умовах. Ця межа буде визначати закид тиску в контурі в процесі розігріву ТГА, коли запускається контур, і в процесі керування.

На рис. 5 показано результати моделювання роботи ТГА в режимі запуску контуру при різних значеннях конвективної складової теплоперенесення. Теплоносій в баці, який первісно перебуває в тепловій рівновазі, починає підігріватися нагрівачем. Нагрівач вимикається, якщо температура перевищує 330С, що приблизно відповідає тиску 13 бар. З рисунка видно, що з зменшенням інтенсивності теплоперенесення зростає закид тиску, що призводить до погіршення характеристик системи керування. Крім того, тиск у контурі при низькій інтенсивності конвективного теплоперенесення перевищує максимально припустимий рівень.

Таким чином, інтенсивність конвективного теплоперенесення в баці визначає працездатність ДФК. Однак її важко визначити, виходячи з теоретичних міркувань. Тому визначення інтенсивності теплопередачі через рідкий теплоносій в баці ТГА було важливим. Після попередньої обробки інформації, отриманої в експериментах на ЛЕУ–1М, було зроблено припущення про збіг залежностей від часу процесу температури стінки ТГА і температури, яка відповідає тиску в ТГА за лінією насичення (див. рис. 6). Воно було піддане перевірці за допомогою статистичного критерію знаків. При рівні значності 0,05 гіпотезу було прийнято. Отже, інтенсивність процесів конвективної теплопередачі в шарі рідкого аміаку, яка викликана термокапілярним ефектом та іншими процесами в баці ТГА, достатньо велика. Це дозволяє керувати тиском в баці ТГА за температурою стінки.

В четвертій частині описано методику виміру концентрації газової фази в парогазовій суміші методом дискретного пробовідбору.

При проведенні експериментів на енергетичних установках часто виникає задача виміру концентрації повітря в газових сумішах. Багато параметрів, які визначають нестаціонарні процеси, змінюються з достатньо великою швидкістой і існуючі методики виміру концентрації газу в суміші не дозволяють їх вимірювати з достатньою точністю.

Необхідна методика виміру концентрації повітря в газовій суміші була розроблена в ХАІ за участю автора разом з Електрогорським науково–дослідним центром (ЕНДЦ). Практична апробація методики дозволила оцінити ефективність розроблених в цій дисертації підходів до ідентифікації параметрів в ЕУ.

Принцип дії системи основано на дискретному відборі проб. Принципову схему системи наведено на рис.7. В ході досліду відбувається почергове забирання парогазової суміші в баки. Час заповнення баку – близько однієї секунди. Відібрана в перший бак проба в аналізі не використовувалась, тому що вона має газ, який знаходився в трубопроводах перед початком експерименту. Тому безпосередньо в аналізі використовується тільки п’ять проб. Вірогідна зміна за часом концентрації повітря на вході в пробовідбірник визначається за даними про масу і концентрацію повітря в пробах, відібраних в мірні баки, з використанням описаної вище методики параметричної ідентифікації.

Пробовідбірник і мірні баки з міркувань конструкції знаходяться достатньо далеко один від одного (біля 10 м), тому має місце запізнення при переміщенні проби, а також зміна її параметрів внаслідок тепловідведення і тертя. Крім того, кожна проба відбирається протягом визначеного часу, і відбувається осереднення за часом параметрів середовища в мірних баках. Тому для розшифровки результатів виміру розроблено математичну модель течії парогазової суміші в елементах системи (трубопроводах, мірних баках, фільтрах, тарованих соплах, сепараторах тощо), яка дозволяє розраховувати середню концентрацію повітря проби, відібраної в бак на інтервалі часу .

Вектор незалежних змінних утримує інформацію про функції від часу тиску і температури на вході в пробовідбірник .

Концентрація компонента на вході в пробовідбірник визначається як залежність від часу , де – вектор, який містить коефіцієнти залежності. Вигляд залежності визначається з апріорних міркувань. Було вибрано дві залежності концентрації повітря на вході в пробовідбірник від часу:

, (3)

. (4)

Кількість коефіцієнтів (r) у наведенних залежностях різна, але очевидно, що N r, де N – кількість вимірів. Система рівнянь для розрахунку має вигляд:

, (5)

де – середня експериментальна концентрація повітря проби, яка відбиралась в бак.

Систему (5) розв’язуємо методом найменших квадратів. Мінімізований функціонал має вигляд:

. (6)

Задача мінімізації (6) розв’язується ітераційним методом.

Дана методика застосовувалась при обробці результатів експериментів на стенді БКВ–213, який дозволяє імітувати аварію з витоком теплоносія на ядерних реакторах типу ВВЕР 440/В–213. Визначалась зміна концентрації повітря в пароповітряній суміші від часу.

Для підвищення вірогідності результатів виміру концентрації повітря методом дискретного пробовідбору застосовано порівняння їх з результатами аналогічних вимірів, отриманих у цих самих експериментах методом безперервного пробовідбору.

У методі безперервного пробовідбору реалізується безперервна конденсація пару з пароповітряної суміші і потім за даними про витрати пароповітряної суміші, пари та повітря розраховується концентрація повітря в суміші. Похибка виміру концентрації повітря за цим методом, на відміну від методу дискретного пробовідбору, зменшується з зменшенням концентрації повітря в суміші, що відбувається протягом перших 5–10 секунд. Тому обидва методи доповнюють один одного і дають більш повну і вірогідну інформацію про концентрацію повітря в пароповітряному потоці.

На рис. 8 наведено графіки залежностей концентрації повітря на вході у пробовідбірник від часу, отримані двома методами. Наведено також дані про концентрацію повітря в баках. Видно, що результати задовільно збігаються, якщо враховувати похибки вимірювання. При великих концентраціях повітря на перших секундах більш вірогідними є виміри, які отримані методом дискретного пробовідбору, при малих – методом безперервного пробовідбору.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

,

де с1 = 41.454,

с2 = 0.7191.

4.

5.

6.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Епифанов К.С., Семенцов А.Н. Идентификация модели теплового гидроаккумулятора контура теплопереноса российского сегмента Международной космической станции “Альфа” // Авиационно–космическая техника и технология: Сб. науч. тр. – Х.: Гос. аэрокосм. ун–т “ХАИ”, 1999. – Вып. 9 – С. 527 – 533.

Дисертантом особисто розроблено математичну модель гідроакумулятора, виконано варіантні розрахунки. На основі математичної моделі ТГА він розробив рекомендації щодо запуску ДФК.

2. Летная экспериментальная установка – модель двухфазного контура теплопереноса российского сегмента Международной космической стации/ В.М. Цихоцкий, Ю.М. Прохоров, А.Н. Семенцов, И.Ю. Линькова, Г.А. Горбенко, К.С. Епифанов, С.М. Беднов, П.Д. Вежневец, А.Н. Голиков, А.В. Десятов, Ю.М. Лукьянов // Авиационно–космическая техника и технология: Сб. науч. тр. – Х.: Гос. аэрокосм. ун–т “ХАИ”, 1999. – Вып. 13 – С. 41 – 49.

Дисертант розробив математичну модель льотної експериментальної установки, провів тестові розрахунки та приймав участь в обробці даних наземних експериментів.

3. Коэффициенты теплоотдачи в условиях микрогравитации в конденсаторах контура теплопереноса российского сегмента Международной космической станции / С.Ю. Романов, А.Н. Семенцов, Г.А. Горбенко, П.Г. Гакал, К.С. Епифанов, В.И. Рузайкин // Авиационно–космическая техника и технология: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун–т “ХАИ”, 2001. – Вып. 23 – С. 99 – 103.

Дисертант зробив уточнення математичної моделі ДФК. Розробив адаптовану для ДФК методику розв’язання задачі параметричної ідентифікації.

4. Методика определения концентрации воздуха в паровоздушной смеси стенда БКВ–213 / Г.А. Горбенко, П.Г. Гакал, К.С. Епифанов, А.А. Прокопенков // Авиационно–космическая техника и технология: Сб. науч. тр. – Х.: Гос. аэрокосм. ун–т “ХАИ”, 1999. – Вып. 14 – С. 27 – 32.

Здобувач адаптував методику виміру газовмісту в парогазовій суміші до експериментів на стенді БКВ–213. Виконав обробку результатів експериментів на стенді БКВ–213. Отримав залежність концентрації повітря від часу в ході експериментів на стенді БКВ–213.

5. Анализ работоспособности двухфазного контура теплопереноса в условиях невесомости / С. Ю. Романов, А. Н. Семенцов, Г. А. Горбенко, П. Г. Гакал, К. С. Епифанов // Тр. III Российской национальной конференции по тепломассообмену. В 8 т. Т. 5. - Двухфазные течения. Дисперсные потоки и пористые среды. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - С. 102–105.

Дисертант, використовуючи математичну модель ДФК та експериментальні дані, виконав параметричну ідентифікацію математичної моделі ДФК СЗТР ЕУ КА.

6. Нестационарный метод измерения концентрации воздуха в паровоздушной смеси при испытании модели барботера АЭС. / А.А. Прокопенков, Г.В. Осокин, С.В. Смирнов, Г.А. Горбенко, П.Г. Гакал, К.С. Епифанов // Тр. III Российской национальной конференции по тепломассообмену. В 8 т. Т. 1. Пленарные доклады. Доклады на круглых столах. М.: Изд-во. МЭИ, 2002. - С. 178 –181.

Здобувач розробив методику обробки концентрації повітря в пароповітряній суміші в швидкоплинних процесах.

7. Епифанов К.С. Идентификация математической модели турбовентиляторного двигателя по результатам измерения параметров в переходных процессах // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун–т “ХАИ”. 2001.–Вып.24(1). - С.124–132.

АННОТАЦИЯ

Епифанов К.С. Параметрическая идентификация энергетических установок космических аппаратов с двухфазным теплоносителем. – Рукопись.

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

Диссертация посвящена описанию решения задачи оптимизации технико–экономических показателей проектируемых энергетических установок космических аппаратов (ЭУ КА) за счет повышения достоверности описания математическими моделями теплогидравлических процессов в ЭУ КА.

Основным способом терморегулирования, применяемым до настоящего времени на космических аппаратах (КА) с большим тепловыделением, являлся принудительный перенос теплоты с использованием однофазных теплоносителей. Рост тепловыделения на перспективных КА до 10 кВт и более с одновременным увеличением их линейных размеров ставит задачу разработки систем терморегулирования, использующих двухфазный кипящий теплоноситель. Такие системы легче, чем аналогичные однофазные системы, и потребляют меньше энергии. Однако двухфазные контуры теплоотвода (ДФК) СОТР – принципиально новая, ранее не использовавшаяся в практике проектирования КА система. Переход к двухфазному теплоносителю вызовет необходимость решения целого ряда новых задач.

Так, например, при проектировании двухфазного контура теплоотвода (ДФК) систем обеспечения теплового режима (СОТР) ЭУ КА возникает вопрос оценки коэффициентов теплоотдачи при конденсации в условиях микрогравитации. Достоверные данные об этой величине отсутствуют, а получение новых данных путем прямого измерения чрезвычайно затруднено вследствие особенностей конструкции конденсаторов. Перспективным узлом ДФК СОТР ЭУ КА представляется гидроаккумулятор с тепловым регулированием (ТГА), предназначенный для управления давлением в ДФК. Он обладает большей надежностью по сравнению с гидроаккумуляторами других типов. Однако процессы, протекающие при его работе в условиях микрогравитации, мало изучены. Определение параметров модели при заданной ее структуре составляет задачу так называемой параметрической идентификации.

В работе показано, что существующие в настоящее время методики решения задачи параметрической идентификации в основном посвящены решению обратных задач теплопроводности, а вопросы параметрической идентификации математических моделей, описывающих явления массопереноса, сравнительно малоизученны и адаптация методики решения задачи параметрической идентификации для данного типа моделей является безусловно актуальной.

Существующая методика нахождения параметров математической модели путем постановки задачи параметрической идентификации была применена к математической модели двухфазного контура теплопереноса с механической прокачкой теплоносителя. Определялись коэффициенты теплоотдачи при конденсации аммиака. В результате обработки результатов экспериментов получены коэффициенты теплоотдачи при конденсации в невесомости для конденсаторов с капиллярным отводом конденсата при давлении конденсирующегося аммиака 1,2 … 1,3 МПа, что позволяет проектировать СОТР КА с конденсаторами данного типа. Полученные результаты были преобразованы в критериальную зависимость интенсивности теплоотдачи при конденсации в невесомости для конденсаторов с капиллярным отводом конденсата. Доказано, что процесс конденсации с капиллярным отводом жидкой фазы от поверхности теплообменника слабо зависит от интенсивности гравитации.

Выработана и верифицирована процедура запуска ДФК СОТР ЭУ КА выбранной конструкции, обеспечивающая отсутствие недопустимого заброса давления в контуре. Показано, что сопровождающие теплоперенос в ТГА в условиях микрогравитации процессы термокапиллярной конвекции протекают с достаточной интенсивностью, что позволяет с достаточной для практических задач точностью считать процессы в ТГА равновесными. Доказано, что управление давлением в ДФК по данным температуры стенки бака ТГА не приводит к ухудшению характеристик САР по сравнению с прямым измерением давления.

Разработана методика определения воздухосодержания в паровоздушной смеси в быстропротекающих процессах. Проведенная практическая апробация методики позволила подтвердить эффективность предложенных подходов к идентификации параметров в энергетических установках.

Ключевые слова: математическая модель, параметрическая идентификация, двухфазное течение, конденсация, конденсатор, гидроаккумулятор с тепловым регулированием, теплопередача.

АНОТАЦІЯ

Єпіфанов К.С. Параметрична ідентифікація робочих процесів енергетичних установок з двофазним теплоносієм для космічних апаратів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.05 – Двигуни та енергоустановки літальних апаратів. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Харків, 2004 р.

Дисертацію присвячено розв’язанню задачі визначення робочих характеристик елементів енергетичних установок космічних апаратів для ефективного проектування енергетичних установок космічних апаратів з високими техніко–економічними показниками.

Розроблену методику знаходження параметрів математичної моделі була застосовано для розв’язання задачі визначення інтенсивності тепловіддачі в конденсаторах в умовах мікрогравітації. Доведено, що процес конденсації з капілярним відводом рідкої фази від поверхні теплообмінника слабо залежить від інтенсивності гравітації.

Розроблено методику визначення повітровмісту в пароповітряній суміші в швидкоплинних процесах. Практична апробація методики дозволила підтвердити ефективність запропонованих підходів до ідентифікації параметрів елементів енергоустановок.

Ключові слова: математична модель, параметрична ідентифікація, двофазна течія, контур теплоперенесення, конденсація, конденсатор, гідроакумулятор з тепловим регулюванням, теплопередача.

ABSTRACT

Yepifanov K.S. Parametrical identification of power installations of space vehicles with the two–phase heat–carrier. – Manuscript.

Thesis for submitting of the scientific degree of Candidate of Technical Science in speciality 05.07.05 – Engines and Power Plants of Flying Vehicles – National aerospace university named after N.E. Zhukovsky “KhAI”, Kharkiv, 2004.

The thesis is devoted to solution of spacecraft power plants working characteristics determination task for spacecraft power plants with high technical measures efficiency design.

Developed mathematical model parameters determination method is used for definition of the heat transfer intensity in conditions of mircrogravity. As a result of identification the ratio describing dependence of heat transfer coefficients during condensation on thread–like surface from state parameters in conditions of microgravity is received.

Description of system for measuring of air concentration in air–steam mixture during the transients is also represented. Measuring system was used in experiments on EREC BKV–213 test facility intended for testing of VVER–440/V–213 reactor large scale barbotage–vacuum system.

Key words: mathematical model, parametrical identification, two–phase flow, heat transfer contour, condensation, condenser, heat controlled hydroaccumulator, heat transfer.

Підп. до друку 26.04.2004 р. Формат паперу 60х90/16.
Папір друкарський.

Офсетний друк. Ум. фарбовідб. Ум. друк. арк. 1,0. Обл. вид. арк. 1,26.

Тираж 100 прим. Замовлення № 190.

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

61070, м. Харків–70, вул. Чкалова, 17

Видавничий цент „ХАІ”

61070, м. Харків – 70, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu