книги2 / 329
.pdfЗАДАЧИ И ВОЗМОЖНОСТИ МЕЖДУНАРОДНОГО ТРАНСФЕРА ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Коэффициент теплоотдачи жидкого водорода, насыщенного паром стенке ТОА
определим по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
( |
|
|
) |
|
) |
( |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
– коэффициент |
кинематической |
вязкости |
жидкого водорода; |
– |
температура кипения (boiling – англ.) жидкого водорода, которая равна 20,27 К [2];
– плотность теплового потока жидкого водорода, насыщенного паром. Коэффициент кинематической вязкости жидкого водорода определим по
формуле
Плотность теплового потока жидкого водорода, насыщенного паром, определим по формуле
где: |
– температура стенки трубки с наружной стороны; |
– температура |
|
стенки трубки с внутренней стороны. |
|
||
Температура стенки трубки |
со стороны любого теплоносителя определяется |
как их среднее арифметическое, тогда формула плотности теплового потока
жидкого водорода, насыщенного паром примет вид
̅ ̅
Тогда, коэффициент теплоотдачи жидкого водорода, насыщенного паром стенки
ТОА будет равен: |
( |
) ) ( |
) |
( |
Коэффициент теплоотдачи жидкого водорода стенке трубки ТОА будет равен:
√
111
АГЕНТСТВО МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ● https://ami.im
Коэффициента теплоотдачи от стенки ТОА горячему воздуху определим по
формуле
где – безразмерный критерий подобия (критерий Нуссельта).
Критерий Нуссельта определяется по критериальным уравнениям различного вида в зависимости от характера движения и агрегатного состояния теплоносителей.
При коридорном обтекании труб число Нуссельта заторможенного потока
атмосферного воздуха определим по формуле |
( |
) |
|
где: – критерий Рейнольдса для заторможенного потока атмосферного воздуха; – критерий Прандтля для заторможенного потока атмосферного воздуха; – критерий Прандтля для стенки трубки.
Число Рейнольдса для заторможенного потока атмосферного воздуха определим
по формуле
Число Прандтля для заторможенного потока атмосферного воздуха
определим по формуле
где – коэффициент теплоемкости заторможенного потока атмосферного
воздуха.
Коэффициент теплоемкости воздуха рассчитывается исходя из следующих условий [3]:
1) |
при Т < 290 |
К, |
|
|
|
|
|
|
|||
2) |
при Т = 290 |
… 900 К, |
̅ |
̅ |
̅ |
|
|
|
112
ЗАДАЧИ И ВОЗМОЖНОСТИ МЕЖДУНАРОДНОГО ТРАНСФЕРА ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
3) при Т = 900 … 2500 К, |
̅ |
̅ |
̅ |
|
||||
где |
|
⁄ |
. |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
В нашем̅ |
случае за значение температуры |
принимаем среднее арифметическое |
||||||
|
|
температуры заторможенного потока атмосферного воздуха |
̅ |
|||||
значение, тогда |
|
. |
|
|
|
|||
Наше |
значение̅ |
температуры заторможенного потока |
атмосферного воздуха |
находится в интервале температур указанного в 3 пункте, следовательно теплоемкость заторможенного атмосферного воздуха определим по формуле,
указанной в данном пункте.
Теплоемкость заторможенного атмосферного воздуха будет равна:
Число Прандтля для заторможенного атмосферного воздуха |
будет равно: |
Число Прандтля для стенки трубки |
определим по формуле |
||
|
|
|
|
где |
– коэффициент теплоемкости заторможенного потока атмосферного |
воздуха.
Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении задаемся
значением |
̅ |
̅ |
|
Коэффициент теплоемкости стенки рассчитываем по формуле 2 пункта, так как температура стенки в первом приближении находится в интервале 290…900 К.
В нашем случае за значение температуры |
принимаем температуру стенки в |
|
первом приближении |
, тогда ̅ |
: |
113
АГЕНТСТВО МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ● https://ami.im
Значение полученной средней температуры стенки также не совпадают с табличными. Так как температура среды изменяется линейно, то и любой параметр для стенки трубки можно интерполировать линейной функцией в пределах табличных значений.
Ближайшие табличные значения к температуре стенке трубки в первом
приближении |
выбираются исходя из условия: |
. |
|
Средняя температура стенки теплообменника в |
первом приближении |
= |
|
558,28 К располагается между двумя значениями: |
= 523,15 К и |
= |
|
573,15 К. |
|
|
|
После решения системы из линейных алгебраических уравнений и нахождения коэффициентов интерполяционных полиномов получим значения параметров необходимых расчета числа Прандтля для стенки, после чего внесем их в таблицу
3.
Таблица 3 – Физические параметры, необходимые для расчета
|
|
|
Значения |
|
Единицы измерений |
||||||
Физические |
|
|
|
|
величин, |
|
|
||||
величины |
Табл. 3 |
Расчетные |
Табл. 4 |
принятые Международной |
|||||||
|
|
|
|
|
|
системой (СИ) |
|||||
Температура |
523,15 |
558,28 |
573,15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура |
250,00 |
285,13 |
300,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Динамическая |
|
|
|
[ |
] |
[ |
|
] |
|||
вязкость |
|
27360000 |
28810000 |
29420000 |
|
||||||
|
|||||||||||
|
|
||||||||||
Теплопроводность λ |
0,0427 |
0,0450 |
0,0460 |
[ |
] |
[ |
|
|
] |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Число Прандтля для стенки трубки будет равно:
Число Нуссельта заторможенного потока атмосферного воздуха будет равно:
( )
Коэффициент теплоотдачи от стенки к горячему воздуху будет равен:
114
ЗАДАЧИ И ВОЗМОЖНОСТИ МЕЖДУНАРОДНОГО ТРАНСФЕРА ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Так как |
|
|
|
, то расчет коэффициента теплопередачи определим по |
||||||||||||
уравнению |
плоской стенки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
⁄ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
( |
|
|
|
|
|
) |
( |
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определение среднего температурного напора
Если температуры теплоносителей изменяются вдоль поверхности нагрева
незначительно |
, то средний температурный напор можно считать, как |
|
средний арифметический температурный напор |
||
где: |
|
̅ |
и |
– большая и меньшая разности температур между первичными и |
вторичными теплоносителями на концах теплообменника.
Во всех остальных случаях средний температурный напор следует считать, как
средний логарифмический температурный напор
̅
Определим большую и меньшую разности температур между первичными и вторичными теплоносителями на концах теплообменника:
.
Определим влияние изменения температуры вдоль поверхности нагрева трубки
Следовательно, влияние изменения температуры вдоль поверхности нагрева трубки теплообменника значительное и средний температурный напор следует
считать, как средний логарифмический температурный напор
̅
115
АГЕНТСТВО МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ● https://ami.im
Уточнение температуры стенки
Определим температуру стенки со стороны жидкого водорода по формуле
̅
Определим температуру стенки со стороны заторможенного потока
атмосферного воздуха по формуле
̅
Проведем уточнение средней температуры стенки теплообменника во втором
приближении используя формулу
̅
Определим невязки между уточненными и принятыми значениями физических величин теплоносителей. Для начала определим относительную погрешность
нахождения средней температуры стенки по формуле |
|
| ̅ | |
̅ ̅ ̅ |
На практике принимают уровень значимости статистических расчетов равный 5 %, т.е. достоверность расчета будет составлять не ниже 95 %. Если не
выполняется условие ̅ 5 %, то необходимо произвести заново расчет коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи используя уточненную среднею
температуру стенки теплообменника ̅ .
В нашем случае невязка составляет более 5 %, поэтому требуется перерасчет.
Перерасчет коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи жидкого водорода
Так как уточненная средняя температура стенки теплообменника находится в
интервале 900…2500 К, то коэффициент теплоемкости рассчитываем по формуле |
|||||
где |
⁄ |
. |
̅ |
̅ |
̅ |
В нашем̅ |
случае за значение температуры |
принимаем температуру стенки во |
|||
втором приближении ̅ |
, тогда ̅ |
|
: |
116
ЗАДАЧИ И ВОЗМОЖНОСТИ МЕЖДУНАРОДНОГО ТРАНСФЕРА ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Значение уточненной средней температуры стенки теплообменника |
также не |
|
совпадают с табличными. Физические характеристики для стенки трубки̅ |
будем |
интерполировать линейной функцией в пределах табличных значений. Ближайшие табличные значения к уточненной средней температуре стенки
трубки выбираем исходя из условия: |
|
. |
|
|
Средняя температура стенки теплообменника̅ |
в |
первом приближении |
̅ |
= |
1032,05 К располагается между двумя значениями: |
= 973,15 К и |
= |
||
1073,15 К. |
|
|
|
|
После решения системы из линейных алгебраических уравнений и нахождения коэффициентов интерполяционных полиномов получим значения параметров необходимых расчета числа Прандтля для стенки, после чего внесем их в таблицу
4.
Таблица 4 – Физические параметры воздуха после уточнения, необходимые для расчета
|
|
|
Значения |
|
Единицы измерений |
||||||
Физические |
Табл. |
Расчетн |
|
Табл. |
|
величин, |
|
|
|||
величины |
|
принятые Международной |
|||||||||
|
|
5 |
ые |
|
6 |
|
системой (СИ) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Температура |
973,15 |
1032,05 |
|
1073,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура |
700,00 |
758,90 |
|
800,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Динамическая |
417800 |
432800 |
|
443300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вязкость |
00 |
00 |
|
00 |
|
[ |
] |
||||
|
|
|
|||||||||
Теплопроводность λ |
0,0671 |
0,0699 |
|
0,0718 |
[ |
] [ |
|
] |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Число Прандтля для стенки трубки рассчитаем по формуле
Число Нуссельта заторможенного потока атмосферного воздуха рассчитаем по
формуле
(( ) )
Коэффициента теплоотдачи от стенки горячему воздуху рассчитаем по формуле
117
АГЕНТСТВО МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ● https://ami.im
Коэффициент теплопередачи рассчитаем по уравнению плоской стенки
( ) ( )
Определение теплопроизводительности аппарата
Тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата и расхода одного из теплоносителей. Тепловая нагрузка – это количество теплоты, переданное от горячего теплоносителя к холодному. В нашем случае теплота от горячего заторможенного потока атмосферного воздуха будет отводится жидким водородом.
Теплопроизводительность аппарата рассчитаем по формуле
где: – теплота, выделяющаяся при конденсации насыщенного пара; – теплота, выделяющаяся при охлаждении горячего заторможенного потока
атмосферного воздуха до заданной |
температуры; |
– скрытая теплота |
|
конденсации, которая будет равна 448 |
|
. |
) |
|
|||
( |
|
|
Плотность теплового потока определим по формуле
̅
Площадь поверхности нагрева теплообменного аппарата определим по формуле
Определение конструктивных параметров аппарата
Длина трубки теплообменного аппарата определим по формуле
Для определения длины |
витка |
теплообменного аппарата |
используем |
||
формулу длины окружности |
|
и формулу Пифагора |
( |
|
) |
|
|
118
ЗАДАЧИ И ВОЗМОЖНОСТИ МЕЖДУНАРОДНОГО ТРАНСФЕРА ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
, где длина шага витка составляет |
, свою очередь |
является |
межвитковым расстоянием и тогда получим |
|
|
√( )
Длина витка |
теплообменного, где отсутствует межвитковое расстояние |
||||
будет равна: |
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
( |
|
) |
|
|
|
|
Количество витков в теплообменном аппарате определим по формуле
если число получиться не целым, тогда округляем его до целого числа в большую сторону.
Количество витков в теплообменном аппарате будет равно:
Длина теплообменного аппарата рассчитаем по формуле
Выполнен расчет конструктивных размеров теплообменника, при которых обмерзание поверхностей будет сведено к минимальному.
Как видим, из расчетов, что ТОА для ТРД воздушно - космического самолета, работающего на криогенном топливе, будет иметь большие габариты. Для уменьшения габаритов можно провести ряд мероприятий, которые позволят иметь меньшую поверхность нагрева аппарата при той же производительности:
1)изменение схемы движения теплоносителя в ТОА на противоток, так как при одних и тех же начальных и конечных температурах теплоносителей для противотока получается большая средняя разность температур;
2)уменьшение диапазона температур линии насыщения жидкого водорода «жидкость – пар», то есть повышение начальной температуры близкой к температуре кипения теплоносителя и понижения конечной температуры
119
АГЕНТСТВО МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ● https://ami.im
теплоносителя до температуры кипения, в следствии чего так же получится большая средняя разность температур.
Если провести моделирование частного теплового расчета на персональной ЭВМ, то возможно выявить еще какие - либо закономерности, которые помогут уменьшить габариты ТОА.
При тепловом расчете ТОА были использованы технические данные существующих агрегатов и изделий, выпускаемые отечественной промышленностью, что возможно в дальнейшем позволит провести модернизацию серийных летательных аппаратов для достижения гиперзвуковых скоростей за более короткие сроки, чем необходимо для создания новых двигателей, основанные на новых физических принципах.
Проведенные расчетные исследования в дальнейшем помогут обосновать облик перспективной силовой установки на криогенном топливе для воздушно - космического самолета, что соответствует тенденциям развития и создания летательных аппаратов будущего.
Список использованной литературы:
1.ГОСТ 4401 – 81. Атмосфера стандартная. Параметры. – М: ИПК Изд. стандартов, 2004. - 180 с.
2.ГОСТ Р 56248 – 2014. Водород жидкий. Технические условия. – М: Стандартинформ, 2015. - 22 с.
3.Пурий В.И., Василенко А.И. Таблицы и диаграммы теплофизических величин
игазодинамических функций. – Иркутск: ИВАИИ, 1999. - 65 с.
©Курбанов Н.С., Чуксин О.Ю., 2023
Назаренко К.Д.,
магистрант 3 курса ЧелГУ, г. Челябинск, РФ
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ АРХИТЕКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ
Аннотация
В данной научной статье рассматриваются критические аспекты разработки и внедрения эффективной информационной системы на производственных предприятиях. Ориентированная на повышение операционной эффективности и адаптивности, статья представляет комплексную структуру, объединяющую аналитику данных и новые технологии. Также представлены практические рекомендации по формированию культуры инноваций и получению максимальных выгод от цифровой трансформации в обрабатывающей промышленности.
120