RU2467195C1

RU2467195C1 - Method for predicting deposit formation in power plants of multiple use on liquid hydrocarbon fuels and coolants

Info

Publication number: RU2467195C1
Application number: RU2011114503/06A
Authority: RU
Inventors: Константин Витальевич Алтунин (RU); Константин Витальевич Алтунин
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-11-20
Also published as: RU2011114503A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention refers to power industry, and namely to thermal measurements and measurements of flow rate of hydrocarbon fuels and heat carriers. Prediction method of deposit formation in power plants of multiple use on liquid hydrocarbon fuels and coolants consists in arrangement of several thermocouples on internal cooled metal surface with meshed profile in the form of cavities and measurement of temperature difference at the cavity bottoms and on the main surface of cooled wall in the controlled part of channel of power plant using calibration and experimental charts to determine the thickness of solid deposits at any moment of the power plant operation; according to the invention, in the controlled part of fuel feed (cooling) channel of the power plant there introduced and arranged is at least one flow metre of fuel velocity and consumption, number of cycles and operating time of the power plant; then, current parameters are measured and supplied to the calculation unit, and on the outside of the controlled fuel feed (cooling) channel there located are at least two thermocouples; at that, temperature of external wall is measured, and the relevant data is also supplied to the calculation unit, thus carrying out the calculation of internal wall temperature by heat conductivity formulae. The specified parameters of hydrocarbon fuels are entered to the calculation unit, all the entered specified and current data is processed, rate of deposit formation and thickness of hydrocarbon deposit is determined by the formulae considering heat and electric nature of deposit formation in liquid and hydrocarbon fuels and coolants; then, according to design thickness of hydrocarbon deposit layer and rate of deposit formation there made is a conclusion on degree of coked state of heated sections and approximate remaining time to partial or complete failure of fuel feed (cooling) channels the parameters of which are displayed on the information board of the information unit on the basis of operation of which the command unit supplies commands to the actuating unit to activate the deposit formation prevention system.

EFFECT: invention contributes to improvement of quality of preliminary prediction.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, в частности к тепловым измерениям и измерениям расхода углероводородных горючих и теплоносителей. Изобретение, в первую очередь, может быть использовано в наземных, аэрокосмических и космических энергоустановках многоразового использования (ЭУМИ) (например, в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД)) на жидких углеводородных горючих (УВГ) и охладителях (УВО).The invention relates to the field of energy, in particular to thermal measurements and flow measurements of hydrocarbon fuels and coolants. The invention, first of all, can be used in ground-based, aerospace and space power plants of reusable use (EUMI) (for example, in a liquid rocket engine (LRE)) on liquid hydrocarbon fuels (UVG) and coolers (SVR).

Известно, что осадкообразование (δ_ос) - это опасное явление, которое может привести к резкому снижению надежности, долговечности, ресурса и безопасности различных ЭУМИ на жидких УВГ и УВО [1-8]. Частичное закоксовывание форсунок приводит к частичной потере тяги, к нерасчетному струйному распылу горючего, к прогару жаровой трубы, к возникновению пожара и взрыва ЭУМИ и всего летательного аппарата (ЛА), космического летательного аппарата (КЛА) или техносистемы. Полное закоксовывание - к прекращению горения, к обнулению тяги, к образованию течи горючего, к возникновению пожара и взрыва. То же самое происходит в топливоподводящих и охлаждающих каналах. Слой твердого углеродистого осадка (например, в рубашке охлаждения ЖРД) может неожиданно и несанкционированно вызвать резкое и быстрое увеличение температуры греющей стенки с ее дальнейшим прогаром, возникновением пожара и взрыва. Осадкообразование является виновником быстрой коррозии деталей топливно-охлаждающей аппаратуры. Из-за осадкообразования значительно быстрее происходит забивка и выход из строя топливных фильтров. Кроме того, процесс осадкообразования способствует заеданию и заклиниванию подвижных деталей системы регулирования ЭУМИ и управления ЛА, КЛА, что приводит к неуправляемости, к разносу ЭУМИ и др. негативным последствиям как в земных, так и в космических условиях.It is known that sedimentation (δ _os ) is a dangerous phenomenon that can lead to a sharp decrease in the reliability, durability, life and safety of various EUMIs in liquid UVG and UVO [1-8]. Partial coking of the nozzles leads to a partial loss of traction, to an off-design jet spray of fuel, to burnout of the flame tube, to the occurrence of fire and explosion of the EUMI and the entire aircraft (A / C), spacecraft (KL) or a technosystem. Complete coking - to the cessation of burning, to zeroing traction, to the formation of a fuel leak, to the occurrence of a fire and explosion. The same thing happens in the fuel supply and cooling channels. A layer of solid carbonaceous sediment (for example, in a rocket engine cooling jacket) can unexpectedly and unauthorized cause a sharp and rapid increase in the temperature of the heating wall with its further burnout, fire and explosion. Sedimentation is responsible for the rapid corrosion of parts of fuel-cooling equipment. Due to sedimentation, clogging and failure of fuel filters occurs much faster. In addition, the process of sedimentation contributes to seizing and jamming of the moving parts of the EUMI control system and the control of the aircraft and the spacecraft, which leads to uncontrollability, to the spread of the EUMI and other negative consequences both in terrestrial and in space conditions.

В общем, осадкообразование зависит от многих факторов:In general, sedimentation depends on many factors:

где δ_ос - толщина слоя осадка, м; T_w - температура стенки канала, К; T_f - температура УВГ (УВО), К; р - давление в топливоподающей системе, МПа; W - скорость прокачки УВГ (УВО), м/с; М - материал стенки; П - присадки; К_шер - степень шероховатости поверхности; К_O2 - насыщенность кислородом; К_ин - насыщенность инертными газами; Х - вид УВГ (УВО); N - число циклов работы ЭУМИ; τ - время наработки, с; Г - геометрические характеристики внутренних узлов топливно-охлаждающих систем (расстояния между деталями, габариты выемок (лунок) и т.д.), м; Е - электростатические поля, В/м; ТААК - термоакустические автоколебания давления.where δ _OS - the thickness of the sediment layer, m; T _w is the temperature of the channel wall, K; T _f is the temperature of the UVG (SVR), K; p is the pressure in the fuel supply system, MPa; W is the pumping speed of UVG (SVR), m / s; M - wall material; P - additives; To _scher - the degree of surface roughness; K _O2 — oxygen saturation; To _in - saturation with inert gases; X - type of UVG (UVO); N is the number of cycles of EUMI; τ is the operating time, s; G - geometric characteristics of the internal nodes of the fuel-cooling systems (distance between parts, dimensions of the recesses (holes), etc.), m; E - electrostatic fields, V / m; TAAK - thermoacoustic pressure oscillations.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Способ обнаружения процесса осадкообразования в энергетических установках на углеводородных горючих и охладителях», патент РФ на изобретение №2194974, МПК G01N 25/72, G01K 7/02, авторы: Алтунин В.А., Дрегалин А.Ф., Гортышов А.Ю., Зарифуллин М.Е., Замалтдинов Ш.Я.-С., Янковская М.В., Ягофаров О.Х., Бюлл. №35 от 20.12.2002 г. [9], в котором по разности температур, измеряемых термопарами на греющей стенке и в углублениях искусственной шероховатости, например, в виде лунок, определяется наличие в них твердого углеродистого осадка, а также его толщина. Резкое циклическое уменьшение и рост разности температур являются сигналом на включение в работу систем очистки горючего или охладителя, находящихся далее по потоку.Closest to the technical nature of the present invention is the "Method for detecting the process of precipitation in power plants using hydrocarbon fuels and coolers", RF patent for the invention No. 2194974, IPC G01N 25/72, G01K 7/02, authors: Altunin V.A., Dregalin A.F., Gortyshov A.Yu., Zarifullin M.E., Zamaltdinov Sh.Ya.-S., Yankovskaya M.V., Yagofarov O.Kh., Bull. No. 35 dated December 20, 2002 [9], in which the presence of a solid carbon deposit, as well as its thickness, is determined by the temperature difference measured by thermocouples on the heating wall and in the cavities of artificial roughness, for example, in the form of holes. A sharp cyclical decrease and increase in the temperature difference are a signal to include in the operation of the fuel cleaning system or cooler, located downstream.

Данный способ основан на разностях температур на дне лунок T₁, Т₃ и на основной поверхности Т₂, Т₄ (фиг.1).This method is based on temperature differences at the bottom of the wells T ₁ , T ₃ and on the main surface of T ₂ , T ₄ (figure 1).

В данном способе обнаружения осадкообразования [9] предусмотрено размещение нескольких термопар на внутренней охлаждаемой металлической поверхности топливно-охлаждающего канала с ячеистым профилем в виде лунок. По результатам измерения разности температур, измеряемых на дне лунок и на основной поверхности охлаждаемой стенки, и по тарировочно-экспериментальным графикам определяют толщину твердых отложений в любой момент времени работы ЭУМИ. Однако этот способ имеет существенные недостатки: 1) необходимость установки термопар внутри топливно-подающего или охлаждающего канала, что весьма трудно осуществить; 2) осадкообразование будет происходить и на самих датчиках контроля за температурой, что значительно затруднит точное измерение разности температур; 3) невозможность применения способа в труднодоступных частях топливной аппаратуры ЭУМИ, например в канале распылителя струйной форсунки воздушно-реактивного двигателя (ВРД), диаметр которого меньше 1 мм [10]; 4) ограниченные ресурс и надежность из-за возможного выхода из строя всей системы обнаружения осадкообразования; 5) трудности, связанные с ремонтом, установкой новых термопар внутри топливных каналов ЭУМИ и др.This method of detecting sedimentation [9] provides for the placement of several thermocouples on the internal cooled metal surface of the fuel-cooling channel with a mesh profile in the form of holes. According to the results of measuring the temperature difference, measured at the bottom of the wells and on the main surface of the cooled wall, and from calibration and experimental graphs, the thickness of the solid deposits at any time of the EUMI operation is determined. However, this method has significant disadvantages: 1) the need to install thermocouples inside the fuel supply or cooling channel, which is very difficult to implement; 2) precipitation will occur on the temperature control sensors themselves, which will significantly complicate the accurate measurement of the temperature difference; 3) the impossibility of using the method in hard-to-reach parts of the EUMI fuel equipment, for example, in the channel of a spray nozzle of an air-jet engine (WFD) nozzle, the diameter of which is less than 1 mm [10]; 4) limited resource and reliability due to the possible failure of the entire sedimentation detection system; 5) difficulties associated with the repair, installation of new thermocouples inside the fuel channels of the EUMI, etc.

Решаемой задачей предлагаемого изобретения является повышение качества предварительного прогнозирования путем определения скорости осадкообразования и текущей толщины слоя осадка на стенках топливно-подающих и охлаждающих каналов ЭУМИ на жидких УВГ и УВО, позволяющего повысить эффективность прогнозирования.The solved problem of the invention is to improve the quality of preliminary forecasting by determining the rate of sedimentation and the current thickness of the sediment layer on the walls of the fuel-supplying and cooling channels of the EUMI on liquid UVG and UVO, which allows to increase the effectiveness of forecasting.

Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует одному из критериев условия патентоспособности: «новизна».The analysis of the prior art cited by the applicant made it possible to establish that there are no analogs characterized by sets of features identical to all the features of the claimed technical solution. Therefore, the claimed technical solution meets one of the criteria for the condition of patentability: "novelty."

Технический результат достигается тем, что в способе прогнозирования осадкообразования в энергоустановках многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях, заключающемся в размещении нескольких термопар на внутренней охлаждаемой металлической поверхности с ячеистым профилем в виде лунок и измерении разности температур на дне лунок и на основной поверхности охлаждаемой стенки в контролируемой части канала энергетической установки с применением тарировочно-экспериментальных графиков для определения толщины твердых отложений в любой момент времени работы энергетической установки, в контролируемой части топливно-подающего (охлаждающего) канала энергетической установки вводят и размещают, по крайней мере, один расходомер измерения скорости и расхода топлива, числа циклов и времени работы энергоустановки, далее замеряют текущие параметры и подают их в вычислительный блок, а на наружной части контролируемого топливно-подающего (охлаждающего) канала располагают не менее двух термопар, при этом измеряют температуру наружной стенки, информацию о которой подают также в вычислительный блок, производя по формулам теплопроводности расчет температуры внутренней стенки, причем в вычислительный блок вводят заданные параметры углеводородных горючих, обрабатывая все поступившие заданные и текущие данные, определяют скорость осадкообразования и толщину углеродистого осадка по формулам, учитывающим тепловую и электрическую природу осадкообразования в жидких углеводородных горючих и охладителях, затем по расчетной толщине слоя углеродистого осадка и скорости осадкообразования судят о степени закоксованности нагретых участков и приблизительном остаточном времени до частичного или полного выхода из строя топливно-подающих (охлаждающих) каналов, параметры которых выводят на информационное табло информационного блока, на основе работы которого командный блок выдает команды на исполнительный блок для включения системы безопасности по борьбе с осадкообразованием.The technical result is achieved in that in a method for predicting precipitation in refillable power plants on liquid hydrocarbon fuels and coolers, which consists in placing several thermocouples on an internal cooled metal surface with a honeycomb profile in the form of holes and measuring the temperature difference at the bottom of the holes and on the main surface of the cooled wall in the controlled part of the channel of the power plant using calibration and experimental graphs to determine the thickness Ino solid deposits at any time of the power plant’s operation, at least one flow meter measuring the speed and fuel consumption, the number of cycles and operating time of the power plant is introduced and placed in the controlled part of the fuel supply (cooling) channel of the power plant, then the current parameters are measured and feed them into the computing unit, and at least two thermocouples are placed on the outer part of the controlled fuel supply (cooling) channel, while the temperature of the outer wall is measured, inform A section about which is also fed to the computing unit, calculating the temperature of the inner wall using the heat conduction formulas, and the specified parameters of hydrocarbon fuels are introduced into the computing unit, processing all the incoming specified and current data, and the precipitation rate and thickness of the carbon precipitate are determined using formulas that take into account thermal and electrical the nature of sedimentation in liquid hydrocarbon fuels and coolers, then according to the estimated thickness of the carbon deposit layer and sedimentation rate judge the degree of coking of the heated sections and the approximate residual time until the fuel supply (cooling) channels partially or completely fail, the parameters of which are displayed on the information panel of the information block, on the basis of which the command block gives commands to the executive block to turn on the security system fight against sedimentation.

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками из заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата.The search results for known solutions in the art in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the features of the claimed technical solution have shown that they do not follow explicitly from the prior art. From the prior art determined by the applicant, the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed technical solution on the achievement of the specified technical result has not been revealed.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует одному из критериев условия патентоспособности: «изобретательский уровень».Therefore, the claimed technical solution meets one of the criteria for the conditions of patentability: "inventive step".

Необходимо отметить, что в 1972 г. отечественным ученым Г.Ф.Большаковым впервые была выдвинута идея электрической природы осадкообразования, а также объяснены многие физико-химические основы этого процесса. Однако до сих пор не существует единой теории осадкообразования термоэлектрической природы. Процесс осадкообразования, согласно гипотезе академика Г.Ф.Большакова [3], носит электрический характер: при температуре 313 К в жидких УВГ и УВО появляются заряженные частички (жидкость становится электропроводной), а при нагреве до 373 К и более появляются диполи, которые притягиваются к противоположным зарядам на микронеровностях любой (даже полированной) поверхности (согласно теории Шоттки и Френкеля) и способствуют началу осадкообразования, что подтверждено экспериментально и всесторонне [4]. Автором [6] предложена теория роста осадка на основе метода математической гипотезы и впервые выдвинута идея идеального осадкообразования в ЭУМИ на УВГ (УВО). Идеальное осадкообразование не зависит от многих вышеперечисленных факторов, включая шероховатость поверхности, скорость прокачки УВГ, степень гравитации, геометрию канала и т.д. Главными же факторами, от которых зависит идеальное осадкообразование, являются температура стенки канала и время эксплуатации ЭУМИ. Наличие фактора времени необходимо, т.к. способствует нахождению скорости осадкообразования. Таким образом, формула идеального осадкообразования приобретает следующий вид:It should be noted that in 1972, the domestic scientist G.F. Bolshakov first put forward the idea of the electrical nature of sedimentation, and also explained many of the physicochemical foundations of this process. However, there is still no unified theory of sedimentation of thermoelectric nature. According to the hypothesis of academician G. F. Bolshakov [3], the process of precipitation is electric in nature: at a temperature of 313 K, charged particles appear in liquid UVG and SVR (the liquid becomes electrically conductive), and when heated to 373 K or more, dipoles appear which are attracted to opposite charges on the microroughnesses of any (even polished) surface (according to the Schottky and Frenkel theory) and contribute to the onset of precipitation, which is confirmed experimentally and comprehensively [4]. The author of [6] proposed a theory of sludge growth based on the method of the mathematical hypothesis and for the first time put forward the idea of ideal sedimentation in EUMI at the UVG (SVR). Ideal sedimentation does not depend on many of the above factors, including surface roughness, UVG pumping rate, degree of gravity, channel geometry, etc. The main factors on which ideal precipitation depends are the temperature of the channel wall and the operating time of the EUMI. The presence of a time factor is necessary, because helps to find the sedimentation rate. Thus, the ideal precipitation formula takes the following form:

где δ_ос - толщина слоя осадка, м; k - коэффициент,

; τ - время, с; T_w - температура стенки, К.where δ _OS - the thickness of the sediment layer, m; k is the coefficient

; τ is the time, s; T _w - wall temperature, K.

Зная толщину слоя осадка, который образуется через определенное время, можно найти скорость этого процесса:Knowing the thickness of the sediment layer, which is formed after a certain time, you can find the speed of this process:

Выдвинута гипотеза [6] о прямой зависимости скорости роста осадка от электрических свойств материала стенки: чем меньше удельное электрическое сопротивление материала стенки, тем интенсивнее происходит осадкообразование. В частности, эта гипотеза подтверждается фактом существования металлов-катализаторов (Cu, Fe и др.) осадкообразования, которые обладают низкими значениями удельных электрических сопротивлений и способствуют увеличению скорости осадкообразования. Также в ходе экспериментов установлено, что некоторые неметаллические материалы (керамические материалы, пластмассы и т.п.) с большими удельными электрическими сопротивлениями практически не влияют на осадкообразование на стенках топливно-охлаждающих каналов ЭУМИ. Поясняя формулу (2), необходимо отметить, что на основании вышеупомянутой гипотезы раскрыта природа коэффициента k:A hypothesis was put forward [6] about the direct dependence of the sediment growth rate on the electrical properties of the wall material: the lower the electrical resistivity of the wall material, the more intense the formation of sediment. In particular, this hypothesis is confirmed by the fact of the existence of precipitation metal catalysts (Cu, Fe, etc.), which have low values of specific electrical resistances and contribute to an increase in the rate of precipitation. It was also established during the experiments that some non-metallic materials (ceramic materials, plastics, etc.) with large specific electrical resistances practically do not affect the sedimentation on the walls of the fuel-cooling channels of the EUMI. Explaining formula (2), it should be noted that, based on the above hypothesis, the nature of the coefficient k is revealed:

где k - коэффициент,

; К_ос - эмпирическая константа, которая характеризует условия режима,

; ρ_max - максимальное значение удельного электрического сопротивления конечного слоя осадка, Ом·м; ρ_тек - текущее значение удельного электрического сопротивления слоя осадка, Ом·м.where k is the coefficient

; K _wasp is an empirical constant that characterizes the conditions of the regime,

; ρ _max - the maximum value of the electrical resistivity of the final layer of sediment, Ohm · m; ρ _tech - the current value of the electrical resistivity of the sediment layer, Ohm · m.

Разработана методика отыскания К_ос, состоящая в первоначальной подстановке в формулы (2) и (5) значений δ_ос, ρ_max, τ, T_w, взятых из эксперимента, включая значение ρ_тек=ρ_w, равное удельному электрическому сопротивлению стенки без осадка (т.е. в данном случае удельным электрическим сопротивлением первоначального минимального слоя осадка можно пренебречь из-за его малой величины в самом начале эксплуатации ЭУМИ):The technique of finding the K _axes, consisting in initial permutation in the formula (2) and (5) δ _axes _{_{values, ρ max, τ, T w}} , taken from the experiment, including the value of ρ _tech = ρ _w, equal to the electrical resistivity without sediment wall (i.e., in this case, the electrical resistivity of the initial minimum sediment layer can be neglected due to its small value at the very beginning of the operation of the EUMI):

где

- эмпирическая константа, которая характеризует условия i-го режима,

;

- первоначальная толщина слоя осадка на металлической стенке топливно-охлаждающего канала, м; ρ_max - максимальное значение удельного электрического сопротивления конечного слоя осадка, Ом·м; ρ_w - значение удельного электрического сопротивления материала стенки топливно-охлаждающего канала без осадка, Ом·м; τ₁ - время образования первоначального слоя осадка, с; T_w1 - температура стенки топливно-охлаждающего канала, при которой образовался первоначальный слой осадка, К.Where

is an empirical constant that characterizes the conditions of the i-th mode,

;

- the initial thickness of the sediment layer on the metal wall of the fuel-cooling channel, m; ρ _max - the maximum value of the electrical resistivity of the final layer of sediment, Ohm · m; ρ _w is the value of the electrical resistivity of the material of the wall of the fuel-cooling channel without sediment, Ohm · m; τ ₁ - the time of formation of the initial sediment layer, s; T _w1 - wall temperature of the fuel-cooling channel at which the initial sediment layer was formed, K.

Создана обобщенная формула осадкообразования для n режимов эксплуатации ЭУМИ (в данном случае режимом следует считать новое состояние, отличное от предыдущего по одному из физических факторов за исключением времени и температуры):A generalized sedimentation formula has been created for n operating modes of EUMI (in this case, the mode should be considered a new state that is different from the previous one due to one of the physical factors except for time and temperature):

где

- толщина i-го слоя осадка, м;

; ρ_max - максимальное значение удельного электрического сопротивления конечного слоя осадка, Ом·м; ρ_i-1 - значение удельного электрического сопротивления предыдущего слоя осадка, Ом·м; τ_i - время наработки i-го режима, с; Т_wi - температура стенки при i-м режиме, К.Where

- thickness of the ith sediment layer, m;

is an empirical constant that characterizes the conditions of the i-th mode,

; ρ _max - the maximum value of the electrical resistivity of the final layer of sediment, Ohm · m; ρ _i-1 - the value of the electrical resistivity of the previous layer of sediment, Ohm · m; τ _i is the operating time of the i-th mode, s; T _wi - wall temperature at the i-th mode, K.

Формула (7) позволяет найти скорость осадкообразования через несколько циклов эксплуатации ЭУМИ на УВГ (УВО), которые включают в себя n режимов:Formula (7) allows you to find the rate of sedimentation after several cycles of operation of EUMI at UVG (SVR), which include n modes:

Таким образом, скорость осадкообразования на металлической поверхности топливно-охлаждающего канала с УВГ (УВО) напрямую зависит от температуры, числа режимов (циклов) эксплуатации ЭУМИ.Thus, the rate of sedimentation on the metal surface of the fuel-cooling channel with UVG (SVR) is directly dependent on temperature, the number of operating modes (cycles) of EUMI.

Однако формулы (7) и (8) содержат разности удельных электрических сопротивлений, нахождение которых для каждого режима является трудной задачей. Все значения ρ для чистых металлических поверхностей каналов с дальнейшим учетом нарастающего слоя твердого углеродистого осадка сведены в специальные таблицы, на основании которых можно создать базу данных для наземных и бортовых электронно-вычислительных систем. На фиг.2 показан один из вариантов изменения значений ρ при увеличении слоя твердого осадка. В связи с тем что значения ρ связаны с очень большим разбросом значений, предлагается использовать натуральный логарифм: ln ρ (фиг.2). Для облегчения расчетов предлагается использовать средние значения разности удельных электрических сопротивлений, которые можно вынести за знак суммы в формулах (7), (8):However, formulas (7) and (8) contain differences in specific electrical resistances, the finding of which for each mode is a difficult task. All ρ values for clean metal channel surfaces with further consideration of the growing layer of solid carbon sediment are summarized in special tables, on the basis of which you can create a database for ground and airborne electronic computing systems. Figure 2 shows one of the variations in the values of ρ with increasing layer of solid sediment. Due to the fact that the ρ values are associated with a very large scatter of values, it is proposed to use the natural logarithm: ln ρ (Fig. 2). To facilitate the calculations, it is proposed to use the average values of the difference of specific electrical resistances, which can be taken out of the sum sign in formulas (7), (8):

С целью эффективного прогнозирования осадкообразования необходимо экспериментально найти эмпирические константы, характеризующие условия каждого режима:In order to effectively predict precipitation, it is necessary to experimentally find empirical constants characterizing the conditions of each regime:

Несмотря на то что К_ос становится зависимым от различных факторов (11), этот коэффициент остается частично идеализированным. Например, не представляется возможным рассчитать δ_ос и найти точные значения К_ос в условиях возникновения и существования ТААК давления, которые способствуют цикличному удалению твердого углеродистого осадка с поверхности топливно-охлаждающего канала ЭУМИ с дальнейшим его повторным (цикличным) ростом [4]. Перед проектированием и созданием топливно-охлаждающих каналов ЭУМИ необходимо проводить проверку возможности существования ТААК давления. Если такая возможность реальна, то необходимо создавать новую и усложненную методику расчета осадкообразования. Но если в конструктивных схемах будут предусмотрены способы борьбы и уничтожения ТААК давления, то расчет скорости осадкообразования можно вести по упрощенным формулам (2)-(10).Despite the fact that K _OS becomes dependent on various factors (11), this coefficient remains partially idealized. For example, it is not possible to calculate δ _axes, and to find the exact values of K _oc under conditions of occurrence and existence taak pressure that contribute cyclical removal of solid carbonaceous sludge from the surface of the fuel and the cooling channel EUMI with its further repeated (cyclic) increase [4]. Before designing and creating fuel-cooling channels of the EUMI, it is necessary to check the possibility of the existence of TAAC pressure. If this possibility is real, then it is necessary to create a new and complicated methodology for calculating precipitation. But if the design schemes will provide methods for controlling and destroying TAAC pressure, then the sedimentation rate can be calculated using simplified formulas (2) - (10).

Экспериментально установлено, что электростатические поля способствуют предотвращению осадкообразования [7, 8]. Если в конструкции топливно-охлаждающего канала не применяются электростатические поля (Е), то расчет осадкообразования также можно вести по упрощенным формулам (2)-(10).It has been experimentally established that electrostatic fields contribute to the prevention of precipitation [7, 8]. If electrostatic fields (E) are not used in the design of the fuel-cooling channel, sedimentation can also be calculated using simplified formulas (2) - (10).

Созданная методика нахождения К_ос является доступной, т.к. в формуле (6) отсутствуют значения р, W, X, М и др. Данные физические параметры уже заложены в К_ос, влияя на толщину слоя осадка через определенное время и при соответствующей температуре. Таким образом, открывается возможность создания базы данных (таблиц, графиков, программ) всех рабочих режимов топливной системы ЭУМИ, содержащих множество эмпирических коэффициентов режима К_ос. Проведенные теоретические расчеты по формуле (7) показали относительную погрешность в сравнении с экспериментальными данными не более 20%.The created technique for finding K _wasps is affordable, because in the formula (6) there are no values of p, W, X, M, etc. These physical parameters are already embedded in K _OS , affecting the thickness of the sediment layer after a certain time and at the corresponding temperature. Thus, it opens the possibility of creating a database (tables, graphs, programs) of all operating modes of the EUMI fuel system, containing many empirical coefficients of the mode K _OS . Theoretical calculations performed by formula (7) showed a relative error of not more than 20% in comparison with experimental data.

Таким образом, используя полученные формулы (2)-(11), можно спрогнозировать рост углеродистых отложений, а также найти скорость этого процесса.Thus, using the obtained formulas (2) - (11), it is possible to predict the growth of carbon deposits, as well as to find the speed of this process.

На фиг.2 показана зависимость удельного электрического сопротивления от толщины слоя осадка при одной определенной температуре нагретой стенки T_w. Как видно из фиг.2, процесс осадкообразования термоэлектрической природы прекратится при достижении максимального удельного электрического сопротивления слоя осадка, соответствующего диэлектрическим материалам.Figure 2 shows the dependence of the electrical resistivity on the thickness of the sediment layer at one specific temperature of the heated wall T _w . As can be seen from figure 2, the process of sedimentation of thermoelectric nature will stop when the maximum electrical resistivity of the layer of sediment corresponding to dielectric materials is reached.

Для пояснения технической сущности рассмотрим фиг.1, 2, 3, 4.To clarify the technical nature of the consider figure 1, 2, 3, 4.

На фиг.1 показана схема, поясняющая способ обнаружения процесса осадкообразования по прототипу.Figure 1 shows a diagram explaining a method for detecting a precipitation process according to the prototype.

На фиг.2 показан график зависимости удельного электрического сопротивления слоя осадка от его толщины.Figure 2 shows a graph of the specific electrical resistance of the sediment layer on its thickness.

На фиг.3 приведен общий вид блок-схемы.Figure 3 shows a General view of the block diagram.

На фиг.4 показан алгоритм работы блок-схемы для осуществления прогнозирования осадкообразования, где:Figure 4 shows the algorithm of the flowchart for predicting precipitation, where:

1 - топливно-подающий или охлаждающий канал; 2 - расходомер ротационного типа измерения скорости и расхода топлива; 3, 4 - термопары; 5 - блок контроля за расходом УВГ (УВО) G, скоростью прокачки УВГ (УВО) W, временем наработки τ, числом циклов N работы ЭУМИ; 6 - блок контроля за температурой наружной стенки T_w конкретного участка топливно-подающей (охлаждающей) системы [11]; конструктивно блок 5 может содержать несколько расходомеров, а блок 6 - несколько участков с термопарами; 7 - входной блок; 8 - вычислительный блок; 9 - информационный блок (информационное табло); 10 - командный блок; 11 - исполнительный блок.1 - fuel supply or cooling channel; 2 - rotary flow meter for measuring speed and fuel consumption; 3, 4 - thermocouples; 5 is a control unit for the flow rate of the OGG (SVR) G, the pumping speed of the UVG (SVR) W, the operating time τ, the number of cycles N of the operation of the EUMI; 6 - control unit for the temperature of the outer wall T _{w of a} particular section of the fuel supply (cooling) system [11]; structurally block 5 may contain several flowmeters, and block 6 - several sections with thermocouples; 7 - input unit; 8 - computing unit; 9 - information block (information board); 10 - command unit; 11 - Executive unit.

Рассмотрим работу предлагаемых систем в статике (перед запуском и работой ЭУМИ). Перед включением в работу ЭУМИ необходимо:Consider the work of the proposed systems in statics (before starting and running EUMI). Before turning on the EUMI, you must:

1) проверить исправность всех датчиков контроля, блоков и систем (фиг.3, 4);1) check the health of all control sensors, units and systems (Figs. 3, 4);

2) ввести во входной блок 7 (фиг.4) необходимые данные: Х - вид заправляемого УВГ (УВО) с фиксированными параметрами (класс чистоты, химический состав, процентное содержание различных примесей и т.п.), П - отсутствие или наличие присадок, Г - сведения о геометрии участка топливно-подающего (охлаждающего) канала, М - сведения о материале стенки канала, К_шер - степень шероховатости участка,

- степень насыщенности кислородом, К_ин - степень насыщенности инертными газами; 2) enter the necessary data into the input unit 7 (Fig. 4): X - type of refueling UVG (SVR) with fixed parameters (purity class, chemical composition, percentage of various impurities, etc.), P - absence or presence of additives , G - information about the geometry of the fuel-supplying (cooling) channel section, M - information about the channel wall material, K _sher - the degree of roughness of the section,

- the degree of saturation with oxygen, K _in - the degree of saturation with inert gases;

3) ввести в наземные и бортовые электронно-вычислительные системы (в вычислительный блок 8, фиг.4) базу экспериментальных данных о коэффициентах всех режимов К_ос, включая известные зависимости ρ от δ_ос (фиг.2).3) introduce into the ground and on-board electronic computing systems (in computing unit 8, FIG. 4) a database of experimental data on the coefficients of all modes of K _OS , including the known dependences of ρ on δ _OS (FIG. 2).

Рассмотрим работу предлагаемых систем в динамике (при работе ЭУМИ):Consider the work of the proposed systems in dynamics (during EUMI):

1) при включении в работу ЭУМИ под давлением подают жидкое УВГ (УВО) в топливно-подающие и охлаждающие каналы, например в канал 1 (фиг.3);1) when you turn on the EUMI under pressure, a liquid UVG (SVR) is supplied to the fuel supply and cooling channels, for example, to channel 1 (Fig. 3);

2) расход G, скорость прокачки УВГ (УВО) W, время работы τ, число циклов ЭУМИ N фиксируют расходомером 2 и блоком контроля за расходом 5 (фиг.3);2) the flow rate G, the pumping speed of the UVG (SVR) W, the operating time τ, the number of EUMI cycles N are fixed by the flowmeter 2 and the flow control unit 5 (Fig. 3);

3) замер давления УВГ (УВО) осуществляют датчиками, расположенными перед блоком 5 (фиг.3) - на фиг.3 не показаны;3) the pressure measurement UVG (UVO) is carried out by sensors located in front of block 5 (Fig.3) - not shown in Fig.3;

4) термопарами 3, 4 блока контроля 6 (фиг.3, 4) производят замер температуры нагрева наружной стенки T_w топливно-подающего (охлаждающего) канала 1;4) thermocouples 3, 4 of the control unit 6 (Figs. 3, 4) measure the temperature of the heating of the outer wall T _{w of the} fuel supply (cooling) channel 1;

5) оперативные данные из блока 5 (фиг.4), а также введенные ранее данные из блока 7 поступают в вычислительный блок 8; оперативные данные из блока 6 (фиг.4), поступают в вычислительный блок 8;5) operational data from block 5 (figure 4), as well as previously entered data from block 7 enter the computing unit 8; operational data from block 6 (figure 4), enter the computing unit 8;

6) работа вычислительного блока заключается в обработке поступивших данных из блоков 7, 5, 6 (фиг.4) и расчете (прогнозировании) толщины слоя осадка и скорости осадкообразования; по формулам теплопроводности [12] и оперативным данным по температуре Т₁, Т₂ (фиг.3) от термопар из блока контроля 6 (фиг.4) происходит вычисление температуры на внутренней стенке канала, которая используется при расчете толщины слоя осадка по формуле (7) или (9) и скорости осадкообразования по формуле (8) или (10); данные по давлению р в топливно-охлаждающем (подающем) канале поступают от соответствующих датчиков давления, расположенных в начале топливной системы (на фиг.3 не показаны); в вычислительном блоке 8 происходит оперативный расчет давления на конкретном участке топливно-подающей (охлаждающей) системы (например, на участке, входящем в блок 6, фиг.3) на основе данных о давлении в начале топливно-подающего (охлаждающего) канала 1, геометрии Г участка канала без осадка, путевых и местных потерях давления, уменьшении проходного сечения канала по причине роста слоя твердого углеродистого осадка (на основе уравнения Бернулли);6) the work of the computing unit consists in processing the received data from blocks 7, 5, 6 (Fig. 4) and calculating (predicting) the thickness of the sediment layer and the rate of precipitation; according to the thermal conductivity formulas [12] and operational data on the temperature T ₁ , T ₂ (figure 3) from thermocouples from the control unit 6 (figure 4), the temperature on the inner wall of the channel is calculated, which is used to calculate the thickness of the sediment layer by the formula ( 7) or (9) and sedimentation rate according to the formula (8) or (10); data on the pressure p in the fuel-cooling (supply) channel comes from the corresponding pressure sensors located at the beginning of the fuel system (not shown in Fig. 3); in the computing unit 8, the pressure is calculated promptly on a specific section of the fuel supply (cooling) system (for example, on a section included in block 6, Fig. 3) based on pressure data at the beginning of the fuel supply (cooling) channel 1, geometry G of the channel section without sediment, track and local pressure loss, decrease in the channel cross section due to the growth of a layer of solid carbon sediment (based on the Bernoulli equation);

7) вычислительный блок 8 производит текущий расчет толщины слоя углеродистых отложений δ_ос на контролируемом нагретом участке канала (например, на участке в области блока 6, фиг.3), а также (при необходимости) расчет скорости осадкообразования Wос; вычислительный блок 8 осуществляет эффективное прогнозирование осадкообразования, степени закоксованности нагретых участков топливной системы, приблизительного остаточного времени до частичного или полного выхода из строя топливно-подающих (охлаждающих) каналов;7) the computing unit 8 performs the current calculation of the thickness of the layer of carbon deposits δ _os in a controlled heated section of the channel (for example, in the area in the area of block 6, Fig. 3), as well as (if necessary) calculating the sedimentation rate Wos; the computing unit 8 effectively predicts sedimentation, the degree of coking of heated sections of the fuel system, the approximate residual time to partial or complete failure of the fuel supply (cooling) channels;

8) в информационный блок 9 (фиг.4) поступает вся необходимая информация из вычислительного блока 8; информационный блок 9 содержит информационное табло с выводом информации о степени закоксованности всех контролируемых участков топливно-охлаждающей (подающей) системы ЭУМИ, о приблизительном остаточном времени до частичного или полного закоксовывания выделенного нагретого участка топливно-охлаждающего (подающего) канала;8) in the information block 9 (figure 4) receives all the necessary information from the computing block 8; information block 9 contains an information board with the output of information on the degree of coking of all the controlled sections of the fuel-cooling (supply) EUMI system, on the approximate remaining time until partial or complete coking of the allocated heated section of the fuel-cooling (supply) channel;

9) командный блок 10 (на основе работы информационного блока 9) выдает необходимые команды на исполнительный блок 11 для включения различных средств и способов борьбы с осадкообразованием (например, смена закоксованных каналов, фильтров и форсунок на резервные; механическая очистка; создание режима ТААК давления; включение в работу электростатических полей и др. [4, 7]); работа командного блока 10 может осуществляться в автоматическом и ручном режимах (наземным оператором, летчиком, космонавтом).9) the command unit 10 (based on the operation of the information block 9) issues the necessary commands to the executive block 11 to turn on various means and methods of combating precipitation (for example, changing coked channels, filters and nozzles to backup ones; mechanical cleaning; creating a TAAC pressure mode; the inclusion of electrostatic fields, etc. [4, 7]); the operation of the command unit 10 can be carried out in automatic and manual modes (ground operator, pilot, astronaut).

По сравнению с известными аналогами заявляемый способ прогнозирования осадкообразования позволяет произвести впервые:Compared with known analogues of the claimed method for predicting precipitation allows for the first time:

1) одновременное использование датчиков контроля расхода жидкого УВГ (УВО) и датчиков контроля температуры внутренней стенки канала при помощи термопар, установленных снаружи контролируемого топливно-подающего (охлаждающего) канала, с целью эффективного прогнозирования осадкообразования в любой момент работы ЭУМИ на жидких УВГ и УВО;1) the simultaneous use of sensors for monitoring the flow rate of liquid UVG (SVR) and sensors for monitoring the temperature of the inner wall of the channel using thermocouples installed outside the controlled fuel-supply (cooling) channel, with the aim of effectively predicting sedimentation at any time during the operation of EUMI on liquid UVG and SVR;

2) применение впервые формул расчета толщины твердого углеродистого осадка и скорости этого процесса, учитывающих тепловую и электрическую природу осадкообразования в ЭУМИ на жидких УВГ и УВО;2) the application for the first time of formulas for calculating the thickness of a solid carbon deposit and the rate of this process, taking into account the thermal and electric nature of precipitation in EUMI on liquid UVG and UVO;

3) возможность более точного прогнозирования толщины осадка и скорости осадкообразования в ответственных, труднодоступных и нагретых участках каналов во время работы ЭУМИ на жидких УВГ и УВО.3) the possibility of more accurate prediction of sediment thickness and sedimentation rate in critical, inaccessible and heated sections of the channels during EUMI operation on liquid UVG and UVO.

В результате всего вышесказанного данное изобретение позволяет заранее спрогнозировать негативный процесс осадкообразования, а также время до аварийной ситуации или полного выхода из строя топливной системы ЭУМИ, что значительно повышает эффективность, надежность и безопасность эксплуатации ЭУМИ, а также снижает риск непредвиденного выхода из строя ЭУМИ.As a result of the foregoing, this invention allows to predict in advance the negative process of sedimentation, as well as the time before an emergency or complete failure of the EUMI fuel system, which significantly increases the efficiency, reliability and safety of operation of the EUMI, and also reduces the risk of unforeseen failure of the EUMI.

Claims

A method for predicting precipitation in refillable power plants on liquid hydrocarbon fuels and coolers, which consists in placing several thermocouples on an internal cooled metal surface with a mesh profile in the form of holes and measuring the temperature difference at the bottom of the holes and on the main surface of the cooled wall in the controlled part of the channel of the power plant with the use of calibration and experimental graphs to determine the thickness of solid deposits at any time Works of a power plant, characterized in that at least one flow meter for measuring the speed and fuel consumption, the number of cycles and operating time of the power plant is introduced and placed in the controlled part of the fuel supply (cooling) channel of the power plant, then the current parameters are measured and fed at least two thermocouples are placed in the computing unit, and on the outer part of the controlled fuel supply (cooling) channel, the temperature of the outer wall is measured, the information about which is supplied as but in the computing unit, calculating the temperature of the inner wall using the thermal conductivity formulas, moreover, the predetermined parameters of hydrocarbon fuels are introduced into the computing unit, processing all the incoming specified and current data, the sedimentation rate and the thickness of the carbon precipitate are determined using formulas that take into account the thermal and electrical nature of sedimentation in liquid and carbon-hydrogen fuels and coolers, then the degree of s is judged by the calculated thickness of the carbon deposit layer and sedimentation rate coking of heated areas and the approximate residual time until the fuel supply (cooling) channels partially or completely fail, the parameters of which are displayed on the information panel of the information block, based on which the command block gives commands to the executive block to turn on the anti-precipitation safety system .