Диссертация

Создатель: Бортников, Роман Александрович

Название: Разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками

Справка об оригинале: Бортников, Роман Александрович. Разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками : диссертация … кандидата технических наук : 05.07.05 / Бортников Роман Александрович; [Место защиты: Перм. гос. техн. ун-т] — Пермь, 2010 — Количество страничек: 150 с. ил. Пермь, 2010 150 c. :

Физическое описание: 150 стр.

Выходные данные: Пермь, 2010

Подождите идет оформление заказа

В корзину

Цена Доставки
500 руб.

Оформить заказ

Содержание:

Список условных обозначений
Введение
Внедрение низкотемпературных газогенераторов на жестком горючем
НТГГ) в разработках аэрозольного пожаротушения Анализ трудности 18 сотворения НТГГ
11 Аэрозоль и народные средства большого тушения
12 Воздействие разных причин на огнетушашую способность аэрозоля
13 Главные требования к НТГГ Дополнительные требования к аэро- ^ зольным НТГГ
14 Методы снижения температуры товаров сгорания в газогенераторах
15 Систематизация главных типов тегоюобменных аппаратов Анализ ^ характеристик влияющих на интенсивность конвективного термообмена
Выводы по главе Постановка задач диссертационной работы
Математические модели рабочих процессов в НТГГ
21 Физическая модель рабочих процессов в НТГГ
22 Модель воспламенителя
23 Модель камеры сгорания
24 Модели инертных теплообменников с каналами сложной формы
241 Обобщенный принцип построения эквивалентной схемы
242 Трубчатый теплообменник
243 Пластинчатый теплообменник
244 Теплообменник с турбулизаторами
245 Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления 73 Выводы по главе
Исследование процессов тепло-массообмена в НТГГ
31 Исследование тепло-массообмена в канале круглого сечения
311 Расчет утрат давления на z-м участке теплообменника
312 Сопряженная задачка термообмена для малых чисел Bi
313 Сопряженная задачка термообмена для огромных чисел Bi
32 Исследование воздействия конструктивных и режимных характеристик теп- 96 лообменника на главные выходные свойства НТГТ
33 Сравнение расчетных данных с тестом 106 Выводы по главе
Исследование воздействия характеристик НТГТ на характеристики среды в защищав- 108 мом помещении
41 Физическая и математическая модели помещения
42 Математическая модель пограничного слоя при содействии доз- 116 вуковой неизотермической струи с преградой
421 Математическая формулировка задачки
422 Метод решения уравнений пограничного слоя в системе 120 MathCAD Сведение краевой задачки к исходной задачке
423 Результаты моделирования
Выводы по главе

Введение:
В ближайшее время возрастает число техногенных катастроф. Катастрофы манят за собой утраты человечьих жизней и большой вещественный вред. Одним из путей предотвращения и (либо) сведение к минимуму последствий выше обозначенных бедствий является создание и улучшение аварийных систем (АС), в том числе систем и установок аэрозольного пожаротушения, значение которых для хоть какого военного либо штатского объекта очень велико [1,38].
Все огромное количество типов АС соединяет воединыжды один признак: они задействуются от независящих источников энергии. Почти всегда это баллоны сжатого (сжиженного) газа. Главным недочетом данных источников энергии является, сначала, низкая надежность срабатывания. Не считая этого, баллонные источники газа являются источниками завышенной угрозы. Потому к ним предъявляются особые требования, регламентирующие условия хранения, эксплуатации и воззвания [2 — 3]. В связи с этим появляется огромное количество отказов АС, что тянет за собой очень томные последствия [4 — 8].
Внедрение твердотопливных газогенераторов (ТТГГ), в качестве источника энергии, является более многообещающим методом сотворения принципно новых средств пожаротушения, аварийного спасения и защиты разных технических объектов.
Газогенераторами именуются агрегаты, в каких за счёт сгорания либо разложения (теплового, каталитического и др.) твердого горючего либо его компонент вырабатывается жаркий газ (Т = 473 — 1123 К), служащий рабочим телом для разных типов приводов. Главным достоинством газогенераторов является их высочайшая удельная мощность (уступают только ядерным источникам) и способность генерировать сразу несколько типов энергии (термическую, потенциальную и кинетическую).
ТТГГ отыскали обширное применение в ракетно-космической технике: газогенератор двигательной установки боевой ступени, газогенератор рабочего тела для вдува в сопло мотора, газогенератор-воспламенитель, газогенератор управления по наклону, стартовый газогенератор и др.
Почти всегда к.п.д. твердотопливных газогенераторов оказывается довольно высочайшим,и добивается максимума при использовании высокотемпературных газов. Но обозначенное достоинство газогенераторов является в то же время значимым недочетом и существенно усложняет их проектирование. Так завышенная температура товаров сгорания в генераторах огнетушащего аэрозоля превращает их из средств пожаротушения в источник зажигания горючих материалов [1,6, 10].
Существует огромное количество научных публикаций и патентов, посвященных созданию и исследованию газогенераторов и вспомогательных устройств (охладители жарких газов) [11 — 17,45 — 51 и др.]. Короткие сведения о газогенераторах имеются, в том числе и в руководствах по основам проектирования ракетных движков [18 — 22 и др.].
В ближайшее время научные разработки в области химии жестких топ-лив позволили российским производителям сделать газогенерирующие составы и на их базе низкотемпературные газогенераторы НТГГ с уникальными качествами:
• источники инертных газов СОг и N-& источники прохладных и незапятнанных продуктах сгорания.
На базе НТГГ стало вероятным создание принципно новых АС. К примеру, систем с силовыми пневмоцилиндрами (тормозные системы для авто и жд транспорта, пневмо-газоприводы для шаровых кранов магистральных газопродуктопроводов и т.д.), систем ингибирования газового взрыва либо тушения пожаров на взрывоопасных производствах методом резвого наполнения помещения инертным газом, по-жаротушащим аэрозолем либо порошком [1].
На базе НТГГ ведется разработка водоаэрозольных импульсных средств тушения пожаров. В изделиях этого типа НТГГ обеспечивает давление, при котором реализуется нужная для проникания в очаг пожара кинетическая энергия и фракционный состав капель воды. Внедрение НТГГ для этой цели позволяет существенно повысить эффективность и понизить цена имеющихся водоаэрозольных импульсных средств пожаротушения [23 — 25].
Главные сферы внедрения АС с низкотемпературными газогенераторами показаны на рис.1, [1].
Особенное место в ряду аварийных систем занимают генераторы огнету-шащих аэрозолей (ГОА) и системы / установки аэрозольного пожаротушения (САП/УАП) на их базе, получающие в Рф и странах близкого зарубежья обширное распространение.
Аварийные системы
Источники механической энергии Источники прохладного газа для наполнения объема
Привод для вскрытия фюзеляжа самолета Системы наддува эластичных оболочек
Газо-роторный стартер для ДВС Системы *наддува спасательных средств и понтонов
Аварийные приводы для нефте-газопроводов Системы наддува подушек безопасности автомобилей
Поршневой газопривод для кранов магистральных газопроводов Системы, генерирующие газы со особыми качествами
Роторный газопривод для задвижек нефтепровода Генераторы газов: СОг, N2, Ог
Генераторы огнету-шащих аэрозолей
Рис. 1. Главные сферы внедрения АС с низкотемпературными газогенераторами
Теоретические базы аэрозольного пожаротушения по существу были разработаны русской пороховой наукой в 1934 — 1936 годах при исследовательских работах в области теории гашения дульного пламени, проводимых Г. К. Клименко [25].
Практическую реализацию положений этой теории в целях пожаротушения в 1990 году начал ФЦДТ «Союз», несколько позже эти работы были развернуты в НПО им. С. М. Кирова, НИИПХ, ВНИИПО, НПГ «Гранит-Саламандра», ОКБ «Темп»,,ИВЦ «Техномаш» и другими научными структурами СССР, позже Рф.
Основными преимуществами современных аэрозольных систем по отношению к обычным средствам тушения является: высочайшая огнетушащая способность (избавляют пожар за 5 — 8 секунд): низкая цена и эксплуатационные издержки; аэрозоль не содержит озоноразрушающих частей [30, 31] и др.
Если высочайшая огнетушащая способность и надежность УАП достигается сравнимо просто на базе конверсионных технологий, то безопасность (по отношению к людям, оборудованию и вещественным ценностям) достигается очень трудно [32 — 35]. При горении АОС за соплом генератора появляется высокотемпературная зона (в неких случаях появляется форс пламени). Ее протяженность значительно находится в зависимости от количества и рецептуры состава АОС, а так же варианта конструктивного выполнения генератора, а именно, наличия охладителя либо теплопоглощающей насадки. Обычно, температура товаров сгорания в выходном сечении аэрозольных генераторов колеблется от 573 до 1273 К (прил. 1). Рассредотачивание температуры по длине струи и тепловыделение серийных ГОА показано на рис. 2, 3.
В табл. 1 приведены свойства эффективности работы охладителей неких ГОА, созданных для защиты помещений огромных объемов.
Можно выделить три более нередко встречающихся метода снижения температуры ПС: 1 — организация контакта газа с сублимирующим материалом (понижает температуру до 800 К, при удовлетворительной чистоте ПС); 2 — применение эжекционной насадки (уменьшает температуру до 500 — 700 К, но при всем этом идет дожигание горючего в объеме, что представляет опасность для человека и технологического оборудования); 3 — исполъзование инертных теплообменников (позволяет получить температуру наименее 500 К, но конструкции газогенераторов имеют огромные габариты и массу).
Одним из критериев оценки эффективности работы охладителя является отношение его теплопоглощательной возможности (т. е. конфигурации энтальпии) к массе АН/т. Большим показателем АН/т (109,09 кДж/кг) обладает генератор ПУРГА — П — 5. Высочайший показатель АН/т конструкции достигается в главном за счет маленькой ее массы. Все же, выходная температура в ПУРГА-П-5 остается довольно высочайшей (А5ЪК).
Более низкой температурой ПС владеют генераторы семейства АГАТ (393К), в качестве охладителя в каких употребляется инертные трубчатые теплообменники [6]. Маленький показатель АН/т (25,89 кДж/кг) гласит о малой степени интенсивности процессов термообмена, большой материалоемкости теплообменника, и как следствие, его большой цены. Не считая того, большая масса конструкции накладывает ограничения на возможность ее использования в авиационной и ракетно-космической технике.
Потому задачка понижения температуры ПС и интенсификации процессов термообмена в аэрозольных генераторах остается животрепещущей.
Таблица. 1.
Оценка эффективности работы охладителей современных газогенераторов
Марка Масса Масса Тип Защищ. Темп. Отн. изм. энгазогенера- АОС, охл., охл. объем, ПС на тальпии к тора кг кг мъ вых., К массе охл., кДж/кг
ПУРГА-П-5 6,3 13,7 1,2,3 50 453 109,09
АГАТ-2 9 61 1,5 180 393 25,89
АСТ-6750 6,75 14,25 1,3,4 125 423 52,15
АГС-8/2 6,7 11,3 1,2,3,4 124 673 34,56
700 650 600 550 М
W 500 С Н
450 400 350 300
•?-АГАТ-2А -?-АГС-2 -Л-СОТ-2М -*-АГС-3/СОТ-3 -*-АГС-5/СОТ-5 -•- АГС-6/СОТ-б —1—АГС-7 —АГС-8 —АГС-11
Л ll
Х>4
1-4 йгЛ
3,4 1 1 0
5000 у & х? / / о
Рис. 3. Общее тепловыделение аэрозольных генераторов
Целью диссертационной работы является разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками, обеспечивающих данные температурно-расходные свойства товаров сгорания.
Задачки исследования
1. Научное обоснование принципной схемы НТГГ с инертным теплообменником. Адаптация имеющихся математических моделей для описания процессов нестационарного термообмена при движении товаров сгорания в каналах сложной формы. Разработка соответственного программного обеспечения.
2. Всеохватывающее исследование воздействия режимных характеристик инертного теплообменника и объемно-массовых черт его конструкции на главные выходные свойства НТГГ.
3. Разработка советов для проектирования инертных теплообменников НТГГ, снижающих энтальпию ПС на 80 % и поболее.
4. Исследование воздействия температурно-расходных черт аэрозольных НТГГ на термодинамические характеристики среды в защищаемых помещениях.
Методика исследования
Рассредотачивание температур при течении ПС в каналах сложной формы и выходные свойства НТГГ получены в итоге решения нестационарной задачки сопряженного термообмена способом конечных разностей в системе Maple. При определенных критериях задачка сопряженного термообмена решена аналитически, при помощи преобразований Фурье и Лапласа. Экспериментальные исследования выходных черт НТГГ проводились в лаборатории кафедры РКТиЭУ ПГТУ.
Научная новизна
1. Решена задачка сопряженного нестационарного термообмена с приспособленными для частей конструкций НТГГ исходными и граничными критериями.
2.0пределена связь меж процессами термообмена в каналах сложной формы и выходными чертами НТГГ.
3. Исследовано воздействие выходных черт НТГГ на термодинамические характеристики воздушно-аэрозольной консистенции в защищаемых помещениях после срабатывания установок аэрозольного пожаротушения.
Практическая значимость
1. Разработаны методики всеохватывающего проектирования инертных теплообменников НТГГ, выставленные в виде алгоритмов, математических моделей, программного обеспечения и номограмм, дозволяющие подобрать типоразмер конструкций с данными входными и выходными чертами.
2. Приобретенные теоретические результаты исследования рабочих процессов в инертных теплообменниках позволяют дать советы для внедрения НТГГ в высокоэффективных и неопасных установках аэрозольного пожаротушения и в других аварийно-спасательных системах, таких как: системы генерирующие газы со особыми качествами; системы надува спасательных средств и понтонов; системы аварийного торможения и расторма-живания в автотранспорте; системы катапультирования в авиации и др.
На защиту создателем выносится:
1. Систематизация конструкций НТГГ по методу снятия тепла.
2. Математическая модель процессов нестационарного термообмена с учетом приспособленных граничных и исходных критерий к каналам сложной формы инертных теплообменников НТГГ.
3. Главные результаты математического моделирования рабочих процессов в инертных теплообменниках, их воздействие на выходные свойства НТГГ и советы для проектирования.
4. Результаты исследования воздействия температурно-расходных черт НТГГ на термодинамические характеристики воздушно-аэрозольной среды в защищаемых помещениях.
Достоверность результатов
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается:
1. Внедрением полуэмпирических зависимостей, термодинамических и теплофизических величин, апробированных и подтверждённых практикой.
2. Удовлетворительным согласованием результатов моделирования и проведённых тестов на серийных изделиях «АГАТ» и «ОПАН».
Публикации
По материалам диссертации размещено 12 печатных работ, в том числе 3 — в рецензируемых научных журнальчиках из списка ВАК.
Реализация работы
Разработанные методики, методы, программки и приобретенные в итоге исследовательских работ расчётные данные применены: в конструкторских разработках ОКБ «Темп», ИВЦ «Техномаш»; в учебном процессе кафедры ТКА ПермГТУ.
Апробация работы
Главные результаты диссертационной работы докладывались на:
• VI, VII, VIII, IX Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высочайшие технологии», Пермский муниципальный технический институт, г. Пермь: 2002, 2004, 2006, 2008 г.
Всероссийской молодежной научной конференции с интернациональным ролью «VIII Королёвские чтения», Самарский муниципальный аэрокосмический институт им. С. П. Царица, г. Самара, 2005 г.
• Государственной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ — 2006», г. Казань, 2006 г.
Интернациональной школе-конференции юных ученых, аспирантов и студентов им. П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с внедрением новых технических решений», Рыбинская муниципальная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьева, г. Рыбинск, 2006 г. Интернациональной молодежной научной конференции «XIV Туполев-ские чтения», Казанский муниципальный технический институт им. А. Н. Туполева, г. Казань, 2006 г.
Объём и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, главных выводов, перечня литературы и 2-ух приложений; изложена на 149 страничках, содержит 74 рисунка, 6 таблиц; перечень литературных источников включает 111 наименований.