Системы охлаждения и теплопередачи жидкостных ракетных двигателей

Тепло, выделяемое при сгорании ракетного топлива, удерживается внутри отводимых газов. Несмотря на то, что газ -теплоноситель выбрасывается, тепло передаётся в камеру сгорания. Наиболее важными распространёнными методами охлаждения деталей двигателя являются регенеративное и жидкостно-плёночное охлаждение.

Метод регенеративного охлаждения - довольно популярный подход к охлаждению, используемый в жидкостных ракетных установках большой тяги, поскольку он эффективно минимизирует тепловые потоки стенок сопла и камеры сгорания. Данный метод предполагает протекание части или всего количества жидкого топлива через стенки сопла и камеры сгорания перед тем, как поступить в камеру сгорания. Для этой цели в стенках сопла и камеры предусматриваются каналы, по которым пропускают топливо с целью отвода тепла, что достаточно разумно ввиду способности топлива (в редких случаях и окислителя), быть хорошим хладагентом.

Исследование эффективности регенеративного охлаждения стало темой множества научных работ. Так, учёными были изучены следующие параметры: характеристики горячего газа, излучение газа, геометрические аспекты системы охлаждения, рёберный эффект, изменение характеристик материала и охлаждающей жидкости, потери теплового потока, и прочие.

Жидкостно-плёночное охлаждение широко используется в камерах сгорания газогенераторных, детандерных, двухступенчатых двигателей для управления теплопередачей между горячими реагирующими газами и более холодными структурными компонентами из-за его высокой эффективности охлаждения. Процесс охлаждения осуществляется за счёт помещения слоя охлаждающей жидкости между защищаемой поверхностью и высокотемпературным потоком. При этом жидкость вводится в камеру сгорания через отверстия и распределяется вдоль стенок. Плёнка охлаждающей жидкости создаёт теплоизоляционный эффект и снижает температуру стенок камеры. При жидкостно -плёночном охлаждении испаряющийся плёночный хладагент не диффундирует быстро в основной газовый поток, а сохраняется в виде защитного слоя пара, прилегающего к стенке, образуя защитную плёнку, препятствующую переносу продуктов сгорания к стенкам, снижая скорость их окисления [5, c. 32].

Исследования жидкостно-плёночного охлаждения касаются различных аспектов, включая влияние величины отношения массы к потоку, угла впрыска, формы отверстий, длины струйного канала по отношению к его диаметру, расположение струйных решёток, расстояния между отверстиями струи вдоль или поперёк, отношения плотности, интенсивности турбулентности струи и поперечного потока, эффекта сжатия, и прочих.

Повышение эффективности работы тепловых устройств, в том числе и ЖРД, находящихся в центре внимания инженеров -конструкторов, помимо феномена охлаждения, напрямую зависит от исследования теплопередачи. Увеличение скорости теплопередачи в различных областях промышленности, включая электротехническую, авиационную и автомобильную, является одной из важнейших задач с точки зрения энергосбережения. Так, ограниченная теплопередача воды и моторного масла является серьёзным препятствием для повышения качества и эффективности работы тепловых устройств. Твёрдые материалы обладают лучшей теплопередачей, чем жидкости. К примеру, теплоёмкость меди в 700 раз превышает теплоёмкость воды, и в 3000 раз - моторного масла.

Ряд учёных выдвинул гипотезу о том, что использование твёрдых частиц размером от 0,1 до 100 нм в базовой жидкости может увеличить теплопроводность конвекционной жидкости, и, как следствие, улучшить теплопередачу. Такую жидкость с растворёнными в ней твёрдыми частицами назвали «наножидкость» (нанодисперсия, наноэмульсия) - единственная «твёрдая» жидкость, которая в настоящее время широко используется в системах отопления и в солнечной энергетике.

По мере увеличения кривизны объекта увеличивается теплопередача и скорость жидкости. В потоке жидкости распределение давления представляет собой тонкий слой движущегося вещества, который соприкасается с листом, к примеру, с поверхностью трубы. Данные потоки относятся к турбулентным. Согласно исследованиям, подобное свойство потока пограничного слоя возможно успешно использовать в производственных целях. Также имеется ряд исследований, в которых свойство теплопередачи используется для изучения характеристик двумерного потока намагниченных гибридных наножидкостей [4, с. 3062]. Однако из-за ограниченного количества литературы, касающейся более детального изучения теплопроводных свойств наножидкостей, заключим, что требуется провести исследования, которые позволят инженерам управлять компонентами системы, чтобы минимизировать энтропию и способствовать передаче тепла.

Использованные источники

1. Сарычев С.С. Перспективы проектирования корпусных конструкций ракетных двигателей // Аллея науки. - 2022. - № 2 (65). - С. 2.

2. Сарычев С.С. Сопла ракет: краткий обзор // Аллея науки. - 2022. - № 2 (65). - С. 2.

3. Yang W., Sun B. Numerical simulation of liquid film and regenerative cooling in a liquid rocket // Applied Thermal Engineering. - 2013. - Т. 54. - № 2. - С. 460.

4. Farooq U., Waqas H., Imran M., Alghamdi M., Muhammad T. On melting heat transport and nanofluid in a nozzle of liquid rocket engine with entropy generation // Journal of Materials Research and Technology. - 2021. - Т. 14. - С. 3060-3062.

5. Сарычев С.С. Плёночное охлаждение жидкостных ракетных двигателей // VI МНПК «Наука и Просвещение: актуальные вопросы, достижения и инновации». - Пенза, 25 февраля 2022. - С. 32.

Размещено на Allbest.ru