Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2015; 1: 27-38

Моделирование процессов температурной подготовки ракетного горючего в системе заправки стартового комплекса

Золин А. В., Чугунков В. В.

Аннотация

Разработаны математические модели и рассмотрены характеристики процессов температурной подготовки углеводородного горючего в системе заправки стартового комплекса, основанные на аналитических решениях уравнений теплообмена и позволяющие определять режимные параметры процессов охлаждения и нагрева топлива при проектировании и эксплуатации системы заправки. Приведены зависимости для определения относительной массы жидкого азота и времени охлаждения топлива, а также зависимости для нахождения времени нагрева топлива при заданных мощностях теплообменника-нагревателя и насосной станции заправочной системы. DOI: 10.7463/aersp.0615.0826690
Список литературы

1. Александров А.А., Гончаров Р.А., Игрицкий В.А., Чугунков В.В. Методика выбора рациональных режимов охлаждения углеводородного горючего стартовым оборудованием перед заправкой топливных баков ракеты-носителя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. № 1. С. 40-46.

2. Гончаров Р.А., Чугунков В.В. Определение параметров и режимов работы стартового оборудования по охлаждению углеводородного горючего перед заправкой в бортовые баки ракеты-носителя // Известия ВУЗов. Серия Машиностроение. 2012. - № спецвыпуск : Работы студентов и молодых ученых МГТУ им. Н. Э. Баумана. - С. 35-38.

3. Александров А.А., Денисов О.Е., Золин А.В., Чугунков В.В. Охлаждение ракетного топлива стартовым оборудованием с применением жидкого азота // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2013. № 4. С. 24-29. DOI: 10.18698/0536-1044-2013-4-24-29

4. Комлев Д.Е., Соловьев В.И. Охлаждение нафтила методом криогенного барботажа // Новости техники: сборник. М.: КБТМ, 2004. С.137-141.

5. Денисов О.Е., Золин А.В., Чугунков В.В. Методика моделирования охлаждения компонентов ракетного топлива с применением жидкого азота и промежуточного теплоносителя // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журн. 2014. № 3. С. 145-161. DOI: 10.7463/0314.0699941.

6. Павлов С. К., Чугунков В. В. Математическая модель процесса температурной подготовки компонентов жидкого ракетного топлива с использованием теплообменника и теплоносителя, охлаждаемого жидким азотом // Наука и образование. МГТУим. Н.Э. Баумана. Электронныйжурн. 2014. № 12. С. 136-150. DOI: 10.7463/0815.9328000.

7. Wen D.S., Chen H.S., Ding Y.L., Dearman P. Liquid nitrogen injection into water: Pressure build-up and heat transfer // Cryogenics. 2006. Vol. 46, no. 10. P. 740-748. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2006.06.007.

8. Домашенко А.М., Блинова И.Д. Исследования тепломассообмена при сбросе криогенных продуктов в воду // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. № 12. С. 17-19.

9. Золин А.В., Чугунков В.В. К выбору технического облика и рациональных параметров систем охлаждения и обезвоживания для хранилищ углеводородного горючего космодромов // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2012. Работы студентов и молодых ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана. Спец. вып. С. 39-42.

10. Кобызев С. В., Золин А. В., Чугунков В. В. Построение рациональной схемы подготовки углеводородного горючего по температуре и влагосодержанию с использованием жидкого и газообразного азота на стартовом и техническом комплексах космодрома. // Наука и образование. МГТУим. Н.Э. Баумана. Электронныйжурн. 2012 №10. С.147-156. DOI: 10.7463/1012.0486647

Aerospace Scientific Journal. 2015; 1: 27-38

Modeling the Thermal Rocket Fuel Preparation Processes in the Launch Complex Fueling System

Zolin A. V., Chugunkov V. V.

Abstract

It is necessary to carry out fuel temperature preparation for space launch vehicles using hydrocarbon propellant components. A required temperature is reached with cooling or heating hydrocarbon fuel in ground facilities fuel storages. Fuel temperature preparing processes are among the most energy-intensive and lengthy processes that require the optimal technologies and regimes of cooling (heating) fuel, which can be defined using the simulation of heat exchange processes for preparing the rocket fuel.
The issues of research of different technologies and simulation of cooling processes of rocket fuel with liquid nitrogen are given in [1-10]. Diagrams of temperature preparation of hydrocarbon fuel, mathematical models and characteristics of cooling fuel with its direct contact with liquid nitrogen dispersed are considered, using the numerical solution of a system of heat transfer equations, in publications [3,9].
Analytical models, allowing to determine the necessary flow rate and the mass of liquid nitrogen and the cooling (heating) time fuel in specific conditions and requirements, are preferred for determining design and operational characteristics of the hydrocarbon fuel cooling system.
A mathematical model of the temperature preparation processes is developed. Considered characteristics of these processes are based on the analytical solutions of the equations of heat transfer and allow to define operating parameters of temperature preparation of hydrocarbon fuel in the design and operation of the filling system of launch vehicles.
The paper considers a technological system to fill the launch vehicles providing the temperature preparation of hydrocarbon gases at the launch site. In this system cooling the fuel in the storage tank before filling the launch vehicle is provided by hydrocarbon fuel bubbling with liquid nitrogen. Hydrocarbon fuel is heated with a pumping station, which provides fuel circulation through the heat exchanger-heater, with hydrocarbon fuel returning to the storage tank.
Mathematical models of cooling and heating processes are built on the assumption that the heat exchange process of storage and environment is quasistationary.
The paper presents relationships for determining the relative masses of nitrogen and time to perform the operation of cooling fuel from the initial to the desired final temperature as well as relationships to define the time of heating operation for a given capacity of the heat exchanger-heater and the pump station fueling system.
The results of calculations of the relative liquid nitrogen costs during cooling of hydrocarbon gases depending on the mass flow rate of nitrogen in the cooling fuel system are shown in comparison with experimental data and numerical calculations. The maximum error of analytical calculation results and experimental values of the relative cost of liquid nitrogen does not exceed 4.5% and the error in determining the time required for operations of temperature preparation does not exceed 5%.
Analytical relationships and results of calculations obtained on their basis are adequate and in compliance with experimental results, in accuracy are on a par with results of numerical calculations and, as compared to numerical solution, greatly simplify a procedure of implemented design calculations of fuel temperature preparation processes. Using these relationships allows to analyze the effectiveness of the operations of heating and cooling hydrocarbon fuel depending on the design parameters of the storage capacity, its thermal insulation, mass of fuel, thermal power of the heating devices, flow of nitrogen, as well as to determine the required mass of liquid nitrogen and the operation parameters of cooling (heating) fuel for filling systems of launch complexes for different values of the environmental parameters, the initial and desired final temperatures
of the fuel.

References

1. Aleksandrov A.A., Goncharov R.A., Igritskii V.A., Chugunkov V.V. Metodika vybora ratsional'nykh rezhimov okhlazhdeniya uglevodorodnogo goryuchego startovym oborudovaniem pered zapravkoi toplivnykh bakov rakety-nositelya // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2011. № 1. S. 40-46.

2. Goncharov R.A., Chugunkov V.V. Opredelenie parametrov i rezhimov raboty startovogo oborudovaniya po okhlazhdeniyu uglevodorodnogo goryuchego pered zapravkoi v bortovye baki rakety-nositelya // Izvestiya VUZov. Seriya Mashinostroenie. 2012. - № spetsvypusk : Raboty studentov i molodykh uchenykh MGTU im. N. E. Baumana. - S. 35-38.

3. Aleksandrov A.A., Denisov O.E., Zolin A.V., Chugunkov V.V. Okhlazhdenie raketnogo topliva startovym oborudovaniem s primeneniem zhidkogo azota // Izvestiya VUZov. Mashinostroenie. 2013. № 4. S. 24-29. DOI: 10.18698/0536-1044-2013-4-24-29

4. Komlev D.E., Solov'ev V.I. Okhlazhdenie naftila metodom kriogennogo barbotazha // Novosti tekhniki: sbornik. M.: KBTM, 2004. S.137-141.

5. Denisov O.E., Zolin A.V., Chugunkov V.V. Metodika modelirovaniya okhlazhdeniya komponentov raketnogo topliva s primeneniem zhidkogo azota i promezhutochnogo teplonositelya // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektronnyi zhurn. 2014. № 3. S. 145-161. DOI: 10.7463/0314.0699941.

6. Pavlov S. K., Chugunkov V. V. Matematicheskaya model' protsessa temperaturnoi podgotovki komponentov zhidkogo raketnogo topliva s ispol'zovaniem teploobmennika i teplonositelya, okhlazhdaemogo zhidkim azotom // Nauka i obrazovanie. MGTUim. N.E. Baumana. Elektronnyizhurn. 2014. № 12. S. 136-150. DOI: 10.7463/0815.9328000.

7. Wen D.S., Chen H.S., Ding Y.L., Dearman P. Liquid nitrogen injection into water: Pressure build-up and heat transfer // Cryogenics. 2006. Vol. 46, no. 10. P. 740-748. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2006.06.007.

8. Domashenko A.M., Blinova I.D. Issledovaniya teplomassoobmena pri sbrose kriogennykh produktov v vodu // Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie. 2007. № 12. S. 17-19.

9. Zolin A.V., Chugunkov V.V. K vyboru tekhnicheskogo oblika i ratsional'nykh parametrov sistem okhlazhdeniya i obezvozhivaniya dlya khranilishch uglevodorodnogo goryuchego kosmodromov // Izvestiya VUZov. Mashinostroenie. 2012. Raboty studentov i molodykh uchenykh MGTU im. N.E. Baumana. Spets. vyp. S. 39-42.

10. Kobyzev S. V., Zolin A. V., Chugunkov V. V. Postroenie ratsional'noi skhemy podgotovki uglevodorodnogo goryuchego po temperature i vlagosoderzhaniyu s ispol'zovaniem zhidkogo i gazoobraznogo azota na startovom i tekhnicheskom kompleksakh kosmodroma. // Nauka i obrazovanie. MGTUim. N.E. Baumana. Elektronnyizhurn. 2012 №10. S.147-156. DOI: 10.7463/1012.0486647