Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Моделирование температурных режимов емкостей заправочных систем при выполнении операций подготовки топлива к заправке

Методические указания к выполнению лабораторных работ
Покупка
Новинка
Артикул: 837157.01.99
Доступ онлайн
600 ₽
В корзину
Содержатся материалы для исследования температурных режимов модели заправочной системы ракеты или космического аппарата, экспериментального определения и обработки характеристик теплообмена для режимов температурной подготовки топлива при различных схемах включения насосов. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов».
Чугунков, В. В. Моделирование температурных режимов емкостей заправочных систем при выполнении операций подготовки топлива к заправке : методические указания к выполнению лабораторных работ / В. В. Чугунков. - Москва : Издательство МГТУ им. Баумана, 2018. - 28 с. - ISBN 978-5-7038-4834-0. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2160687 (дата обращения: 19.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Моделирование температурных режимов  

емкостей заправочных систем  

при выполнении операций

подготовки топлива к заправке

Методические указания  

к выполнению лабораторных работ

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана

В.В. Чугунков

ISBN 978-5-7038-4834-0 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

УДК 629.7.082.6
ББК 39.62
        Ч-83

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/267/book1767.html

Факультет «Специальное машиностроение» 
Кафедра «Стартовые ракетные комплексы»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Чугунков, В. В.
Моделирование температурных режимов емкостей заправочных систем при выполнении операций подготовки топлива 
к заправке. Методические указания к выполнению лаборатор- 
ных работ / В. В. Чугунков. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2018. — 24, [4] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4834-0

Содержатся материалы для исследования температурных режимов 
модели заправочной системы ракеты или космического аппарата, экспериментального определения и обработки характеристик теплообмена 
для режимов температурной подготовки топлива при различных схе- 
мах включения насосов.
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетнокосмических комплексов».

УДК 629.7.082.6
ББК 39.62

Ч-83

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящие методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Тепломассоперенос в наземном оборудовании» предназначены для студентов кафедры «Стартовые 
ракетные комплексы», обучающихся по специальности «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов». Лабораторные работы посвящены исследованию 
сложного теплообмена на поверхностях конструкций технологического оборудования технических и стартовых комплексов и 
температурного состояния заправочного оборудования при выполнении операций подготовки топлива к заправке в топливные 
баки ракет. 
Объектами моделирования являются конструкции заправочных 
емкостей и оборудования заправочных систем при перемешивании 
топлива перед заправкой в топливные баки ракет.  
При выполнении лабораторной работы № 1 проводится моделирование температурного режима емкости, заполненной жидкостью, которая перемешивается насосом заправочной системы, и 
тепловых потоков на поверхностях заправочной емкости и корпуса насоса с учетом конвективного теплообмена с наружным воздухом и теплообмена излучением с окружением при выполнении 
операции подготовки топлива к заправке в топливные баки ракеты. 
Прогнозируется температура нагрева топлива при длительном перемешивании в заправочной емкости.
Лабораторная работа № 2 посвящена экспериментальному исследованию темпа нагрева жидкости в заправочной емкости при 
выполнении операции ее перемешивания заправочным оборудованием. Результаты эксперимента сравниваются с результатами 
математического моделирования нестационарного температурного 
режима жидкости в процессе ее перемешивания в заправочной 
емкости в течение требуемого времени.
Методические указания содержат краткие сведения из теории 
сложного теплообмена на поверхностях конструкций стартового 

оборудования ракетно-космической техники, а также необходимые 
для выполнения и обработки результатов лабораторных работ пояснения и сведения о технологиях температурной подготовки 
топлива. Прогнозирование температуры и темпа нагрева жидкости 
при ее перемешивании в емкости лабораторного стенда, расчеты 
теплопритоков и распределения температур осуществляются на 
ПЭВМ с использованием вычислительных программ, которые 
студенты готовят для обработки результатов лабораторных работ.
Отчеты о выполнении лабораторных работ представляются 
в электронном виде и в виде текста на стандартных листах формата А4 с приложением таблиц, включающих данные измерений 
и расчетов по обработке экспериментов, а также результатов по 
прогнозированию температурного состояния оборудования. 
После освоения материала настоящего учебного издания 
и выполнения лабораторных работ студент получит знания технологии и основ физического моделирования тепловых процессов 
при выполнении операций температурной подготовки топлива 
к заправке, приобретет умения осуществлять расчеты тепловых 
потоков и температурного состояния элементов конструкций 
заправочного оборудования ракетных комплексов, а также навыки 
проведения и обработки результатов теплотехнических экспериментов.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Стартовые комплексы ракет космического назначения (РКН), 
двигательные установки которых используют углеводородное 
горючее (УВГ) марок РГ-1 и Т1, оснащены оборудованием заправочных систем. С помощью этих систем проводят температурную подготовку УВГ перед заправкой в топливные баки РКН. 
Температура горючего Т1 должна составлять минус 2...5 °С, 
а температура горючего РГ-1 — минус 25...30 °С, что достигается 
при проведении охлаждения/нагрева УВГ в емкостях-хранилищах 
стартового комплекса.
Процессы температурной подготовки УВГ являются одними из 
наиболее энергоемких и длительных процессов, требующих определения рациональных технологий и режимов охлаждения/нагрева 
ракетного топлива с использованием оборудования стартовых 
и технических комплексов космодромов на основе моделирования 
процессов температурной подготовки ракетного горючего. 

Технологии температурной подготовки топлива

Температурную подготовку УГВ в емкостях-хранилищах на 
стартовом комплексе осуществляют с помощью встроенных во 
внутреннее пространство и внешних по отношению к емкостихранилищу теплообменников, в которых в качестве теплопередающих сред могут использоваться антифризы, воздух или жидкий 
азот. Охлаждение УВГ проводят при непосредственной подаче 
жидкого азота в емкость-хранилище через барботажный аппарат 
с последующим рассыщением горючего с целью удаления из него 
растворенного азота.
Технологическая схема системы заправки РКН с предварительной температурной подготовкой топлива на стартовом комплексе 
приведена на рис. 1.
Охлаждение топлива в емкости-хранилище 1 перед заправкой 
в топливные бак РКН 6 осуществляется посредством барботажа 
УВГ жидким азотом, поступающим из емкости-хранилища жидкого азота 3 при подаче в нее под давлением газообразного азота 
из хранилища 5 через газовый редуктор 4. Жидкий азот через 
барботер вводится в нижнюю часть емкости-хранилища 1 и вследствие теплообмена с топливом переходит в газообразное состояние 

в виде множества азотных пузырей, которые при движении к поверхности жидкости в емкости-хранилище 1 нагреваются до ее 
текущей температуры. При этом из наджидкостного пространства 
газообразный азот отводится в дренажную магистраль заправочной 
системы. После охлаждения УВГ до требуемой температуры проводится операция рассыщения топлива с целью удаления из него 
растворенного азота, что достигается при повышении давления 
в емкости за счет подачи в нее газобразного азота при закрытом 
дренажном клапане запорной арматуры 2  с последующим сбросом 
давления при его открытии.
При необходимости нагрев УВГ в емкости осуществляется при 
работе насосной станции 8, обеспечивающей циркуляцию топлива 
через теплообменник 9 с возвратом УВГ в емкость-хранилище 1.
Процесс охлаждения УВГ при теплообмене с жидким азотом 
при его прямой подаче в топливо через барботер в предположении 
о квазистационарности теплообмена емкости-хранилища с окружающей средой может быть представлен следующим уравнением: 

Рис. 1. Технологическая схема системы заправки РКН с предварительной температурной подготовкой УВГ на стартовом комплексе:

1 — емкость-хранилище УВГ; 2 — запорная арматура; 3 — емкость-хранилище 
жидкого азота; 4 — газовый редуктор; 5 — хранилище газообразного азота 
высокого давления; 6 — топливный бак РКН; 7 — фильтр; 8 — насосная станция; 9 — теплообменник

k F T
T
G
r
c
T
T
m c
m c
dT
d

е
е
у.нар
а
а
а
кип.а
т т
е е
т
т
т
−
(
)−
+
−
(
)

 =
+
(
)
τ ,  
(1)

где k F
е
е
,
 — коэффициент теплопередачи и площадь поверхности 

емкости-хранилища; T
T
A
qс
у.нар
нар
нар.е

нар
=
+
∑
α
— условная наружная 

температура; Tнар  — температура наружного воздуха; Aнар.е  — поглощательная способность наружной поверхности емкости; qс  — 
средняя по поверхности плотность потока солнечной радиации; 
α∑нар  — суммарный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности емкости; Tт  — температура топлива; G
r
c
T
а
а
а
,
,
,
кип.а  — 

массовый расход, удельная теплота кипения, удельная теплоемкость, 
температура кипения азота; m
c
т
т
,
 — масса и удельная теплоемкость 

топлива; m
c
е
е
,
 — масса и удельная теплоемкость емкости; τ — 

время.
По уравнению (1) определяют зависимости для температуры 

топлива Tт, массы азота mа  и времени τоп.о  для выполнения опе- 
рации охлаждения топлива от начальной температуры Tт.н.о  до 
требуемой конечной температуры Tт.к.о:

 
T
T
T
T
k F
G c
m c
m c
т
т.п.о
т.н.о
т.п.о
т
exp
=
+
−
(
)
−
+
+






е
е
а а

т
е е
τ ; 
(2)

 
τоп.о
т т
т. к. о
т.п.о

т.н.о
т.п.о
= −
+
+

−

−





m c
m c
k F
G c

T
T

T
T

е е

е
е
а а
ln




;  
(3)

 
m
G
а
оп.о
=
аτ
, 
(4)

где 

 
T
k F T
G r
G c T

k F
G c
т.п.о
е
е
а а
а а кип. а

е
е
а а
=
−
+

+

у.нар
.
(5)

Процесс нагрева УВГ при циркуляции топлива через теплообменник в предположении о квазистационарности теплообмена 
емкости-хранилища с окружающей средой может быть представлен 
следующим уравнением:

Q
Q
k F T
T
k F
k F

m c
m c

i
i
тепл.нагр
нас
е
е
нар
е

е е

+
−
−
(
)
+ ∑





 =

=
+
+

т

т т

е
1

∑
(
)
m c
dT
d

i i
т
τ ,

 

(6)

где Qтепл.нагр  — тепловой поток от теплообменника; Qнас  — тепловой поток от насосной станции заправочной системы; k F
i
i
,
,  
mi, ci — коэффициент теплопередачи, площадь поверхности, масса и удельная теплоемкость элементов циркуляционного контура 
(трубопроводов, фильтров, клапанов, насосной станции и теплообменника); τ — время.
По уравнению (6) определяют зависимости для температуры 
топлива и времени операции нагрева при заданных тепловых потоках от теплообменника и насосной станции заправочной системы:

 
T
T
T
T
k F
k F
m c
m c

i
i
т
е

т
=
+
−
(
)
−
+ ∑
+
т.п.нагр
т.н.нагр
в.п.нагр
е

т
е
exp
е + ∑






m c
i i
τ ;  (7)

 
τон
е е

е

т.к.нагр
т.п.нагр

т.н.
ln
=−
+
+ ∑
+ ∑

−
m c
m c
m c
k F
k F

T
T

T

i i

i
i

т т

е
нагр
т.п.нагр
−T
;  
(8)

где 

 
T
T
Q
Q

k F
k F
i
i

т.п.нагр
нар
тепл.нагр

е
е

=
+
+

+ ∑

нас ,  
(9)

T
T
т.н.нагр
т.к.нагр
, — начальная и конечная температуры топлива при 
выполнении операции нагрева.
Для проведения расчетов по уравнениям (2)–(5) и (7)–(9) предварительно находят значения теплофизических характеристик 
топлива и коэффициентов теплопередачи стенок емкости-хранилища и элементов контура циркуляции УВГ для средних температур T
T
T
т.о
т.к.о
=
+
(
)
т.н.о
/2  — для операции охлаждения топлива и 

T
T
T
т.нагр
т.к.нагр
=
+
(
)
т.н.нагр
/2  — для операции нагрева топлива.

Теплопередача при температурной подготовке топлива

Операции подготовки топлива к заправке сопровождаются 
теплообменом элементов конструкций заправочной системы 
с окружающей средой. Теплообмен на поверхностях конструкций 

в этих условиях является, как правило, сложным, поскольку результирующий тепловой поток представляет собой совокупность 
нескольких тепловых потоков, подводимых к конструкции конвекцией, излучением, за счет фазового перехода паров воды из 
наружного влажного воздуха и солнечной радиацией.
Характерный пример сложного теплообмена — теплообмен 
емкости-хранилища с окружающей средой при температурной 
подготовке топлива. 
Плотность результирующего теплового потока, подводимого 
к наружной поверхности емкости со стороны окружающей среды, 
в общем случае складывается из плотностей тепловых потоков за 
счет конвективного теплообмена с наружным воздухом (
),
qконв.нар
 
теплообмена излучением (
),
qл
 фазового перехода паров воды, содержащихся в воздухе, на охлажденной поверхности емкости (
)
qф  
и солнечной радиации (
)
qс  и может быть представлена в виде

 
q
q
q
q
Аq
∑
=
+
+
+
нар
ф
конв.нар
л
с, 
(10)

где А  — коэффициент поглощения солнечной радиации для наружной поверхности емкости.
Применительно к условиям проведения экспериментов на 
лабораторном стенде при моделировании нагрева жидкости насос- 
ной установкой плотность результирующего теплового потока, 
отводимого с наружной поверхности емкости в окружающую 
среду, имеет вид

 
q
q
q
∑
=
+
нар
конв.нар
л. 
(11)

Плотность конвективного теплового потока за счет теплообмена с наружным воздухом определяется зависимостями:

 
q
T
T
w
конв.нар
конв.нар
=
−
(
)
α
2
нар ;  
(12)

 
α
λ

конв.нар
нар
Nu
=
l
,
(13)

где αконв.нар  — коэффициент теплоотдачи конвекцией на наружной 
поверхности емкости; Tw2,  Tнар  — температуры наружной поверхности емкости и наружного воздуха; Nu  — число Нуссельта; 
λнар  — коэффициент теплопроводности наружного воздуха, зависящий от его температуры Tнар; l  — характерный размер емкости.

За характерный размер l  при вынужденной конвекции и поперечном обтекании цилиндрической емкости, а также при свободной конвекции наружного воздуха в случае горизонтального ее 
расположения принимают наружный диаметр емкости dе.  При 
свободной конвекции наружного воздуха в случае вертикального 
расположения емкости высота емкости будет H.

Число Нуссельта при свободной конвекции жидкостей и газов 
на цилиндрической поверхности зависит от определяющих чисел 
Рэлея Ra  и Прандтля Pr:

 
Ra
нар нар
=
−
(
)
g
T
T
l

a

w
β

ν

нар
нар
2
3
;  
(14)

 
Prнар
нар

нар
= ν

a
;
(15)

 
Prw
w

w
a
2
2

2
= ν
,
(16)

где g  — ускорение свободного падения; β
ν
нар,
,
нар
нар
a
 — температурный коэффициент объемного расширения, коэффициент 
кинематической вязкости и коэффициент температуропроводности 
наружного воздуха при температуре Tнар; νw
w
a
2
2
,— коэффициент 
кинематической вязкости и коэффициент температуропроводности 
наружного воздуха при температуре Tw2.

Для горизонтальной цилиндрической поверхности при 103 < 
< Ra < 108

 
Nu
Ra
Pr

Pr

нар
=






0 5
0 25

2

0 25

,
.
,
,
w

 
(17)

Для вертикальных цилиндрических и плоских поверхностей при 
103 < Ra < 109

 
Nu
Ra
Pr

Pr

нар
=






0 76
0 25

2

0 25

,
;
,
,
w

 
(18)

при Ra > 109

 
Nu
Ra
Pr

Pr

нар
=






0 15
0 333

2

0 25

,
.
,
,

w

 
(19)

Доступ онлайн
600 ₽
В корзину