Течение криогенных жидкостей

Транспортирование небольшого количества криогенных жидкостей (криожидкостей, криопродуктов) по коротким трубопроводам в течение многих лет использовалось в лабораторной практике. С развитием криогенной технологии, в нашем случае – с развитием космических программ, потребовались системы трубопроводов для передачи криожидкостей (азот, кислород, водород) на большие расстояния и по сложным трубопроводным системам. В этой связи возникли новые технические задачи, в том числе и по захолаживанию теплых трубопроводов расходом криогенной жидкости.

Выходу параметров криогенных продуктов на требуемый расход и температурный уровень (на расчетный стационарный режим) предшествует период охлаждения трубопровода (период захолаживания). Охлаждение может осуществляться как жидкостью, так и паром (газом). Обычно в целях сокращения продолжительности процесса и упрощения технологии захолаживание производится непосредственной подачей в трубопроводную систему криопродукта.

Начальная стадия этого технологического процесса характеризуется интенсивной генерацией пара. Парообразование обусловлено тем, что первоначальная температура стенок трубы, близкая к температуре окружающей среды, значительно превышает не только температуру насыщения Т_S, но и верхнюю границу существования криогенных продуктов в жидком виде, т.е. так называемую температуру предельного перегрева Т_ПП. Следовательно, пока стенки трубопровода имеют достаточно высокую температуру, криогенные продукты физически не могут существовать в пристенной области в жидкой фазе. Она мгновенно переходит в пар. Таким образом, при подаче криогенных жидкостей в теплые магистрали жидкость от стенок трубы отделяется паровой пленкой, т.е. реализуется пленочное кипение. С понижением температуры стенок ниже температуры предельного перегрева Т_ПП создаются условия для смены вида кипения: от пленочного к пузырьковому через переходные виды кипения.

На рис. приведена характерная кривая кипения

		В пузырьковом режиме кипения при детальном кинематографическом исследовании выделяются четыре зоны6 1. Зона изолированных пузырей, когда расстояние между действующими центрами парообразования значительно больше диаметра растущих на поверхности паровых пузырей 2. Зона, характеризуемая тем, что в активных центрах парообразования возникают непрерывные цепочки пузырей (столбики) 3. Зона, характеризуемая слиянием паровых столбиков в крупные конгломераты (грибы). 4. Зона, начало которой фиксируется по заметному излому кривой кипения (скачок уменьшения производной dq/ΔdT), свидетельствующим о появлении очагов пленочного кипения

Таким образом, при захолаживании трубопровода всегда имеет место двухфазный поток. Течение двухфазной среды на этом этапе является нестационарным процессом, характеризующимся сменой структур (режимов) двухфазного потока. Наиболее характерными структурами для условий захолаживания являются обращенные кольцевая, снарядная и дисперсная структуры. При понижении температуры стенки, когда создаются условия для сачивания ее жидкой фазой, обращенные структуры сменяются обычными, типичными для двухфазных потоков с высококипящими жидкостями, для которых характерно наличие жидкой фазы в пристенной области.

Первый этап подачи криогенной жидкости в трубопровод, т.е. начало заполнения трубопровода, сопровождается колебаниями расхода и давления, которые обусловлены интенсивной генерацией пара. Следует еще раз подчеркнуть, что колебательные процессы вообще характерны для транспортирования двухфазных парожидкостных потоков.

Применительно к процессу захолаживиния криогенных трубопроводов наибольший практический интерес представляет определение амплитуды колебаний давления, поскольку максимальное давление может превысить предельно допустимое для данного трубопровода. Если рассматривать процесс подачи криогенной жидкости в трубопровод не вытеснением из расходного бака высоким давлением, а как подачу из емкости хранения давлением насыщенного пара, занимающего объем над жидким фронтом, то процесс развивается следующим образом. В момент подачи криогенной жидкости в теплый трубопровод возникает пик давления за счет вскипания первых порций жидкости. По мере продвижения жидкости по трубопроводу жидкость прогревается, в трубопроводе растет давление и скорость его заполнения падает. Если протяженность трубопровода велика, то на некотором расстоянии головная часть потока прогревается до температуры насыщения, при которой давление насыщенного пара жидкости в трубопроводе равно давлению подачи. Поступление криопродукта в трубопровод прекратится. В дальнейшем по мере выхода паров из объема трубопровода через концевое сечение, уменьшения производительности генерации пара, а также частичного вытеснения жидкости в сосуд (обратный поток) создаются условия для поступления в трубопровод новой порции жидкости. Новое поступление жидкости также приводит к появлению пика давления, но с меньшей амплитудой. Эти колебания повторяются в течение всего периода охлаждения и заполнения трубопровода сплошным потоком криожидкости (рис.)

Дата добавления: 2014-01-07