Методы снижения уровня негативных последствий термического расслоения топлива

Для ликвидации последствий термического расслоения необходимо в первую очередь знать высоту расслоенной области, а также максимальную температуру жидкости на поверхности раздела.

Рассмотрим характеристики расслоения, основываясь на закономерностях пограничного слоя в соответствии со схемой процесса, изображенной на рис. 6.1. Полагаем, что все тепло, поступившее в стенки цилиндрической емкости на высоте (H-h), мгновенно выносится в расслоенную область через кольцевое сечение пограничного слоя в основании расслоенной области. Тогда получаем

, (7.1)

где T_w – текущая температура в расслоенной области в зависимости от высоты h; H – уровень заполнения бака топливом в текущий момент времени; h – глубина слоя топлива от свободной поверхности при термическом расслоении.

Выражение (7.1) определяет изменение высоты расслоенной области.

В условиях выработки компонента, т.е. при H=H(τ), высота расслоенной области может быть найдена численным интегрированием соотношения (7.1), если известен коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкостиa=q_w /q_w, геометрические размеры бака H и R, а также теплофизические свойства жидкости c_p и r.

Соотношение (7.1) можно воспользоваться и при переменном во времени тепловом потоке q_w(τ). Разбивая весь временной интервал процесса расслоения на достаточно малые отрезки времени, в пределах которых можно полагать q_w=const, нетрудно рассчитать изменение высоты расслоенной области, полагая процесс квазистационарным.

Рассмотрим теперь определение температуры жидкого компонента на поверхности раздела. Устойчивое состояние расслоенной области возможно при , и из этого следует, что максимальная температура жидкого компонента будет на свободной поверхности.

Температура свободной поверхности T_з может быть определена из соотношения

, (7.2)

где Q – количество тепла, подведенное к свободной поверхности или отведенное от нее при тепловом взаимодействии с газовой подушкой; ; x – осевая координата по глубине расслоенной области от свободной поверхности

В последнем соотношении высота расслоенной области h(τ) определяется полученным ранее выражением (7.1).

Соотношения для высоты расслоенной области и температуры жидкости на поверхности раздела основаны на использовании закономерностей пограничного слоя. При их выводе учтены определенные допущения, важнейшими из которых являются:

1) постоянство температуры жидкости по высоте к началу процесса
расслоения;

2) пограничный слой на стенках сосуда описывается зависимостями стационарного пограничного слоя на вертикальной пластине, а его толщина много меньше радиуса- δ << R.

3) отсутствует донный подогрев бака;

4) безразмерный профиль температуры не является функцией времени и радиуса сосуда, а только функцией безразмерной координаты x/h.

Остановимся на вопросах, связанных с ликвидацией нежелательных последствий процесса термического расслоения КТ.

Умение прогнозировать температурное поле (или в первом приближении — максимальную температуру на поверхности раздела) позволяет проектировать ТНА, способный перекачать "тепловой остаток" компонента без кавигационного режима подачи, при наличии которого уменьшаются допустимые обороты насоса и возрастает масса ТНА. Значительно улучшаются массовые характеристики системы питания (бак, система наддува,ТНА) с полной выработкой расслоенной области при использовании бустерного ТНА, рассчитанного на меньшее входное давление компонента.

Однако в ряде случаев приходится использовать уже готовые центробежные насосы, рассчитанные на меньшую температуру компонента топлива. Если повышение входного давления невыгодно из-за ухудшения массовых характеристик бака и системы наддува или недопустимо по прочностным соображениям, целесообразно принять меры к понижению температуры расслоенной области за счет перемешивания ее с основной массой компонента.

Удобно разделить способы перемешивания на активные (требующие энергетических затрат) и пассивные (без использования различных приводов, потребляющих энергию).

На рис. 7.1а схематично показан струйный способ перемешивания, основанный на отборе некоторого расхода компонента топлива за соответствующим насосом. В нижней части бака устанавливается торовый коллектор 3 с отверстиями. К торовому коллектору через клапан 4, открывающийся при подходе расслоенной области в район коллектора, подводится часть компонента из-за насоса. Истекая из отверстий коллектора, жидкость обеспечивает струйное перемешивание расслоенной области с холодной частью компонента. Струйный способ перемешивания отличается высокой эффективностью, но требует дополнительного расхода компонента, что приводит к увеличению потребной мощности ТНА. Кроме того, струи жидкого компонента, истекающие из коллектора 3, не должны выходить за поверхность раздела, чтобы не вызывать падения давления в газовой подушке из-за конденсации паровой фазы на струе. Это требует экспериментальной отработки перемешивающего устройства.

Если "тепловой остаток" помещается в тоннельной трубе (рис. 7.1б), то он может быть практически полностью выработан при повышенном давлении. Для этого необходимо закрыть клапан 4 на входе в тоннельную

Рис. 7.1. Схемы активных способов борьбы с расслоением:

1 - газоввод;2-противовороночное устройство; 3 - коллектор; 4 - электропневмоклапан; 5 — тоннельная труба; т - турбина; н — насос; н.г, н.о - насосы горючего и окислителя, соответственно.

трубу, открыл» клапан для газа вытеснителя и вытеснить "тепловой остаток" в центробежный насос. При этом режим работы ТНА не изменяется, однако требуются два дополнительных клапана, а также некоторый запас газа-вытеснителя.

Общим недостатком активных способов перемешивания является потребность в дополнительных агрегатах (электропневмоклапанах, торовом коллекторе и др.), а также источниках энергии, что естественно усложняет систему питания и увеличивает ее массу.

На рис. 7.2 показаны примеры пассивных способов борьбы с последствиями термического расслоения компонентов топлива. Постановка неподвижных поперечных кольцевых перегородок 2 (рис. 7.2а) приводит к отклонению вертикального пограничного слоя и его перемешиванию с холодным ядром как в процессе расслоения, так и при выработке жидкого компонента. К тому же поперечные перегородки выполняют роль демпфера при осевых колебаниях жидкости в баке.

При использовании криогенных компонентов представляет определенный интерес постановка внутрь бака коаксиального цилиндра 3 (рис. 7.2 б), образующего зазор со стенками бака. Тепловой поток, поступающий в стенки бака из окружающей среды, идет на нагрев компонента, находящегося в кольцевом зазоре. Поскольку внутренний цилиндр выступает над поверхностью раздела, весь тепловой поток пойдет на частичное испарение криогенного компонента, находящегося в зазоре, а расслоения с образованием прогретой области не произойдет. Испарившийся компонент может быть использован для наддува бака.

Явление термического расслоения криогенного компонента может быть использовано для самонаддува бака (рис. 7.3). Если верхний слой залитого криогенного компонента нагреть наружным поверхностным нагревателем до температуры, соответствующей давлению насыщенных паров p_s0, то при выработке компонента давление будет падать и верхние слои компонента окажутся перегретыми. Испарение перегретого верхнего слоя обеспечивает самонаддув бака.

Рис. 7.2. Пассивные перемешивающие устройства:

1 - газоввод; 2- поперечные перегородки; 3 - коаксиальный цилиндр; 4- противовороночное устройство.

Рис. 7.3. Схема системы самонаддува бака:

а - начало процесса; б - промежуточное состояние

Самонаддув бака с криогенным компонентом топлива позволяет заметно упростить систему подачи жидкости к центробежному насосу, так как упраздняются дополнительные трубопроводы с агрегатами подачи и для вытеснения используются пары криогенного компонента.