Кинетика процессов и моделирование парогенератора адсорбционного типа для систем регенерации воздуха автономных обитаемых объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Потапочкин, Владимир Викторович

• Потапочкин, Владимир Викторович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Потапочкин, Владимир Викторович

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

СПИСОК АББРЕВИАТУР И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Системы для удаления СОг при помощи регенерируемых поглотителей.

1.2 Методы расчета процессов сорбции и десорбции.

1.3 Методы определения коэффициентов массопроводности.

1.4 Методы определения теплопроводности капиллярно-пористых тел.

1.5 Постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ПАРОГЕНЕРАТОРЕ.

2.1. Математическое описание процессов в парогенераторе.

2.2 Определение коэффициентов модели.

2.2.1 Расчет коэффициента термодиффузии на основе обобщения опытных данных.

2.2.3 Расчет коэффициента массопроводности при адсорбции на капиллярно-пористых телах.

2.2.4 Исследование теплоемкости поглощающих влагу материалов.

2.2.5 Определение теплопроводности.

2.2.6 Исследование динамической вязкости теплоносителей.

2.3 Гидравлический расчет парогенератора.

2.4. Расчет процессов охлаждения - нагревания пластин парогенератора.

2.5 Выводы.

3. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ПАРОГЕНЕРАТОРЕ.

3.1. Алгебраические аналоги дифференциальных уравнений модели.

3.2. Численное моделирование процесса адсорбции влаги.

3.2.1. Проверка адекватности математической модели.

3.2.2. Численный анализ процесса адсорбции.

3.3. Особенности моделирования процесса парогенерации.

3.4. Численное исследование процесса парогенерации.

3.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетика процессов и моделирование парогенератора адсорбционного типа для систем регенерации воздуха автономных обитаемых объектов»

Кризисный период в экономике России будет преодолен тем успешнее и быстрее, чем энергичнее будут осуществляться процессы широкого обновления методов и средств производства, направленные на интегрирование отечественного производителя в мировую рыночную систему. Добиться этого невозможно без разработки и внедрения новых, высокопроизводительных, экологически чистых энерго- и ресурсосберегающих технологий, способных обеспечить выпуск продукции, конкурентной на мировом рынке. Это в одинаковой степени относится ко всем областям производства, включая и такие базовые отрасли, как машиностроение, химическая промышленность и др. Определяющую роль при этом играет подробная научная проработка решаемых проблем.

В современной химической промышленности все большее применение находят аппараты совмещенного типа, в которых организуется несколько основных химико-технологических процессов, так как такие аппараты требуют для своей работы меньше энергетических и материальных затрат. К сожалению, в нашей стране количество подобных разработок пока еще мало. Это можно объяснить рядом обстоятельств, и важное из них - отсутствие научно-обоснованных методик, которые позволяли бы проводить анализ, синтез и инженерный расчет совмещенных аппаратов.

Примером аппарата совмещенного типа может служить устройство для поглощения углекислого газа из газо-воздушной смеси с последующим его концентрированием. Аппараты такого назначения требуются для систем жизнеобеспечения автономных обитаемых объектов, в специальной космической технике, где к ним предъявляются жесткие требования на весогабаритные показатели и энергопотребление.

Актуальность работы. Разработку парогенератора адсорбционного типа для систем жизнеобеспечения автономных обитаемых объектов в настоящее время по заказу РКК «Энергия» проводит ФГУП ТамбовНИХИ с привлечением сотрудников ТГТУ. На основе предложенной ими концепции этот аппарат должен включать в себя поглотитель СО2 и устройство регенерации поглотителя водяным паром с хроматографическим концентрированием СО2. Последнее для уменьшения теплопотерь, энергозатрат и расхода влаги выполняет еще и функции сборника влаги и находится в одном корпусе с поглотителем СО2. Далее по тексту это устройство будем называть парогенератором (ПГ). Работа ПГ во многом определяет эффективность всей системы жизнеобеспечения.

И хотя процессы сорбции и десорбции, конденсации и парообразования изучены давно и основательно, для разработки ПГ, соответствующего требованиям Технического задания РКК «Энергия» и с учетом специфики создаваемой совмещенной конструкции , потребовалось провести всестороннее аналитическое, экспериментальное и имитационное исследования протекающих в нем процессов и свойств используемых материалов, а так же выявить влияние различных конструктивных и режимных факторов на эффективность работы аппарата.

Целью научного исследования являлось разработка математической модели, описывающей основные тепло-массообменные и гидромеханические процессы в ПГ, экспериментальное изучение теплофизи-ческих свойств используемых материалов, а также численное моделирование и оптимизация процессов, и на этой основе уточнение режимных и конструктивных факторов.

Для достижения иели поставлены и решены следующие задачи: - разработка математической модели тепло-массообменных процессов протекающих в ПГ;

- разработка алгоритмов реализации математической модели и программного обеспечения для расчета основных процессов протекающих в парогенераторе;

- расчеты и оптимизация гидравлической схемы в элементах ПГ;

- разработка аналитических и экспериментальных методик для определения теплофизических характеристик (ТФХ), влияющих на тепло-массообмен (ТМО) в капиллярно пористых телах (КПТ);

- экспериментальное исследование теплоемкости и теплопроводности силикагеля и поглотителя регенерируемого циркониевого модернизированного (ПРЦ-М).

- экспериментальное исследование динамической вязкости теплоносителей, предполагаемых для использования в ПГ (водных растворов глицерина и этиленгликоля);

- проведение экспериментальных исследований на полномасштабных действующих макетах парогенератора.

Для решения поставленных задач были использованы: методы дифференциального исчисления, теория ТМО, теория подобия, методы численного интегрирования системы нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных, математическая статистика и теория вероятности.

Научная новизна работы:

- проведены экспериментальные и аналитические исследования кинетики процессов тепло- и массообмена в парогенераторе адсорбционного типа при изменяющихся по времени граничными условиями;

- разработана математическая модель этих процессов, позволяющая проводить имитационные исследования и анализ влияния входных параметров на режимы работы;

- получены экспериментальные данные о теплопроводности и теплоемкости для адсорбентов, применяемых в системе очистки газои воздушной смеси от углекислого газа. Исследована динамическая вязкость предполагаемых теплоносителей для парогенератора.

Практическая ценность:

- разработаны алгоритм и программа гидравлического расчета системы раздачи теплоносителя в парогенераторе, позволяющая оптимизировать конструктивные размеры парогенератора;

- предложен способ аналитического расчета коэффициентов мас-сопроводности и термодиффузии для большого класса капиллярно-пористых материалов;

- результаты имитационного моделирования и оптимизации на основе разработанных математических моделей, а также результаты экспериментальных исследований использованы при разработке проекта системы очистки атмосферы от СО2 для космических объектов;

- проект рассмотрен в ракетно-космическом концерне «Энергия» и принято решение о целесообразности его реализации.

Апробация работы.

- результаты исследований докладывались на третьей международной теплофизической школе в 1998 г (г. Тамбов);

- на ежегодных научно-технических конференциях ТГТУ в 1998 и 1999 г.г.;

- на научных семинарах кафедр "Гидравлика и теплотехника" и ПАХТ ТГТУ;

- на техническом совещании в отделе 05 ракетно-космического концерна «Энергия»;

- на технических совещаниях ФГУП ТамбовНИХИ.

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в

12ти печатных работах.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 3-х глав, выводов, списка использованной литературы и приложения.