Теоретическое обоснование создания газогенераторов на твердом топливе с порошкообразными емкостными охладителями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Коломин, Антон Евгеньевич

• Коломин, Антон Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коломин, Антон Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ проблемы создания газогенераторов на твердом топливе с заданными характеристиками.

1.1. Способы получения заданных характеристик твердотопливных газогенераторов.

1.2. Математическое моделирование процесса теплообмена при фильтрации горячего газа в пористых материалах.

1.3. Экспериментальные исследования процесса теплообмена при фильтрации горячего газа в пористых материалах.

1.4. Анализ примеров практического применения низкотемпературных газогенераторов с порошкообразным емкостным охладителем.

Выводы. Постановка задач диссертационной работы.

ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель.

2.1. Обезразмеренная модель фильтрации горячего газа через порошковый материал.

2.2. Определение основных параметров, влияющих на процесс теплообмена в пористой среде.

2.3. Коэффициент аккумуляции тепла порошкообразным охладителем.

2.4. Результаты численных исследований процесса фильтрации горячего газа в порошковом материале.

2.4.1. Фильтрация сухого газа.

2.4.2. Фильтрация влажного газа.

2.5. Расчет основных параметров, влияющих на процесс теплообмена в пористой среде.

Выводы.

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования твердотопливного газогенератора с порошкообразным емкостным охладителем.

3.1. Экспериментальная установка и методы исследования.

3.2. Характеристики горячего газа на входе в охладитель.

3.3. Порошкообразный охладитель и теплоаккумулирующие материалы.

3.4. Определение характеристик эффективности охладителя.

3.5. Рабочий процесс в порошкообразном охладителе.

3.5.1. Волна теплообмена.

3.5.2. Волна конденсации.

3.5.3 Расчет основных параметров теплообмена в пористой среде.

3.5.4. Потеря устойчивости волны теплообмена и ее устранение при фильтрации влажного газа.

3.5.5. Исключение частиц конденсированной фазы в газе на выходе из охладителя.

3.5.6. Стабильность и глубина охлаждения.

3.5.7. Продолжительность охлаждения и чистота охлажденного газа.

3.6. Экспериментальное определение плотности порошкового материала в корпусе охладителя.

3.6.1. Объекты и методика испытаний.

3.6.2. Плотность снаряжения охладителя.

3.6.3. Плотность снаряжения охладителя с сетками.

Выводы.

ГЛАВА 4. Методы проектирования и практическое применение низкотемпературного газогенератора на твердом топливе.

4.1. Рекомендации расчета и проектирования НТГГ с порошкообразными емкостными охладителями.

4.1.1. Рекомендации характеристик порошкового материала охладителя.

4.1.2. Рекомендации параметров конструкции НТГГ.

4.1.3. Рекомендации характеристик продуктов сгорания газогенераторных топлив.

4.2. Описание конструкции газогенератора с порошкообразным емкостным охладителем.

4.3. Применение газогенераторов с порошкообразным емкостным охладителем в аварийно-спасательных системах.

4.3.1. Низкотемпературный газогенератор для обеспечения работы пневмодомкрата.

4.3.2. Низкотемпературный газогенератор для наддува спасательного плота.

4.3.3. Газогенератор с регулируемой температурой.

4.3.4. Низкотемпературный газогенератор регулируемого давления.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое обоснование создания газогенераторов на твердом топливе с порошкообразными емкостными охладителями»

В последнее время увеличивается число катастроф. Они бывают техногенные (катастрофы, связанные со старением техники, что особенно актуально не территории России, человеческим фактором, например пожары, аварийные ситуации на предприятиях, особенно на опасных производствах), природные катаклизмы (наводнения, землетрясения, ураганы, оползни) и терроризм. Катастрофы влекут за собой потери жизни и здоровья людей, а так же большие материальные затраты. Одним из путей предотвращения и (или) сведение к минимуму последствий выше указанных бедствий является создание аварийно-спасательных систем.

Значение надежных аварийно-спасательных систем для любого военного или гражданского объекта очень велико. Говоря другими словами, любое производство, любой вид транспорта, любой промышленный объект должны оснащаться системами, предотвращающими возможность наступления аварийных ситуаций, будь то возможный взрыв, пожар, транспортное столкновение или выброс опасных для человека и окружающей среды химических веществ (радиации, бактерий и т.д.). Эти же системы должны в случае аварии в кратчайшие сроки ее ликвидировать и минимизировать урон для людей, зданий и оборудования [1 - 3].

Все множество типов аварийно-спасательных систем объединяет одно свойство: они задействуются от независимых источников энергии. В большинстве случаев такими источниками являются либо баллоны сжатого (сжиженного) газа, либо электрические аккумуляторы. Недостатками выше перечисленных устройств являются, прежде всего, низкая надежность срабатывания, необходимость постоянного обслуживания и большая зависимость от температуры эксплуатации. Поэтому возникает множество отказов аварийных систем, что влечет за собой крайне тяжелые последствия.

Вот несколько крупнейших катастроф и аварий, произошедших в России в 80-90-х годах XX века и 2000-е годы XXI века:

- Башкирская катастрофа (отказ системы обнаружения утечек газового конденсата и автоматического перекрытия продуктопровода) [1,3];

- две крупнейшие аварии в МПС (на затяжных подъемах в Пензенской и Свердловской областях из-за отказа основной и резервной системы питания пневмотормозов, тяжелые грузовые поезда скатились на жилые поселки) [1];

- взрывы осенью 1999 г жилых домов в Москве и Волгодонске [4] привели к гибели сотен ни в чем не повинных людей (надежные аварийно-спасательные системы могли бы спасти больше жизни людей, чем удалось);

- пожар на Останкинской телебашне [5] (отсутствие надежной системы пожаротушения привело к гибели людей и большим материальным затратам);

- пожар в здании Манежа [6] на площади порядка 5000 м2 в центре Москвы (отсутствие надежной системы пожаротушения привело к гибели двух сотрудников пожарной службы и полному обвалу крыши здания);

- в результате землетрясения и цунами в юго-восточной Азии в конце декабря 2004 года [7] погибли около 225000 человек, а финансовый ущерб составил $ 13 млрд (недостаток надежных и в необходимом количестве средств спасения, в том числе надувных плотов и понтонов).

Исходя из анализа отказов аварийных систем видно, что главной причиной является низкая надежность исполнительных устройств и механизмов (70 . 80 % всех несрабатываний). Примерно 10 . 15 % отказов приходится на средства обнаружения и столько же на средства управления исполнительными устройствами аварийных систем.

Однако, нештатное поведение исполнительных устройств - это, в основном, отказы автономных источников энергии аварийных систем, т.е. элементов, которые должны обеспечивать функциональную эффективность и надежность.

В этом отношении для аварийно-спасательных систем идеально подходят в качестве источников энергии твердотопливные газогенераторы (ТТГГ) [1, 2].

Газогенераторами называются энергетические устройства, которые вырабатывают сжатый газ с обеспечением регулирования его количества, расхода и давления. Основным достоинством газогенераторов является их способность выделять на единицу веса или объема по сравнению с любыми неядерными источниками энергии, используемыми в настоящее время. В большинстве случаев К.П.Д. этих систем оказывается достаточно высоким и достигает максимума при использовании высокотемпературных газов. Однако указанное достоинство газогенераторов является в то же время существенным недостатком и значительно усложняет их проектирование. Это связано с необходимостью обеспечения соответствия между высокими температурами газа в зоне непосредственного использования и применяемыми конструкционными материалами [8].

Твердотопливные газогенераторы нашли широкое применение в ракетно-космической технике. Их главные узлы во многом сходны с главными узлами основных ракетных двигателей, однако рабочие процессы в газогенераторах имеют существенные особенности, которые необходимо учитывать при их проектировании и отработке [9].

В настоящее время существует большое количество научных публикаций и патентов, посвященных созданию и исследованию газогенераторов и вспомогательных устройств (охладители горячих газов) [10 - 56]. Краткие сведения о газогенераторах имеются, в том числе и в руководствах по основам проектирования ракетных двигателей [10 - 17]. Основные преимущества газогенераторов заключены в следующем:

- большой температурный диапазон работы (± 60 °С);

- независимость рабочих параметров от температуры эксплуатации;

- высокая надежность (Р > 0,998);

- полная автономность работы в любой среде (космос, высокогорье, морские глубины);

- долговечность (15-20 лет);

- отсутствие проверок и регламентного обслуживания;

- возможность генерирования практически любых по составу газов, с любым законом изменения расхода, давления и температуры.

Рассмотрим ряд параметров ТТГГ более подробно.

Объем. Заряд твердого топлива, при сгорании которого образуется требуемое количество газа, занимает меньший объем, чем газы, хранящиеся в баллонах при любом давлении.

Вес. К этому параметру применим тот же самый критерий. Если учесть вес баллонов, содержащих газ под давлением, то окажется, что вес одного газогенератора будет значительно меньше. С увеличением размеров системы разница в весе возрастает. При использовании горячих газов весовое преимущество становится подавляющим. В случае применения теплообменника его вес следует включить в вес системы. При этом преимущества газогенераторной системы получаются не столь явными, особенно для генераторов малых размеров.

Безопасность. Газобаллонная система содержит газ при высоком давлении в течение длительного времени хранения и использования газа. Каждый из таких резервуаров представляет потенциальную опасность. Газогенератор не находится под давлением, за исключением периода работы. Высокое давление имеет место лишь в области камеры сгорания и не распространяется на всю систему. Рабочее давление в газогенераторах так же обычно значительно ниже, чем в газобаллонной системе. Это существенно упрощает требования техники безопасности при использовании топливной системы.

Контролируемость параметров. Газогенератор можно спроектировать таким образом, чтобы обеспечить требуемое количество газа в определенное время при заданном расходе. Расход газа из газобаллонной системы уменьшается по мере снижения давления в ней, и для получения требуемого количества газа обычно необходимо более длительное время, чем при использовании соответствующей топливной системы. Работа газогенератора может по существу не зависеть от температуры хранения, в то время как расход газа из газобаллонной системы снижается при понижении температуры окружающей среды [8].

Твердотопливные газогенераторы сочетаются с любым типом приводов и в состоянии обеспечить все виды механической энергии. В последнее время научные разработки в области химии твердых топлив позволили отечественным производителям: НПО «Алтай», ФЦДТ «Союз», АО «Пермский завод им. Кирова», НПО «Технолог», НИИПХ, НИИПМ и др. создать газогенерирующие составы и на их основе ТОТ с уникальными свойствами:

- источники инертных газов СО2 и N2;

- источники холодных и чистых продуктах сгорания ТТГГ [1,2].

На базе газогенераторов с этими топливами стало возможным создание принципиально новых аварийно-спасательных систем. Например, систем ингибирования газового взрыва или тушения пожаров на взрывоопасных производствах путем быстрого заполнения инертным газом или пожаротушащим аэрозолем. Сделать это за 2-4 секунды в большом объеме возможно только с помощью ТТГГ. Причем такая аварийно-спасательная система должна включаться в общую схему АСУ ТП предприятия и обеспечивать выдачу управляющих сигналов на пожаротушащие газогенераторы только после обнаружения технологическим контроллером утечек взрывоопасной среды (или вспышек горючих компонентов) и выполнения технологических аварийных команд (останов оборудования, выключение вентиляции, герметизация помещения и т.д.).

Источники холодных и чистых продуктов сгорания ТТГГ, разработкой которых интенсивно занимались ОКБ «Темп» при ПГТУ, АО «Пермский завод им. Кирова», НИИПМ и др., позволили создать в последнее время целую гамму аварийно-спасательных систем с силовыми пневмоцилиндрами. Это, прежде всего, тормозные системы для автомобильного и железнодорожного транспорта, пневмо-газоприводы для шаровых кранов магистральных газопродуктопроводов и т.д. Эти системы могут включаться как в АСУ защищаемого объекта, так и иметь собственную автоматику управления [1,2].

Выше указанные источники холодных и чистых продуктов сгорания ТТГГ являются низкотемпературными газогенераторами на твердом топливе (НТГТ).

На дорогах России случается большое количество дорожных аварий. Во многих случаях люди после такой аварии остаются в «плену» искореженного металла. При спасении их жизни счет идет на минуты и секунды. Для этого спасательными службами применяется различного рода аварийно-спасательный пневмоинструмент. В качестве рабочего тела для такого типа инструментов можно применять холодный газ, вырабатываемый НТГГ.

Не редко в наши дни случаются и авиакатастрофы. Аварийно-спасательный пневмоинструмент может применяться и в этих случаях. При аварийной посадке воздушного судна на воду НТГГ могут использоваться в качестве источника холодного газа для наддува спасательных плотов. При аварийной посадке самолета на землю НТГГ могут применяться для быстрого наддува аварийных трапов.

Помимо техногенных катастроф, причиной которых является, обычно, старение техники и человеческий фактор, случаются и природные катастрофы (наводнения, ураганы, землятресения и т.д.). При проведении операций спасательными службами так же применяются различные средства спасения, в том числе аварийно-спасательный пневмоинструмент, надувные плоты и понтоны и т.п. [8, 37]. Низкотемпературные газогенераторы можно применять и в этих случаях для обеспечения надежной и быстрой работы выше указанных спасательных средств.

Случаются отказы тормозных систем у большегрузных тяжелых автомашин и товарных поездов. Последствия таких отказов обычно очень тяжелые. Источником механической энергии для аварийных тормозных систем для автомобильного и железнодорожного транспорта могут служить НТГГ.

Так же НТГГ могут применяться в качестве источника механической энергии для газонаполняемых эластичных домкратов. Такие домкраты могут применяться при извлечении людей из машин после аварий, разбора разрушенных зданий и освобождения людей из-под завалов и т.д.

Большой проблемой для всего цивилизованного мира сегодня является терроризм. Вследствие его разрушаются здания, другие инженерные сооружения, происходят аварии различного рода, что ведет к потере человеческих жизней и большим материальным затратам. Аварийно-спасательные системы с использованием НТГГ конечно же не могут оградить людей и технику от действий террористов. Но они могут уменьшить последствия террористических актов, спасти человеческие жизни, сохранить технику, уменьшить затраты на спасательные операции и восстановительные работы.

На рисунке 1 показаны основные сферы применения аварийно-спасательных систем с использованием низкотемпературного газогенератора на твердом топливе.

Преимущества применения НТГГ для аварийно-спасательных систем состоит в следующем:

1. Высокая надежность. Обуславливается простотой конструкции, большим периодом отработки в реальных условиях эксплуатации, применением серийных твердых топлив и высоко надежных составных элементов конструкции.

2. Компактность. НТГГ имеют небольшие габариты и вес при большой мощности и эффективности. Например, газонаполняемый эластичный домкрат, где НТГГ применяется в качестве источника механической энергии, можно доставлять на вертолете, сбрасывать на парашюте. Обычный кран такими способами на место аварии доставить невозможно. Тем самым уменьшается время доставки средства спасения на место аварии, что может спасти не одну человеческую жизнь.

Рис. 1. Область применения НТГГ.

3. Быстрое развертывание. Подготовка к работе НТГГ занимает считанные минуты, что увеличивает шансы на благоприятный исход спасательной операции.

4. Большой гарантийный срок службы. Составляет 10 . 15 лет. В то время как у баллонов со сжатым газом гарантийный срок службы не превышает 1 года, что связано с техническим устройством баллонов.

5. Отсутствие периодических проверок и регламентных работ.

Специфика технического устройства НИ 1 позволяет не проводить периодические проверки и регламентные работы во время всего гарантийного срока службы.

6. Большой температурный диапазон. Рабочий температурный диапазон для НТГГ составляет от - 50 °С до + 50 °С.

7. Независимость рабочих параметров от температуры эксплуатации. У баллонов с сжатым газом при температуре - 50 °С резко падает давление, что ведет к снижению работоспособности на 20 . 30 %. В то время как у НТГГ рабочие параметры практически не меняются. Это позволяет работать в условиях крайнего севера и регионах с очень жарким климатом.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Целью диссертационной работы является экспериментально-теоретическое обоснование создания низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с порошкообразным. емкостным охладителем, обеспечивающих заданные характеристики аварийно-спасательных систем.

ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Для достижения указанной цели необходимо:

1. Выявить характерные параметры процесса теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель. Определить условия образования волны теплообмена, состоящие в соблюдении количественных соотношений для выявленных параметров процесса.

2. Экспериментально подтвердить существование волны теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель при определенных выше теоретически условиях образования волны. Разработать характеристики порошкообразного емкостного охладителя, комплексно описывающие эффективность его работы. Экспериментально определить их значения и сравнить с подобными характеристиками других охладителей.

3. Экспериментально исследовать и определить максимальные плотности перспективных материалов охладителя.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать рекомендации проектирования порошкообразных емкостных охладителей с учетом значений основных параметров, которые обеспечивают волновой теплообмен. С применением этих рекомендаций рассчитать параметры низкотемпературных газогенераторов для обеспечения работы аварийно-спасательных систем.

МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ

Использованы методы и подходы теории фильтрации газа через пористую среду, теплообмена в дисперсной среде, газовой динамики, математического моделирования, проектирования, конструирования и проведение испытаний нестандартного оборудования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Выявлены характерные параметры процесса теплообмена в порошкообразном емкостном охладителе. Проведены теоретические исследования влияния этих параметров на процесс теплообмена. Впервые определены условия возникновения волнового теплообмена при фильтрации горячих газов, содержащих пары воды, через пористую среду.

2. Определено влияние содержания паров воды в продуктах сгорания газогенераторных топлив на распространение волны теплообмена.

3. Обнаружен эффект «замораживания» химического состава продуктов сгорания при их резком охлаждении в порошкообразном охладителе.

4. Введены характеристики охладителей: глубина охлаждения горячего газа, стабильность температуры газа на выходе из охладителя, массовая эффективность охладителя. Впервые экспериментально определены характеристики для порошкообразных емкостных охладителей, проведено сравнение с другими типами охладителей и показано существенное преимущество по этим характеристикам порошкообразных охладителей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

1. Выявленные характерные параметры теплообмена в порошкообразном охладителе могут применяться при анализе процессов теплообмена в устройствах, использующих фильтрацию горячего газа через пористые среды.

2. Разработанные методы упаковки порошкообразных емкостных охладителей позволяют уменьшить массу и габариты низкотемпературных газогенераторов и, соответственно, аварийно-спасательных систем.

3. Результаты диссертационной работы позволяют рекомендовать для использования в НТГГ серийные газогенераторные топлива с высокими эксплутационными характеристиками.

4. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы в целом могут быть использованы при проектировании и отработке низкотемпературных газогенераторов на твердом топливе для аварийно-спасательных систем и авиационной и в ракетно-космической технике.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Характерные параметры, определяющие возникновение волны теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель и соответствующие им условия.

2. Экспериментальные характеристики для порошкообразных емкостных охладителей.

3. Определение максимальных плотностей и коэффициентов газопроницаемости материалов охладителя.

4. Рекомендации по проектированию порошкообразного емкостного охладителя с учетом значений основных параметров, которые обеспечивают волновой теплообмен. С применением этих рекомендаций рассчитать параметры низкотемпературных газогенераторов для обеспечения работы аварийно-спасательных систем.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:

1. Использованием основополагающих уравнений теории теплообмена и фильтрации газа в пористой среде, значений термодинамических и теплофизических величин, приведённых в академических справочниках, а также известных, проверенных на практике, экспериментальных характеристик взаимодействия газа и пористой среды.

2. Хорошим согласованием результатов расчёта и проведённых в работе экспериментов, а также их совпадением с данными других авторов.

3. Применением современных. аттестованных приборов, поверенных и надежных средств измерения и регистрации, опробованных методик.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

Разработанные принципы организации волнового теплообмена, уточненные математические модели, спроектированные экспериментальные установки, методики исследований и полученные в результате исследований расчётные и экспериментальные данные использованы: при разработке низкотемпературного газогенератора для прямоточного реактивного двигателя на порошкообразных металлических горючих;

- при проектировании низкотемпературного газогенератора для пневмодомкратов;

- при проектировании низкотемпературных газогенераторов для аварийных систем перекрытия газопродуктопроводов;

- при проектировании низкотемпературных газогенераторов для аварийных тормозных систем для железнодорожного транспорта;

- в учебном процессе кафедр РКТ и ТКА ПермГТУ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты диссертационной работы докладывались на:

- Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2004, 2005 г. Пермь, 2004, 2005 гг;

- конкурсе на лучший научный доклад студентов и аспирантов по естественным, техническим и гуманитарным наукам, г. Пермь, 2004 г;

- XXV Российской школе по проблемам науки и технологий, г. Миасс, 2005 г;

- Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «VIII Королёвские чтения», г. Самара, 2005 г;

Всероссийской научно-технической конференции «Ракетно-космические двигательные установки», МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 2005 г.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы; изложена на 130 страницах, содержит 35 рисунков, 15 таблиц; список литературных источников включает 106 наименований.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Коломин, Антон Евгеньевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлены характерные параметры процесса теплообмена при фильтрации горячего газа через порошкообразный емкостный охладитель: а0, Ь0, С.

2. Определены условия образования волны теплообмена, состоящие в соблюдении количественных соотношений для выявленных параметров процесса: а0 > 0,1; b0 < 1; С < 1,5; Z0K > 0,03.

3. Экспериментально подтверждено существование волны теплообмена при определенных теоретическим путем условиях волнового процесса. Параметры процесса теплообмена в эксперименте принимают значения (а0>~0,1; b0 <~ 1; С <~ 1; ZVQ > ОД), которые соответствуют этим условиям.

4. Разработаны характеристики порошкообразного емкостного охладителя, комплексно описывающие эффективность его работы. Экспериментально определены их значения и произведено сравнение с подобными характеристиками других охладителей: а) глубина охлаждения горячего газа, <РТ = 3,6.4,3 (в разлагающихся охладителях (рт - 2,9); б) стабильность температуры на выходе |А7"| = 50. 80 А* (в разлагающихся охладителях |ЛГ| более 100 К); в) массовая эффективность охладителя,срт - 0,7. 1,4 (в разлагающихся охладителях (рт =0,3. 1,5); г) потери давления - <PV -——^££!£-100% = 5.10%.

Р ex д) степень чистоты холодного газа - высокая, содержание сажи менее 0,01 % (в разлагающихся охладителях - низкая, содержание сажи, более 10 %); е) время работы - более 100 с (разлагающихся охладителей - менее 10 с).

В результате сравнения показано, что в целом по своим характеристикам порошкообразный емкостный охладитель намного эффективнее охладителя на разлагающихся материалах.

5. Экспериментально исследованы и определены максимальные плотности перспективных материалов охладителя.

6. На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса волнового теплообмена в порошкообразном емкостном охладителе разработаны рекомендации расчета и проектирования НТГГ. Рассмотрены примеры низкотемпературных газогенераторов для обеспечения работы аварийно-спасательных систем.

Таким образом, в диссертационной работе выполнено теоретическое и экспериментальное исследование рабочего процесса и конструкции порошкообразных емкостных охладителей продуктов сгорания серийных газогенераторных топлив. Порошкообразные охладители снаряжались порошками бора, оксида кремния, позволяющими обеспечить низкую продольную теплопроводность и высокую теплоемкость охладителя.

Рекомендуемые теплоаккумулирующие порошки, в частности бор и кварцевый песок (,SiC>2), отличаются прочностью, термостойкостью, коррозионностойкостью частиц. Из них могут быть изготовлены охладители произвольной формы, являющиеся устройствами высокой технологичности, легко соединяемые друг с другом и другими конструктивными элементами порошкообразного охладителя. Металлические порошки, представляющие интерес для порошкообразных охладителей, выпускаются со сферической формой частиц. Охладители из порошков металлов, в частности сохранят работоспособность при самых жестких ударных сжатиях в ходе транспортных или иных перегрузок. Особый интерес представляет бор, который обладает уникальным сочетанием высокой теплоемкости и низкой теплопроводности, что позволяет его рекомендовать как предпочтительный теплоаккумулирующий материал порошкообразного охладителя продуктов сгорания твердотопливного газогенератора. Отметим, что процесс теплообмена легко управляем варьированием параметров потока газа и порошкообразного охладителя (удельный расход газа, размеры частиц в охладителе и других параметров).

Полученные результаты теоретического и экспериментального анализа порошкообразных охладителей, реализующих новый механизм теплообмена, позволяют сделать важный шаг к широкому применению газогенераторов на твердом топливе в ракетных двигателях и в аварийно-спасательных системах.

По теме диссертации опубликовано 8 работ [95, 96, 101 - 106].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коломин, Антон Евгеньевич, 2006 год

1. Серебренников С.Ю. Аварийные системы с газогенераторами и двигателями на твердом топливе (теория и эксперимент). -Екатеринбург: УрО РАН, 2002. - 266 с.

2. Пороха, топлива, заряды. Том II. Заряды народнохозяйственного назначения / В.Н. Аликин, A.M. Липанов, С.Ю. Серебренников, М.И. Соколовский, В.Н. Стрельников. М.: Химия, 2004. - 204 с.

3. Аварии и несчастные случаи в нефтяной и газовой промышленности России / Под редакцией Ю.А. Дадонова и В.Я. Кершенбаума. М.: Технонефтегаз, 2001.-201 с.

4. Бицоев С., Власова И. За взрывы домов в Москве и Волгодонске ответили только два террориста // Новые известия, 13.01.2004.

5. РИА Новости. Пожар в Останкино: телецентр эвакуируют // Комсомольская правда, 11.04.2005.

6. Молок Н. Сгорела старая Москва // Известия, 16.03.2004.

7. Чижиков М., Емельянов И. Жизнь, картина дня // Комсомольская правда, 28.12.2004.

8. Вспомогательные системы ракетно-космической техники / Под ред.: И.В. Тишунина. М.: Мир, 1970. 400 с.

9. Шишков А.А., Румянцев Б.В. Газогенераторы ракетных систем. М.: Машиностроение, 1981.

10. Способ генерации холодных газов в твердотопливных газогенераторах. В.А. Шандаков, В.М. Пузанов и др. // Физика горения и взрыва, 1999, Т. 35, № 4. С. 75 78.

11. П.Баррер М., Жомотт А., Вебек Б.Ф. Ракетные двигатели. М.: Оборонгиз, 1962. 800 с.

12. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1980. 536 с.

13. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ. М.: Машиностроение, 1991. - 559 с.

14. Винницкий A.M. Ракетные двигатели на твердом топливе. М: Машиностроение, 1973. - 348 с.

15. Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива. М.: Машиностроение, 1973. -348 с.

16. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива. М.: Машиностроение, 1989. -240 с.

17. Шабунин А.И., Сарабьев В.И., Емельянов В.Н. Исследование пиротехнических систем для твердотопливных низкотемпературных газогенераторов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2004.

18. Нестационарное горение и внутренняя баллистика: сборник материалов: Санкт-Петербург, 2000, С. 251 253.

19. Патент РФ № 2069091, МКИ В01J7/00, F23R5/00,1996.

20. Баллиститное топливо // Патент 2247700, Россия, кл. 7 С06В25/18, C06D5/06,2003.

21. Состав для тушения пожаров // Патент 2095104, Россия кл. 6 A62D1/00, A62D1/06, 1996.

22. Экологически чистые малопламенные и беспламенные аэрозольгенерирующие составы для тушения пожаров // Патент 2193429, Россия, кл. 7 A62D1/06,2000.

23. Способ пожаротушения (его вариант), устройство для его осуществления (его варианты) и система пожаротушения // Патент 2118551, Россия, кл. 6 А62С2/00, А62С2/00, А62С35/00, 1997.

24. Способ получения охлажденных нетоксичных газов и устройство для его осуществления // Патент 2000122826, Россия, кл. 7 A62D3/00, А62СЗ/00,2000.

25. Патент, Франция, 2235282, кл. С 06В 29/08, 1973.

26. Патент, США, 3558285, кл. 23-281,1971.

27. Патент, Россия, 2023956 С1,30.11.1994.

28. Авторское свидетельство СССР, 860773, МКИ А62С13/22, 1981.

29. Теплоаккумулирующий наполнитель, Авторское свидетельство СССР, 832266, кл. F 24 J 3/02,1979.

30. Теплоаккумулирующий наполнитель, Авторское свидетельство СССР, 832266, кл. F 24 J 3/02,1979.

31. Авторское свидетельство СССР, 615348, кл. Б28Д 17/00, 1976.

32. Авторское свидетельство СССР, 903687, кл. Б28Д 17/00,1980.

33. Надувная подушка безопасности // Патент 3910596, США, кл. B60R21/10,1972.

34. Авторское свидетельство СССР, 1755911, кл. B01J7/00,1992.

35. Газогенератор на твердом топливе // Патент 95100346/06, Россия, кл. B01J7/00,1997.

36. Патент WO 95/32761 А1, 07.12.1995.

37. Патент WO 97/21468 А1,19.06.1997.

38. Авторское свидетельство СССР, 1630840 А1, 28.02.1991.

39. Авторское свидетельство СССР, 1087749 А, 23.04.1984.

40. Патент США, 2786536 А, 26.03.1957.

41. Патент, Россия, 8088 U1,16.10.1998.

42. Патент, Россия, 7902 U1,16.10.1998.

43. Патент, Россия, 2069091 С1,20.11.1996.

44. Газогенератор // Патент 5051684/23, Россия, F23R5/00, 1994.

45. Твердотопливный газогенератор для подводного использования // Патент 95101580/06, Россия, B01J7/00,1997.

46. Низкотемпературные газогенераторы. О.В. Валеева, С.Д. Ваулин, С.Г. Ковин, В.И. Феофилактов. Миасс, 1997.-268 с.

47. Лейн, Дергазарян. Малогабаритные твердотопливные газогенераторы // Вестник ракетной техники, 1973, № 5. С. 36 47.

48. Газогенерирующее устройство // Патент 2000122166/12, Россия, А62С13/22.

49. Газогенератор // Патент 3464, Россия, F02C7/25,1997.

50. Газогенератор // Свидетельство на полезную модель 95115443/20, Россия, 6 F02C7/25, 1997.

51. Охлаждение продуктов сгорания газогенераторных топлив в порошкообразных емкостных охладителях. В.И. Малинин, Е.И. Коломин, С.Ю. Серебренников, И.С. Антипин // Вестник ПГТУ. Аэрокосмическая техника, 2002 г., №13. С. 72 76.

52. Саттон, Пакановский, Сарнер. Твердые топлива для газогенераторов // Вестник ракетной техники, 1968, № 4. С. 48 56.

53. Трубчатый теплообменник // Патент 59-17353, Япония, кл. F 28 D 15/00,1977.

54. Устройство для регенерации тепла, Патент 59-14719, Япония, кл. F 28 D 17/00,1980.

55. Теплообменник, Патент 57-35399, Япония, кл. F 28 D 1/04, F 28 F 1/16, 3/12, 1975.

56. Теплоаккумуляционный сосуд, Патент 57-36519, Япония, кл. F 28 D 17/00, 1976.

57. Теплообменник, Патент 57-33400, Япония, кл. F 28 D 7/10, F 24 Н 1/18, 1976.

58. Теплообмен и трение при турбулентном течении газа в коротких каналах. А.С. Сукомел и др. М.: Энергия, 1979. 216 с.

59. Дрейцер Г.А., Кузьминов В.А. Расчет разогрева и охлаждения трубопроводов. -М.: Машиностроение, 1977. 155 с.

60. Нестационарный теплообмен. В.К. Кошкин и др. М.: Машиностроение, 1973. 327 с.

61. Чудновский А.Ф. Теплообмен в дисперсных средах. М.: Гостехиздат, 1954.-254 с.

62. Горбис Э.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. М.: Энергия, 1970. - 365 с.

63. Тепло- и массоперенос в дисперсных системах. Минск: Наука и техника, 1965, ИТМО БССР. -176 с.

64. Тепло- и массоперенос в процессах термообработки дисперсных материалов. Минск: ИТМО АН БССР, 1974. - 176 с.

65. Техника низких температур. М.: Энергия, 1975. С. 342.

66. Микулин Е.И., Шевич Ю.А. Матричные теплообменные аппараты. -М.: Машиностроение, 1983. С. 13.

67. Исаченко В.П. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

68. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 343 с.

69. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. -416 с.

70. Максимов Е.А., Страдомский М.В. Некоторые особенности теплообмена в пористых средах // Инженерно-физический журнал, 1971. №4. С. 588-591.

71. Елисеев Б.В., Уфатов Н.В., Чиков В.П. Расчет переходного режима установления температуры в пористом нагревателе // Теплофизика высоких температур, 1983. Т. 21, № 4. С. 765.

72. Романов В.А., Смирнова Н.И. Теплообмен при вынужденной конвекции в слабопроницаемом слое // Инженерно-физический журнал, 1977. Т. 33, №2.

73. Белов С.В. Коэффициенты теплопередачи в пористых металлах. -Теплоэнергетика. 1976, № 3. С. 74 77.

74. Трянин А.П. Идентификация коэффициента теплообмена в пористом теле из решения обратной задачи. Инженерно-физический журнал, 1983, Т. 45 №5.-С. 145- 152.

75. Трянин А.П. Определение коэффициента теплоотдачи на входе в пористое тело и внутри него из решения обратной задачи. -Инженерно-физический журнал, 1987, Т. 52 № 3. С. 469 - 475.

76. Белов С.В. Пористые металлы, в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. - 247 с.

77. Бекман Г., Гили П. Тепловое аккумулирование энергии. М.: Мир, 1987. 272 с.

78. Риаз. Аналитические решения для однофазной и двухфазной моделей балластных аккумуляторов тепловой энергии // Теплопередача, 1977, № 3. С. 154.

79. Хьюз и др. Расчетные модели аккумулятора тепловой энергии с внутренней засыпкой для солнечного кондиционера // Теплопередача, 1975, №2. С. 200.

80. Хергер, Филлипс. Ограничения на однофазную модель теплообмена между твердой и газовой фазами в плотных слоях // Теплопередача, 1977. №3, С. 154.

81. Хергер, Филлипс. Методика использования коэффициента стратифакции для расчета теплопроизводительности воздушных систем солнечного отопления с тепловым аккумулятором с упакованной насадкой // Энергетические машины и устройства, 1988, № 3. С. 224.

82. Тораб, Бизли. Оптимизация теплового аккумулятора с упакованной насадкой // Энергетические машины и установки. 1988. № 3. 213 с.

83. Александров В.В., Груздев В.Л., Коваленко Ю.Л. Теплопроводность некоторых СВЕ систем на основе алюминия // Физика горения и взрыва, 1985, т. 21, № 1.

84. Харченко В.Н. Теплообмен внутри пористого материала в нестационарных условиях // Инженерно-физический журнал, 1968. Т. 15, № 1.

85. Дружинин С.А. О расчете внутреннего теплообмена при пористом охлаждении // Теплоэнергетика, 1961, № 9, С. 73 77.

86. Гайер М., Биттерлих, Вернер К. Тепловой аккумулятор с твердой насадкой и жидким теплоносителем для солнечной электростанции малой мощности // Энергетические машины и установки. Труды американского общества инженеров-механиков, 1988, № 4. С. 198.

87. Есикава, Кадзияма, Окамура, Кабасима, Ямасаки. Экспериментальные исследования тепловых характеристик высокотемпературного теплообменника с плотным слоем шариковой насадки // Теплопередача, 1985, № 3. С. 198.

88. Берч, Аллен, Пиви. Распределение температуры в пористом слое при неустановившемся режиме после внезапного нагрева продувкой теплоносителя // Теплопередача, 1976, № 2. С. 76.

89. Елухин Н.К., Старосвитский О.И. Теплопередача и гидравлическое сопротивление в регенераторах с насыпными насадками воздухоразделительных установок // Труды ВНИИКИМ АШ. Вып. 5. М.: Машгиз, 1962. С. 36 59.

90. Коломин А.Е., Малинин В.И., Серебренников С.Ю. Влияние основных параметров на процесс теплообмена в порошкообразном емкостном охладителе // Вестник ИжГТУ. 2004. - Вып. 1. - С. 3 - 7.

91. Физико-химические свойства окислов. Справ, изд. /Под ред. Г.В. Самсонова. М.: Металлургия, 1978. - 478 с.

92. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. / Под ред. В.П. Глушко М.: Наука. 1981. Т. 3, кн. 2. - 400 с.

93. Физические величины: Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др. /Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова -М.: Энергоатомиздат, 1991. 563 с.

94. Щелчков А.Г. Определение средних размеров пор порошковых и металлотканевых фильтрующих материалов // Порошковая металлургия, 1975, № 10. С. 66 71.

95. Анализ влияния основных параметров на процесс теплообмена в порошковом емкостном охладителе. / А.Е. Коломин, В.И. Малинин, С.Ю. Серебренников, Б.Ф. Потапов // Вестник ПГТУ. Аэрокосмическая техника, 2005 г., № 22. С. 43 49.