Книш Людмила Іванівна. Вибір раціональних геометричних і динамічних параметрів фазоперехідного теплоприймача - акумулятора космічної сонячної енергетичної установки

Краткое описание

Книш Людмила Іванівна. Вибір раціональних геометричних і динамічних параметрів фазоперехідного теплоприймача - акумулятора космічної сонячної енергетичної установки: дисертація канд. техн. наук: 05.07.05 / Національний аерокосмічний ун-т ім. М.Є.Жуковського "Харківський авіаційний ін-т". - Х., 2003

Книш Л.І. Вибір раціональних геометричних і динамічних параметрів фазоперехідного теплоприймача акумулятора космічної сонячної енергетичної установки. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.05 двигуни та енергоустановки літальних апаратів. Національний аерокосмічний університет імені М.Є.Жуковського ХАІ”, Харків, 2003.
Дисертацію присвячено питанням проектування сумісних фазоперехідних теплоприймачів акумуляторів (ТПА) тверде тіло рідина” для космічних сонячних енергетичних установок (КСЕУ).
В роботі вирішена задача забезпечення стабільної роботи КСЕУ, мінімізації її маси на основі вибору найбільш раціональних геометричних та динамічних параметрів ТПА.
Створено математичну модель процесів теплообміну і гідродинаміки в ТПА, яка має двовимірний спряжений характер, в якої враховані нелінійними граничними умовами променевого теплообміну. Розроблено чисельний алгоритм, який об'єднує нестаціонарний фазовий перехід в теплоакумулюючому матеріалі і змушену конвекцію теплоносія. Визначені найбільш раціональні параметри ТПА КСЕУ, проаналізовані особливості функціонування цих систем. Запропонована нова інженерна методика визначення основних характеристик сумісних ТПА. Розроблена методика оптимізації геометричних характеристик концентратора і апертури ТПА. Надані конкретні рекомендації що до поліпшення енергетичних і масогабаритних показників цих пристроїв.
Основні результати роботи використані в навчальному процесі кафедри двигунобудування Фізико технічного інституту Дніпропетровського національного університету.
Ключеві слова: космічна сонячна енергоустановка, теплоприймач акумулятор, фазовий перехід тверде тіло рідина”, чисельне моделювання, спряжена задача Стефана.

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає у комплексному дослідженні основного технологічного вузла КСЕУ сумісного фазоперехідного ТПА. Запропоновані методи розрахунку найбільш раціональних геометричних і динамічних характеристик цього пристрою. Задача розв’язана шляхом створення математичної моделі, яка описує теплообмінні та гідродинамічні процеси в ТПА. Проведені на її основі методичні дослідження дозволили створити теоретичні основи забезпечення стабільної роботи космічної сонячної газотурбінної установки.
В роботі одержані такі основні результати:
1. Запропонована математична модель, яка має спряжений характер і базується на двовимірній задачі Стефана для шару ТАМу і задачі теплопровідності для теплоносія в каналі. У математичній моделі враховуються нелінійні граничні умови нестаціонарного променевого теплообміну на теплоприймаючій поверхні (по закону Стефана Больцмана), умови, пов’язані з виділенням та поглинанням теплоти фазового переходу (введення коефіцієнту ефективної теплоємності), вводиться профіль швидкості, який враховує можливі режими течії теплоносія (профіль Пея). Чисельна методика дозволяє визначити поле температур і теплових потоків в ТПА, досліджувати особливості процесів теплообміну в цьому пристрої, одержати необхідні результати при прийнятних витратах обчислювальних ресурсів.
2. Розроблено розрахунковий метод, заснований на спільному розв’язку рівнянь енергії для ТАМу та теплоносію у нелінійній нестаціонарній постановці, двовимірний характер задачі було враховано за допомогою метода розщеплення. Розрахунковий метод дозволяє врахувати взаємозалежні фактори, що впливають на робочі процеси в ТПА, забезпечуює при цьому необхідну вірогідність одержуваних результатів.
3. Створена методика та комплекс програм розрахунку основних параметрів ТПА, які можна ефективно використати для розв’язання проблеми забезпечення стабільності роботи газотурбінного перетворювача теплової енергії, а також надають досліднику можливість здійснити:
аналіз компонувань ТПА у складі космічної сонячної енергетичної установки;
оцінку впливу основних геометричних параметрів (площі теплосприймальної поверхні, товщини шару ТАМу, довжини каналу з теплоносієм та ін.) та динамічних параметрів (витрат теплоносія, температури теплоносія на вході в канал) на робочі характеристики ТПА і установки в цілому;
вибір найбільш раціональних параметрів накопичувача;
оцінку впливу значення коефіцієнту теплопровідності теплоносію на динамічні та масогабаритні показники системи;
розрахунок складних перехідних режимів роботи ТПА;
вибір параметрів органів керування.
4. На основі одержаних результатів створена наближена інженерна методика, яка дозволяє на початкових етапах проектування оцінити реальні геометричні та динамічні характеристики системи. Порівняння наближеної методики з результатами експериментальних досліджень довело можливість врахування променевих втрат за допомогою спеціального додаткового множника, знайденого у ході попередніх розрахунків.
5. Розроблена інженерна методика визначення раціональних геометричних характеристик концентратора і апертури ТПА, в основу якої покладена величину геометричної досконалості дзеркала. Встановлено вплив температурного режиму порожнини ТПА, яка дорівнює температурі фазового переходу ТАМу, на ефективність роботи системи.
6. Показана можливість використання в високотемпературних ТПА ТАМів, що мають різні теплофізичні та термодинамічні якості. Вивчені особливості поведінки гідриду літію LiH, карбонату літію Li2CO3, евтектичної суміші фторидів кальцію та літію LiF+CaF2, а також флоридів літію LiF, натрію NaF та магнію MgF2у циліндричних ємностях під дією потужного потоку сконцентрованого сонячного випромінювання. Доказано, що для того щоб система функціонувала стабільно і мала мінімальні масогабаритні показники, першорядне значення має співвідношення часу розрядки та зарядки. На основі цього запропоновано розподіл речовин на дві групи в залежності від енергетичних та часових характеристик системи, видані рекомендації, що до проектування конкретних високотемпературних енергетичних установок.