книги2 / 329

ЗАДАЧИ 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