Патент на изобретение №2289078

(54) СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООТДАЧИ К УГЛЕВОДОРОДНЫМ ГОРЮЧИМ И ОХЛАДИТЕЛЯМ В НАЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ МНОГОРАЗОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для применения в области интенсификации теплоотдачи к жидким углеводородным горючим в наземных и космических энергетических установках многоразового использования (ЭУМИ). Способ интенсификации теплоотдачи к жидким углеводородным горючим и охладителям в наземных и космических энергетических установках многоразового использования путем создания теплообменной поверхности с ячеистой полусферической структурой, поверхность каждой лунки которой выполняют в виде конусного оребрения. Конусное оребрение также могут выполнять на стенках и днищах любых выемок, например, квадратного типа, глубина (высота) конусного оребрения выполняется в пределах 2-5 мм. Кроме того, наклон конусного оребрения выполняют или вертикально, или горизонтально, или под каким-либо углом в пределах от 0° до 90°. Изобретение позволяет ограничить рост твердого углеродистого осадка практически в любых топливно-охлаждающих каналах ЭУМИ и др. техносистемах наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области авиационного и ракетного двигателестроения и может применяться в других энергетических установках многоразового использования (ЭУМИ) и техносистемах нефтяной, газовой, автомобильной, транспортной, энергетической, атомной и др. отраслях промышленности.

Сущность изобретения заключается в дальнейшей интенсификации теплоотдачи в топливно-охлаждающих и др. каналах ЭУМИ с различными интенсификаторами в виде искусственной шероховатости (кольцевых нарезок, накаток, конусной резьбы и др.), а также в виде различных выемок, например в виде ячеек полусферической структуры, которые широко применяются в науке и технике [1-65].

Однако известно [3-43, 61-63, 65], что через несколько циклов работы внутренние стенки топливно-охлаждающих каналов ЭУМИ и других техносистем на жидких УВГ и охладителях при определенных условиях покрываются слоем твердого углеродистого осадка. Этот процесс является очень негативным и опасным, так как приводит к резкому самопроизвольному росту температуры стенки с дальнейшим ее прогаром, пожаром и взрывом ЭУМИ и всего летательного аппарата (ЛА), в том числе и космического (КЛА), а также другой любой техносистемы наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования. Эксплуатация различных ЭУМИ и других техносистем на жидких УВГ и охладителях, а также экспериментальные исследования показывают [3-43], что в первую очередь твердый углеродистый осадок появляется именно в углублениях различных искусственных интенсификаторов теплоотдачи независимо от вида металла как в земных, так и в космических условиях. Это приводит к исчезновению каких-либо искусственных углублений, то есть полностью исчезает турбулизирующая роль искусственных интенсификаторов теплоотдачи с уменьшением коэффициента теплоотдачи.

Экспериментально обнаружено [4, 5, 8, 10, 11, 16-18, 20-22, 29, 30, 34, 41-43], что топливно-охлаждающие каналы с искусственными интенсификаторами теплоотдачи в виде конусной резьбы ограничивают рост твердого углеродистого осадка, который не превышает высоту зубьев конического оребрения, что наглядно показано на чертеже. Этот эффект затормаживания роста осадка связан с механизмом процесса осадкообразования, который зависит: от температуры; от качества обработки поверхности; от свойств образующихся диполей осаждаться на микронеровности с различными видами и полюсами электрозарядов на каждом острие микронеровностей, связанных с дефектами кристаллических решеток (по Шоттки и Френкелю), и др. параметров [6-8, 11, 17, 20-22, 31-34, 36, 37, 61-63, 65]. То есть, искусственная шероховатость в виде конусной резьбы является ограничителем роста осадка и включена в общую систему борьбы с этим негативным процессом (классификация которой состоит из способов и средств по предотвращению, по ограничению и по удалению осадка), то есть в группу по ограничению осадка [3-8, 10-12, 15-22, 25, 28, 30-43].

Предлагаемое изобретение основывается именно на способе затормаживания негативного процесса осадкообразования, то есть на использовании уникальных возможностей оребренной поверхности (поверхности с конической или конусной (что есть одно и то же) резьбой) затормаживать рост твердого углеродистого осадка на уровне высоты зубьев. Этим способом возможно ограничить рост осадка практически в любых топливно-охлаждающих каналах ЭУМИ и др. техносистем наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования [1-43, 52-58, 60, 61,64].

Примером могут служить:

1) канал в виде трубки, которая является тепловыделяющим элементом (ТВЭЛом), внутри которой прокачивается жидкий УВГ (охладитель) [1, 2, 4-11, 13-18, 20-43, 52, 54-61, 64]: а) без наличия внутренней конусной (кольцевой или винтовой) резьбы, в этом случае внутренняя стенка покроется твердым углеродистым осадком, что вызовет резкое повышение температуры стенки (с возможным прогаром, пожаром и взрывом ЭУМИ), а при дальнейшей эксплуатации необходимо ожидать полное закупоривание всего канала, что приведет к прекращению топливоподачи и обнулению тяги, к образованию течи также с дальнейшим пожаром и взрывом ЭУМИ, ЛА, КЛА и др. техносистем; б) при наличии внутренней конусной резьбы – на первом этапе эксплуатации ЭУМИ этот вид искусственной шероховатости будет интенсифицировать теплоотдачу к жидкому УВГ (охладителю) (т.е. будет турбулизировать пограничный слой), но через определенное число циклов и часов работы ЭУМИ (или техносистемы) произойдет рост твердого осадка, который заполнит все углубления, но по толщине (или по высоте) он не будет превышать высоту зубьев, то есть исчезнет турбулизирующая функция конического оребрения по увеличению коэффициента теплоотдачи, но канал останется работоспособным, то есть по нему возможна дальнейшая прокачка жидкого УВГ (охладителя);

2) канал (с любым профилем сечения), у которого одна из стенок является греющей (то есть является ТВЭЛом), что характерно почти для всех рубашек охлаждения ЖРД, ВРД и др. ЭУМИ, причем греющая поверхность может быть выполненой без искусственных интенсификаторов теплоотдачи или с ними; в любом случае процесс осадкообразования будет происходить в различных каналах, но в каналах с искусственными интенсификаторами теплоотдачи в виде конусной (кольцевой или винтовой) резьбы процесс осадкообразования будет остановлен, то есть будет обеспечена безопасная работоспособность этих каналов по прокачке жидкого УВГ (охладителя), хотя и будет утрачена турбулизирующая роль конусного оребрения по интенсификации теплоотдачи; если греющая стенка в качестве искусственных интенсификаторов теплоотдачи имеет различные выемки, например, в виде полусферических лунок или ячеек [3-4, 5, 8, 11, 12, 16-23, 27-31, 33, 36, 43-52, 55-60, 64], то через определенное число циклов и время работы ЭУМИ они (лунки) будут полностью забиты твердым углеродистым осадком, то есть прекратят свои функции по интенсификации теплоотдачи к жидким УВГ (охладителям) с дальнейшими негативными последствиями; но если поверхность каждой лунки конструктивно выполнить в виде конусного оребрения, то при осадкообразовании каждая лунка сохранит свой общий профиль и свои функции по интенсификации теплоотдачи, так как твердый углеродистый осадок не превысит высоты зубьев конусного оребрения, что дает возможность избежания негативных и очень опасных последствий – именно этому примеру и посвящается данное изобретение.

Экспериментально установлено, что величина углубления (высоты) конусного оребрения (высота зубьев) должна выполняться в пределах 2-5 мм [4, 5, 8, 10, 11, 16-18, 20-22, 29, 30, 34, 41-43].

Научной новизной данного изобретения являются:

1) экспериментальное обнаружение эфекта ограничения негативного процесса осадкообразования на греющей поверхности с искусственными интенсификаторами теплоотдачи в виде конусной поперечной (кольцевой, винтовой) резьбы;

2) экспериментальное обнаружение эффекта прекращения роста твердого углеродистого осадка на уровне высоты конических зубьев, выполненных в пределах 2-5 мм;

3) экспериментальное обнаружение эффекта предотвращения негативного процесса осадкообразования на греющих стенках рубашек охлаждения ЭУМИ с искусственными интенсификаторами теплоотдачи в виде полусферических ячеек (лунок), поверхность которых выполнена в виде конусной резьбы;

4) экспериментальное обнаружение независимости эффекта предотвращения осадкообразования в лунках от угла наклона конусного оребрения (то есть оребрение в лунке можно выполнять вертикально, под каким-либо углом, горизонтально);

5) экспериментальное обнаружение эффекта предотвращения процесса осадкообразования в выемках другой конструкции, например квадратного сечения, где боковые стенки и днища выполнены в виде конусного оребрения (то есть в виде вертикального и горизонтального оребрения).

Ранее уже говорилось о том, что процесс осадкообразования не зависит от степени гравитации, то есть происходит как в земных, так и в космических условиях. Поэтому необходимо вести борьбу с этим негативным и опасным процессом уже на стадии проектирования ЭУМИ и других техносистем различного назначения и базирования. Необходимо применять все виды, способы и средства защиты от осадкообразования, включая системы контроля за этим процессом. Информация о наличии осадка на различных деталях и агрегатах топливно-охлаждающей системы, о включении систем защиты и о результатах борьбы с осадком должна поступать в базу данных наземного (воздушного, космического) компьютера, а также на информационное табло наземного оператора, летчика, космонавта [3-11, 16, 17, 19-23, 25, 27-37, 42, 43].

Итак, за прототип – аналог можно принять способ интенсификации теплоотдачи к жидким углеводородным горючим и охладителям в наземных и космических энергетических установках многоразового использования путем создания теплообменной поверхности с ячеистой полусферической структурой [1-5, 8, 11, 12, 16-23, 27-33, 36, 43-52, 55-60, 64].

Поставленный технический результат достигается в способе интенсификации теплоотдачи к жидким углеводородным горючим и охладителям в наземных и космических энергетических установках многоразового использования путем создания теплообменной поверхности с ячеистой полусферической структурой.

Техническим решением предлагаемого изобретения являются следующие новые отличия:

1) поверхность каждой лунки выполняют в виде конусного оребрения;

2) конусное оребрение выполняют на стенках и днищах любых выемок, например, квадратного типа;

3) глубину (высоту) конусного оребрения выполняют в пределах 2-5 мм;

4) наклон конусного оребрения выполняют или вертикально, или горизонтально, или под каким-либо углом в пределах от 0° до 90°.

Необходимо отметить, что данный способ можно применять в ЭУМИ и других техносистемах наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования.

Применение предлагаемого изобретения значительно повысит ресурс, надежность, эффективность, безопасность, экономичность и экологичность ЭУМИ и других техносистем наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Тория ракетных двигателей (Под ред. академика В.П.Глушко). М.: Изд-во “Машиностроение”, 1989. 464 с.

2. Улыбин С.А. Теплоносители энергетических ядерных установок. М.-Л.: Изд-во “Энергия”, 1966. 272 с.

45. Антуфьев В.И. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. М.: Изд-во “Энергия”, 1966. 183 с.

52. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М.: Изд-во “Энергия”, 1977. 461 с.

53. Клячин А.А. Теория воздушно-реактивных двигателей. М.: Изд-во “Машиностроение”, 1969. 512 с.

54. Квасников Л.А. и др. Теория и расчет энергосиловых установок космических летательных аппаратов. М.: “Машиностроение”, 1984. 322 с.

55. Справочник по теплообменникам. T.I. / Под ред. Б.С.Петухова и др. М.: Изд-во “Энергоатомиздат”, 1987. 560 с.

56. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы: Справочник (под редакцией В.А.Григорьева, В.М.Зорина). М.: Изд-во “Энергия”, 1980. 528 с.

57. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Изд-во “Энергоатомиздат”, Ленинградское отделение, 1987. 284 с.

58. Фраос А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М.: Изд-во “Атомиздат”, 1971. 356 с.

59. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Изд-во “Высшая школа”, 1964. 458 с.

60. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева, 1999. 176 с.

61. Зрелов В.Н., Пискунов В.А. Реактивные двигатели и топливо. М.: Изд-во “Машиностроение”, 1968. 312 с.

62. Большаков Г.Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах. Л.: Изд-во “Химия”, 1972. 232 с.

63. Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив: Справочник. М.: Изд-во “Химия”, 1985. 240 с.

64. Юдин В.Ф. Теплообмен поперечно-оребренных труб. Л.: Изд-во “Машиностроение”, Ленинградское отделение, 1982. 187 с.

65. Яновский Л.С., Иванов В.Ф. и др. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях. Казань: Изд-во “АБАК”, 1999. 284 с.

Формула изобретения

1. Способ интенсификации теплоотдачи к жидким углеводородным горючим и охладителям в наземных и космических энергетических установках многоразового использования путем создания теплообменной поверхности с ячеистой полусферической структурой, отличающийся тем, что поверхность каждой лунки выполняют в виде конусного оребрения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что конусное оребрение выполняют на стенках и днищах любых выемок, например, квадратного типа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубину (высоту) конусного оребрения выполняют в пределах 2-5 мм.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что наклон конусного оребрения выполняют или вертикально, или горизонтально, или под каким-либо углом в пределах от 0 до 90°.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 13.07.2007

Извещение опубликовано: 27.02.2009 БИ: 06/2009