CC BY
37
4. Semenov A. A., Feoktistov D. V., Zaitsev D. V., Kuznetsov G. V. , Kabov O. A. Experimental investigation of liquid drop evaporation on a heated solid surface // Thermophysics and Aeromechanics. 2015. Vol. 22. P. 771 -774.
5. Legay M., Gondrexon N., Le Person S. , Boldo P., Botemps A. Enhancement of Heat Transfer by Ultrasound: review and recent advances // Hindawi Publishing Corporation International Journal of Chemical Engineering. 2011. P. 1-17.
6. Khmelev V., Shalunov A. V., Barsukov R. V. , Tsyganok S. N., Lebedev A. N. N. Research on ultrasonic drying efficiency // Journal of Zhejiang University-Science A. 2011. Vol. 12. P. 247-254.
7. Gubaidullin A. A., Pyatkova A. V. Acoustic streaming with allowance for heat transfer // Acoustical Physics. 2016. Vol. 62, no. 3. P. 300-305.
8. Laborde J. L., Hita A., J. P. Caltagirone, A. Gerard Fluid dynamics phenomena induced by power ultrasounds // Ultrasonics. 2001. Vol. 38. P. 297-300.
УДК 629.76
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
INVESTIGATION OF THE LIQUID EVAPORATION PROCESS IN A VACUUM CHAMBER
WITH ULTRASOUND IMPACT
В. И. Трушляков1, А. А. Новиков1, И. Ю. Лесняк1, C. Spada2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Миланский технический университет, г. Милан, Италия
V. I. Trushlyakov1, A. A. Novikov1, I. Y. Lesnyak1, C. Spada2 'Omsk state technical university, Omsk, Russia 2Milan technical university, Milan, Italy
Аннотация. Проведены экспериментальные исследования процесса испарения модельных жидкостей (дистиллированная вода, спиртовая смесь, керосин ТС-1) в замкнутом объём при параметрическом ультразвуковом воздействии (УЗВ) на жидкость в условиях пониженного давления с целью использования полученных результатов для разработки методики проектирования системы испарения неиспользуемых жидких остатков ракетного топлива в баках ракет и магистралях отработавших ступеней ракет -носителей (РН). Разработана программа и методика проведения экспериментов, создан экспериментальный стенд, реализована программа экспериментов. Определены исходные данные, варьируемые параметры, допущения и ограничения. В качестве излучателя ультразвуковых волн использовался пьезоке-рамический излучатель (ПКИ) с частотой 25 кГц и с возможностью регулирования амплитуды колебаний дна ванны, на которой располагалась модельная жидкость от 1 до 3 мкм. Получены экспериментальные зависимости изменения температур модельных жидкостей и газа в вакуумной камере (ВК) при УЗВ в условиях пониженного давления (до 0.2 кПа). Определены массы испарившихся модельных жидкостей и скорость испарения. Проведен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных для различных модельных жидкостей, который показал, что скорость испарения увеличивается при увеличении амплитуды колебаний дна ванны, при этом наибольшая скорость испарения при одних и тех же условиях у керосина марки ТС-1.
Ключевые слова: вакуумное воздействие, ультразвук, тепло- и массообмен, эксперимент.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-120-126
I. Введение
В настоящее время актуальной является задача уменьшения техногенного воздействия РН на окружающую среду. Это связано с тем, что в топливных баках РН после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя остатки топлива могут составлять до 3 % от начальных запасов топлива [1, 2], что приводит к риску взрыва отработавших ступеней на орбитах и к пожарам в результате удара отработавшей ступени о поверхность Земли в районе падения.
На основе проведенного анализа существующих российских и зарубежных методов снижения техногенного воздействия отработавших ступеней РН в районах падения и в околоземном космическом пространстве [3, 4] определена ключевая технология, основанная на испарении жидких остатков ракетного топлива в баках РН [5, 6] на пассивном участке полёта.
Реализация предлагаемой технологии осуществляется при испарении остатков ракетного топлива в условиях невесомости, неопределенности их фазового состояния и граничного расположения в объёме бака РН [5]. При этом имеется ряд ограничений по максимальному давлению и температуре газов в баках РН из условия термопрочностного нагружения конструкции.
Имеющиеся результаты проведенных теоретико-экспериментальных исследований по испарению модельных жидкостей в замкнутом объёме, моделирующем выделенный объём реального топливного бака РН [7, 8] при различных граничных условиях расположения жидкости на поверхности («капля», «зеркало») [8, 9], показали, что для испарения заданной массы топлива необходимо значительное количество энергии.
Для снижения затрат энергии предлагается провести исследования по испарению модельных жидкостей в условиях пониженного давления и УЗВ.
Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования по испарению жидкостей и сушке различных материалов [7, 10] в том числе при УЗВ подтверждают тот факт, что скорость протекания процесса зависит от многих факторов, например, от величины частоты и амплитуды колебаний ультразвуковых волн, давления, температуры и т.д. Например, в работе [11] при испарении нафталина с поверхности металлических шариков диаметром 3.. .6 мм была получена линейная зависимость потока массы от параметров УЗВ.
Предлагается провести экспериментальные исследования процесса тепло- и массообмена при испарении модельных жидкостей со свободной поверхностью в замкнутой ёмкости при совместном параметрическом УЗВ и вакуумном воздействии (ВВ).
II. Постановка задачи
Исследование процесса испарения жидкости со свободной поверхностью в замкнутой ёмкости при УЗВ и ВВ предлагается провести в ограниченном диапазоне параметров испаряемой жидкости и УЗВ для того, чтобы оценить совместное воздействие факторов на скорость испарения жидкости.
Решение поставленной задачи предусматривает:
- разработку программы и методики проведения экспериментов, формирование требований к экспериментальному стенду и его разработка;
- проведение экспериментов и сравнительного анализа полученных результатов;
- оценка влияния исследуемых параметров (давление в ВК, частота и амплитуда УЗВ) на скорость испарения различных модельных жидкостей.
Исходные данные, допущения и ограничения:
- в качестве модельных жидкостей используются: дистиллированная вода, спиртовая смесь и керосин ТС-1;
- начальная масса модельной жидкости 5 г при начальной температуре модельной жидкости 20.. ,240С;
- изменение давления в ВК от 101 кПа до 0.2 кПа с постоянной скоростью откачки 6.5 дм3/с;
- рабочая частота ПКИ 25 кГц, звуковое давление 120 Дб;
- амплитуда колебаний дна ванны ПКИ 1, 2, 3 мкм.
III. Теория
Экспериментальные исследования по испарению модельных жидкостей со свободной поверхностью при УЗВ и ВВ проводились с использованием созданного экспериментального стенда [11, 12], представленного на рис. 1.
В состав экспериментального стенда входят:
- ВК объёмом 0.463 м3 со смотровым окном;
- ванна для размещения модельной жидкости (диметр 0.035 м, высота 0.01 м, масса 360 г, материал: нержавеющая сталь);
- генератор и ПКИ (частота 25 кГц; звуковое давление 120 Дб; амплитуда колебаний дна ванный 1.3 мкм);
- осциллограф для определения амплитуды колебаний дна ванны;
- форвакуумный насос (скорость откачки 6.5 дм3/с, предельное остаточное давление 1 Па);
- многоканальный измеритель температуры МИТ-12 и мобильные датчики температуры ТХА с погрешностью измерений ± 1 0С;
- датчик давления Stinger CVM211GCL с погрешностью измерений ± 2.5 %;
- лабораторные весы ВМ-510 ДМ-II с погрешностью измерений ± 0.05 г;
- соединительная и запорная арматура (система шлангов, штуцеров и пневмоклапанов). Схема экспериментального стенда представлена на рис. 2.
Рис. 1. Экспериментальный стенд: 1 - ВК; 2 - форвакуумный насос; 3 - панель управления пневмоклапанами и термопарами; 4 - осциллограф; 5 - смотровое окно в ВК; 6 - УЗ-излучатель и лабораторные весы
Рис. 2. Схема экспериментального стенда: 1 - ВК; 2 - ванна; 3 - модельная жидкость; 4 - ПКИ; 5 - генератор;
6 - форвакуумный насос; 7 - мобильные датчики температуры; 8 - датчик давления
Методика проведения экспериментов заключается в подаче в замкнутую ёмкость УЗВ и ВВ и измерении количественных характеристик параметров процесса испарения модельной жидкости для установления впоследствии зависимости скорости испарения различных модельных жидкостей от параметров УЗВ и давления в ВК.
Выбрано фиксированное время проведения эксперимента, которое определяется выходом измеряемых параметров на установившийся режим, при этом появление льда не является условием прекращения эксперимента. При полном испарении жидкости эксперимент прекращается.
До начала эксперимента ПКИ 4 с ванной 2 размещается на платформе лабораторных весов, после чего в ванну 2 заливается выбранная модельная жидкость 3 (дистиллированная вода, спиртовая смесь или керосин ТС-1) до заданного значения массы, а именно 5 г.
Далее ПКИ 4 с модельной жидкостью 3 размещается в ВК 1. После чего включается форвакуумный насос 6 и давление в ВК 1 постепенно уменьшается со 101 кПа до 0.2 кПа с постоянной скоростью откачки 6.5 дм3/с.
Одновременно с включением форвакуумного насоса 6 включается ПКИ 4. С помощь генератора 5 и осциллографа устанавливается необходимая амплитуда колебаний дна ванны 2 (от 1 до 3 мкм).
Температуры модельной жидкости 3 и газа внутри ВК 1 определяются с помощью мобильных датчиков температуры 7. Давление в ВК 1 определяется с помощью датчика давления 8.
Эксперимент прекращается через 10 минут после начала, при этом отключаются форвакуумный насос 6 и ПКИ 4. ПКИ 4 с ванной 2 и остатками модельной жидкости размещается на платформе лабораторных весов для определения массы остатков модельной жидкости с последующим расчетом средней скорости испарения модельной жидкости.
IV. Результаты экспериментов
На рис. 3 - 5 представлены результаты экспериментов по испарению различных модельных жидкостей (дистиллированная вода, спиртовая смесь и керосин ТС-1) при амплитуде колебаний дна ванный 2 мкм в условиях постоянно уменьшающегося давления в ВК от 101 кПа до 0.2 кПа.
Время, мин
Рис. 3. Изменение температур модельных жидкостей: 1 - дистиллированная вода; 2 - спиртовая смесь; 3 - керосин ТС-1
1
у 3
0123456789 10
Время, мин
Рис. 4. Изменение температур газа в ВК при испарении модельных жидкостей: 1 - дистиллированная вода; 2 - спиртовая смесь; 3 - керосин ТС-1
100
90 80 \
\
5 70 г и со <и СП \
\
\
X с: 40 \
а ^ га 4 30 20 10 0
1 0
ь Время мин 1
Рис. 5. Изменение давления в ВК при проведении экспериментов
Значения средних скоростей испарения модельных жидкостей и масс испарившихся модельных жидкостей в зависимости от амплитуды колебаний дна ванны при постоянно уменьшающемся давлении в ВК представлены в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ ИСПАРЕНИЯ МОДЕЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ АМПЛИТУДАХ КОЛЕБАНИЙ ДНА ВАННЫ В УСЛОВИЯХ ПОСТОЯННО УМЕНЬШАЮЩЕГОСЯ ДАВЛЕНИЯ В ВК
№ Модельная жидкость Скорость испарения, г/мин Масса испарившейся модельной жидкости, г
1 мкм 2 мкм 3 мкм 1 мкм 2 мкм 3 мкм
1 Дистиллированная вода 0.341 0.353 0.397 1.7 1.76 1.98
2 Спиртовая смесь 0.410 0.830 1.250 2.05 4.15 5
3 Керосин ТС-1 0.770 1.0 - 3.85 5 -
V. Обсуждение результатов
На рис. 3 видно, что характер изменения температур всех модельных жидкостей одинаков. Температуры
модельных жидкостей с начального момента времени резко увеличиваются, а после 1___1.5 минут начинают
плавно уменьшаться до окончания эксперимента. Это можно объяснить тем, что УЗВ характеризуется кавитацией, микропотоками жидкости и вихревыми течениями, что проявляется в виде нагрева жидкости за счет разогрева парогазовой смеси в кавитирующих пузырьках, что соответственно увеличивает скорость испарения. В то же время ВВ приводит к снижению парциального давления паров жидкости над свободной поверхностью и снижению температуры кипения, поэтому температуры модельных жидкостей после 1___1.5 минуты эксперимента начинают уменьшаться вплоть до образования корки льда, что видно на рис. 6.
Рис. 6. Образование корки льда в ванне ПКИ с дистиллированной водой
Образование корки льда при испарении дистиллированной воды происходит через 7.8 минут после начала эксперимента в зависимости от амплитуды колебаний дна ванны. Это объясняется тем, что при ВВ точка замерзания жидкости смещается влево от нуля, а при АВ осуществляется подогрев жидкости, т.е. смещение точки замерзания вправо. Итоговое смещение точки замерзания зависит от типа жидкости, её массы, интенсивности АВ, величины ВВ.
В результате проведенных экспериментов при амплитуде колебаний дна ванны 2 мкм и пониженном давлении в ВК (рис. 3) керосин ТС-1 испарился за 5 минут, спиртовая смесь за 6 минут, а дистиллированная вода полностью не испарилась и после 7-й минуты перешла в твердую фазу. Это объясняется тем, что керосину ТС-1 необходимо меньше передать количество теплоты, чтобы его испарить. Например, удельная теплоёмкость керосина при постоянном давлении и температуре 200С составляет 2050 Дж/(кг К), спиртовой смеси -2500 Дж/(кг К) и дистиллированной воды - 4183 Дж/(кг К).
Температура газа в ВК (рис. 4) с начального момента времени до момента 2.5 минуты резко уменьшается, что связано с изменением давления в ВК (рис. 5), которое также резко уменьшается с начальный момент времени до 2.5 минут. После того как давление становится близким к постоянному (после 3-ей минуты эксперимента), температура газа плавно увеличивается до окончания эксперимента.
Как видно из результатов, представленных в табл. 1, скорость испарения модельных жидкостей при увеличении амплитуды колебаний дна ванны увеличивается. Например, при увеличении амплитуды колебаний дна ванны с 1 до 2 мкм скорость испарения дистиллированной воды увеличивается примерно на 3.5%, спиртовой смеси на 100% и керосина ТС-1 на 30%. При увеличении амплитуды колебаний дна ванны с 1 до 3 мкм скорость испарения дистиллированной воды увеличивается примерно на 16%, спиртовой смеси на 200%.
Эксперимент по испарению керосина ТС-1 при амплитуде колебаний дна ванны 3 мкм не удался, т.к. значительная часть жидкости в начальный момент времени выплеснулась из ванны. Это связано с большими колебаниями поверхности жидкости при 3 мкм и с тем, что керосин ТС-1 массой 5 г занял весь объём ванны по причине его низкой плотности.
VI. Выводы и заключение
1. Разработана программа и методика проведения экспериментов по испарению модельных жидкостей при УЗВ и ВВ.
2. Проведены эксперименты по испарению различных модельных жидкостей (дистиллированная вода, спиртовая смесь, керосин ТС-1) при различных параметрах УЗВ и давления в ВК.
3. Получены экспериментальные зависимости изменения температур модельных жидкостей и газа в ВК при УЗВ в условиях постоянно уменьшающегося давления (до 0.2 кПа). Определены массы испарившихся модельных жидкостей и средняя скорость испарения.
4. Проведен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных для различных модельных жидкостей, который показал, что скорость испарения увеличивается при увеличении амплитуды колебаний дна ванны, при этом наибольшая скорость испарения при одних и тех же условиях у керосина марки ТС-1.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания подведомственным образовательным организациям, проект «Повышение экологической безопасности и экономической эффективности ракет-носителей с маршевыми жидкостными ракетными двигателями», задание № 9.1023.2017/ПЧ.
Список литературы
1. Trushlyakov V., Shatrov Y. Improving of technical characteristics of launch vehicles with liquid rocket engines using active onboard de-orbiting systems // Acta Astronautica. 2017. Vol. 138. P. 19-27.
2. Trushlyakov V, Shatrov Y., Sujmenbaev B., Baranov D. The designing of launch vehicles with liquid propulsion engines ensuring fire, explosion and environmental safety requirements of worked-off stages // Acta Astronautica. 2017. Vol. 131. P. 96-101.
3. Patera R. P., Bohman K. R., Landa M. A., Pao C., Urbano R. T., Weaver M. A., Capt D. C. Controlled deorbit of the "Delta-4" upper stage for the DMSP-17 mission // Proceedings of the 2nd IAASS Conference «Space Safety in a Global World», 14-16 May 2007. Chicago, 2007.
4. Takase K., Masanori Tsuboi, Shigeru Mori, Kiyoshi Kobayashi Demonstration for upper stage controlled re-entry experiment by H-IIB launch vehicle // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2011. Vol. 48, no. 4. P. 11-16.
5. V. Trushlyakov V. Kudentsov, I. Lesnyak, K. Rozhaeva, M. Dron, K. Zharikov, L. Galfetti Gasification of liquid propellant residues in fuel tanks of upper stages to feed an onboard de-orbiting system /6th European conference for aeronautics and space sciences (EUCASS-6), Krakow. 2015.
6. Trushlyakov V., Lavruk S. Theoretical and experimental investigations of interaction of hot gases with liquid in closed volume // Acta Astronautica. 2015. Vol. 109. P. 241-247.
7. Trushlyakov V. I., Lesnyak I. Y., Galfetti L. An experimental investigation of convective heat transfer at evaporation of kerosene and water in the closed volume // Thermophysics and Aeromechanics. 2017. Vol. 24, no. 5. P. 771781.
8. Trushlyakov V. I., Kudentsov V. Yu., Lesnyak I. Yu., Rozhaeva K. A., Lavruk S. A., Dron' M. M., and Zharikov K. I. Evaporation of a Model Liquid // Russian Engineering Research. 2017. №. 10. P. 14-17.
9. Borodulin V. Y., Letushko V. N., Nizovtsev M. I. , Sterlyagov A. N. The surface temperature of free evaporating drops // Journal of Physics: Conference Series. 2016. Vol. 754, no. 3. DOI: 10.1088/1742-6596/754/3/032018.
10. Лыков А. В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.
11. Физика и техника мощного ультразвука. Т. 3. Физические основы ультразвуковой технологии / под ред. Л. Д. Розенберга. М. : Наука, 1970. 689 с.
12. Пат. 2474816 Российская федерация, МПК G 01 N 29/02, B 64 G 7/00. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива и устройство для его реализации / Трушляков В. И., Куден-цов В. Ю., Лесняк И. Ю. [и др.]. № 2010149031/11; заявл. 30.11.2010; опубл. 10.02.2013, Бюл. № 4.
13. Пат. №2493414 Российская федерация, МПК F 02 K 9/96. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в условиях пониженного давления и устройство для его реализации / Трушляков В. И., Куденцов В. Ю., Лесняк И. Ю. [и др.]. № 2011147900/06 ; заявл. 24.11.2011; опубл. 20.09.2013, Бюл. № 12.
