Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 1-13

Моделирование процессов охлаждения и нагрева ракетного топлива во внутреннем пространстве емкостей наземных комплексов

Денисова К. И., Чугунков В. В.

Аннотация

Рассмотрена температурная подготовка ракетного топлива с использованием теплообменника, размещенного непосредственно в емкости наземного комплекса. Режим охлаждения топлива осуществляется подачей в теплообменник с антифризом жидкого азота, а режим нагрева - подачей нагретого воздуха. Представлены системы уравнений и результаты моделирования процессов температурной подготовки, а также оценки ее эффективности. Приведены результаты расчетов температур топлива в емкости и антифриза в теплообменнике, а также тепловых потоков и относительных затрат жидкого азота при охлаждении топлива в сравнении с другими технологиями охлаждения. DOI: 10.7463/aersp.0116.0834621
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. Комлев Д.Е., Соловьев В.И. Охлаждение нафтила методом криогенного барботажа // Новости техники: сб. М.: КБТМ, 2004. С.137-141.

3. 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

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

5. 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.

6. 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. Спец. вып. «Работы студентов и молодых ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана». С. 39-42.

7. 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. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. №10. С.147-156. DOI: 10.7463/1012.0486647

8. Денисов О.Е., Золин А.В., Денисова К.И. Методика проектирования базы хранения и подготовки высококипящих компонентов ракетного топлива космодрома «Восточный» // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. №11. С.378-398. DOI: 10.7463/1114.0732218.

9. 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. Машиностроение. 2012. Спец. вып. «Работы студентов и молодых ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана». С. 34-38.

10. 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. Электрон. журн. 2014. № 3. С. 145-161. DOI: 10.7463/0314.0699941.

11. 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. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журн. 2014. № 12. С. 136-150. DOI: 10.7463/0815.9328000.

12. Павлов С. К., Чугунков В. В. Сравнительный анализ математических моделей температурной подготовки компонентов жидкого ракетного топлива с использованием теплообменника и теплоносителя, охлаждаемого жидким азотом. // Молодежь и XXI век: материалы V Международной молодежной научной конференции: в 3-х томах. Отв. ред. А.А.Горохов. 2015. С. 191-195.

Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 1-13

Modeling of Rocket Fuel Heating and Cooling Processes in the Interior Receptacle Space of Ground-Based Systems

Denisova K. I., Chugunkov V. V.

Abstract

The propellant to fill the fuel tanks of the spacecraft, upper stages, and space rockets on technical and ground-based launch sites before fueling should be prepared to ensure many of its parameters, including temperature, in appropriate condition. Preparation of fuel temperature is arranged through heating and cooling the rocket propellants (RP) in the tanks of fueling equipment. Processes of RP temperature preparation are the most energy-intensive and timeconsuming ones, which require that a choice of sustainable technologies and modes of cooling (heating) RP provided by the ground-based equipment has been made through modeling of the RP [1] temperature preparation processes at the stage of design and operation of the groundbased fueling equipment.
The RP temperature preparation in the tanks of the ground-based systems can be provided through the heat-exchangers built-in the internal space and being external with respect to the tank in which antifreeze, air or liquid nitrogen may be used as the heat transfer media. The papers [1-12], which note a promising use of the liquid nitrogen to cool PR, present schematic diagrams and modeling systems for the RP temperature preparation in the fueling equipment of the ground-based systems.
We consider the RP temperature preparation using heat exchangers to be placed directly in RP tanks. Feeding the liquid nitrogen into heat exchanger with the antifreeze provides the cooling mode of PR while a heated air fed there does that of heating. The paper gives the systems of equations and results of modeling the processes of RP temperature preparation, and its estimated efficiency.
The systems of equations of cooling and heating RP are derived on the assumption that the heat exchange between the fuel and the antifreeze, as well as between the storage tank and the environment is quasi-stationary.
The paper presents calculation results of the fuel temperature in the tank, and coolant temperature in the heat exchanger, as well the heat flows and the relative amounts of the liquid nitrogen used to cool the fuel RG-1 as compared with other cooling technologies.
The RP temperature preparation process using a heat exchanger, placed directly in the tank of the filling system is applicable for any high-boiling RP and has some of the best performance characteristics.
Modeling the heating and cooling RP processes in the internal tanks of the ground-based systems using the numerical solution of the equations presented can be applied when calculating the RP temperature preparation processes with estimating their effectiveness and time of heating and cooling operations of RP.

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

3. 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

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

5. 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.

6. 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. Spets. vyp. «Raboty studentov i molodykh uchenykh MGTU im. N.E. Baumana». S. 39-42.

7. 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. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2012. №10. S.147-156. DOI: 10.7463/1012.0486647

8. Denisov O.E., Zolin A.V., Denisova K.I. Metodika proektirovaniya bazy khraneniya i podgotovki vysokokipyashchikh komponentov raketnogo topliva kosmodroma «Vostochnyi» // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. 2014. №11. S.378-398. DOI: 10.7463/1114.0732218.

9. 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. Mashinostroenie. 2012. Spets. vyp. «Raboty studentov i molodykh uchenykh MGTU im. N.E. Baumana». S. 34-38.

10. 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. Elektron. zhurn. 2014. № 3. S. 145-161. DOI: 10.7463/0314.0699941.

11. 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. MGTU im. N.E. Baumana. Elektronnyi zhurn. 2014. № 12. S. 136-150. DOI: 10.7463/0815.9328000.

12. Pavlov S. K., Chugunkov V. V. Sravnitel'nyi analiz matematicheskikh modelei temperaturnoi podgotovki komponentov zhidkogo raketnogo topliva s ispol'zovaniem teploobmennika i teplonositelya, okhlazhdaemogo zhidkim azotom. // Molodezh' i XXI vek: materialy V Mezhdunarodnoi molodezhnoi nauchnoi konferentsii: v 3-kh tomakh. Otv. red. A.A.Gorokhov. 2015. S. 191-195.