Методика расчета и результаты исследований системы передачи теплоты к нагревателю двигателя с внешним подводом теплоты

Уже более полувека прошло с тех пор, как после большого перерыва вновь ожил интерес к тепловой машине, появившейся в начале XIX векадвигателю Стирлинга. Из-за сложности и оригинальности термодинамического цикла в популярной и зарубежной литературе этот двигатель известен также и под другими названиями, подчеркивающими некоторые принципиальные и конструктивные особенности: тепловой воздушный двигатель, тепловая регенеративная машина, газовый поршневой регенеративный двигатель, поршневой двигатель на горячем газе, поршневой регенеративный двигатель замкнутого цикла. В отечественной литературе его обычно называют двигателем с внешним подводом теплоты или сокращенно ДВГГГ.

Работы многих известных машиностроительных фирм, продолжавшиеся в течение 10.40 лет и использовавших при этом, как правило, финансовую поддержку государства, принесли ощутимые успехи. Результатом их стал накопленный опыт, позволивший этим фирмам к настоящему времени создать экспериментальные и опытные образцы, приближающиеся по своим качествам к параметрам и показателям эффективности, которые могут обеспечить конкурентоспособность ДВГГГ в широком спектре областей применения: для автомобилей, подводных технических средств, гелиоэнергетики, медицины, многотопливных электрогенераторов и некоторых других. В качестве примеров можно назвать двигатели типа «квадратная четверка» V4−275 шведского концерна Kockums (разработка фирмы USS, ныне являющейся частью концерна) для подводных лодок /59/, двигатели 4−215DA и STM-4−120 с наклонной шайбой также для подводных объектов, стирлинг-генератор GPU-3 (Ground Power Unit), разработанный по заказу армии США, маломощные автономные электорогенераторы серии 102С фирмы Philips широкого назначения. Особо следует отметить успех фирмы Kockums, двигатели которой успешно прошли опытную эксплуатацию на французской исследовательской подводной лодке «SAGA-I», шведской боевой подводной лодке «Nacken» (после переоборудования 1987;88 годов) и были рекомендованы в качестве подводных двигателей малого хода для установки на шведские лодки нового поколения типов «Vastergotland» («А-17») и «Gotland» («А-19») /8, 57, 43/. Несомненно, этому успеху способствовали специфические условия применения ДВПТ на подводных лодках и аппаратах — относительно высокий эффективный КПД установки в целом (по оценкам для схем с различными системами хранения и удаления энергокомпонентов его величина составляет 0,21.0,31), малая зависимость показателей рабочего процесса от параметров во внешнем контуре, а также наличие неограниченного количества низкопотенциальной охлаждающей среды /2,24/.

Однако, несмотря на достигнутые успехи отдельных фирм, следует признать, что в целом радужные прогнозы энтузиастов, сформулированные на базе успехов двадцати-тридцатилетней давности, полностью не оправдались.

Труднопреодолимыми до сих пор остаются несколько проблем: уплотнение гелия при давлении в контуре до 10. 15 МПа и выше, ресурс насадки регенератора, конструкция и технология изготовления нагревателя. Следует отметить также, что проблемы общей компоновки, вспомогательных механизмов, системы управления усугублялись вследствие малых размеров разрабатывавшихся опытных образцов.

Изложенные трудности могут быть преодолены двумя способами.

1. Снижение термодинамических параметров форсировки — уменьшение давления рабочего тела, температуры стенок нагревателя и удельных тепловых потоков в. процессах теплообмена. Такие решения могут найти применение в двигателях для малой энергетики при использовании малокалорийных топлив и в двигателях-утилизаторах теплоты высокои среднетемпературных выбросов /94/.

2. Разработка высокотехнологичных систем и устройств, обеспечивающих принципиальное решение проблемы. В частности, проблема уплотнения гелия становится не актуальной для ДВПТ-генераторных установок в капсюлированном варианте, а продолжительность эффективной работы насадки регенератора (период между промываниями или сменами насадки) значительно увеличивается при отказе от подшипников скольжения с жидкостной смазкой и использовании подшипников качения с консистентной смазкой и подшипников сухого трения.

Ко второму направлению относятся также работы, направленные на создание надежных высокотемпературных нагревателей и специальных дополнительных конструктивных элементов, обеспечивающих выравнивание и стабилизацию температурного поля на внешней поверхности нагревателя.

Проблема создания нагревателя, выдерживающего при температуре* стенок 873. 1073 К давление рабочего тела до 10.20 МПа, а также воздействие огневого факела и теплового потока удельной мощностью до 1 МВт/м2 выделяется особыми научными и технологическими сложностями. Использование принципа прямого нагрева делает нагреватель конструктивно и технологически сложным, наиболее трудоемким и дорогим элементом ДВПТ, в значительной степени определяющим его надежность и ресурс.

Неравномерность температуры в кольцевом нагревателе вследствие неоднородности параметров пламени горелки и условий теплопередачи может достигать 200.300 К по высоте трубок, и 100. 150 К в сечении йа одинаковой высоте. Имеются также температурные градиенты в сечении каждой отдельной трубки. Разброс температуры газов и трубок вызывает неравномерность удельного теплового потока по поверхности нагревателя, вынуждает значительно занижать расчетную температуру нагревателя и, как следствие, снижает индикаторный КПД ДВПТ. Изложенное дает основание причислить проблему создания высокотемпературного нагревателя к наиболее актуальным и приоритетным направлениям работ по созданию ДВПТ, особенно применительно к двигателям транспортного типа с высокими требованиями к уровням параметров форсировки, экономичности и компактности. Дополнительные аргументы обосновывающие актуальность предлагаемого исследования содержатся в разделах диссертации 1.1, 1.2, 2,4, 4.4.3.

Один из возможных путей решения проблемы создания надежного и эффективного нагревателя состоит в том, чтобы для подвода теплоты к нему применить специальную систему передачи теплоты (СПТ), работающую по принципу тепловой трубы или термосифона. При малом термическом сопротивлении и незначительных потерях теплоты такая СПТ способна обеспечить нагревателю равномерное температурное поле, а также независимость геометрических характеристик теплопередающих поверхностей внешнего и внутреннего контуров ДВГТГ.

Именно этому направлению посвящено предлагаемое исследование.

5. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Выполненные теоретические работы, а также расчетные и экспериментальные исследования дают основания сделать следующие выводы:

1. Разработанные на базе системно-термодинамического подхода математические модели рабочих процессов СПТ, работающей по принципу двухфазной капиллярно-гравитационной тепловой трубы, предназначены для проведения комплексных расчетно-экспериментальных исследований процессов передачи теплоты к нагревателю ДВПТ на различных стадиях проектирования и стендовой доводки опытных образцов. Предложенные методики адаптированы к конструкциям, в которых испаритель и адиабатная зона могут иметь сложную разветвленную конфигурацию, а конденсационную зону нагревателя допустимо рассматривать в виде паровой камеры. Применение системного подхода обусловило возможность выполнения анализа и сопоставления СПТ различных конструктивных типов исходя из условия повышения эффективных показателей двигателя в целом. Для выполнения этих работ созданы многоуровневая иерархическая модель и соответствующее программно-математическое обеспечение.

2. Внесены уточнения и дополнения в инженерную методику расчета параметров эффективности и проверки работоспособности тепловой трубы.

В дополнение к известным соотношениям для предельных ограничений тепловой мощности предлагается использовать выведенные интегральные соотношения для расчета интенсивности теплоподвода на внешней поверхности испарителя (2.28.3.30, 2.42.2.45) и для ограничения величины удельного теплового потока на цилиндрических поверхностях испарителя и конденсатора по условию термомеханической прочности (2.60).

При оценке капиллярного ограничения вместо коэффициента запаса гго величине теплового потока предлагается использовать коэффициент запаса по величине капиллярного напора (4.7).

3. На базе уравнений химико-термодинамического равновесия Вант1.

Гоффа и аппроксимаций параметров пара на линии насыщения разработан алгоритм расчета термодинамических параметров и теплофизических свойств паров щелочных металлов учитывающий явление рекомбинации-диссоциации молекул пара, а также сжимаемость вследствие отклонения от идеально-газбвого состояния (3.33,3.35.3.37).

4. Разработана математическая модель элементов парового пространства тепдовой трубы (3.51).

Показано, что для паровых камер гидродинамическими явлениями, в том числе при расчете нестационарных режимов, допустимо пренебречь и применим квазистационарный подход.

При расчете параметров характеризующих движение пара в цилиндрических трубках и соединительных каналах по одномерной гидродинамической модели (3.63.3.66) наибольшее влияние на конечные результаты оказывают трение в потоке и учет параметров состояния реального пара. Явлениями восстановления параметров при торможении потока в пристеночном слое и перестройкой. профиля скорости по сечению канала допустимо пренебречь.

5. При расчете распределения капиллярного давления и скорости фильтрации теплоносителя по сложным разветвленным КПС целесообразно использовать итерационные методы последовательной верхней релаксации и Гаусса-Зейделя.

6. Анализ конструктивных схем и условий работы перспективных типов СПТ на различных режимах и в условиях разогрева выявил, что лимитирующими являются капиллярное, звуковое и прочностное ограничения мощности.

Существенное влияние на механизм возврата жидкого теплоносителя оказывают углы крена и дифферента.

Совокупность ограничений, определяющих работоспособность СПТ, выполненной на базе тепловой трубы, при холодном пуске и на долевых I режимах может быть преобразована в зависимость для предельно допустимой температуры в камере сгорания.

7. Выполненные экспериментальные исследования опытных образцов ДВПТ с СПТ типа паровая камера и модульного типа показали, корректность разработанной математической моделисреднеквадратичное отклонение расчетных значений величины термического сопротивления составило 2 К и совпало по величине с ошибкой термометрической цепочки измерения.

8. Экспериментальные исследования выявили, что наличие в паровом пространстве неконденсирующихся газов приводит к локальным пульсациям скорости разогрева нагревателя при резком набросе или сбросе нагрузки. В конструкциях модульного типа наличие неконденсирующегося газа вызывает загромождение проходного сечения транспортной зоны, разгон потока пара до околозвуковых скоростей и в итоге приводит к значительному увеличению термического сопротивления СПТ.

9. Для двигателей транспортного типа перспективные СПТ характеризуются ожидаемым эксергетическим КПД в диапазоне 0,91.0,97 при суммарном термическом сопротивлении 8.60 К.

Различные типы СПТ целесообразно использовать в следующих диапазонах цилиндровой мощности:

0,5. 1,5 кВт — паровая камера;

1 .15 кВт — паровая камера с испарительными горизонтальными трубками;

10. 50 кВт — модульная, с кожухотрубным испарителем;

40. 140 кВт — модульная, с принудительной циркуляцией теплоносителя.

Работоспособность предлагаемых СПТ обеспечивается при наличии во внутреннем пространстве неконденсирующихся газов в количествах, соответствующих холодному вакууму 90.220 Па.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Актуальность темы

исследования сформулирована во введении.

Среди главных проблем сложностью и актуальностью отличается задача создания нагревателя, выдерживающего при температуре стенок 873. 1073 К давление рабочего тела до 10.20 МПа и воздействие теплового потока до 1 МВт/м2. Использование принципа прямого нагрева делает нагреватель конструктивно и технологически сложным, наиболее трудоемким и дорогим элементом ДВПТ, в значительной степени определяющим его надежность и ресурс.

Неравномерность температуры в кольцевом нагревателе вследствие неоднородности параметров пламени горелки и условий теплопередачи может достигать 200.300 К по высоте трубок, и 100. 150 К в сечении на одинаковой высоте. Имеются также температурные градиенты в сечении каждой отдельной трубки. Разброс температуры газов и трубок вызывает неравномерность удельного теплового потока по поверхности нагревателя, вынуждает значительно занижать расчетную температуру нагревателя и, как следствие, снижает индикаторный КПД ДВПТ.

Один из возможных путей решения проблемы создания надежного и эффективного нагревателя состоит в том, чтобы для подвода теплоты к нему применить специальную систему передачи теплоты, работающую по принципу тепловой трубы или термосифона. При малом термическом сопротивлении и незначительных потерях теплоты такая СПТ способна обеспечить нагревателю равномерное температурное поле, а также независимость геометрических характеристик теплопередающих поверхностей внешнего и внутреннего контуров ДВПТ.

Цели и задачи исследования сформулированы в главе 1. Главные цели работы следующие:

1. Разработка методических принципов математического описания СПТ.

ДВГГГ, выполненных на базе двухфазных капиллярно-гравитационных тепловых труб.

2. Создание многоуровневой иерархической модели и программно-математического обеспечения для выполнения комплексных расчетных исследований СПТ.

В соответствии с этим при выполнении работы решены следующие методические, теоретические и экспериментальные задачи:

•произведен анализ структурных и конструктивных схем, физических процессов и условий работы перспективных типов СПТ;

•созданы математические модели для расчета процессов в капиллярно-гравитационной СПТ с жидкометаллическим теплоносителем;

•проведены логически увязанные между собой вычислительные, и стендовые исследования, направленные на повышение адекватности разработанного программно-математического обеспечения;

•определены оптимальные конструктивные и режимные параметры для перспективных конструктивных схем СПТ транспортного типа;

•на качественном и количественном уровне выявлено влияние' параметров СПТ на эффективность и другие качества ДВПТ.

Основное содержание теоретических и экспериментальных работ изложено в главах 2.4.

Методика исследований основана на принципах системного подхода применительно к сложной термодинамической системе. При разработке математических моделей базой служили фундаментальные положения, эмпирические соотношения и экспериментальные данные механики жидкостей и газов, термодинамики, теории теплообмена, теоретические и экспериментальные методы, применяемые при исследовании теплообменных аппаратов, тепловых двигателей и их элементов.

Разработка математических моделей и обработка опытных данных произведены на основании математических методов для численного решения задачи Коши, систем обычных и дифференциальных уравнений, методов интерполяции функций, статистической обработки опытных данных, одномерной и многомерной оптимизации.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях: •систематизирован опыт создания и исследования СПТ с промежуточным теплоносителем;

•разработаны математические модели процессов в капиллярно-гравитационной жидкометаллической тепловой трубе с зоной конденсации в виде паровой камеры и с транспортной зоной сложной конфигурации;

•внесены дополнения в инженерную методику расчета параметров эффективности и проверки работоспособности тепловой трубы, в том числе введены: понятие коэффициента запаса мощности по величине капиллярного напора, соотношения для ограничения теплового потока в конденсаторе и испарителе по условию термомеханической прочности и для испарителя по интенсивности теплоотдачи на внешней поверхности;

•проведены расчетно-экспериментальные исследования по обоснованию перспективных СПТ для ДВГГГ транспортного типа.

Практическая ценность работы обеспечивается разработанными расчетными математическими алгоритмами, инженерными методиками, и конкретными рекомендациями, сформулированными в главе 5, для выбора конструктивного типа и параметров СПТ ДВПТ транспортного типа. Предложенные в работе методы расчетно-экспериментапьных исследований и полученные результаты используются в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях при выполнении НИР и ОКР:

•для обоснования конструкции и режимных параметров теплообменных аппаратов на базе тепловых труб в составе перспективных энергетических установок, в том числе с нетрадиционными источниками теплоты;

•для углубленного анализа влияния конструкции СПТ и нагревателя на режимные параметры и показатели эффективности ДВГГГ;

•для дальнейшего совершенствования методик расчета рабочих процессов в системах и элементах ДВПТ.

Реализация работы осуществлена при непосредственном участии автора в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах по созданию макетных образцов маломощных ДВПТ-генераторов. Результаты выполненного исследования были использованы при выполнении исследований и проектных работ в Центральном ордена «Знак почета» научно-исследовательском дизельном институте, Федеральном государственном унитарном предприятии «Конструкторское бюро «Арсенал» имени М.6.

Фрунзе,*1 Санкт-Петербургском Государственном морском техническом «университете в учебном процессе для специальностей 1012 «Двигатели внутреннего сгорания» и 1402 «Судовые энергетические установки».

Апробация работы осуществлена с участием сотрудников ведущих предприятий и организаций, работающих по проблеме создания и применения ДВПТ. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на I Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и пути развития экспериментально-теоретических и опытно-конструкторских работ по двигателям с внешним подводом теплоты» (Ташкент,' 1979 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета (бывший Кораблестроительный институт) в 1980, 1984, 1988, 1990, 1993, 1997, 1999 гг., • на заседании секции судовых дизельных установок Научно-технического общества судостроителей им. акад. А. Н. Крылова в 1985 и 2002 гг., на секции «Тепловые насосы» Объединенного научного совета ГКНТ СССР и АН СССР (Москва, 1990 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок» (Ленинград, 1990), на симпозиуме при международной выставке «Энергетика-95» (СПб, 1995), на научнопрактической конференции ВВМИУ им. Ф. Э. Дзержинского «200 лет служения России» (СПб, 1998), на научно-технической конференции «Двигатели внутреннего сгорания двадцать первого века» (СПб, 2000).

Публикации по теме диссертации содержат основные положения теоретических и экспериментальных исследований, а также итоговые выводы и рекомендации. В перечень публикаций автора по теме диссертации (помещен в приложение) включены также работы посвященные методике расчета рабочего процесса во внутреннем контуре ДВПТ. Эта методика разработана автором в инициативном порядке и в данном исследовании была применена для согласования параметров теплообмена на поверхности нагревателя ДВПТ. Результаты исследования изложены в 27 печатных работах (из них 14 без соавторов), в том числе 2 брошюры, 18 статей, 1 авторское свидетельство на изобретение, б тезисов докладов. Отдельные разделы диссертации содержатся в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненных в СПбГМТУ (ЛКИ). Основное содержание диссертационной работы изложено в 17 печатных работах.