/
Text
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ наук
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
ИН. ТИТУТ МЕХАНИКИ МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ
ФИЛИНА Н.Н.
ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА
В КРИОГЕННЫХ СИСТЕМАХ
С ПАРОЖИДКОСТНЫМИ ПОТОКАМИ
Под редакцией академика Р.И.НИ1 НАТУЛИНА
Тюмень 1393
» I 1 I И A NN
HBAT TRANS FEB AND- 14<J<<YNAHI ,
IN CBTOCBNICS 3T-TBMS W. ТЧ
VAPOH—LIQVID PL0W3
Предисловие
В монографии представлены результаты многолетних исследо-
вания теплообмене и гидродинамики в таких уникальных криоген-
ных системах» кан системы газификации криогенных продуктов»
вонапмих в ранетке космически* комплекс ''Байконур'*, систем*
криостатировавин сверхпроводящих магнитов в ускорителях эле
ментарвах частик (УНЕ-3000 СССР, "Теватрон" СНА), системе
транспортировки кидкостеЯ по длинным руВспровопам, в том чле-
на я системы занравю* топливных Веков ракет по вертинальнны
участкам трубопроводов. ироведен анализ и расчет нестащиоыар-
шх режимов их работы при реэлячвнх видах ввенных возмущения
- прн изменении расхода продукта внемнея танповея нагрузки»
давления.
Главной особенность» перечисленных систем явлкется то,
что в вих вабладавтся двухфазные (..арожидкостям) потоки. Как
вид гетерогенных смесей, они чрезвычвяко иногообрезня - в
структуре, межфазных, чвутрифазвых взаимодействиях и процессах
а них Неучение двухфазных смесеЯ с учетом ях структуры и фи-
зических свойств связано с привлечением новых параметров и ре
меняем более слокннх уравнения» чем в случае гомогенных сред
Дик получения обозримых результатов необходима рациональная
схематизация аа достаточном уровне физического и ыагенетичес-
кого моделирования, проведенная автором в ряде вадач.
ТрадиЦионноЯ и приоритетной область» исследования паро-
жидкостных потоков являются исследования в тепловнеpreтике, а
именно в АЭС, на пароводяных потоках. И хотя область изменения
основных парематрон пароводяных смесей существенно отличается
от криогеаноя»методология исследования иа воде была успемяо
распространена и развита в криогенине
В монографии двухфазные потони описываются о позиции мо-
да и равдельного описания фвз дифференциальными уравнениями
'Ок^^неиия. В рамках классических представления (природа тре-
ния» механизм колебательного движения и т.д.) получен ряд кри-
териев и коэффициентов, учитмвавщиж специфику криогенных про-
ДУЖТО1
например, сверхнизкую температуру насыщения у жидкого
4
геаил (норндка 4, 2-4,6 1., мммфяв, реальмнх проыммпмх
конструкция ммеангх елоявыв схемы организации одно- и двух-
фазных потоков, иохестю коаадяажтуваих узлов сильфоны, кере-
ходкики, ваатмлм м - д. н Лов же вы результата иао-
гсэесоевкнх доберет ервм ж и аромммловжмх немытаниЯ
Развитее основ а *ализа * «етж криогеыммх сметам с
□арохиддестнмым но томами аозв не* расширить «лдастм их ермме
аеммн, тахамиескив ыожво--тл систем. ив ааденмость и веэо-
иасвюсть мри акенлуатацим. мс.ледовамив теплообмена н гнДро-
динаммжи в них весомве во, вренстваалат научвмя а
мравтлчесимя интерес.
Аледеыиа
° й.Унгматуямм
-J-
ОГЯАНЛвНМВ
'bob мыв оСовяачсмиж. ..............., *........... 2 * * * * 7
Мсдевис... .................................................- - • •
1 Крмегенвм система с варожидкоставим потоками
1.1. Сметами гавмфшцмм жриегавних видностои ......iZ
1.2. Сметами мрмостатиро«з «я и травспортчровви
врвюгевннх жидкостей трубопроводам..................... , • *>
1. ‘ Парожмдмостнме догони ... .. • .... 21
1.4. Проблемы созда в я експлуа^ааии сметем
с аарокидкоотними нотожамм .... 24
2. Гидродивемима и теплообмен а аарокмдкоствых вотома! в кри-
огенных средах
2 1. бивичоские особенности криогвянмх парекидместных
аотово»... ....................................... 33
С.2. Уравнения сохранения для гетерогеаных потоков... 36
2.3. Варегенерирунциа нахала с интевенриматорамн. ....... 38
2.4. Гепма в канавах криостатированмв. . ..... ...........56
2.5. Тренегсртироввмие по трубам криогенно* видноети
с 'гастмчввгм испарением Гекэержмя ебфект............... . >81
2.6. Омтимиавциа режимов течевия парожидкоегвых потоков
а теплообмендих устройствах............................ 94
2 7 Иодеиировевие двухфазных ротонов .................... 98
- 6-
Э. Диализ яестаднсварвых ренимоя работы криогенных систем с
арониджостяыыи потонами
Э 1. Характерам ваствдиоварвые ражим*. ................... 108
3.2 Нетодн опенок козмукеник, няссиммх в система.. .. .109
4 вестапиоварине режима работа систем газифмнепни
4 1. Результата проминлеквит испытании- . .........114
4.2 Фяэичмскаи природа колебания........................ 117
4.3 . Гидродинамическая иодола...................... 11В
4.4 Критериальная анализ....... ..........................125
4-5 Волнован стадия аваряявоя работа систем.. ..128
4.6 Праятичесяие вопроса проектирования систем
газификации...................*.......................... 134
б.Нестационарные ренины работы систем криостатирования
5.1 Расчет параметров систем криостатирования сверхпрово-
дящих магнитов при перемеавоЯ тепловой нагрузке
5.1.1. Физике математическая модель .................145
5.1.2. Результаты расчетов. . .......................152
5.2 . Экспериментальвне исследования F' жидгом гелии.. ....155
Литература............................. « ........... ... 172
-7-
0СВ0ВВЫ8 0В09ВЛЧКНЯЯ
t т - время, с
2 яоордмнята, м
Р - ыавпемие, Па
ff - ресход, кг/с
7* - температура, К
— паотвостъ вецестна £ _оя фазы, кг/м куб
L« 1 - дар, 4 » 2 - жидкость
Д? - плотность смеси, кг/м яуб
J fn
скорость фаз, м/с
С - скорость звука, с
объемная яонцектреция ь-оЯ фаза
X ” массовая концентрация пара *
J& - интенсивность^жидкости, жг/м (м куб.с)
удеДьмая сила трения между стенкоЯ и перожидкостями по
тожом я между фазами9 В/ы куб.
— ускорение свободного падения, м/с
О О- потоки тепла к поверхности раздела фаз от пара, жидкости
и от стенки, Вт/м
продольная составляемая скорости вецества, претерпеваю-
Него фазовми переход на - поверхности (поверхности ра
здела < з), м/с
А - вяэ кость вецества, Па.с
X ~ теплота парообразования, Дж/кг
Р~ газовая постоянная Дж/ (нс.К}
- внутренняя внергия -ой фазы, Дж
~ энтальпия 4-оЯ фазы, Дж/жг
jC “ длика канала, ы
- диаметр каивла, м
d - характерный размер» м
ВВЭРЛЗЧВРЯИ ВРИТВРЮ»
Чяс’“ Уепаопадса U1 t _оя <аэя.
тисяо Фруда,
чмсде Иусседжт*;
число Вралдтяж;
аараамтр Иартяж.лли ;
чисао Струхала;
число Эялара
яадкгсв
стенка;
вараматр раввоваежо.-о состояли»;
вачальаые условия;
жидкость;
газ;
пар.
ВВЕДЕНИЕ
Криогенине системы с парокидкостиыми потоками * нироке
используется в различных областях челоаечестоя деятельности - а
маймиостроении, металлургия, энергетике, ракетно-косммчаскоЯ и
ня на дно и ио я техника» пищевоя аромымлоыностм и сельском хс-
вяястяе Криоганван техкива составляет часть таких фукдаман-
таль лыж исследования, кп« кревняемнД термоядернмЯ синтез, соз-
дание усиоритемея влемеитаржкх частиц.
Специфическим я основным свойством криогенных невесте я»~
ляется те, что их рабочая температура намного вике температура
окрукиищем -ради, что монет приводить к поевлепип парожидкост-
ныв потоков Под действием вневпегл теплопритока могут вскипать
яидности в вертикальных трубопроводах с по пленном гейзерного
эффекта. при транспортировде жидкостия по магистралям мохат
наблюдаться их частичное испарение
Традиционно нспояьзовениг ряда веществ в газообразном ви-
де, при этом доставка и храпение осуществляется а кидаем состо-
янии Это мощные газификаторы кислорода, которые используется в
металиургии В ракетно-космической технике создана крупнаИнна
системы газификации азота, водорода и кислорода. Во многих
странах мира осуществляется доставка и хранение природного газа
а видком состоянии с его последующее газификацииЯ.
Развитие физики вмсоких энергий во всем мире привело к
создание систем криостатирования. Охлаждение сверхпроводниковых
устройств осуществляется на гелиевоы уровне (порядка 4,2 К), а
длина каналов составляет сотни метров и километры. Имитаторы
космического пространства, используемые для испытаний косми-
ческих аппаратов, тармостатируптся при криогенных температурах
Таким образом, криогенные системы v перекидке’стиыыи п^го-
- газификации, термостатмровахия и транспортировни - явля-
ете а традиционными для криогенной техники и перспективными.
Парокидкостмые потоки в системах газификации и термостати-
роваиик является технологическими. Фазовый переход осущеотвля-
.атся в системе каналов под действием внеилего тенлопритока При
совдакии криогенных комплексов, отвечающих требованиям техия-
Ю
ческого задания, необжсдгчо гсслелоиять систем» (подсистемы) с
рабочими ввнествеми. предсгввляюцими хидкостжоя, гаэовкЯ и М-
рожидяостиоя поток Наличие парсжидкостного котока, а котором
изменяется структура смеси я физические с» о яства каждой из фаз,
приводит к усложнению физичесмоя картиаи. Для математического
описания непользуется дифф<*ренцин льяые /ре в веник в частних нро
изводнях (сохренения и<ксы, импульса и энергии дин нахдоя ком-
я о не ат а смеси с уч» гом м«*жфнзных вэаиыодеяствия) с пирокмы
привлечением накопленных практических результатов вискеримен—
гмяьямх исследовании, представленных, иак правило, в критери-
альных зависимостях
В системах транспортировки яриогеннмк жидкостей коеелемне
паровоя фазы нежелательно , однако специфика низ ник темнериту р,
оборудования и технологии эксплуатации обуславливает возможное
закипание жидкости- у худив я процесс передачи... В этом сну гае па-
рожидкостные по оки являются фоновыми или паразитними, ко их
появление оаределяет качество транспортировки криогеякмх про-
дуктов .
Создание иромыиленпык крунных систем, их практическая вне-
плуигвпия показала, что при переходе к больжиы вротяженмостям
трубопроводов ) и больмим расходом ( 10 кг/с} могут
появляться новые аффекты, определноцие качество и работоспособ-
ность систем, которые не яабледактся, а порол я практически не-
возможно получить в лабораторвых условиях» Моделирование двух
фазаых потоков, жроые всего прочего, связано с проблемой моде-
лирования структуры сыеси : о отрывным диаметром пуаырея, ре
вмерой капель, с характерным ревмером каналов»
Значительная протяженность магнстралея в ристеыах с паро-
кидмостяыыи потоками может приводить к появлении колебательных
процессов с больной амплитуцоя и ыиэкоя частотой. Так експлуа-
гация системы газификации жидкого азота в раиетяо-космическом
комплекса * Бура в Энергия" показала, что песм.отря ва значитель-
ими газовый объем который должен б ь демпфер. , при изменении
F4 сима в системе возникает иоленательвыя процесс, Сочетание пи-
-н -
тжтепьдего резервуара. передними* магистралей, нарожидиостеого
и дияамяня запорнорегулируете* арматуры привело к по «в
*<«« нежелательных колебаний, амплитуда которых яа определев-
ая! рекимах праймовла допустимые значения.
Другие особеиноеть нестационарные режима я системах
наронидкостныим кетонами могут быть длительными и составлять
минуты, таен и дане месяцы, например при захолакиаании усмери-
те м «
Создание таких врупч« систем, как космически* комплекс
•Дуреа-Энергия” (СССР)» ускорителя ”Теватроя" (СЖА/ . УНЕ-ЗООО
{СССР) ириаено к по аллея л о навык иаучмо-врактжческлх задач я
области криогенных температур.
При вксняуатааии крупных промышленных систем, как правимо,
возаикевт проблемы расчете местационарных режимовс й начале
исследования было ее км, моемо ли во об не математическими мо-
де лам и описать реельнум систему сложной копструкцх-и в которой
ирногоявыЯ продукт находится в жидком, газообразном и двухфаз
ном состоянии. Слекеость физической сути процессов привела к
достаточно высокому уровне математического моделяровапик. В ре-
зультате слоиияась сметена взглядов на ренеиме подобных задач
Автору хотелось там изложить материал, чтобы полученные
результаты выем нояеэвы для специалистов криогенной техники в
обнести теплообмена гидродинамики и двухфазных потоков
-fH-
1. КРИ0ГЕЯ5Ш1 • .WMU с <АРОЖЛПЖ0СТНЫМИ ПОТОКАМИ
1.1. Системы n «ифимации криогенных жидкостей
Светемм газификация традиционны криогенном технике и ми-
рово распре стремевы в народном хозяйстве. Транспортировка и
хранение криогеякмх пред итов сунествлдетс• в жидком вине» а
котревитедм выдается газообразный продукт с заданиями перемет—
реми. В системах газификации жидкость хранится в резервуарах,
по трубопроводам ома поступает в испарители, где осуществляется
фаэовмй переход, а газ©образвин продукт с задаинмми нараметраки
идет к потребители.
Тивячвме гаэифмхадионвне системы (самнс мощнке в России -
криогемвыв. азотння) воили в состав криогенного центре оздав-
но го яа космодроме "Байконур". Газообразная авот, ПолученнвгЯ
газификвциея кидхости с расходом 13 кг/с и под даалением 1,0
1,2 МПа, подается в качество актиявого потока в зкокторы для
откачни паров водорсда при его охлаждении, обеспечивает поддер-
какие ивертвоя атмосфера и температурного уровня в отсеках ле-
тательных аппаратов, а также используется для других целей.
Промымленяая зкеплуатация газификационных систем, в кото-
рых движение продукта осуществляется под действием перепада
давления, показал», что ва переходных реКимах в них нонет воз-
никать колебательвыя процесс,, связанный о© специфическими
свогстваы/ крио-внесго продувта, конструктивными особенностями
систем и ваяоыом внесения возмущения
При отключении пли переключении потребителей изменяется
расход продукта в системе., Это возмущеыие распространяется
впло'1 до питательного резервуара Вели используется больное
хранилище, то изменение расхода практически ве сяакется ив па-
раметрах жидкости в резервуаре. Повтому подсистемой, восприни
мнюцан янеинее ьозмущение от диваыи ских процессов, возникав
к»* при гребвтнваяии армстурм у потребителей, является оовокуп
мосты видкостгой, газовой виг» релей и яспврителеи со всеми
элементами конотрукпиЯ (сильфоны, вовороты и т д.).
-f3-
Ra рис. 1.1, 1-2 приведена пневмогидравлическая схема про-
пиленное гаэяфикациоввоя система. Ока обеспечивает газообраз-
ным вродуктом несколько потребителей, кякдмя из которих отсека-
ете» бяомом клапанов Кидвяя азот из резервуаров (ряс. 1.3) по-
дается я магметравь 0-1 2-3-4-В до испарителя Газификация осу-
дествляатся в испарителях ИГ-30 (в-6). и но магистрали 6-7-8
гяз поступает к одному из потребителей 8. Давление в *0* точке
поддерхивается с помоцьв регулятора постоянным Н таблица 1.1
криволапы колячестваанне и гидравлические характеристики
подсистем, и пределах котормх локализуется переходный процесс
изменения расхода продукта в системе газификации ( S ).
Таблица 1.1
Хидяостаои участок
Наименование Количество Коеффициеат гидравляческога сопротиаяевив, ф
0 - 1 , Ъ = 0,300 м
Прямо*! участок ф 300 «8 и 2,6
Поворот секциопкмя 90* ф300 4 мт. 2,2
Коыпавсвтор карнирвыя в 4.8
Кпапая 2 10,0
Вход а трубу 0300 1.0
/ у (0-1)= 20,в
1 2 45 = 0,200 м
Слияние потока 1 1.0
Првмоя участок 1,6 м 0,1
Сильфов ф 200 1 0.2
(1-2)- 1.8
-н-
родоажаяиа тавл.1.1
—1а- ——— _______ Натмяовавие Количестве Коэффициент гидравлического сопротааяевня,О
2-3, Я • 0.200 Разяелваиа оотоав Правок участоа ф 200 Сильфов 200 1 3.5 в 1.25 •.3 9.2 £f> (2-3>= 1.5
3-4, 9 - 0,200 а Разделение потока прямой участок £> 200 Клапан Вентиль Компенсатор нармирння Сильфов о Поворот на 90 Поворот на 135* 4 - б, <55 = 0,100 м Разделение потока ф 200 Прямок участок 0 100 Сильфон 100 Клапан 100 Поворот на 90 1 785 м 1 1 3 19 8 1 1 5,0 в 1 1 1 1.25 58.S S 4.3 6.4 £? <3-4>» «1.1 1.25 «.а 0.6 5.0 0.52 £у(4-5)» 28.0
(01-2-3-45)* 11S.0
Продолжение табл. 1.1
Ваннекование Количество Кооффицие вт гидравлического сопротивления.
Газовая участок
6 - 7, 9 • 0,300 в 1рямоя участок ф 300 Поворот на 90 1 Клапан 300 8.0 а 3 ат 1 3.4 1.6 в 2? (6-7)= 7.0
7 И л & * 0.300 м Прямой участок ф 300 в Поворот на 90 0 300 Клапан 300 Слияние потока ф 300 Разделение потока ф 300 Переходник ф 400 - 0300 300 а 10 ат 1 1 1 1 15,0 6.4 6.0 1.26 1.25 0.1 Jfp(7-B) = 28.0 2^(6 ? 8)= 35,0
Из таблицы видно» что в крупнея промыклеиноЯ системе "аэи
фиксации присутствует множество разнообразных элементов от ре
зервуаров и испарителей до сильфонов и клапанов. Предполагв
лось, что наличие больного обьеме газовых труб (20 и* ) иски»
чит вэмощность появления колебательного процесса из за демпфи
роваиия.
Кроне того, амплитуду и период колебания нельзя было опи
сеть а рамкам известного подхода ж расчету параметров
кеустановивиихсн процессов в ывгистраляк [141» Эксперииевтвль
пые данные основаны ив нтвтмык средствах измерения и нейтрона
пара метро а. Точность замеров (в вределаж 9») яозвояяет исполь-
зовать олунаям результата жря ааажязе нестационарных процес-
сов ж создании фааяине-математмчаскоя моле ля.
Газификаторы испарители) криогенныж кидкостзя
•изовмя Переход системаж газификации осуществляется в
специадькнх авпараткх. В испарителях больной нроизяодительяостя
в качестве теялоносятала использует горячу» воду или перегретмя
вар. Разность температур испаряемого продукта н теплоносителя
составляет 200 - 300 V Это обуславливает плохие услояия тепло-
отвода от греемая поверхности. Имеется обнирвая нитеротуре по
атому вопросу (1,4,5.6,13,14 С цель» интенсификации пспере-
вив в криогенике использует различные турбулизатор» {искусс-
тве кие я нероховатость, спирали и т.п.) Одним из наиболее эффек-
тивны! методов ивтенсифихапии теплообмена можно считать
использование гофрированных просечних васадок с ребрами, распо-
локевными в нахматвом порядке (рис. 1.4),
Эксплуатация испарителей типа ИГ в оцисаяноя Газифмкпциов-
воя системе показала, что вп переходных режимах састемы оия яв-
ляются генератором низкочастотных колебаний (рис. 1-6} (!}.
иредлокен ряд конструктивных доработои с увеличением удельной
производительности и созданием буферного объема для умеяьнения
пульсация (рис- 16,1.7,1,8) ( 6 ).
Холодные газификатор» яспользувт тепло снрулоежей среды.
Они отпччватся простотой и надекаостьв конструкции, же требунт
посторонних источников анергии. Конструктивно - вто набор па-
раллельных каналов теплообменников с развитой поверхностью. Од-
нако, процесс свободноконвективвого теплообмена вэ криоповерх-
ностнк осложнен процессами конденсации влаги, десублимациея во-
ды и двуокиси углерода, а дли низкотемпературных газификаторов
- коидевсациея воздуха.
В испарителях с парежидкостным криогенным потоком важно не
только интенсифицировать теплообмен, но и сформировать опти-
ыальиуюэ с точки зрения теплообмена, структуру потока. Мехаии-
-/7-
ческое вочяеяствие на перодидкоотмоя поток с цель» управления
его идродииамикоя я теплообмен* ы у чмит екссиуатеди^нвма же
рвктеристики игварителеЯ газификаторов криогеявнх жидкостеЯ.
Системе природного гкеа (ГПГ - \NQ >
Внедрение СНГ в народное хозяйство из ее г больние парепек
тявм В России оужестзуют крупные нроентн по созданию комплек-
сов для аяияеяия, храпе* п транспортировки СПГ в коммерческих
целях, для регулирования гвзовотреблиния Систем» газификации
природного газа мнеют аналогичную схему я представлен» в крио-
генных техколог»ех всего мира
Природная газ иоволъау»т для заменения тредициоввжж мотор-
ннх топлив не. охяневвмя зли компримированный природная —аз, г
нификапии сельских населениях нунктов. уаэмецевмн гаэлфииацлок-
пж систем, вялючаюжлх баки с природным газом нс борту
транспортник средств (самолетов, вертолетов, вагонов-гендерок,
автопоездов, карьерннх самосвалов, речных и морских судов м
т,д.). Использование природного газа позволит покрыть дефицит
мотормнх топлив и обеонелить бесперебойность транспортных вере-
воаоя
1.2. Системы криостатирования и транспортировки криогенных
I жидкостей по трубопроводам
Системы криостатирования яраноп имитаторов космического
пространства. Космические летательные аппарат» испытываются в
I термобарокамерах, где имитируется черный холодный космос и
I используется теплопогложаюняе экраны. состояние из оребренных
I ^РУвок, определенным образом расположенных я ыростренстве
I 14 ]. Ввенняя тепловая нагрузка ыожет быть произвольной и по
J «Личине, n во времени и определяется реКимом испытания. При
I то» к системе предъявляются кесткие требования яо поддержиииь
I «мпературкого уровня а мироком диапазоне изменения вненкеЯ
I нагрузки, так как повнневие температуры экранов приводит ж
(ералтчрчс тан Лфффф0арра*яи»ые
В данном завесе .••стам ж>т -гагч>»жаяия ««ряду вмжундеч-
iW ян -«укавиея гхджс-г .. .._. т.-з . .>.’• «пмо<«< насэ-гев
-ixaue* хльаямя -же»» «че-жимя «тэтами нярока
«ечс«ьз е.-стачан а г«зажим <в у «фазана эредуято* В зависи-
мости ст «олоеия нсавталмЯ «еволъаувт гясч ам со свободнее
.рочнем >*11кг9 атота _ •?»•.:•?•!. _*рв«1» ^ееЯ я аимяием
крчснроа«кта в < . ••мх акоЯ циркуляции с
вьяасаяяоа зоноя всжипе-ия в«*с >вемяе термдявами-
чо^ноя жффехтивяосте в я* • •« ««ряжено е проблемок
об спечеиля устоячавос”» движ ея кр««--иного чродукта
о тс у тс т» кая луньсецмонных режимов с особеаносгтлми расчете да-
ре кидкостнмх аотоков в вертикальных трубопроводах с учетам из-
меаежик гиярестатического давления в них
Системы криостатнрования свсржпроводнних устройств Разви-
тие физики эжсоких энергия ’'ребует создания систем криостатирс-
ваниж сверхпроводящих магнитов* которые используется в термоя-
дерных установках* в ускорителях злемеатарняж частиц. Первая в
мире териоядеонав установка со оверхпроводящими катумкамк маг-
нитного поля - ‘’Токамак-7" В вея кату як я о лент ро маг ните а ох-
лаждается вмвухденвныи потоками двухфазного или сверхкрити-
ческого гелик (3 ): 48 катуяек, замотанных девятиканат ноя
никоя из влектролитическоЯ меди с токонесущими проводами из ни-
обия- титанового сплава и с охлаждениями гелиевыми каналами (ди-
аметр канала 2 мы, длина 193 м)• помеценн внутри криостата и
екрввируютея теплозащитными экранами^ онлякдаемнми киднин азо-
1оы, Криостат выполвен в виде тора с внеяним радиусом 1,22 м.
Система криогенного обеспечения обеспечивает отвод SC Вт внея-
яего теплопритока, имгульсних тепловыделения в б кДж на импульс
при частоте 3<J импульсов в час от нагрева обмотки викревыыи то-
ками, наводимыми плазыоя, и охлахдение двух токовводов При
аяарияном выводе энергии из магнита система воспринимает 30
кДж •’Токвмаи-7" успенно проработал ютни часов и обеспечил вы-
полнение программы физических виспериыентов-
•лк • гчеяих нр» кН и с»>е. те ке ментор нм ж чаот^ц а ра
яи-,вжк ра ариях мира • • а> « *?У» • еаздамтса ено • •
вершроеедкннх (CW) магяирун и с- . еоегавлеаиих w.
ucwavee а рем к уг да ~гует С® yet фо яс та <? *Теватр- - а
Feral ab a СВА длила колада скол нм} электронп^о♦омами
коилеидар BIBA, Германия . соевлете» сжормтельно-накспителькея
комплаке ТНК-ЗОЛ в Росси tl гм) объявлена национальной
программой и ведется рп ...ветка гигантско -о супе ио лалдара ttC
в СИА (82 км) . В схема сверхпроводящего хуперкс-лаядера ис-
пользужгев гечиевна однофазные потоки* часть зенитных азотдых
зкраноа криоствтнруыТся двухфаэнмм азотжнш а током
Кагдяя из СЯ-атупенея ускорителько-накопитальдого комп-
лекса УВК разделена на 24 участка кплеча) В квадом адете со-
держится в сремаем во 110 СВ-магжжтев. Нротяхекност» эдного
в леча около 680 м.
а рис 1.10 доказана принципиальная схема жркостатироеаниа
плача УВЖ0 на рис. 1.11 - обажЯ вид понеречного сечения гелие-
вом части дипоявного магнита Обмотки СВ-магнита эхпакдаются
потоком однофазного жидкого гелия которая непрерывно на протя-
жении всего плеча с поможьж обводных потоков охлаждается обрат-
жнм потоком двухфазного геляя- Врнмоя поток идет но гольцу 73
мм х 80 мн, а часть его подается в серповидйма мели около тру-
бопровода обратного потопа. После какднх 6 м однофзжкые потоки
сливается а после прохождения всего плеча врныоЯ однофазный
поток дросселируется и двухфазный поток гелия движется «о тру-
бопроводам 60 мм ж 1,6 мм и длиной 650-680 м. В результата
дросселирования уменьнаетск Температура гелия. Иоток T*p*f«j"Ta-
тируетск на уровне 4Э3 - 4,5 К зя счет испарения жидкости в кк
валах с двухфазлмм продуктом. Используется сложная схеме тепло
обмена? труба в трубе, противоток, разделение и слияние пото
ков. Каналы терыостатирования воспринимает вкеаниЯ теплоприток,
а при переходе к циклирования тока в магнитах в нейтральном ио-
иопроводе теплоприток меняете к во времени по некоторой аии.лог-
рамме
Система тренеsop - «ровки ирис'-еичшх жидкостей.
Широкое мраеммяеннон копсяхзояв«не жидких хриогевкмх про '
дуктои в равно звразвмх технических комамвкеах приводит к повв-
пени* в них вередавних магистралей. При «том к ним трвдьявлянт-
св жесткие требовакия яо основням твраматриа. обеспечение
звманного расхода давления температуры продукта, паросояержа
В результате воздет егвия - 1вопритовн ив окру
жавкнн ссада яронсходит награ нереципи криогенного про
ду ;тв Поема достижения температуры вв имения, соотеетстяуежея
мастному дакмоикв, происходит знвипвмие жидво ги. Рост паросо-
даржания в канале явление нежаянтельное Поатому «а счет вн-
Оора условий л параметров эксплуатации необходимо обеспечить
заданные характеристики истока
Транспортировка продукта может осуществляться ва счет вы-
теснения при температуре хранения при повмнении давления в Пи-
тательном резервуаре, насосом при температуре храыенив вы-
теснением предварительно охлажденной жидкости в резервуаре
Применение специальных мер, я в ж тепяоввв евщите трубопроводов,
предварительное охлаждение хидности, понижение давления в
система позволяет передавать жидкие криогенные продукты по про-
тяженным магистралям в десятки тысяч калибров и н оотии мвгрок,
Расчет параметров потопа криогевдых продуктов снязен с опреде-
лением возможного пвросодеожания.
Применение видного кислорода в качестве основного компо-1
иенти тоилией в ракетно-космической техчино привело к создание
крупных заправочных систем с вертикальными участьями осущест-
влкищих ~рияспортировку жидкости ьаерх. Вочникеюкив проблемы
еналогичнм проблемам транспортировки по горизонтальным магист-
ралям, нс осложняются влиянием гидростатического давления на
процесс пврообрвэоввпия, поянлением гейзерного эффекта , кото-
рый возникает нри остановке циркуляции криогенного продукта или
при малых скоростях двикения кидкости по трубопроводу. Явление
-м-
опровождеетоя бурями. лавинообраэнж i кжт ати крио» виною
ро^ужтв и выбросом жидкости из вертикаль ©го трубопровода Если
• ад -рубопрсводоы рас поло же в резервунр о жидкостью то наблюю
я □ ijauoe наполнение, которое сопровождается гидравли
чеюим варом Процесс вскипания и ударного эвпслвеииы носит
н1лемвл»я яараж.тр и монет принести я раз руне ним конструкции,
ри зав ио ,эт .ровкв крлогеннои жидкости по вертикальным трувоп
•оводам надо упитывать aooiоимость появлении । вязе ною э4фактв
принини ВЬ мера по эго предот^ранении в «тик вистомая
Поречисиеиньо системы гиаифиииции, нриестатироявния и
храненортиронни криогеииыж жиддоотек не охватмвиют да и ио ыо
уг «хватить зеож созданиях и разрабатывав<ыж доиструацив По
низами иж харажтернме особенности Жировое распространение го
•орет -3 иж традиционности, о том, что ив модно оСобиить в
лесс змстем е иироаиджостнмми потоками Поэтому исследования
рвапичимж рекивок работы пре_ставлвот научммя и практическим
ин ерео.
!•©. Парожидкостныэ потокл
Персжидкостные потоки относятся к гет-рогенвиМ, неоднород-
ным млн многофазным (двужфвенвм; смесей. В гтлнчие от гсь «ген
ймх смеоеЯ (жидкость» газ, растнорм) в кия присутствует мак
роокопичесяие по отнонению к Молокуларчым маоитвбем неоднород-
ности иди включение.. В гомогенным составлквцие переменены нъ
молекулярном уровне ( R ).
При математическом моделировании процессов и даигвикя ге
терогенных сред принято известное допущение ( 8 ), что разме-
ры включения или неоднородноегел в смеси (диеметрм капель, пу
*мрьковг толциив пленок и т.д.) во много раз больше молекуллр
Но-кинетически! расстояния. Это значит, что включения имеют
больное количество молекул, что позволяет использовать клесси-
ческиа придставленик и ураененив меяаники сплоынмх одяородвмм
СР*Д цля описания процессов в масытабех самих неоднородностей
-22-
Фьэнче^кие сво*>твв фаз (вязкость теплопроводность т. eJ
олмс«вавтся рамках од офазвого состояния |
Я то хе кп 1мя размеры жеодоэроднос гея н диаметр яакал^
«о го «евьве алиям каналов (протяженные или я пилима rpy6oapo«J
хм аа ж г то рог параметры фаз могут еучастжанно меняться ч
абусдевливает одпомервую воетавовку задач, корректность одиJ
мерно о описания процессе в wearедуемом классе систем на стац«*
оедривх в переходных режимах.
Сучествемноч особевностьы нарожидкоетввх потовов ап я ее тс
многообриэма еозникаюмиж в вих структур потока, роыаммм ов-*«
зом ллиявчвх «а гидродявами-<е*-хие т тенлообмо uwe параметр*
Стр^я^ура определяется богьмиы числом уавторов, среды потерях -
соотжовение фаз. вг ппоткос-ь, вязкость скорости, поворхностЧ
ное катжке вне, г*= о метрит к пожокение канале в аро^травстае,
ввенляя 1епиовая нагрузке и т.к. По исследовав»» парокядностви।
г это ;ов суч^ствует об мирна я в и тература [ 4,8,13 . до сдоиосч
и миогообразве надавил и практические потребвостя нриводят а
новым проблемам и задачей.
Режимы и структуры дв/хфвзвих потоков. Смена режимов про-
исходит по мере увеличения объемной концентрации или расход^
пара. Пузырьковые рехиы суцествуот при объемное ковцевтрацим!
сС/< 0,2 - 0,9. При больми? паросодержевне пузЧри сливается. I
формируется снарядные режим ( < 0,6 - 0,8). При О^^0,6 - 0,0
реализуется пленочные (кольцевой) режим, при котором жидкав]
пленка двигается по стенке канала, а в центре идат пмрокапельЧ
выл поток, при испарении плевки формируется капельдва доток.|
Области перехода иехду рахммами достаточно размыты, сучествуя?|
неустойчивые режимы (эмульсионные, пенкме) и различные модмфи-1
каким. В горизонтальных и наклонных навалах суцествевно влиляие!
гравитационных сил.
Методы измерения пнранетрое парожлдкостных потоков. Дл»
измерения объемных газосодержании используется: метод отсечес!
(с одновременным закрытием днук клапанов на некотором участке и
с послеяуючим измерением объема), метод динамических весов (из-]
8 Т
Счлоеое в тепервое звшгце'*-~t мех.ц \зам ।
де л же тс ж реем ре деже в mi ч мммрог ар дыми реп хрщ яленми, иемпвьра
тур, концентраа. Я, к т.д. вокруг косдпород toeтег> Для получе-
ния количественных зависимостей приходится СУче*-твенво упроват
реальвув картиву и схематизировать процессы. Лоиимание физи-
ческой сути процессов, аналогия с известными однофазными за-
висимостями, критериальны? анализ и экспориментаявные исследо-
вания позволяет создавать гипотеза в рассчитывать ситу тгечия
потоков о ставки, межфазное трение, тяпяоебмеч меггду стевкоя и
фазами. В это я области помучены много,,'мслениые успешные релупь-
тнты [ 4,13 ).
Кипение криогенных _*ИДКЯСТЛ*|,_> Криогенные тидкости и оют
Р*Д специфических особенностей (низкие температуры. малая теп-
лоте испарения и т.д) к могут быть втделеям в самостоятельный
раздел тезлояерадачи.
Развитие проыывлениости, ваужи и техники приводит к появ
-2t-
певию ioimi проблем, требует новлх подходов, жоицепций к лгал»
доманию, описанию и расчету потоков кнпяпих криогенных дядкоо
тмя н светом о втими потоками Необходимо, опираясь к<
постижении в обпвоти кипения, гидродинамики и теплообмена, ио
DOJbsyi эффективное математическое описание, современные вычис
нительиыа методы в технику, обобная многочисленные, иногда уни-
кальные.
внепериментвльные мвтериадн.
вваливкровать
рассчитывать криогенные система с нарожидкостиыми потоками.
4 проблемы с садами,, в онсплуатации систем с парежидво
ствжмя вотоками
Яри сое днями и оксплуа^ации систем с лвро жидко*-' тавмв яето-
ккми необходимо с.юдуцвнео обеспечить требования техвнчесвого
заданна. Тая правило, к системам арадъжяяяютоя жесткие требева
иж по поадержанив ражиминк параметров - расхода, давженив
температуря, паросоооржавижо
Оптимиаирожать вонструкцив во технологичности ее яэготоа
ловиж эвсплуатвцлн, оперт□затратам, но ее себестоимости
Обеспечить безаварийность робот Ярадаврите ныго должны
быть разрабо-.аиы меры, предотвражанпио воэнигжвеввние вера о чет
ных режимов. Так, например, бурное вскипение криоагелто при по
торе сверхпроводимости магнитов (жвенч) ве долкво приводить к
разруненим конструкции. Система должна иметь средства зениты -
оброевые предохранительные клапаны, аварийные коллекторы. Беза-
варийность долквв обеспечиваться правильной технологией вксплу-
втации системы. Важными является требовании взрывобазопасности
при работе с такими криоагентами, как кислород, водород.
Обеспечение надежности. Она определяетеж длительным сроком
их эксплуатации, усталостными прочностными характеристиками,
коррозиостоякостьв
Таким образом, для обеспечение столь сложных и разнообраз-
иях требования, для повшевиж урозвя конструкторских ракработок
необходимо развивать основы анализа и расчета систем с двухфаз-
-25-
НЫМИ ПО«НЭвлИИ.
ндвчи >м-следования. Выявить природу. особенности жарак-
тер-ых нестационерныж режимов работв промынленяых систем
фияааии м яриостатировавия и провести анализ физическом картины
движении парокидкостныж потоков. Выделить подсистему* восприни
маюиую внеиявю нагрузку. Создать математические мо .ли . эффек
тинные методики расчета для описания и перожидко •-ых потоков*
и нестационарных рекимоз работы систем с этими потоками- Обоб
мить обиирные ексвериыемтальные материалы для дополнения мате-
матичесв-нх моделей с использованием метода фиэичаскоя аналогии
между процессами и теории подобия. Разработать прогреммяии
комплекс длк численного моделирования исследуемых сметем. Гиб-
кая, блочная структура комплекса должна позв-’ять расе»«тыкать
различные реальные ситуации при создании м змалув-е^ии --тем
Эптииизиромать двухфазные потоки, из всего их разнообразия выб-
рать более технологичные, устойчивые Оптимизировать конструк-
цию по геометрии, расходам, теплопрмтокам и другим парамет-
рам. Обеспечить безаварийность работы систем с пярохидкостными
Потокамио
Рис.1 Д. Внешний вид криогенной газификационной системы о г. гасителями[ 5].
1-резервуары fCA-1400/I; 2-испарители наддува резе;зуаров '.1A-I35;
3-испарители ИГ-30; 4-магистраль подачи гаьиобиаэного продукта
потребителям. 5-клапан потребителя; 6-вакуумный трубопровод подачи
Рис Д.2. Пвевмогидрязлическея охема г-----
I-резервуар;2-регхлятор наддува р*
4-продукциснныя испаритель: 5.6-mql
^пневЛокла^бГЙ^Ж
юьи® й'жж
криогег Л /... иационной j-tj.mW].
utvaa р*ь.| а; 3-кидкостнал магистраль;
_ ,Ь-ма1 ис грали подачи газообразного про-
*" У О ГТ пи • О ГП AVATKV . Г1 .1», _ Тп ._ZL-
Рис. 1.3. Схема для расчета гидравлического сопротивления системы £ 5]
4
St-
Рис.1.4. Элементы парсгенерирупцы э
канала испарителя: 8-гофриро-
нанння вставка;б-сечение пароге-
нерирулцего кенала;1-гофриро-
ванная вставке, расположенная в
кольцевом зазоре ;2-внешний обо-
греваемый трубопровод;3-полый
сердечник; 4-труба для тепло-
носителя.
Рис.1.5. Испаритель типа ИГ-00:
I-корпус-/ -патрубок ввода
теплоноси'-е.чя;3-патрубок вы-
вода теплойосителя;4,5-вход-
ной и вьхсдной коллектор ра-
бочего ц ,духта;6-внутревние
руоы; 7 на укные трубы;8,9-
верхчяя и чёкняя трубная до-
ска; ТО-нерхняя трубная доска
впеплч1>1я внутренних труб;
1х- икьгл трубная доска креп-
лешя вьутрс нних труо;-2-па-
трубок; з-дополнигельная .губ-
ная - • .1.э:14-ааэог ;15-тепйо-
из<. - и ' :ihhm г'атвриал;16-гоф-
и-« .• l асадкаИЗ
Рис.1.6. Конструкции теплооб-
менных алементов: г
a-в испарителе ИГ-30-LU
б- по AC J* 1493856 [ 5J
3; . температурные напря-
кения
I - криогенный продукт;
2 - теплоноситель.
Рис. [.8. Испаритель криогенной жидкости!5]
2 ’ 5-патрубки ввода и вывода
т»илонооителя;4,5-ксллекторы ввода и
8№ода газифицируемого продукта;
S.;^5rpeHM® и наружная Т"? 1ы;8-труб-
т<ая решетка; о-трубная доска;10-регуля-
насапиа^12Ж^С^ТИ’ 11-гоФ₽ированн8я
насадка; J-л-зазор.
-0£-
Рис. I.?. Испаритель криогенной жидкостиС5
I- корпус; 2,3-патя бга ввода и
вывода теплоносителя; 4,5-ксылек-
торы ввода и вывода гаэифициру“мо-
го продук' а; 6-нарувная труба;? -внут-
ренняя труба;8-гофрированная насадка;
9-дополнительная труба ;Ю-верхняя
трубная доска ;11-сильфон; 1.\;(1 ,.1ил
трубнаа доска;13-щ обйа; 14 -0 .
на,%адЙ?^НВЯ реИехЭД’ Ч
Рис. 1.9. Схемы криостатаавяния:
а) с естественней циркуляцией криопродукта и
вынесенной границей вскипания;
б) с естествен, ой ц туляпией и кипением
криодродукта в канале;
в) со свободны. Vi опнэм криопродукта в
канале.
Рис. 1.10. Принципиальная схема криоотатиро-
вания плеча УНК.
1-компрессор, 2-теплообменник,
3-детандер, 4-дроссгльный вентиль,
5-газгольдер, 6-подлив иидкого ге-
лия, 7-сборник рефрижератора, 8-СП
магниты, 9-канал прямого потока.
- j- Jund", _ 40
Рис. I.II. Сечение СП нагните
I-центральный канал прямого
потока; 2-gol одной канал;
3-трзба обратного потока;
4-ярыо; бон дав; 6-СП обмотка
им-гаивляикА я твплоовивв в пагохидкостных потоках
gp м-ВЯНЫХ СРЕДАМ
перегрева жидкости, ио»тому жидкость отделена от стенк*
собственным жаром. Яа поверх пости раздела фа'» температура жид-
кости равна температуре пара и соответствует температуре нас«
«•— Т3(Р). В паровом пространстве градиент температур состщЛ
дТ- К-т3(р).
Игпример первохмажденпый жидкие азот {Ро 10 ат,с 77 |
по~-унж»т в канал с температурой стенки, равной температуре af
рун «а на я средн 7^ - 300 К) В этом случае 7\(р) = 10* К. Грг ди
•ат температур н паровом пространстве
АТ « 300 - 10* о 190 К
Там как жидкость жежогрета. то л в струе будет равнак тем
вература от наталькой температупы па входе 7^ в центра потом
до j же поверхности раздела фаз Эван тарантервав температур
в определенных точкиж, можно иреаставить распределение парамег
?а, жогда в каждой точке сечения набжелаетев разине значапив
Скорости фаз тоже отличается. Яа стенке жабпадаетея терма
пение, *залипание* поток» Э* - 0, ва границе разцела фаз рае
нм касательные напрахенив
то ость отыовоние градиентов скоростей пропорционально вмзхо-
стам fas Профиль скоростей у стенок бллзох к логарифмическому*
Тепловой иотон от стенки распределяется между паром и кидкост!
Наблюдается с уже с гневно яервлковеенчл двухфазный мото».
Понятие равновесных и нераявоввекых двухфазных потоков.
В исследуемом классе задач характерное время изменения парамет-
ров (время внесения возмужания в систему) во мього раз превыва
ет характерное время установления равновесия между фазами*
поскольку фааовый переход протекает достаточно быстро и мая
эффекты поверхностного натяжения. Поэтому можно принять чЧ
-35-
з •«««* Р*' яи:
Р.(?°т<) = Ms‘.'!'>hp
Р.авш зв.чеыих вавяемяж в фззах изовхоцимо учитывать во варыв
ввж. вопвовых и других бвстропротеваециж процессах. При втоы
опреыелевжиыи Супут процессы но поверхности раадела «аз.
пульсадив фез. их динам- ча
В раввовесвит двухфазных потоваХ температуры, давления в
скорости фаз совпадает между совой
Т-Тя-Та(Р); Р,~РЛ*Р, Ч-Ъ
Ж равновесным можно отнести горизонтаяьиые пузырьковые потоки
,аэы достаточно коромо диспергированы н имеют равные фивяческие
параметры (Р, Т,
В ыеравновеснпж двухфвэних потоках скорости иди (и) темпе-
ратуры фаз суяеотвемно отяичавтсж яруг от друга Вабяыдаетс*
сдохнан картина распределения пирометров по сачеяич канала. В
реальных системах неравновесные потоки встречаются даже чаце
Анализ днухфазних потоков с позиции равыоаеспостн эказанеа
весьма плодотворвнн. При втом неравновесное потони моденируьтсн
яяухпараметричесно* средой т.п. вводятся понятия прежних ско-
росте* и температур по каждое фазе. Такое физическое моделиро-
вание супественно упродает реакьную картину распредепсамя пара-
метров, но позволяет описать главную осовепиость парожидкостных
потоков принципиально равличнне параметры фае (сжимаемость»
ВЯЗКОСТЬ, ПЛОТНОСТЬ И Те Де).
2*2. ЖраяЕения сохранения для гетерогенных нотоков
Описание двухфазно* смеси методами механики сплонно* средь
кзено о введением понятия двухскоростного конт*км*ма w с оп-
ределением вэаяыопропикаакего движения составняюких омеои В
Д ниц* объема, занятого смесью, присутствуют обе фазы, а для
1
жеждоя ссставпяедеП • лвбоя точке о предел** тс ж овнчным образов
плотность скорость и другие параметры каждой фаем.
Так пазкваема* модель раздельного описании фаз отличается,
кв пак взгняд, фиэпчностьв. кагдлдвостьв и отвосительвоя про-
стотой. Ялв единит* объема смеси надо записать уравнения созра-
ке ни* массы. импульса и анергии дла каждой сославпеанеи с уче-
том обменов между компонентами при фазовом переходе Система
.равнении многоекоросткого и мвоготеыпературяого течение г«те-
роге«коп 'редм с г» б ним давлением фаз без учета сдвигов*» дефо^—
мшин манду фазами и градиента теплопригожов в них принимает
сеед»меня вид ( 8
-37'
X Pi
Я ~ ;
&
VCJ ~
* у*4/
Количество структурных компонентов смеси определяет вели-
чину Я
Например, если в канале деикетея пузырьковмя потом, то
N I (жидкость и пузыри) если плевка по стекже, а в центр*
зарокапельный поток, то Я - 3 (пленка, пар, капли).
Течение двухфазного потока описывается следувдим образом.
t к) _ / f)L4 j
dtp\ VL) dfffa yfl _ dfa P}
dt ~ di di
+ Pp + P/2. ^2i(J'l2~Vi) * Pwi /
(2 3)
S [ A * 7T1] ♦ 4 ‘i *
гд» хаган^еризует иптен^гвность перехода масса из ямах о ci
пар (или наоСсрот, если < 0) а епинице объема см» с л в exii
вицу а; мейл. В cnvnao равновесного ио темпе at ура <~эстовнгя
небольших перепадов давления и канал» все внемше» тепло ьдет а
фазовой п«р»ход £«&/«
Вели же пар перегревается. то ол аккумулирует часть ввек
н**го тепла, тогда ГГ>'%Ш "$(?)' Хидж меть, ха ж п-ч пхиц
имеет температуру, равновесную давлению, т.н. при ее ». шевии
плечво обогреваемом потока» имаюием скорость апого ыень«|
спорости заука, девствуют модеме мехпаизмы тешюотнодч Pgc I
яагеясивмоста ввеяния масконах сил в направлении оси vasaeJ
сил"» трения жаждем фаза о сгонку, - сива трепне m»J
ду ваза»и, воеапкает на м«жфаявоп поверхности из-вa paccomacJ
ваеия скоростей фаз. 2^ - предольваж составляемая скорости «J
xei.no пре горце в а еже го фазовая перекоп на поверкмости резпаф
Фаз (6 - поверхности); ~ потоки тепла от стенжж канава
каждой фазе; - потони тепла от жаждея фааж (жидкость, ала
к поверхности ре з дел а- Слагаема» типа Z опрвдедеж
длссипацлю зжергии из-за фазового перехода в условиях скоросф
вэй нераввовесвос^ж.
2.3. Перогеверируюцие жевала с интенсификаторами
В системах газификации и криостатирования назначение двух
фазного потока - отводить внонвее тепло» Теплообмен яе завися
от структуры потока, от того, в каком соотношении паходитея фа
вы и как они расположена в пространстве. Виениее тепло подея
дится к стенке парогекерируювего аанала, а от кого передаете
двухфазному потоку. Воли поверхность фазового перехода достц
точно развита, фазы хороно пармменаны, то это приводит к впрая
ниванию их средних скоростей, внемнее тепло идет на испарена
жидкости, температура пара и жидкости при зтом близни к темпе
ратуре, равновесной давлению Например, я капельных потоки
одадь фазового перехода может превмжааь плодаль сбогреьаеыого
ааажа в 10 - Ю раз, при зтом капли хорошо отводкт тепле.
|сяи пвоаадь фазового перехода и мандяа сопоставимы, ю внешнее
-епло идет и да испарение жидкости, я на перегрев пира, ото
уменьшает количество отводимого от стенки тепла. Поэтому для
иатемег.фиьаиии теплообмвннжх процессов следует обеспечигать та-
кую структуру погожа, котооея создает хоронил тепиообмен. В
»-ом случае диспергированные потоки С равномерно терамеиавными
фазами оптимальны.
Для ивтегсификадии теплоеЭмеиных процессов используют
иснуствемныс вероховатости различного профиля» специальные тур-
булизвторы потока 14 13 ]. Особенно аффективно в криогенных
газификаторах применение касчдки с ребрами, расположенными в
«вхмв1том поряди» (рис. 2.2 а,б,в). Кидкил продукт попадает в
ячеистую структуру с обогреваемой вцеявей стенкоя. В первом
слое ячеек формируется струйное течение со сложным распределе-
нием температур и скоростей ао сечевик. Но уже вс атороч слое
ячеек из-an смежения ребер струя, поппд^я ль *бро. *хе.впг.««.л.нч
дробите ж. Двухфазный поток ппкобпетввт <жэьи к. структуру
Дельные струйки первыегъв*. с кксамми и перегретым птреи Чести»1:
••г насадки овусмавпивае-i интенсивное механическое д^о чеви»
потока криогенной жидкости на ребрах. в результате формируетел
*аов*ьжмй поток. 8 отжилке от гладких каналов в наслдке капли
обрч^уются не столько за счет теплообмена, сколько за счет
дробления потока. В результате увеличивается поверхность тепло-
обмене между жидкостью и стойкой» тепло в объеме ячейки отво-
дится каплями и теълерятуры фаз в обьеме вкревяквантел. Однако
У самой обогреваемой стенки всегда будет пленка перегретого па-
ро» уже не окезывнюдая ^.^^аюдей роли на теплообмен и составляю—
ИЯ* ничтоквув доле пара в ячейке.
Использование засада., с ребрами, располохеиячми в ыахмат—
чем порядке, приводил к некоторому увеличению потерь давлеяив
а теплообмеином элементе из-за возрастания сопротивления пото-
ку но механическое дрсблеиие потока позволяет не только су
кествеино увеличить теплообмеяиун поверхность, ко и ?фо*«^^Н
вать оптимальную с точки зрения теплообмена, регулярную
лмльную структуру потопа. При этом значительно сожрлцаетск
двухфазного потока по сравнению с гладкотрубными каналами
счет управления его гидродинамикой и теплообменон. И
Экспериментально было получено распределение плотац^В
теплового потона по длине канала с насадкой [ 6 ] и споц^М
вален конденсационный обогрев парогенерируюже'-о канала вояя^И
паром с последуюжим сбором конденсата по его высоте. Ппот^^Н
теплового потока резко изменяиась по длине канала. На рис.
приведены результата одной серии экспериментов, там хе кожаа^И
расчетная кривая, отдел явная двухфазную область от однофаю^^И
Для этого по травлениям стационарного однофазного потока
том »•снериментов по распределению V , температуры геза на
ходе из парогенермруюпего канала н переменности теплофизич*й^И
своестн сраяы ( теплое ми ости, теплопроводности н вязкости)
лея«дась температура потока Расчет проводился от конца э
та до Жолояение кривой 6 (рис. 2.3) можно обьес^^Н
следуваим образ эм в стационарном режиме уменьнение плотад^М
смеси но дайне канала приводит к увеличению спорости двухфая^И
го потока, что интенсифицирует теплообмен- Максимальный тенж^И
риток достигается при максимальной скорости равновесного хя^И
фазного потока, после чего следует переход к однофазному.
лопание границы от определяется степенью неравновесжей^Н
потока. После испарение всей жидкости пар перегревается, *
пак капли - стоки тепла - исчезли, что приводит .я реза<
умеиъменив теплового потока к каналу, в однофазной обле4
уменьнеется температурный напор.
Ори переходе в двухфазную область при Q/гюх наблюдается i
пельнмя поток.
В области сравнительно небольних скоростей потока s
частом наге насадки и нахматиом рас по до пении ребер можно п<аМ
положить, что капельный поток будет равновесным, то есть давл<
вия, температуры и скорости фаз будут одинаковыми Подтвержу
-н-
выявится то. что при дальи^ямем увеличении
мем дав.оя гипотеза «вяжется то, х н
«. „ »^я скорости ПОТОВ. ЫОВОТОВЧОСТЬ ЭКСП.рИЫеПТеПЬВОЯ криооп
твп2пгитоко. ввруввивсь я уыеть.олыеь твкпервтурв г.эопого по
топв па выходе из теплоовиенИого злеыевта (ряс- 2.4 в.0; рве.
2_, ( 6 , это ыожво с-ввсвять тек. что честь капель поп.д.я. в
перегретый гвэоввй потов, и в »тоя овьэстя п.реыетров возкяквяп
таыпературввя и сжоростнп< вервввовосвостя.
Переход от овпастп е растров с ыопотонвьм ходом кривых
Теплопритохв к овл.отл со словак» характером кэмевевил теплоп-
рятоке при зкачптельяоы умавьвевия температур» газа ва выхода)
тделяет область реввовеовых квпвльвых потоков от хапала в пе-
репетом паре вераввовесвмх).
Математическое описание.В рамках ренноаосноя модели прини-
мается, что давления, температуря к скорости фаз одинакова. По-
этому неходкая система дифференпиалькмх уравнение 3.3) к «ра-
зом случае сужественво упростится. Занижен уровиевмя
аеразрмввостм для каждой фазж ж их совместиого джплааия'
д р0^ у) _
Зг = <г«
Аа^л v)
—it-----------4 <’•>
дУ?,Ч _ д£
д£ ' ~
Ураяиеики состояния гежества по фазам. В исследуемых зада-
чах целесообразно принимать пар-модель идеального или реального
(схяыаеыого) гвзв, хядвость - ид.вльввв ИЛИ СЖЯЫ....В
>?“= ктЦё! — й”= :
М-
Жиния насынеьия аппроксимируется зависимостью типа
С достаточной степенью точности можно использовать извес?
виг соотновеиия [ 14 ]
5/2 г
т
* Ь 022
кислород
р _ _ W. д
* ~гор ~ у 4
гания
Сила травив » Изяествн обвив соотномеиия для расчет
вотерь давлеияя жа травле, которае относятся ж любому режиму
течения двухфазного дотока Их легко использовать, ови доста-
точно точна, хотя и яс проясняют суть физических явления. Среди
этих соотвовевии - нопраяка на двухфаеиость Локкарта-Мартинелли
( 4,13), которая позволяет овределить перепад давления при тече-
нии двухфазного водяного потока s хоронен точностью. Установле-
но, что она справедлива и для жидкого азота, кислорода .
Фиэичэския смысл поправки - вто коэффициент, сложным обра-
зом зависания от плотности, вязкости фаз я паросодервения, по-
казываюция, ка сколько возрастает трение двухфазного потока о
стояку по сравнению с треплем одвсфаядогэ, движуцэгсся с тем яе
расходом.
Для справки приведем основные соотномеиия для расчета силы
трения я области турбулентных длухфазвгх потоков па технической
поверхности:
р~- p~v
v°^ p„('-*J/pf->
tfb-
озш
feoiS
(2.5)
A
**, - H P
P„~P /' V $5
Ловмпостм расчет* сиям трения в двухфазной гелки
Аномальность свойств жидкого гелия повлияет величину
силы трепня в гологоином потоке. Эмпирические вависимости
экспоненциального вида типа
^"(Р^^Ве^^.... .); я>fi.» 4б. а, I
(27 1 ,ЧеИИ ИВ т₽увоп₽ов°Дах сравнительно вебольвих размеров
) двако, в канала нрисстатироввяия в УНК выврак диаметр
значительней вепм«м.«> л
Основные параметры УНК и лабораторных
•ксперииенталькыж систем -
систем приведены в таблице 2.1-
Таблица 2
Параметры УНК Литература i
[2] [7] [12) I
-5
Диаметр канала» 10 м 57 5,2 5,4 4,6 I
Длина, в 650 1.2 13 2,0 II
Число калибров 11'00 230 2400 430 У
Давление, 10 Па 1.3 1,4 1.1 1,4 1.4 1.0 - 1.J
Раскон» нг/ (мн сяк 33 65 400 30 - 50 100 40о|
-«а видно, что геометрические размера акспериментальных
двухфа;
в УНК. и использование подученных эмпирических завис
ЕВК НВТ ОбКИХ
правил вкстрапояжции то требуя
Qa сути при парахода ж больким
воспроизводятся
формируя
другаж структура двухфазкого потока
ныв характеристики и суммариу!
Ммеюниесж экспериментальные
12 ) были
анализированы
традиционней поправки на дву|
фазнесть.
Мартинелли было получено безразмерной
моследованной области ш
пости теплофизических свойств гелия г
1,4)- 10 Па; QV
30
гМ. грежик о стенжу в двух* □ном потоке гелия уи-нъ.а
П, сравнения, например. с двухфаэк, а азотом.
принятых обозначениях:
г. - HF,/Г
ия, ЭЕ -1HUX экспериментов же лревыиеет 2Р- ЗОХ
ь*е»е«г ость фазового перехода Если все внеинее -еп
по идет иа фаэовми переход нет перегсееа паровой эы энеч ,
гельвах перепадов давления по агистрели, т.е. кот дополнитель
» генерации пара из-за уыеньиэния исходного давлении, те
- "Q„ г,
же Q данной случае определяем по эаспаримента 1ьным двяньм
Уа па преобразования уравнения даихеиия с учетом уравнения
неразрывности дифференцируем исходвув систему уравнения 4)
лучаем систему трех ура- гении с тремя неизвестными
‘ <h Dz di> 3~ dz -
♦идиеитоэ матриц
то пепесооб-
очиость аыиислэ,
при этом лорчнеется
Неизвестные функции моко-
вдние, Дяффереициальнме coothoi
ИВ НО Я
-w-
л z . ,
Pitt = Pi+23&st
Ала идеального raja
&= Ts~B7i'
ЭР P7]*
Г' = PP> (6iP,/p) 2
Овозввчим Jp° 8P * Л/
Тогда
f/Z/~ + 4vA.(?„ -?„$)
fi* - dfV^AtPn
в3 = -^B. -P„
Главной осовеииость» такого водхода к описания двухф
потоков с помоиь j дифференциальных уравнения сохранения
•тсж то, что в каждой точке колученного ранение одновра*
учитывается изменекие ясах онраделяюних параметров гидроди:
ческой системы. Это повымает точность и надежность результа
а идаояогиж аналитических преобразований распространяется
другие, более сложные системы (мяогоскоростные и многотемп
турные).
В рамках равновесной ("гомогенной") модели описывается
ниркый класс аадач. При втом не нужна детализации структуры
тока. Надакные результаты нолучаются н том случае
действительно вти параметры равны или близки между собой,
больних откнонекиях параметров расчеты по равновесна некорра
ны, поэтому надо уточнять структуру потока.. Однако методолог
чески полезно и в этом случае в начале исследования дать равн
весное описание потока для оценки неравновесных аффектов.
Используя равновесную модель по известному из эксперим<
„„„.„у „влопритокх мохжо pete- тать жзыеажниа оскоаньх
”тров ПО ВПИВ* вврогевврирумего жа.зпа; пвросс «ржа.
„стожа. дпвпвввж. Нв рис. 2.6 ...С отвечены три эон!
, • in т*»к неравновесного двухфазного потока? II ры
। потев, III “ одяофазный газоажл пот^ж.
гествует точных границ объемного паросодьрха
закриэьсном режиме (0,1 1.0), реэжия
а границе I и II зона «же раз подтвер дает предпо
формировании равновесного капельного потопа.
•••всобмен в закризисной области парогекерирунцих каналов
с интенсификаторами
Цл обобмения результатов исследовании можно провести фи-
1ическув аналогии с теплоотдачей в зажриэиеной области кисамин
яа пи в перегретом паре - дос аточно полно изученнув на водя-
la потоках. Хотя области сумаствоваиия этсгс рекимп яа од~ и
сиогенных жидкостях сунегтвеь о итпкчаят. я епх'’сбмси в*
-е | писнвается зависимостям тьча
va = a.Re'Pr f г Т Л, J
При анализе известная формун Миро польски го Тонга, Гг^син-
яьда, Ремизова ( 4,13 j было получено, что лучние результаты
мает формула Миропольсжого. При --ол константа в формуле 0,023
"вменилась на функциональна л зависимость (0,608/^1,4).
Л
Но
° «Яся ®вин с гладкотрубиымп каналами теплообмен в канале
увеличился иа порядок. Исследованная область пара-
-48-
метров жгдког-» азота: Р = 1,0 - 1,5 МПа, ^2^- 35 -150 кг/(м*
0,1 & X 4. 1,0. Максимальное отклонение результатов расчетов!
энспериме.тов составляет 2 ОХ. |
В каналах с насадкой зона неравновесного двухфазного fl
ка нм входе со оложпол нерегулярной структурой значит.fl
уменьшилась по сравнению с гладкотрубными каналами и состава^
«сколько слоев ячеек. Так как длина этой зоны мала по
'ив со всем элементом, то уточнение ее границ мяло скажет
габаритах епяообманн^го элемента, я расчетным 5 раз ом
установлено, что длина I зони соатавл&ат 30 - *0Х длины II Н
I
Про не де иные расчетно-теоре гические исследования в со <«fl
аии с весьма ограниченными экспериментальными результатами fl
омяли сиределить границу двухфазного потока, развить предст4
пеняя о структуре потока в парегенерируемом канале с насам
сложного профилк. Задвинута гипотеза о капельКо* структуре fl
границе равновесного и неравновесно о потоков, проведен *’*fl
основннх параметров течения, а вкспериментальнне резульTarfl
внениему тенлопритоку обобмены в яритериельнув зависимость, fl
Всв эта информация необходима для анализа аестациовефЛ
режимов работы систем газификации, в которых одновременно pflfl
тавт сотни нарогожерируянмх каналов, собранных в специаеь4
аппараты-испарители.
Массовый расход по каналу выбирается танин образом, чтя
температура газа на вкхсде была кан можно более внсожой и fl
спечивался средний расход продукта по трубкет.н. это сввэя(
с количеством трубок в аппарате, с его металлоемкостью Поэт-11
при использовании данной насадки 60 100 кг/(и* с). 1
Подробные исследования парожидностного потока в канзл*]
насадкой повволявт определить скорость распространения
плотности, скорости и давления через двухфнзный участок 4
распространении иовмудежий, оптимальный уровень математичесХЯ
моделирования двухфазного потока для расчета всей системы г»*'
фикации
-W-
Рис. 2.26. Изменение температуры
по радиусу в пеоном
слое ячеек насадки
Рис.2.2в. Изменение темпе- Рио.2.2а. Структура двухфазного потока
ратуры по радиусу в равно- ва входе в канал о насадков
весвом капельнэм потоке I-внешний обогреваемые трубопровод;
2-насадка, расположенная в кольцевом
зазоре; 3-полый сердечник.
-50-
Рио. 2.3. Распределение плотности теплового
потока по длине канала при различных
массовых скоростях Сб J
1-^гг=35 кг/иг.с), 2 - .
53 кг/ОГ.о), 3 - 83 кг/(м2,с),
4 -ffV = 150 кг/( г-.о), 5-расчетная
кривая авторе, отделяйся парожид-
хостнсй поток от газового
Рио. 2.4.а. Злияние массовой скорости потока
..а монотонность теглопрптоков по
длине канала с насадков при раз-
личных давлениях £6] -Pj =<ЛГ1По-
Рис. 2.46. Влияние массовой скорости потока
на монотонность теплопритоков по
длине канала с насадкой при раз-
личных давлениях [6] . р а{ дмПа.
Рис. 2.5, Влияние массовой окопости потока на
температуру газа на выходе из йаоо-
генерирупцего канала [б1] . ‘
-54-
6J
Рис.
2.56. Изменение объемного napooсдераавил на а
в теплообменный элемент.
I - неравновесный двухфазный поток;
II - равновесный капельный поток*
III - однофазный газовый поток.
-55-
2.4. Гелия в каналам криостатированиг
Двухфазная парохидвоствый поток годна используют в навалах
у-иос гагирования сверхпроводящих магнитных систем. Двойное
ало идет на фазовый переход, а температура смеси теоретически
лжна Выть при этом постоянной и равной температуре насыщении.
Крупнеяиие каналы крисстатирования использую- в системе
лакденка сверхпроводника магнитов (СП-магнитов) УИК. Овраткмя
гухфазныи гелиевая поток двинется по трубопроводу, диаметр но-
вого составлает 57 мм, а длина 600-700 м. При даннмх физи-
ки, (Р = 0,13 - 0,14 МПа, G = 200-300 кг/ч) и конструктивных
паметрах под действием гравитации поток гелия расслаивается.
Для определения структуры потока целесообразно использо-
ть диаграмму FereiLab с корректировкой Мамедова [ 18 ] .
сравнению с Бейкера для воды у гелия границы режимов суцест-
:шо смекаются вправо. Малая плотность гелия обуславливает
обладание расслоенных рекимов с их модификациями, на карте
•’утствует пузырьковое кипенье.
На рис. 2.7 на диаграмму FeralLab нанесены точки, соот-
гствуюцие режимам течение двухфазного потока гелия в каналах
IF. в зависимости от массового паросодержан»я (0,1 && £ 0,95)
расхода смеси. Течение двухфазного гелия в трубопроводах в
IB волновое, стратифицированное.
При различных плотностях фаз - жидкой и паровой - L
слоенгоы течении пар, двигаясь в верхней части трубопровода
-ей скоростью, "проскальзывает" относительно жидкости. На
2.8 приведены эпюры скоростей фаз по сечению трубопровода
имостм от уровня жидкого гелия в канапе. Профиль ско-
троеи из физических соображений: "проскальзывание"
аРа, торможение ("залипшим*"\
. залипание ) фоэ на стенке, равенство"каса-
Рялекий ва границе раздела фаз, профиль скоростей у
К пога₽и*“"'<ескому. Очевидно, что проскальзывание
ительиои турбулизвции потоков на границе раз-
-56-
дела фаз
волнообразованию, каплеуносу, но при умекь?
уровня жидкости в трубопроводе уменьиается влияние этих пов<
постных эффектов и, как следствие этого, появляется разн-
температур по диаметру* так как пар у верх не'' образуюжай пер
$вВ«£ТСЯ‘
от теплопередаюцея
стенки. Изменение температур]
джкметру обогреваемого канала
в зависимости от уровня жидкое
показано
на рис, 2.8, Пар
перегрет относительно разновес!
температуры жидкости. Проскальзывание в канале такого
больия
диаметра, как в УНК, достигает значительной величины
и
ПО СЦ(
кам по эмпирическим
формулам ( 11,16,17 J составляет
- 3 р,
разность температур
равна десятым лопни градуса, что
существе
но для поддержания
сверхпроьодяжего состояния магнитов.
данных параметрах
расслоенный ражим является неравновесен
скоростям и температурам.
В лабораторных условиях на трубках малого диаметра (до
мм) можно получить набольяое проскальзявание (Д,7 - 1,9 раз)
каплеунос и волны на поверхности раздела фаз значительно вли
на стратификацию потока, уменьшая проскальзывания и выравки
температуру фаз по сечению.
Экспериментальные исследования* Для исследование neperpi
пара в расслоенном гелиевоы потоке необходимо
использовать
бапроводы значительных размеров. На трубках
малого диам!
температуры фаз. по сечения выравниваются за
счат теялопров!
ности стенки w наплеудоса с поверхности раздела фаз. Поэт
для эксперименталь вюгф исследования
перегрева пара
относится;
разновесной* температуры' жидкости в
потоке гелия .
использов;
часть проши&левыого иоллектора УИК,
состояжего из
трех сто
2
роешь ве*ввои> с разными видами изоляции. Диаметр коллентора 56
2? мм*. Сйст&ма' криогенного обеспечения состоит из установок 7 в
КПУг' ил авхпомвтизированной системы контроля и управления на ба
выяжглительяого комплекса СМ-2М. На рис, 2.9 показана схе
стенда, на рис. 2.10 - 2.12 - его фотографииС13],
В качества первичных ^термопреобразователей использоаа
датчик ТПК-720, изготовленный в бескорпусном варианте д
S7-
яиа теплопритоков я измерительному кристаллу. Датчик
У высокие метрологические характеристики - стабильность и
воспроизводимость не хуже 0,001 К при 4,2 8, инерционность не
Оолеа 0,08 с, устойчивость ври воздействии магнитного поля,
ввода кристаллов на трубопроводе располагался вертикально
это обеспечивало Точность Вейере температуры паровой фа-
-.к. практически " все фоновые теплопритоки воспринимались
жидкостью н на влияли на температуру ь паре.
После выхода гелиевои установки
иествлялось непрерывное измерение
расхода продукта. Расход р системе изыеиали ступенчато с пс-
ионы) перераспределения гелиевых потоков в КГУ. Теплопритоки
определяли по повыяевию давления в трубопроводе при двухсторон-
нем отсечении участков с разной иэоняциай.
Узел
вжиз,
на стационарный ренин осу-
теыяературы, давления
Результаты экспериментальных исследований перегрева вара в
потоке гелия приведены на рис. 2.13.
В зависимости от уровня жидкости в трубопроводе, который в
ходе экспериментов изменяли с поиоцью вариации расхода продук-
та, формировался профиль температуры гелия по сечение. Бели
жидкость занимает больную часть сечениы трубопровода или
несколько ыеньхе половины (при этом развита поверхность фазово-
го перехода и она соизмерима с диаметром канала), то разность
температур по сечакию близка или равна нулю. Температуры фаз
примерно одинаковы и равны температуре насымения жидкости, ко-
торая равновесна давлению в канале. При испарении жидкости
Уменьшается поверхность фазового нерехода, ослабевает влияние
турбулизируюних эффектов (волн, капель) на выравнивание темпе-
ра i урн по сечению, увеличивается скорость парь, проскальзыва-
аие, и верхние спои пара начинают перегреваться относительно
Равновесной температуры кидкости. В результате при постоянном
анеы теплопритока Q*-COflSt в трубопроводе возникает ана-
льное температурное расслоение в двухфазном потоке. При
испарении жидкости температура гепия по сечению вдчйрид-
вается (прямая 6 на рис. 2.13).
В трубопроводах значительного диаиатра (значительного а
сравнение с образувкимися каплаыи или отравным диаметром пу»(
ра) ори Q*- Const градиент температур манду фавами монет а,
ствчь предельного значения, равного разнице температуря одиое,
зпого газового потока ври зтих усповикх дТ/di = Qj(Cp?,a'\
я температуря яасякежиа хяджости.
Измереяняй профиль температур поиазяввет, что значительна
разность температур наблюдается у поверхности раздела фаз, и
говорит о преобладании механизма теплопроводности от обогрева!
моя станин по паровому потоку над механизмом передачи тепла м|
исдаравин жидкости и а* перехода в пар.
Матаматичесяое моделирование.
Обобкавие получениях внсперимежтальжвх результатов и ут«|
неяие физической картижя течения двухфазного потока гелия пр
водили по модели раздельного описания фаз.
Перегрев пара» в данном случае, - существенная величина
точки зрения потери сверхпроводящего состояния (жвенча). Э
носитель»» же исходного температур перегрев сравнительно в
больной и составляет
I
поэтому можно допустить, что все вйемнее тепло идет на фазой
переход, в степень веравновесности пара будем норректировать ,
ватуряям экспериментам, обрабатмвая их в критериальном виде. I
Цвухскоростная модель
Для описания двукояоростного однотемпературного стадионе
вою вотоха Т/“Т1, - Ts (р) преобразуем исход»
систему уравнений (2.3) к виду;
-Я-
=» f ;
dz
dz
£^^-54 f
-—dT 'z *V* Fw*
Преобразуем уравнение движения
v.
Продифференцируем систему урав.-сния:
+ г"v<2 ~ /
'v^
~ г" vu, ~
-GO-
Введем слвдуюмио обозначение
Л = ; Л xj? +л°4' аг ' z*s jr
Для гелия рассмотрена самая обжая модель со сжимаемыми фа-
зами и учитываем специфику записи лиаии иасымеавя - ото траас-
цандевтиое уравнение:
% P(rs)
у< '
Р'г>т» - РъЪ-i'P .
дТ ~ z?RTf
Яр (2153*-6,39*5/Т) ,
fr = fS5. Hie? • (б.змгт +2. ST J
Перелижем систему ж наедеянмх овозааченив! и преобразуем
d<v>[Zz!+ fi°di^2)
Система (2.8) имеет 4 уравиеиия и 4 неизвестных. Относи-
1льм*к громоздкость асах внжладод заложена уже в исходам!
-6/~
_,,и«вив», Т.ж. речь идет о дву1фазН1|Х потов»,
’ В •Аииице оОь-
роторы! присутствуют Ови фазы со своими -
е очевь различными
. нОрайетрами, что надо учитывать при реМвяии ряда
S результате получаем:
2.
- Л Я dT г
~ Bt* в> di' Сз'
dT г
а
*Г t'M8* 'Я'4Ъ .
di d,v, Л, '
~^°vKl +Я^ 1'
Вз = i ~v>)~ (Fa- / (2,0^
B, =
* '
В = —/— f (tr,- Vn) * Fa
°5 f^^VzL^'* !r 'я
Be~
-62-
Эамыжавмие зависимости. Вели теплоприток ж трубопроводу
задай из условии задач, то при ранении необходимо провести пе-
ресчет в удельнув объемную величину. При необходимости исполь-
зуем в(итериальнме зависимости тика
Трение жаждой фавн о ставку рассчитываем по формулам одно-
фазного потока по соответстаувмад для жаждой фазы скорости, ха-
равтервому размеру и свойствам:
гяв йрЯг-*; 4*4**»/
<2.П)
Сила трекиж на поверхности раздела фаз показывает, каку»
долм кинетической анергии теряет исоарквнаяся масса вещества на
поверхности раздела из-за рассогласования скоростей фаз. Ее
рассчитывали по продольной скорости ведества, вретерпевжвнего
фазовый иероход. Испарявшаяся масса имеет жекоторув скорость,
больвув, чем спорость виджости, но меньвув, чем у вара
то есть является некоторой функцией скоростей фвз, уровня жид-
кости и т.д. С достаточком дли ижжеворяжх расчетов степенью то-
чности можно принять скорость испарявшейся массы равном полу-
сумме скоростей Фаз:
Тогда
^е/2~
г' пс)1
г д /
П2 - 2S
(ян)
-63-
д. дли» хорды па пов.рхкости раздела ».э, fa - »редел«-
Ои традиционны., образоы по зеков, Блазиуса, яо п0 яек010(юЯ жа-
ряжтараов сыорости испарлвмагоса вещества
Талин образом, баз использован» эмпирических еависимос-
теЯ по проскальзыкавик, всхода кв «свах в традиционных *»k-
часких представления о расчете сила травма в потоке, воаучмм
замкпутув гидродинамическуа модель, по которой определяем все
основные параметры.
Начальное рассогласование скоростей можно енредапитъ ите-
рационном путем о учетом сохранения массы так,
ваге вычисления было О.
чтобы на нервом
Межфазный теплообмен
Для расчета перегрева пара использовали метод физической
аналогии о теплоотдачей при течении однофазных сред в трубах.
Рассматривай течение в ремках зтой модели, ио осложненное фазо-
вым переходом, с помоцьв маниниого эксперимента уточнили коэф-
фициент в критериальной зависимости типа ffa - f(&,•
В результате было получено:
^U!Z ~
’*) О,» <?*
7 •
<»»»)
В данном случае константа в формуле изменилась на функци-
ональную зависимость от паросодержания,которое определяет ив-
тевсивность фазового перехода и влияет на теплообменные
характеристики. Формулу целесообразно применять при
Ч'-0 95 в турбулентной области тачаний 10 . Мам
схмальиое отклонение результатов расчетов по формула от аксле
Рчнвнтов составляет 32 - 35*. Величина среднего перегрева паре
Ссчаиии определяется следувким образом:
-ы-
дТ
Результата численкмх расчетов в эиспериментов жонаваим
рис. 2 14, 2.16. Уневьмевиа расхода продукта ча вкспориыевтал
вой стенде приводит в понижение уровня жидкости в сечении, г.
установлены датчики температуры, при атом перегрев вара воз
растлят и в предала соответствует температуре, рассчитаввоя |
Формулам однофазного потока. На рис. 2.14, а стрелков обосиач,
во предельное авачоаие перегрева паря в сачепии при даижеи
газового потока с теми пе фиэичесиими параметрами, точками п
жазавн экспериментаиьвые звачевил среднего перегрева пара в с<
чевип, спномвая ливив - расчет по формула '»*ж,'.
На рис. 2.14 ’'.в показаны расч»тиые значении из не вен и
объемного паросодержания л просксльзывавия в исследуемом кава-
при раэличвмх расходах продукта. Ори увеличении объемного па*
содержания до >•* 0,95 поток становится практически одвофаээ
газовым, а с умевьмавием уровня жидкости увеличивается проса
льэмвавиа фаз. Длв сравнения на рис. 2.14 в сокаеаны расчетщ
кривые по эмпирическим формулам различных авторов [ 11, 16, 1’
Получено удовлетворительное совпадение с этими зависимостям
во противоречащее оути процесса.
На рис. 2.15 приведено изменение рада параметров по для
экспериментального капала при расходе 6 «31 кг/ч, рассайта
вое по изложенной модели. Градиент величии иа первых 100 м, г
использовалась евравмо-вакуумвая изоляция, значительно маны
чем ва участка с худиея изоляцией. По мара продвижения по об*
(реваеыому трубопроводу жидкость испаряется, увеличивается с
чмпюе 'пвросодеркаииа, средняя температура паровой фазы и <
фос*ги фаз. Скорость паровой фазы при испарении пищятгт! ст
чеяггси к скорости однофазного стационарного потоке чхри даж
физических условиях Vg^6/(p,° S). Тяхелая, жидкая фаза разго
ется ыевьке, следствием этого является увеличение проскапьзм
жив по длина канала. На рис. 2.15 б коказапо расчетвое иэме>
-6?-
иектальино точил в еечекки jC - 180 м.
Ваиноя беерезмериой карактеристикоя двухфазного иотока, в
том числе и расслоенного, плватсл объеыяое паросодериавие Ве-
личине перегрева пара оукествепо еависит от паросодерваякя, и
если е(/^в,7 - 0 8 то умекьиается термостатиру-нее алмввке
гилкости. Ва ряс. 2 18 а показано значительное увеличение срел-
лего перегрева кара в расслоенном течении при «^-«1,0 Еорегрев
В однофазном газовой потопе рассчитан по известят! формулам м
паяется контрольной точной. Реауплтатп исследования сог-
ласуете» о даштги, яолучеилими в FeralLeb на •Теватроаа* (СНА)
[1В] : стабияьмв робота цепочин Ивбяпдаеток в том случае, если
уровень жидкости составляет м менее 20* сечения, иааче лар пс
регревается.
С увеличением объемного парог-одерхениа, т,е. с пониже кием
уровня жидкости в расслоением ко токе, увеличивается прссхепьзы-
веаие фаз, или откоиекио их средних Но сечение скоростая. Под
действием перепада давлений легкая фаза ревгоеяется бпльие, тв-
келая отстает, На рис. 2.16 б приведена расчетная кривая по мо-
дели раздельного описания фез <явухскороствая) и результаты
расчетов по эмпирическим зависимостям (11, 16, 17). Sa нал
взгляд, постоянство проскальзывания оо длине кам>ла спорно.
Возможно дальнеикее исследование этого «опроса и уточнение
проскальзывания экспериментально с испольвовавием, иаиример,
методов СВЧ, но в системах кр.. эстатировакл- определяэиим каре-
метром является перегрев пара.
Само ко себе проскальзывание мало влияет на эисплуатациок-
пво характеристики потока с точки зрения его термостатирувцих
качеств: увеличение иросхааьэмвания приводит п уввличоиил тур-
вулизирувких эффектов на поверхности раздела фаз, волнообразо-
вание, каплеуцосу, и его экопоримоктальаоа опредолеаив сопряхе
ыо о определениями трудностями. Практически вакинм следствием
•того эффекта пляется именно температурное рассиоовио потока.
Тик как при этой ухудвается качество терыостатировааия, а йене
Ранив температуры является традиционным замером, технически от
-ss-
работанным, В обогреваемом канале резвость температур между фа-
зами» как показали вксперимеяты, может быть зваяйтельво я,
стремяцейся к преденьвой величине.
На рис. 2.17-3.,(У показано объемное изменение температуры
потока по оеченив 9 зависимости от паросодеряднин и изменение
скоростей. Когда по каналу двигается однофазные потоки, то про-
филь скоростей - гладкая кривая, известная из литературы (8],
яо в парожидкостном потоке на эпюре пояаляе.ся излом. Яа графи-
ке видно, как трансформируется картина по мере испарения жид-
кости.
Если граничное условие (конструкция труба в
трубе и схема противотока, как в УНК), перегревы на могут пре-
высить температуры стенок каналов, но дополнительный прогрев
обратного потоке от расслоенного гелиевого потока будет. На
рис. 2.18 показана схема таплопритоков в канала с перегретым
паром. Температура жидкости равна температуре аасыцеиия при
данном давлении Т& = Tj(P), пар перегреет^ Ту > Тд(Р). Темпера-
тура однофазного жидкого гелия в целевом канале, который дви-
жется противотоком, может иметь некоторое среднее значение <
Т^< . Тепловой поток Q, направлен от перегретого пара к одно-
фазной жидкости, 0^- к кипямему гелию.
Оценки по формуле (tit) для обратного потока гелия в
CD-магнитах УЯК на длина Z = 660 м дают = 0,21 Е, что до-
пустимо и не связано с потерей сверхпроводимости в магнитах.
Изменение основных параметров двухфазного гелия по длине тру-
бопроводе УНК приведено на рис. 2.19.
-67-
Рис. 2.7. Режим течения дкутфаэного гелия в канала! УНК
Ф = 57 мм; * - G = 300 жт/час;О - G 150 кг/чао;
7) = 40 мм; • - G = 300 кг/час
Рве. 2.9. Стена стенда.
I - прямой поток гелия из рефркввратсоа; 2 - оборыиж 3 - подан* л
магистраль; 4 - экспериментальный участок.
дТ - месте установки датчиков температуры вождении и у.н-чалв,
P.G - датчики давления и расхода продукта; ы» - 1«имцлм ж су
с экренво-ввкуумной изоляцией (азотный, гелиевый <• .и, * . .ойяая и. иашя);
Q2 - теплоприток и трубопроводу с ш’агоолоМнсЛ caMiHBeS.
’~F»
-Ot
Рис.2.11. Коллектоп УИК, г.Видное
Вход в магистрали
-7Z-
-73-
Рио. 2.13. Схема установки датчиков ТПК-720 в сечении и
изменение температуры по высоте в зависимости от
расхода гелия, Z - 180 к;
’а) 1,8 - расчетный уровень жидкого гелия, соответ-
ствующий расходу 60 кг/ч; 5,а - уровень при S =
31 кг/ч; Ttt Tz- терысиетры сопротивления ТПК-720;
Л) I - G = 60 кг/ч; 2-49 кг/ч; 3-37 кг/ч;
4-34 кг/ч; 5-31 кг/ч; 6-23 кг/ч
Рис. 2.14. Влияние расхода гелия на основные параметры в сечении f> <= ИО м
8)47 - средни®_перегрвв паровой фавн в сечении; i - однофазный
газовый поток, Н - расслоенное течение; о - вксперимент,— - расчет
по формуле (»»»), - предельный перегрев пара в сечении;
б) изменение объемного паросодержания в сечении.
в) изменение проскальзывания; I - расчет пс аавиоимости работы. [16]
2 - расчет цо[П], 3 - расчет по [И] , ——- - расчет по (мх)
: % t
-76-
б)
Рио. 2.16. а) Перегрев паре в раослоеввоы потоке гелия
в аависииооти от парооодержения; о - перегрев в одаофаввоы
гавовсм потоке;
б) Проскадъвшанге в раоолоенвом потоке гелия в аависииооти
от парооодерхания; I - расчет по [16] , 2 - по , 3 - по [Л ]
4 - ресчет авторе по двухокороотной иодеди.
-и-
- 7У-
Рио. 2JB. Схема тешгопритокоЕ в канале
о перегретым царем
-80-
Рио. 2.19. Изменение сановных параметров по длине трубопровода
(обратный потов) в СП магнитах 9HKjG=> 300 кг/час,
О = Ю Вт на 6 пог.м, Z в 650 М, « 57 ш;
— - расчет; о'*'эмпиричеовая еавиоимость (ни);
• - расчет по формуле [<63 .
8f-
2 б Транспортирование по трубах хриогеавоя хидкооти чаг
тичаыи испареаиеы. Гейзерный вффект
При транспортировакии криогенной жидк сти по об-. .
трубопроводу она иожет нягретьск температуры насняв
соответствуяцея д слепив в этом - ии. ос-о этого ваяй,
пузырьковое х- ее. "а читальное испареви. хядхо ги при ее
транспортировке не допу< иио, так как унеыьа»втся количество
передаваемой жидкости и услокяяетск жж-••на обслухие а < ••
стены, хотораа может работать в пужахиационво- -наряде зы ре<-
ие. Понтону за ее- выбора геометрии кавела «длина, диаие и
ре хи мн и ж п • раыетров еес-- оавлевие еыпература вых двое
ааросонержевяе регулирует таким обра ом чтобы ио ыло близи,
к вулеаому или соответствовало пт рьховоыу ки.ея—
Гейзерная эффект.
Системы транс порти ров «и жидко стел могут вклвчать врио -
таяьхне, вертикальные - наклонные участки. Гейзерный эффеег
а о ко ив ле кс физически! •- -« в, Вфчисхо -«их в кисте ма.
состояния из вертикал, киж тая' аров юе и ве яего р« ер«у^а
ерп останов ле циркуляция хри>ге- ах роду ж о в Жидко - < i кото-
рое время аххуиулирует тепло, поступаьыее из окружаемой средн
после этого происходят процесс бурного парообразования, поиво-
дкция а ее выбросу из трубопровода в верххяя резервуар. При
поспедувцеы заполнении трубопровода хидкостьв иэ резервуара Под
Деистаиеы силы тяжести вабледаетск эначитеяьвое вовыжеаие даи-
леаиа, аналогичное гидроудару, что нохет привести х разрухени»
оленентов конструкции.
Вертикальные участки иагистралея проыымленннх систеы имеет
зкранво-аахуумную изоляцию и по технологическим оообрахеиияы
еспацаетоя перекрыварцея арыатуроя, теплопритох от которой иг-
рает рехаицуа роль в развитии процесса. При использовании длин-
Вмх (ю - во ы) вертикальных трубопроводов надо учитывать вна-
^Ительныя градиент теыпературы васынаник по высоте.
Практически геяэервыя аффект иаблвдали в системах зааоавки
Ракетных баков, ялж которых характерны значительная длин* вер-
-92-
гика-жмк трубояро so доз и родим прекращения пиряуяацяж криоген-
ного жродукта э спетой* язсяе вепровкм верхнего резервуаре.
Тепжомриток от перакрнаавеоя ярмвтуры внизу трубопровода па ино-
го арезамет божозоЖ тепдопрятож нарез вааууывув изояацив ж ЯВ-
ИТ
ta>найма геаэераого еффевта проводилось ла эжеиерямеятаяь-
ажт стек вех зиачнтелаяек размеров, т.н. физическаж суть про-
аесса достаточно саожиа, действует бояьиое количество факторов.
Я тая 2.2 иряаедеам саовяме дораметрм исследуеммх систем с
эартиеал.мал трубопроводами, резервуаром наверху и верекрявев-
кая api атуроя.
гд« Рр * давление в верхней резервуаре, Qo - торцевой теп-
лопритож.Л^-количестэо гвяэерпмх вмОросов в одвоя серии эвспе-
рииентоз, - среднее эремж между вскипаниями жидкости.
Для измерения полей температур в вертикальном трубопроводе
-i3-
ao эго длина (рис 2.20 ) устанавливались платиновые термона три
сопротивления Показании датчиков записывались на иеститочечнмя
регистратор. Для иэмеракия давлания в верхнем резервуаре и пе-
репадав давнвяия венду урояняыи трубопровода использовались ин-
дунционнне датчики давления с регистрацией сигналов на бнстро-
яелствувяия самописец. Ддваение внизу труби измерялооь малой
аерпяонянм датчиком давления с регистрепиен сигнала на оветопу-
чевоя осциллограф.
Эжспаримаятя по изучение геиаерного эффекта в лиджостнзх
жриогежных система! проводились сяедувким образом. Досне вап-
ревхи вкспаримевталького трубопровода и верхнего резервуара из
заправочной емкости через торцевой вентиль переараналась ооеди-
яитеаьвая арматура и начинался режим хранения хидкооти в верти-
кальном трубопроводе. При втом иабалдалиоь лориодические вски-
пания и выбросы жидкости в вархяия резервуар я аоследувцне за-
полнения трубопровода. Вскипания жрояояхалноь до пояжого испа-
рения жидкости из верхнего резервуара.
Время между вскипаниями киякости в трубопроводе опрененк-
лось путем обработки записан периодического изменении темпера-
тур во временя. Позторлемость результатов свндатеяьствовала о
том, что геязериия эффект является зажоноыерпм процессом. Ко-
личество вскипания (от 9 до 23) опраяеляяось уровнем кидкости в
верхнем резервуаре и условиями проведения вксперммеята. Кроне
того, был создан стенд для визуальных исследования, состояния
лэ стеклянного трубопровода диаметром 0,024 ы и лливои 2 м с
Дв> иными стенками, между которыми поддерхиэаетсв вакуум. На нем
веблодаяи развитие всех фаз гейзерного эффекта в трубопроводе,
зелолненяом жидким азотом.
На рис.2.21,2.2Z приведены некоторые характерные поля тем-
ператур в трубопроводе с кидхин азотом при рееличных геометри-
ческих параметрах и торцевых теплопритоках. Видно, что под
Действием теплопритоха сначала прогревайте! ыияние слои жидкос-
ти до тех пор, пока их температура не достигнет температуре яа-
с 'Кения, равновесной местному гидростатическому давление. После
-J*
втого у»елич••••тся с»<й вр- ра-гой жм«яее^ до некоторой выс
я вабе»деет*д резвое, ч *ви-«ебраэ вое паре с «эоание в труб
верхний резервуар рис.З
кипения во ^вогом
обратного эаполнанод
гчероудером
адумцеи. При ос
вот дир к ул в »*• жгтж^сти
допревавт -
начияче
процесс пуз •рьн.'ееГ"
их ззаиыв .< влияние.
иузыръхи ускоряется в .•еде верхних,
сливают<
t котором слое si
количество паровое фазм увеличите»
дознанном Нцр
3 0,4, то происходит перестройка .тружтуры
то есть пузыри сольются в сна]
образуется енврядно!
верекрывеосии диаметр трубопровода. В результата азаимоденет
со ставками трубопровода уменьхается скорость всплытия свар
нижние паровые пузыри, значительно узел
результата уменьшается давление над слое
что приведет к дополнительной генерации
вверх, он аннулирует
читаясь в объеме. В
»->сыценной жидкости,
тара и лавинообразному развитию процесса. После выбросе napoj
жидкостной смеси в верхний резервуар наблюдается обратное эва
полненис трубопровода жидкостью под действием гравитационное
сил. Возможен гидравлический удар при заполнении вертикального
,упиковсго трубопровода. Стации развития гейзерного эффекта по-
казаны на рис.2.25
Таким образом, гейзерный эффект является достаточно слож-
ным процессом кипения жидкости в вертикальном трубопроводе. Од-
нако в инженерной практике важно определить возможность его ло-
то
явления и время безопасного хранения жидвости
>CTh интггральзые характеристики процесса. Поэтому из балансных
-И5-
соотнолении с учетом того, что процесс прогрева ело а кндхости в
пузырьковом режиме до высоты протекает в равновесных усло-
виях, Оыло получено:
и - / г‘ /#\‘
z ____-____ _£j£— ' 7s ~ Taj • $ Q
I'M*? gr3 Qo '
S-ti®2/*,
где 7^ - средняя по высоте температура жидкости в лаежценном
лое.Отклонение расчетной периодичдостн вскипания от
экспериментальных величин не Пронимает 12*.
Полученные формулы позволяет анализировать влияние различ-
ных параметров аа возможность реализапия гейзерного эффекта в
трубопроводе заданных размеров, получить предельные значения
длим трубопроводов и давлений в верхнем речервуаре, при » рмх
явление вырождается. На рис. 2.26 показед влияние длины у С ог-
ре вода на высоту критического слоя при различных давлениях в
верхнем резервуара. Гейзерный чффакт зарождается, если Вир Нтр
ноэтому биссектриса на графике отделяет "геязернув* м *а»гоа-
зерыув* обнастн. Кроме того, вуцвствует тдявое змоеавв В верх-
нем резервуаре. орк к© то рее р аееа*о । — ппеаме вы-
рождается, и гензepaw Х-Шбфюов вреаредеетск Sun подтверждена
экспериментально.
Гидроудар в гейзерном эффекте. Для расчета процесса запол-
нения вертикального трубопровода криогенной жидкостьо после
гейзерного выброса предпогагаегея, что перед заполнением (после
гейзерного выброса) трубопровод заполнен паром с давлениям,
Равным давление в паровом пространстве резервуара; что поток
жидкости гомогенный, без паровых зклечений, жидкость абсолвт|но
весжимвемн; что при заполнении реализуется плоская граница > в-
Дела фнз. Повывение давления в половой полости описывается
-g6-
ураввевиьи тиае политропы, показатель которой интегральным об-
р«зом учнтаявет процессы тепломассообмеиа иехду паром, ставкой
а пакость» аа время заполнения трубопроводе.
В оавоиервоя постановке этот процесс описявается системой
урман.ияй, зклвчаваих ураваеаик двихеаяя паскииаеыоя кмллости и
миаеяяп границ» рпздегн фаз, а гакке ураваеяие политропическо-
го про не сеж сжатия паровой фаз в. Ткк как показатель процесса ва
определяется физической модель», то провалено сопоставление
рас 'отпак значения ударных давления при различная показателях
политроп» и эксперимемтальвых дайнах. Эксперимеитвльияе эиаче-
•мя пиком давления с точность» до 15* соответствует расчетной
кривея три значении покмоатедя политропа, равного J 22 кото-
рая позволяет ясяоаьзовать систему уравнения для расчетных оце-
нок умряох дайлена* а оптскнах трубопровода я проималеаная сис-
тем при гейзерная выбросах криогенная пакостей
Гейзерная эффект яезкякает в крупами система! заправки
танливная веков, сопрккеа с ввариянши ситуациями. Протекание
процесса определяется структурой двухфазного потока.
При транспортировании ко трубам нриогеыкоя намости в ряде
еяучаев (больмие числа Реяаоньдса, Фрудда, расчета можно прово-
дить по равновесной модели, не учит^веннея структуру потока
(уравнения (2.*)).
Например, результата расчетов основных параметров
криогенной кидкости, двихуцеяся по длиавому горизонтальному
трубопроводу, приведена на рис. 2.27. Эксперимента проводились
на азоте, Z « 15 и, 50 = 2,34 ин, 4L » 30 Вт, 6 =Л10 кг/с,
- Z'lO5" Па, Iff - 7.7 Порвав 4 и хилкость нагрева-
ется до температура яасацевия 7$ °) После ее закипания уневьаа-
втса плотность смеси» соответственно увеличиваете* скорость. По
сравявлив о трением однофазного потока трение в двухфазном уве-
личилось в 30 рав. Больвие числа Фр у да говорят о том, что тече-
ние симметрично относительно оси кавада, нет раваацего влияния
гравитационнмх сил. По мере продвикевия по обогреваемому кавалу
видностъ лспаряется. Раочетвмя перепад давления отличается от
Рио. 2.20. Принципиядчая схема стенда и охема установки
измерительных приборов
I - экспериментальный вертикальный руспров *’
2 - перекрывания арматура; 3 - в ьнуар;
4 - питательный Резервуар. _ к дая из
TI-T6 - датчики тедт®?а^з0пвуаре; д Р - датчики дл,
ния давления в верхнем ре ер J уровням; Ро - дятт, ,
измерения перепада давления р тупике.
для измерения ударного давления
-88-
Рио. 2.23. Изменение вноотн прогретого слоя Н и па рос оде
N гания в нем so времени. Нтр в 12 2 м, d = 0,1 Ы,
g Рр » ОД МПа, Qo - 140 Вт.
® —- - ресчет; О - экспериментальные точки,
лавинное парообразование в трубопроводе.
I
$
I
Pho. 2.24. Изменение перепадов пял<я.нмй по высоте в давленая в’тупике
эксперяиаительного трубопровода; Н 10,5 м; d- 50 мм.
a)
Рио. .25 i Лэерннй аффект
а) пузырьковое кипение, б) снарядный неким;
в) гидроудар во время обратного заполнения трубопровода
6
Р-КГПа
2.0
Q^canst
1.0
06
0.2
О
ТК
Si
80
sao
I
<2
I
20
10
Tt(P)
6 8 Ю 12 14 / ff
Рио. 2.27. Иаменение оововнпх параметров потока при движении по обогреваемому
трубопроводу:^ I Л = It и, Й ж 2..Н.К. м, Qw т '0 Вт, G - Ю-"1 вг/с
Рпх = 2.10^ Па» Тьх «= 77 t, /*<^ж - G, • ««.феримент ЕЗЗ.
к
9<f
экспериментального на 12В. Расчета позволяют проводить диаг-
ностику потока, рожать прикладное задачи (выбор геометрия тру-
бопровода, расхода продукта при его транспортировке и т.д.
2.8. Оптино апл я реиимоа
даухфазвнх потоков
теоаообмеивмм вареметрам
Ио многообразия стружтур двухфаэввх аотожов можно вявелитд
регулярнее и нерегувяраке потоки. На рис. 2.28 обосвачеив лево
•горне размера Зотова: 55 - диаметр канала, d9- средний развар
явлечекия, 1 - среднее расстояние манду включениями. Боли фа:
хорово дисперсированы, характерной размер включения и средн:
d,*d
то поток будет регувяракм. В противном случае - в а ре г у в др
Среди регулярных, например, потов с развятям пузнрьковнм вяа
ином, квпельвяи коток. Поверхность теплообмена и них раз ли-
аве зависит от паросодеркавив и размера вклвчевмя и может вва
читсльво превыптъ тепвосодержанув поверхность трубопровода
Поэтому с точжи зрения интенсификации тевлообмева в система
газификации и вриостатировавиа, где парожиджоствве потоки явля-
юте я техвологичесжиии, регуварвие потови оптимально. Неperуляр-
има потоки имевт моиьвув теплопаредаввув поверхность, менее
техвологичвы.Например,при плевпчвом режиме ииджооть в пленке
хорово отводит тепло от стевяв канала,по невольная плоиадь теп*
лообмева примемся толииве плевжи депают этот режим в криогоми-
ж* мевое техвологичвмм.
Традкциояво для определения структуры
испольвувт карта режимов течении [ 4,
двухфазного потока
13 ] получевнме на
основании эжсперимоктальвмх давввх.
На жартах
границы возможных
свврядввх, вапельввх, влевочввх в их
структур - пузырьжо
модификация. Привци
пиалъного отлична карта ве имеет, во ови составпяатса для вовв-
ретвмх условия, в которых вх и следует применять. Мирово
кспольеуется диаграмма Веякера и ее модификации, г.к. выб-
раввве в кея коордияати достаточно физичны - учитычант соотно-
аепия расходов фаз, их плотность вязкость и поверхностное на-
твнение.на рис. 2.23 на диаграмме Веякера отмечены области оп-
тимальных регулярных потоков, в которых -целесообразно работать
эв счет выбора рекимвых параметров.
Основные параметры: род кидкостг (азот, кислород, гелия'и
та.), закон изменении внеивего теплопритока по длине кана-
ла Qtr иля авенаяа суммарная нагрузка JQw , ориентации ка-
нала! геометрии какала длина Л диаметр9, количество кана-
лов J( исходное давление Р, при необходимости допустимые по-
терн давления; стационарная раскол продукта 6 > явапазон ио-
не нения ааросодеркании в * кавале (в системах газификации
O.Ojf Z~& 1.0).
Уровень давления в системе определяет теплофизические
св-Яства - плотность, вязкость фаз, силу поверхпостыого иьтяхе-
•ия. которые ахопят в параметры Веякера. Лав.ением и ппросодзр-
хьикем овределяется воловевие линии фзэоосго переходи а -.стене
по осы абсцисс на диаграмме По осл ординат расходом по Пано-
ву канаву в шхоцадьв сечекия кавале. Изменяя, по возмокности.
количество варогеяерирувцик навалов и их диаметр , мохво
добиться более регулярной структуры потока. Многообразие струк-
тур двухфазных потоков определяет сложности в выборе неходких
параметров, ко оптимизация структуры двухфазного потока по ре-
гулярности соответстауекям выбором исходнмх величии позволит
Оолее качественно ранить еадечи термостатироравия и газифика-
ции.
Так, например, нерегулярная структура расслоенного гелио-
•ого потоке ухуднает теплообменные характеристики и качество
Термостатиреванка сверхпроводящих магнитов. В даином случае, не
«екая двуххавальвоя схемы криостатирования, использование к> чп
ла мекьмего диаметра умеяьнило бы тем-
-96
аеретуггн. • ре «доение а при увеличении паоо«одервааия
’Формиреаетъся жапелъвма *ov>M Уменьная диаметр канала, 'в
ет /читннетъ дожустлнмЯ перепад давлении. |в рис. ' привод
ра чет .«я кривая . в левад» С диаметром - ма.
позиция регулярности потоков мохао рессмотрег» и геяэ
вви »а*е«т. Ва вечвжьвжм в аве а в етааевааом трубопроводе а
и»даатсв вуэярьвовое кииеаие при атом фавн ди-таточяо ха
лспергиро«ажа осужествлье ся хоронив теплоотвод не обогре
нее моверхзостн и «данное нагревание объеме надвое-г
нежно считать регулярным. Гаи дальвеяием уаеп-чеги паре со
кажи пузврп - ааааачев, азуетс * «жр*д ’ лор
ив* сечение трубопрочоа» пот-к • ^пвоаит-ь явно в *я«
мваар ста.«* бе-еее в д~ етру i «Cons. .да- Л уме*-я-
.««чвьечсти теплообмен* Жарувчется плаааюе гечеаа» оиаааеое
ве«*н кядхос-» оаа носит бурава, взрывной харао»
Талин образе* рагу «яра-я п-’Жрькэаах трг-туоа м
точки эрчымя обесаече» я безожзсн: работа
трубопровод*»! с крногеиыоа тидж остью при останова ее две*
или Переход нерегулярному релину прпводкт к о» мкеоо
пых гидроди«чм-ь*ских процессов, х гейзере- »*<•«
Пожолитечавме результата по использовал<>• ре
рожапельяого потока били понучекм в исследонавввх >ромпл»
испаритеиях. Дла организации регуджрвого нарожапеньного ли
испопьэулт жасаджи с ребрами, располохеввве ы ввхматион Но»
же Еасаджз значительно увеличивает теплообмеиауа поиерхяог
формирует ячеистую струатуру объема жевала, осуцастгиса иех*
аичесиое дробление жидкости на ребрах, Формируя оптимальный i
рожапельнви поток.
При создании систем газификации и цриостатировавиа слгдуе
учитмвать, что регулприве двухфазные потохп оптиыальвы с точки
зрения теплоотвода от гревкен поверхности. Регуляркост может
обеспечиваться за счет ховстружтиавнх реивкии и ввбора рехиывнх
параметров.
-9?-
О
. ^ИрОЯвчтм» лву.*аэв»> ЭМ граев
В iM’cmwcm от постмаа»<мх вад«ч пр>.« еится цолаео-
вмться -а или •« voAtHR • ' табд представав км
режоеаам параметры яд. мод еле • рев по* аса л до двухтемпа-
ратураом х грек,в^ро«:твоя ер. • -речисденн ыеаа-
в«с«гмя«-аеремекмме я вид »••» - «ммк . а «лея ио ста я.
В рамках математика-вой *««»•• е фаз ва о«“’ «:еааим
реа.^мея ьм»ич«сжоя жарт вша распределения освомнмх па раме -роа
ем^мка хе емчаахв я да длине трубопровода оздает^я физическая
моймл* те чанам *хематиэ«цам /прокеяие хартия а движения про-
в-дятся там» образом что в а «ал я ат с я осюапе, реивюиие факто-
<*•-
Системяеи воддод к гидродинамика и теплообмену в варохид-
жос’-жвх потоках в хряогепих средах заключается в многоуровне-
вом математическом моделировании охветшвмдем практически все
возможные структуре двухфазного потока, освоваввои ка физи-
ческих особеккостях течении с ксвольэбеавием эаммкавиях жевяси-
костел.
Ва рис. 2.30 приведен* физические модели течения криоген-
пых парохидкоствых потоков, яа вях доказаны параметры фаз, их
силовое и пловом взаимодействие. Ва ряс. 2.30.1 показано раз-
витое пузырьковое кипение в потаяв - пуз яри равномерна переме-
жены в хидяости, имеют примерно одинаковые скорости, силу тре-
мия яа стенке кь «ала можно рассчитать с учетом поправок на
двухфазкость, все вяеввее тепло идет ка фаэовмя переход. Паро-
капельный поток в ячейках васадки испарителей (рис. 2.30.2)
такхе описывается в рамках равновесной модели, однако теплоот-
вод от ^Согреваемой поверхности определяется более сложным об-
разом с учетом парокапельяой структуры потока Уи a Pr, di,- j
Двухскоростяое течение расслоенного гелия в канале яаблю-
- 91-
Моде лад- ванне >,, фазных поток, и.
ПцодиввЯ**
Наименование
модели
’Код. уравнения
!урав-- сохранения
’.нений’
Т^кив- 1>эавиои
!^оть фаа. 'мне »ее.
Я5. *“еННЫв
I оон. 41-е
I йМИЬИМ< 1Л»
^^^емператураая
модель
5
два ур-я нераарнв-
НОСТИ,
ОДНО ур-е двивения
Два УР-я энергии
Т< 4
4. Двухскоростная
двухтемпературная
модель
(неравновесная)
6
два УР-я неразрив
[нооти
два УР-я кв®кеаия
'два ур-я анергии
T<
для ои<юи. 1
ТШ1 1 <B°® и "" ‘ I
“* O...U* для J
фаан.
ъ.нлк* л... -
повеян1 а .•эЖ*
к тризна •-’•
** дли каадлй 5-
»„»•<* н=
, .vwre *Ь. иавдсй
Qwi
Г/2. ~
Qm
мивфазное тр’^и . j
тепловой погод на ,
поверхн^~и * 1Де-
ла фаз.
T,>T^rs(p)
Продолжение таблицы
Наименование модели I- Кол-во уравне- ний Уравнения оохранения Пятен,ив- нооть фаз перехода Независи- 1 мне пере- 1 ценные ( 1 Основные замыкающие зависимости
5. Трехскоростная, двухтемпературная модель; «5; 9 Три уравнения не- разрывности Три ур-я движения Три ур-я анергии капли, /сСг)пдевка; Р, v3< Т,, Ъ/ ! - 1 й ле на отенке для пленки; Qw3- тепловой поток на стенке для пленки; f/2, Ga, ~ мевфааное трение, тепловой поток на поверхности раздела фал
-/02-
деетсж ври терностатироэеаии потока, например, конструкция -
бе и трубе Скорости фаз сукестнекко разливка, температура i
какова. Яя рис. 2.ЗЯ.3 покакова силы травил каждой фаза о с
rf канола и '-ила нехфазвого травив, которая , тормозит кек
ускоряет жидкость
фи всплытии снарядов ж оертикалькнх грувопроводах <<
уости «а» танке могут еуиествеиио етл Ипатьев вплоть до парат
«авиа плевка валкости ввив. О стенку какала трется товько а
кая фаза в ала вое ария икает ввенаия теплопрптов. Яя поверх ••
раздела ааа п-ва несовпадения скоростей возникает вала тра
(рис 2 3>.«)
В ранках наухтекнературноя кодеки можно описать капли
перегретой паре (рас. 2 30.б Вели скорости раз б*иэки (д-’С
точен больнее яаресолераеане), то трение на стенке можно оа
делите с учетам вмраам за фаз весть Тешюоол коток от сто
рас пре до воете к нежа* жидкость а я паром - разапе тенверат
жомпоаевтоп к их раздав теплофизичесжие снтйстза онрелел
разнив тешюпжитокя. и фазам (Л&,) к величина перегрева >
определяет те оно пряток к каплям, кнавимм ревноносиуе Тайнера
РТ-
В целом ряде задач приходится у «иввать дзухскеростаяе
двухтемпературные эффежти. 8апример, ж обогреваемом какая* тер-
мостатировения расслоенная гелия я перовом пространство ноже
существенно перегреваться, а это определяет качество тормоста-
тировапия. Е описанному зиме силовому взаимодеястпи» фае добав-
ляется и тепловое (рис.2.30.8).
В расслоениях потоках а щаклопннх трубопроводах танка воз-
никает рассогласование скоростей и температур. При некотором
угле наклона*, возможно по явленно встречного движения - такелаж
жидкость скатывается вниз, а пар двигателя противотоком вверх.
Следствием этого танке является температурное расслоение (рис.
2.30.7). Ори захолаживании трубопроводов и скорости и темпера-
туры Фав на начальном участке струпного течения существенно
различии, корректно описывать ето течение в ранках неравно-
- юз-
, «своя подели (рис. 2.30.6).
S трехкоицокевтвоя модели . чедует относить потов, состоя-
ла на плевки жидкости на стевие и парокапеяьвого кдра (рис.
Зри Вольной количества капель скорости пора и капель
р. .ер*> одинакова, а плевка “ползет* медленнее по стенке. При
длин каплях возможно рассогласование скоростей в потоке, это
-наедет к понеленив допоапительвоп сияв тропив во мекфаэвоя
оеерххости капля-пар. В даваои случае тревие на стевке для
каждой фаев сведется только в одной величине - тревие кидкоя
плевки о ставку и вневнин тепловой no-ок воспринимается только
этой компонентов. По оукествует трекие пара я капель о плавку я
тепаовоя поток к поверхности капель в плевки. Такая детализация
потока вуква, например, при ренеаии задачи о пересыхании плевки
кидкостя ва стевке я аварийном пережоге конструкции в АЭС
-tof-
&
о O
о °
b * £ О
1 f П F
Pic. 2.30.1. Пузырьковый поток
Рио. 2.30.2. Капельный
поток в нчейках-насадгаг
Рио. 2.30.3. ДвухокороотноЙ реоолоенный поток
-fOf-
Рио. 2.30.4. Двухокоростной саарядвыВ потов
Рво. 2.30,5. Капли в перегретом паре. Двухтеыперетуряая
Рио. 2.Э0.6. Днухокоростной расслоенный поток о перегретым паром
-Ю€-
асслоенный поток в ваклонвнх трубопроводах
Peo. 2.30.7.
Рно. 2.30.8. Струя жидкости в перегретом паре
двухтемпературная модель)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛВИХФАлНЫл ПОТОКЕ»
~юз-
Э АНАЛИЗ «СТАЦИОНАРНЫХ РВХИМОВ РАБОТУ КРИОГВНВЫХ СИСТ1М
С «АРОХИаХОСТЯНЯИ ПОТОКАМ»
Э. Таравтервие аестациопарвме режима
1а с та пип варим раж-мм возаяв-вт при вевотором ававаем воз-
жеяств-и аа рвботавмув систему. Ввемвеа воздечствие (воемуме-
anej пожат лить проиэаольямм и по величиям, и по характеру из-
иааыгиа во времеви.
вида возмг/яеамя в исследуемых системах о праве л ж-
ат-а -ядродеаваииесжоя природой движение криогнавмх сред. В од-
воАаэввх потоках могут жеваться скорость, давление, температура
нез-«ис *ам параметра) В двухфазных яобаважется оме я наросо-
Дирхааие. Таей» обреза», основные ваеаяив зонмумевия.
1. Иэмааапве скорости потока (или расхода продукта д£ i
Z Изменение даялехиж в система &Р .
3. Из ме па кие авоввои тепловое загрузки к каналам
4 В двухфазном вотохе - измввевие паросодержавяа.
В системах могут меввться, ваяример, скорость подами пото-
ка в магистраль, давление наддува в питательаом резервуаре, мо-
гут подклочаться или откликаться потребители продукта Давление
в системе нохет меняться вследствие язмекевия параметров в реф-
рижераторвоя установке, при срабатмвавии регуляторов. Изменение
тепловой загрузки возвижает при измевевии параметров тепловесу-
дея средн, выделении ввергни в жавалах термостатировааия, ухуд-
вевии качес изоляции криогенного оборудовавиа и тан далее.
Нее это реельмме практические ситуации, сопрявеввме с
трудностями эксплуатации систем на переходных режимах, такими,
как возникновение нерасчетных холебавия параметров, ухудыажие
качества термостатировааия, нежелательное испареаиа криогенной
жидвости в передаоцен магистрали. Силькме нагрузки могут приво-
дить и аварийным ситуациам с разруаекиам элементов конструкция.
Возможно взеимодеяствие коэмуцавцях фажторов, их одновременное
осуществление.
Для расчета вестециоварамх режимов требуется эедавие пара
метров воэмуиаввея нагрузки во времени в любом виде: графи
-Ы-
ческом, числовая, фуввциовальвоы. Проиэыодьвость воомукении и
их изаимодеиотвие обуславливает сложность в латрявиальность
второ влвоса задач, ях разнообразность и специфику.
Проыыылеивые сяствнм гаэифнкации, термостптиропавия я
гравспортироалч вхлочавт в соба нвоаоство элементов. В зависи-
мости от реалъвых условия эксплуатации воэмуиааяая вагруэха но-
ва т бвть прилокева so всея системе или в одеону иля весвольаяв
элементам. При Яровадакии расчетов необходимо выделять подсис-
тему, вослрияинавцуа кагрузху. Валрин-р, ва переходи» ревииах
в крупных системах газификации литатеаьвыя резервуар долвев
Сыть достаточно бояьвям длв того, чтобв колебания параметров в
магистралях ве влияли на параметра в вам. Поэтому еадача лока-
лизуется в пределах нагие трепе я. Пая влияние переходного про-
пасем ка работу рефряхераторе осуцествлвется черев его сборяив,
и если это достаточно больная' еихость, то пудьсадгяи параметров
сг«ахивевтсв, поэтому ио ж во ка утягивать работу рафряверетера.
«эрмальвое рассмотрения нестационарного рядима а отвелааом
вял менте енотами, дахе если именно в ному прилокеил ьозиунавная
нагрузка, теряет физические синев, т к. могут измениться жра-
на три потовой во всея системе. Ясхоля из физических сиобраяения
и цевок вада о крадя пить, где локализуется данное воэнуцезие
После втого проводится ехаматизецля вмбраввоя подсистема.
- пример, реальные магистрали ивеат мвохестао составных эненен-
тов: сильфоны, переходвихи и т.д. Оценив совротивяеиие никлого
"в них, надо иереяти и тахо я модели, которая имела бы раельвыя
Уровень сопротивления и ее модно бвло би описать ыатематически-
" зависимостями. При моделировании словвоя магистрали труОоп-
Р°>одом вадо учесть все местные сопротивления эа счет вхвива-
Лентвого увеличавия его сопротивления.
3. 2. Методы одевок возмуненяя, вносимых а система
I
После аваляэа вида вяевних возмукения, прилоааявнх
-но-
генвоя системе, нормируется физическая модевь нестационарного
реяима. Исходя из осовеавостея протачавия процессов, из имев-
кяяса зксперям.атачьвмх давних я ♦иэичесжих представления Да-
ется его качествеваое описание. Определяем, хав перераспределя-
ется анергия в потоже, яав распространяется возмунекие по
системе, жав менжвтса гидродинамические параметра (вектор ско-
рости урове.ъ давления и т.д. Эти пояснения будут развита в
«,5 г • .мах жа жоавретвмх примерах.
После этого следует разработать систему оповож вносимых
воз огив •«! - вольное оно или малое, плавное или резкое. Это
позема* сеоомзлирооеть математическую модель процесса, получат
результаты расчетом
Основам параметра систем-
1 Характерная ревмер - для исследуемого япассв свете,
зто алиям шмале
Z Характерное время система Определяем по средам став)
е варио я скорости потоп и длине канала
„ £
Г = -=
V
3. Время внесения воомуцевия - определяется эле вз-
воз действием. Ври закрытии клапана это реальное вревя срабат
вавия враматуря. При обогреве каналов териостатиров «пил опреде-
ляется тепловым потоком, материалом и толиивоя передавцея стен
ни. При колебаниях давления - период одного колебания.
4. Время распространения воэмуневия, т.е. время пробега
система акустической волвоя
г'= 4,
где - скорость ввука
Изменение расхода продукта, При отключении потребителей,
т.е. изменении расхода потоке, надо сравнить реальное врейв
срабатывания арматуры (в крупных системах гвэификации оно мень"
-///-
е пасвортного и окределкетса сопротмелевием всея сметены я
устройством клалаяа; с временам пробега авустическоя аолвоа
енотами.Веян
то система подвергается сильному возмуке кив, при этом
«утренняя аваргиа остова переводит в потевциельву» аиаргив
давления Освобождается эвергяя положении молекул, л результате
меняется плотнооть вепествв. Следует учитывать сжимаемость сред
жидкое. газообразная, двухфазной. Опрадеавввями даливтся вол-
ков не аффекты. I системах воэвякает значительвое довмвевие даа-
яения, а больной протяженность магистралеа я наличие двухфазно-
го потока обуславливает длительность лераходного процесса с
больной амплитудал давления. В03мокни евариявве рехими работа,
солроаохдаввиесв разруневиеи систем, ааруаеаеем их герметичнос-
ти л проливом криогенного продукта.
При плавном парежрнтяи арматуры
£* » «* *
возможна хежоторна сравнительно иабольане колабааия иереметрое.
Жидкость - уже ие сжимаемая среда, спроделявнями стаисьarcв та-
кие факторы, жак ее ииердиааиость, устройство испаритеяея.
Нетривиальиость расчета V в случае гаэифмкациоввмх сме-
тен заклинается в определении времени распрострааевяа возмуне-
кив через двухфазная латок. На зтом участке скорость звука ва-
киент от перооодервавик и составляет десятки метров “*
10 ' 30 м/с (Й ]. Воэмуневия скорости и давления перекосятся
Со скоростью звуке, а волна плотности (поросодержания - со
скоростью потока. Повтомт характерное время распространения
’“’иуневия через двухфазный участок валяется в роменек уставо-
,п’апя стационарного профиля пвросадержааия и определяется по
TpQ -
Длине и средноя стациаварпоя скорости парохидхостяого по-
В жруааах гаэм*яжавиоаиая система* ф* составляет оежупдм
аа<фтмер ада система, ааисавлоя в раздели 1 (таОл.1.1)
Г* t , 300 - 3 г
SOG 05 352. ~ 3 С'
тт* сражаемо с араааваа ааармтия жлепаяе. Э результате воевав*
ет эаачгге»аое оовавение лавлеаяя и системе я аварвявая р«Ч
забота.
Дзмеаевме ваепиая тепловой иагруэжи. Вря ааесеаии те алом
аа.-ртэая терма стеажи наиааа аадо о не акта аасвоаьао ате смааа
жоэмупение, т.е. определить, ежоаьио вале таваа aQ ятобв я
емс ять температуру стелам аа вежоторув яервжтераув дал вроем
ееляяяау аТ
где масса стевож жааааов, Cw *- вх теплоемжость.
Тах для навалов жриостатяровааяя я УВК при стаОадьвоя равав
жогда вот жвевча, АТ оцеаввается в деоятве долм I'B
дуса дТ 0,1 К. Зваа материал в манера жааапов (т.е.Л,^^
и ввеввво вагрузжу aQ пра цижаировавяи вагруэжя в зестацяоМ
рвом режиме можно определить харажтервое ярема процессе
t» ~/03-r0t' С.
С другом сторона по стационарным расчетам при данном уро**
теплопритожов
tt « 4- = - /ЗОО с
О, л п/С
Ввосимвп ваг ру а же сроааительао вевелижа - ве амзввает волвоо*1'
ударяй* вежипавия. Хиджость описмяается в рамке* аесяимао>>2
-*3-
средд.
Ври ывеаче уровень тенлопритояов возрастеет настолько, Ч’
t ~ 1С - 100 с ДГизмарве гак ужо градусами ааблодаетса резкое
аекянекиа и позякакие дазления.
Изменение давления а система. В ясследуемнх системах днв-
вение может меняться. Дппррмер, может паеево умекьматьск давле-
ние наддуве а питатеяь резервуаре системы газификации а за-
висимости от работы енотом» наддува, может меряться давление в
сборнике рефрижераторе в зависимости от работа компрессора. Од-
аако резких, взрваных павнкеьия давление, как вжекион возмуцао-
жея нагрузки «пепяажьдо сондаваамся, о системах- газифижапим,
роаснортировки и тярмостетиоованив практически ко бывает.
Тправодливи до пуке ан а о «ввэист - попервости дазде»
Возмумеаит no ЛР а спетому вкосятся со скоростъв звук.,
вето му Mi его оценки надо сравнить время апесояи* яозмумемия
ю аР (период жолебаеия или щи P‘^Dnst/ 1^-»оо) с Т* В д-хнкем
। пасса аистев
Используя обиув систему диффереици»яь«ых уравнения течения
мвогофаэинх сред 2.2 иожао получить ряд ояемок •аамуиепия
8 ). Веди IJ- 2%, ТО
dt T, с £
и распределение снороотоя и Давления имеет коазнстациоЕарнм ха-
гк ктор.
Зестационарные режимы в реальных нроивылеыних системах
многообразны по нротекааип и сложны по сути, по они црвктмчвежи
еуиествупт и онредалявт работоспособность оборуповавка.
Изложежнме метопа оценок вносимых воэмуменни кащцу с Фи-
зическими внепериментами могут служить основой дли создания ма-
гматических мопехея и расчетных методик.
-t"-
4 В8СТАЦИОНЛРЯЫ8 PSXMMK РлИОТИ систем ГАЗИФИКЛЦИ .
4 1 РозуПжТатм пренмндемнмх испытания
Система гаэяфинапни тредипноная ода крисгеаюя тахавжи, и
от малек (с длиною подвоя-пих негнстрадея в несколько метров)
да самах холлах, зксплуатируажихся на космо-роив "Ваихоаур",
-ров» яспоаазунтся ва араятияе. Умечитеяьнав протяженность ин-
гистраляе в аих об/-лоял-н- »вовооопаслости.
Яшмааажо рас» х« потов- i »вг«г -ие, умевьяеаие паи
•ное .««ршлае го паяя продукта хараегернм ДЛЯ нестапиовар-
логч режима «мс-ем г«>пфяа»лии
8 атацимараом режиме работа кидния кряогевныя продукт
хранятся в ре.ерауара 1 рас. 4.1). Ва трубоерояоду I с вакуум-
ной аоо'-апхея он ааааатса в ясварятадв 3, где жадность под
.•Яств же и ааеаяаго темоератожа газифицируется, гея г роется до
рабочая температур п по неязояироваыному трубопроводу 4 пода-
ется в блок кладовая 5 у летребитела. За рис. 4.1 В при«ядопо
измеаеиае температуря азота до длина магистралея. За жидкостном
участке осунествляется практически изотермическое движение •-
реохяакдежноя киджоств 3 ясаарктеяе, состояием не нескольких
сотев парогенерируюжих каналов ддипоя 2,3 и, осуиествляатся
"тепловой скачок*. На нензояировамлом участие газового трубоп-
ровода температура азота весаолько понижается.
Опытны 1утем Выло устаиовлево, что при отклонении потре-
бителей в гееификационных системах возникают полебааия давле-
ния. Отключение или пераключевие потрабителея приводит к изме-
нению расхода потока Ьб (или его скорости). Натурвмя
вжсаериневт иачивэися в период стебильаоя роботы оистемм при
уставовивмихсв значениях давления, расхода к температур» па
всех участках оистемм. За 3 минуты до отключения потребителя
вачивалась непрерывная запись осаоввых параметров продуете с
еидеоковтрольяого устройства системы управления и включалась
вепрерываав печать - запись массива ивтерасуюмих данных.
В ходе експеримовтов фиксировался момент подачи команд**
-Iff-
через систему управление на закрытие пвеемоклп ка у потребите-
ле к момент полного его знкратиа. Сеема установки измерятеаьных
приборок покована на рис. 4.Z. Сравнение еасперимсвтальиых дво-
ек х при откпвчввпи потребителя похавало их висохув сходимость
что позволнет говорить о достоинстве начальных уоиолия оксвари-
мяитв и удовлетворительное метонике намерения.
На рис. 4.3 показан< изменение двввеаин в газовой маги
рани при перекратки одного ко двух аланинов потребителя аа вре-
мя 'Р’/п, ° 40 о. Стрелкой отмечен момент подачи сигнала аа зак-
рытие клапана. Криваа описывает затухввыие колебании с ввиболь-
нам первым пином даенвниа.
На рис. 4.4 нрихедево изменение давления в еаояои нагие
вежи ври паскедояательиоы срабатввании двух клапанов. В резуль-
тате заиокениа колебании аовмокво повторное усиленна амплитуды,
коатому нри внснлтатапяи систем надо так вабирать время между
сигналами на еаорнтиа клапанов, чтобв аааожеоиа допевания бмао
мим ныалы>им
Яругой особенаестьо переходного процессы является то, что
дямкеыие в системе иачилеет уяеякчиеат.си во с вшеита вакры*не
ишака (нашло ааякеаил тарелки или доаачм упрев л кеке го енгне-
в несколько позже, примерно с двух третей времени занрытиа
клапана. Это евпаао с больним сопротивлением аннон зенрааочноя
системы и а вхсполвапиальавм заколом изменение о противления
виевмоклапааа при равномерном ходе терелжи. Оежтмчвсяое время
срабатывания клапана менвиа паспортного.
В криогенных системах применяется в основном паевмоупрае-
яаемаа арматура. По отвомевив ж направление потока жидкости
возможны два варианта установки швавмоклапаяо: тарелка каапала
процессе перекрытия проходаого оочемия двпжетоя по яеправне-
“ив потока кидкости, и гидравлические сияя способствует более
быстрому срабатывание; тарелка клапана двинется против потока,
м гидравлические сила увеличивает время срабатнвввка. Поетому,
“₽« создании криогенных систем предпочтительна установка плов-
ttS
иожиавама таимы образом, ттоба в момент перекрмтин проходного
аге тареака перажакалапь против потока. Это поэволает
Занов пере критик магистрали (срабатнааеиа клнпавп) опреда
у • смета р немного оомумедяа t^G(v) . Зависимость сепро
ar агент ©го ы.крытхх аосит .вадратичаыл ха-
до 9 то му схемное ооэмуцевив можно хфедотаагмть в юи-
&
Ь0
»« кет привести к рез-
амплитуды » увеличение периода колеб<
он вас 4.S >ра атеа давление мошат араажсить жреаелько
-аустиаае прочвоетнме з•рантер*стики трубопроводов Опасность
хоаебател»л<
процесс.
рас. 4 . $
пролежав» ааьритша распечатка кемобавии навлекая
дом в иснаритель Гокебакжа температур» говорят о том
система возникает возвратно-п«ступатекьжоа дамка «и<
рнодически измеаяетса воправлеиве его движении ие резервуара
потребителе и обратао в питатольаня резервуар
Измевевие времели закрытия перокрнваяжея арматуры, то ест»
закона внесения возмужениж в одву и ту на систему, судестаежжо
влияет на пы^аметрн колебательного процесса, в в конечном итога
вжсплуатапии. Дан
на безаварийность ее работе я надежность
разменяв ва рис. 4.6 показаны колебания давлении в газовая ма-
гистрали при различии! Т^-4
Яа рис. 4.7 приведена расчетная хрипав, отдепавнав двув-
фазиув обивать от одво*азвоя а парогевсрирувжем канале при ааа-
читальных стационарных изменении! расхода. Из рисунка виднс>
что при изменении расхода ааота граница двухфазного потока сме-
жается, например яа 8 (что мало по отнокек*- | ко всея крио*
геввоя системе), во при атом образуется значительное количестве
-Н1-
пара. 3 гаадкотрубаых парогонерирувцих каналах акааогячвое сно-
вание границы S ле приводит л такому уоилелоаив геверация
пара. Испаритель в иомпаовсе со всея системой геверярует коле-
бание давления. Кроме того, па участие трубопровода пер.-д испь-
рятаивм и в самом покорителе аозвивевт циклические температур-
ите напряжения, обусловленные жолеваниами температура от нрио-
гаиноге уровни до температура горлчеЯ веди. При длительная
эксплуатации систем это такие может повлиять яа вх лрочвоствме
характеристики, капример, ва герметичьость сварных соединения.
ввтеясм*нвацив таплообмеве в капалах е гофрированноя
оросечвоя васадкоя обусловила увеличение амплитуда и периода
адеватя в системе ва вараходпмх режимах. Незначительные коле-
бьнпл гравиев двухфезвого потока в испарителе приводит к резко-
му усиления генерации пара, повмкемив даалеаия в системе и циж-
лячапвея смене тампературпмж иапракэния.
Таким образом, в ходе лроммалеввоя аксиуатация крупных
каисгеннвх с ютом бвло уставов лево, что ври отклмчеиии потреби-
*лж еоакяваат колебания дав ле кии. Они обусловлены эмачитеяьиоя
протижожностьв магистралей, больноя проиэводительеостье и ком
пактвостьа яспаржталея, кх влаимодеяствием с системой, временем
и вековом веярвтия перехрыяавцеа арматуры. Ври последовать льлоя
работе кпеяаиов вовможвл наложения пульсации и увеличение амл
лигула воззвания.
4.2. фиэичвокев природа колебеняя
В систанах газификации при отжлачевии потребителей перех-
Рпваптов бвожи ждапавое, во парогеверируякие какали остается
торвчимя и испарение продукта продолжается. Даялеяиэ в газовой
волости после испарителя повыпается, а п выходном коллекторе
Пс°аритепя становится Оольие, чем во входном коллекторе подачи
вхдхого азота. Под действием нового перепада давления хидлость
То₽ыоэитсл и оттесняется из испарителя. Но инерционность массы
**Д»ости в жидкосткоя магистрали еяачительлоя иротяхеааостя
ярчводчт к ее повторному забросу а трувжи перогенерируювих же-I
налов во тора, вмеат хорово развитую и горячую поверхность. По-
лтину опять образуется значительное яоличество дара и опять по-1
вамтс в давление в газовой магистрали. Периодические колеОаниа
овторяатся, во ужа о меяьмея амплитудой (диссипация анергии
яэ-ео трояна в хеяностноя магистрали) Я тая до полаоя останое-4
яя жжджостя
4.3. Гидродикаомчесжая модель
Эаеягее яоемпеане. сямьаяиоа с изменением расжода потом
д G яроходят «чрез всю систему До питательаого реаервуара. м
том часяе и через двужфчмамя по то я я испарителе. В о двоя и ем
во системе геометрия) я оря теж ве параметрах давхенае мм
жея) могут аоэяияеть суяествеипо р минчане ш> веаичяве xowM
имя что адлоалачжо определяется ваенаем возмужанием. В зааьевт
мостя от ♦ из иное жиж вропассов меиштся я ммеемотячесжие модоям
нря яяавоем уме-ьмоаии расжода можно непольооветь модель темам
лого слачяа, при бастром аараярмтян навалов, даже оря - ’"’Ч
длине двухфаев о участив, следует учитывать его нараметрм d
определять измолеале пвросодервавия по длине и во временя
Граница ровдела между жидяостью л газом приводится на ям
рогеиерпруюдио ханали. Хараятерамя размер испарителя (ваг «И
саляи в парогаверируюяея трубке) составляет 0,004 ы. При пл»»*
нои умевьиеяии расходе даикув сястему мояно описать хая
аесяимаомую инерционную массу яидяости и газ переменной плот-
нести.
Не рис. 4.8. р пояееане расчетная модель яриогонвоя систем
мп. При отнлвче1П1И потребителей периодичесян меняется сясрость
еяброса яидяости в испаритель (сечение А-А), масса испаржюиеяся
а ием яилхости, а следовстельно, и количество генерируемого па-
ра, то есть его плотность и давление. Тая кая хароятеркмя раз-
мер в газифиваторе меаьме длины жидяостнои магистрам»
в ~ 1J4 раз, то сменеаиа гралядм между г кхсстью и газом, ко'
-ИЗ-
торсе при колебаниях давления сравнимо а магом анселки, пренеб-
режимо мало. Расчетная схема системы приведена на рис. 4.8
В рамках предложенная физическая модели нояебеиия могло
записать уравнения движевия вескимаемоя жидкости в изотерым-
-ссжсм трубопроводу, неразрмвности - в газовой магнетраам м
учесть перепад давления трубках испарителя с двухфазным вотс-
ком:
Р -х 14 *>
' 7 ле z ъ
VS^’ ?CviSt-?Svpl.
ГД-
w«,
К-s - объем и пло<адь сечения трубапровода; р • сида трения;
чэ - давление е питательном резервуаре; - давление на вы-
коде из жидкостного участка;К - коеффициент сопротивления для
соотаетотвувкего участка.
При записи второго уравнения системы (4.1) принято, что
Расход в начале газовой магистрали равен расходу в киджастноч
кегмотрали (поскольку массой газа и жидкости в газификаторе
Можно пренебречь в силу его малых размеров).
Расход на выходе из газовой магистрали опре-
деляется по захову закрытии клапанов и считается заданной фуив-
Диеи времени ^(^)*
Времл установления стеционерямх значении параметров двух
♦взиой смеси в газификаторе много мевьме характерного времени
-SodoBtfo
-sad an
(е»>
vui хэаии Busaaaedf ojoa
o-iaaaXaxaxoaxoos ounoaod а еадо ‘чхэвь aXmtaa акХв аЛв
хаеии aMaeaaadX О4омэаыы.эмаелав4ах Bstdos ап жох
Y77 + - У
•«J
,VP
nvtfvdon ojodoxi
«мчянаедД коекгоп ‘аивеивяи гивавслси чхэоивв вХнчиахиэояхо
е»аихмьЛ 'вми»1сх1и1п*о<1эф4ип ojOByort и voaoisxoVoa мэоц
M«eRodfi хн»ном UHBrtBhvs nvdxaNBdnn хоАялэхэахооо о эхэ#ым cVj
ff № 7
:(илронлоип хмяоиснои яваилмкЛ ап) хивволаоо оцовчмеыш
аиалиэонло ш/ tmiMuat и j *»s»dl tuus наЛсийиоаив (fr'*)
(I ’fc) аиолэмо axBoned олохээьвлииввс вивеввШаЛм з«3
tut, т,
• г«£» 4» 7 d
* ♦ ' Ч 9д >7
«сам 8оэп oja хп аал *«пл MMBdexM жлаьЛ а-о вэчиЛпяв
icBBBdX ы аолааиааайво ввйолаа •«охва х ааоха ах ммгиаи
-.W мгваа млэавеаЛ ааааавоа ввавв у вакааахаа вмкгай- а -вг
-оха ва нвмвевсва <ахвя члэовсва аяолавп 'Лавам Лвожаява ов
• элааааа аагввлаамва аоаосвл а вимааваи сл. ‘аалввла* ansadj
•ввехэмэ илэопааооэа «ж»клхЛАлэввх а авв.
• ваядооапал ивааиажлмьЛ
onada лваяок вкваввьев
мв ап вл а 1ВВЛВСВЯ0И ижЛолоаав - Д? на
а алэовловк и амеивва «л
' (o!L ,Od
J 4Г/ = 7
ввмПааЛ*
воввеиело нависа j иивйлаилеи возоавл в аваевазв eencado
(«’»)
гвлэоавхх BVersad
ла влоамиоваво вмаоиоЛ хпвдомомпвло в Л мввоьХиои оавзвлхьв
-ndевэха ос asewMBoaaduo вйалваафисвл вмуэхохна ва а сваха
ан вихевава cxooaced Лнолвсп •(випвзхилс ааомаеь) кнаадавох
-Otf-
wt-
Лвеяиа полученного реиехяя пожазаа, что период жопебакия
мааткааски ве зависят ат сид трения, которые в ословком влисвт
>« ярем* затухания. 1 «тому пояучаввое ааааитическоа ранение
пемвяльао о писана ет верное колебания при конечном измеммии
еж-росте. Ко эасаеримеатальвоя яривоя Вил найден период колеба-
ние ко lopua исполчэсеепп ала определенна единственного неиэ-
-естаого параметра в системе- •ват-'- -тепе«н в уравнении
4.3’
Реадьква газяфиквционныо истоми имеют ала правило,
•есао-веао потребителей п-раллельнммй чэовнми участками со
<*>и геоветраая с разделениями потока слияниями, лереход-
•«•*ми сильфонам* и т а. К них идет теплообмен меаду перетра-
тим < >« я оаргвммек средой- В веста .жожарких условиях обме
гаэ-еоея иагистралм может ,-яитмсв за счет других яотребитеаеа.
Вс* эти осэбоавостя а одкомараяа постановке задачи учетнвоется
северяне аташнам коэффициентом X > 0,30...0,32, которая сера-
аедаяв для веяного в*асса систем в области помонеииа парамет-
ров: каины системы Z= 10^ -(2...3} • 10^ м, Рд » 0,7.-.2,0 НПа,
G а б... 15 кг/с.
Поена определения показателя степени X расчета уравнения
(4.1) - (4.4) проводились численным методом с иооользовеаим
эан.
Практический результат полученного аналитического реиовил
заклинается в следувием: время затухания аолеОания давления оп-
ределяется ;рциоквмми членами, то есть траяием в кидкоствои
магистрали и а испарителе. Поэтому чем больае длина кидаостноя
агистрелн, тем медленнее затухают в системе яолеОаяия. Таким
образом, для устранения колебаяип в системе испарители следует
располагать по возможности ближе а резервуару. На рис. 4.Н по-
каз ено влияние длина жидкостной магистрали ,с максимальное уве-
личение давления в системе.
Результата расчетов, сравнение с испнтаниаии.
ггз-
Дла вапслнекик практических расчетов па уравне*- *ям исполь-
зовались числекаве метода и ЭВМ, так хак внапитичесхое рекени
громоздко, тем белее в случае аелокеаиж возыунехяй, то есть
последовательного срабатывании клапанов.
Рассмотрим некоторае особевнссти исследуемых систем
Род жидкости.
Комплекс исслвдовен^п был выполнен на азоте, однако ре
зультатм можно использовать и длв аислорсда, таж жав он близок
ж азоту по теилофязичесжим свойствам. Расчета аа других крио-
генных хидкостжх весьма проблематичны (водород, гелия), требует
дополнительвях исследований, ио, учитиваа их мзлуо молекулярную
«весу (что умеиьнает ниарвиоиность жидкости), можно предпол-
жить, что иоиебательвни процесс же приведет а значительному
росту давлеаик а системах газификации.
Исходный уронен* давлении.
Испатеияж ха системе газификации, рвботаюиьа в комплексе
о У
'«урви-Энергии", проводились при г 16...12 10 Па
достаточно далеком от критического состожаиж ( Pfp 34*
f
10 Пе', коатому использовалась модель идеального гвач Значи-
тельное изменение давяекиа в системах потребует корректировки
Ия реальность газа, приведет к изменение показателя стеаеин а
иолитровиои провесе**.
Изменение сопротивления магистралей па, лереходнои рекиме
Местные сопротивления системы иеодкородпи, их зависимость
от скорости потока иыеот сложный характер к может задаваться не
авалитичесжом виде, в в табличном. Поэтому суиестпует
несколько путей реаевин этой задачи Один из способов - когда
по новой скорости (в некоторый фиксированный момент времени) по
оправочным данным определяем хвазистадиовэрноа суыыарвсе сопро-
тивление, ао в этом случае возникает сложности с использованием
ЭВМ,
-Mt-
1р,гои способ нинеаризуем суммарное сопротиялевне по из-
остимму стационарному значению л вулевоя точке.
Кроме того, мокко внестг некоторую фиктивную длину учвсг-
[в что позволит не учитывать многообразные сопротивления. в
«том случае мокко жсжользовать аналитические зависимости, нап-
ример формулу Блазиуса [В]
пленив колебания,
Для численного решения исходное системы уравнения исполь
зожалея раз а четам я схема Дифференциальные уравнения пре-
образуются в систему алгебраических, и по еле до в а та ль ко во вре-
мени определяются основало карами три ' давление, скорость, плот-
весть я др по известным значениям «а преаыдунем жаге.
На рис. 4.11 показано сравнение экспериментальных реэ
татов катуркых иенктаиия с расчетами по изложенной методике
при Ъ = 0,30. Максимальное отклонение днялехия не превваяет IS
201. Предложенная модель позволяет рассчитать и первая «к
давления, и аса кривую затухающих колебания в системе.
Практические интерес вызывает ситуация при
последователь-
ном срабатывании нескольких клапанов. На рис.
показано
сравнение результатов испытания с расчетами при
последователь^
ном лерекры л двух клапанов у потребителя. Закон закрытия по-
казан яа рис. 4.12 б: после стационарной работы системы порок-
мяается один из двух клапанов (в "нулевом" приближении считаем
расход уменьмивяимся до половины), а через 70 с - другой до
полного отуочееиа потребителя. Скорость двикеник жидкости яз
резервуара периодически умеиьнеетсд (рис.
а при надо-
жевии колебания жидкэстноя поток останавливается и затекает •
питательный резервуар. Плотность газа во время колебательного
процесса также меняется (на 20 - 30%), т.е. он ведет себе х>й
костная пружина.
-I25--
•‘взработавнак гидродииныическвя модель поаволяат проводить
численные эксперименты к рассчитывать возможные практические
ситуации. Так, если вместо одного клапана закрыть сразу два и
уменьшить расход аэота до нуля, то амплитуда колебании увели-
чите! аа 20-30%.
На рис. 4.13 показано влияние времени между подачей сигна-
лов на закрытие двух клапанов на повторное увеличение амплитуды
давление при наложении колебании. Так как усиление амплитуды
явление нежелательное при эксплуатации систем, то интерчал дол-
жен быть достаточно больниц
4 Г U .
В этом случае амплитуда повторного усиленна давления ае
провисит амплитуду первого пика.
4.4. Критериальным анализ
<ритериадьиая форма записи уравнения потаелзот глуОян ори
-яалиэиронать физические особенности процессов. получи гь .боб
«войне зависимости.
Введем некоторые масвтабвме (или аарактернме) величием и
обозначим их индексом * .тогда безразмерное давиечяе примет
следувния вид:
Р " текуказ величине. Аналогично после введения масштабов
•пл времени и скорости
£ = -t ;
i tr*
“реооразуем уравнение движения гидкости:
ч/ dir _ <• + Ц-Рр
?eMl i* & ? z ре(к‘)г
~/16-
ООразуем веэреемериме вомплежсв
А в х •
|r*Z* ‘
---7-ЛХ -
У
,„инеем уравнение движении в ОеэрвзмврвоМ виде:
JAe л1 ‘ Z
подучим:
Г
где - скорость звука.
И, рааекии уравверия «-в) »"«->• ’•’• «о-»-"- гМ
«виновных системах »а»яскт слей— оОрезом от следуааах .
мэтров:
P*f(t, 5„ SCt //, Z;, Po . Ъ . *.
G л, dGa./d-t),
„ есть от apowaaa. гео-отрии системы, асходвого уровиа
виа, процессов в газовой волости, влотвости расового »«*’ств
совротивлолил инервиоввых уавствов и характеристик «лвпакв.
вив оОравуатса слодуи.ие паз.висивыо Оозразмерныо параввтрм
7-1- • 5 = Ц
S*1
5
-ni-
ъ
£
я- 4
RSk- Л к g
Следовательно в Оез раз норной виде
Р = / J, v Eul t 5К^ , Rej
(« 9)
ЕоаеОатеяьлыл нроцесс Опре до л веге я беаразмериым арваелеы
длияой я числами Эявера, Отражала я Рейнольдса.
Полученвяе результата ыояио овоСнытъ во хритирма Струхала
$h = ТП ,
т е. сравнить хвреятерное ареал затухаыия аолеОаяия в система с
Дреаевем заярытия алапапа. Анализ вромывлеввнх систем полазав,
'ТО если Я^/10, то в яих вавлпдаетоя аварийная режиа
₽*Оотв со эвачительними аиплитудами и периодов холевапиЯ. Сле-
дует учитывать схимаеиость среды.
Если 10 <s А4^/80 - 100,Т^>Т*, то зоэвииает пульсационная
[ча и яолеОавия давления одисываатся в раанах средлохеьноя
Дели: весжимаеыая хидяость и газ переыеввоя плотности. Гази-
*и*атор описывается схемоя окачяа.
Если Л^ЛОО, Ve^>T* то врахтичесяое отсутствие яолеваняя
'в*леаия в системе.
-м-
Тыжиы образом. ДЛЯ безопаской эксплуатации гаэкфикациокнык
истеа и ври оледи*а косах следует еибират» такие динамические
характеристики --апорао-регулирувиея арматуры, которая обеспечат
безаварийность работа сметам. По критерия Струхале мокво опре-
ла лит* ретин работе и область пректического отсутстаиа колеба-
Физическая суть пропосса опиемвается тремя безразмерными
числеям - Эялсра, Струхаля и Реявольдса, которая характеризует
рахоя киявтннесжоЯ в«оргии
потенциальную
энергию
соотномевле хлрлжтерчого времени исследуемых
гаэифи-
жапиожжях систем и скорости эн уже,
ввэжостнсе
тревие
Проаедеквми критериальный
ввалив
жоееожеет глубже аожжть иехэкиим вестацисварыого режима
работе
4.5. Волвовал
стадия аварийное работа систем.
сведует
среды.
5? Т G
Оря ^gi Ю и
Z
Приваты следувкие обозначения: X - аидкоствоя участок; 0
двухфазиыЯ поток в испарителе; Т - однофаэвмя подогреааеммя ли
ток в испарителе; G - газовый участок. Для описания двикени
однофазных потоков следует использовать полнуе систему диффе
реациапьиых уравнения сохранения массы, импульса и >керг”"
(кроме участка с изотермическим дьикеаием видкости, гв*
уравнение токдествеяко обратится в холь).
кваэидиворгектвоя форме имеет
Уравнения гидродиаамики
вид:
-аэ-
где
Bonsai удельаая звергия; Q. - ввемвии тепло притек,
•ijjy Иссиедовамиви числеимих методов ремеиия крвевих задач пос-
ааеав оОаириаж житература [4, 8, 10 ], «отораа относится а
спецмавьлмм рея топам матеиативи. Современное развитие в.чиспи-
тальвоя тажниви позволяет исмолъаоаатъ результата этих работ
вря реаеаия практических задач. -Ждя ранения ымогомерямх задач,
аиисаяапаих процесса гидродинамики, испо-ннунтса разнообразная
метопа и вм-*1слитежьлые схема: метод характеристик, арогоажа м
т.д. [10]. При зтом ааходатса резонна в точна» зекоторого мжо-
жестаа, повиваемого сеткоя, а дмфферонциавьиао урачаемиа ваме-
нватеа алгебраическими.
При режевии уравлеаип гидродпвемижи, эаписаипях в аввэиди-
верговтвоя форме, хороиие реауяьтатм дает кспояьзоваиие двухва-
говоя схемы Лакса-Веидроффа [10}. Основные уравнение прадстаь
йена в виде законов сохравевия: каждая комвовента является ее-
яичиноя, отнвсевноЯ к едивице объема! если слоя закличем иек-
Ах X/ и 4g , то ионное величество • in величины на единицу пло-
А*Дя слоя роемо интегралу от атоя компоненты. Разностные урав-
Аалиа имеат второй порядок точности, и для гиперболических
*Равиядип гидродиаамики схема устойчива. Яостоивство метода
»»жса-Вевдроффа состоит В том, что разностные уравнение то
““ниоанм в виде ураввеяии сохранение, позтому величиям, сохра-
-130-
iaw> ao дяффероацпальввм раваенивм, в то"1<ит>| согреваются и
резкмствов форме.
Суть метода зекчечаетсх следуемом.
Сямчала а цовтрах арвмоугольвих ячеек а плоскости
кмчясаматся арсмеяуточямо вяачевяя вектора
Осяевнае дараиетри $,^3 осракалаам а лвОоя момект, вре-
мевя ва лввоя «ограняете (даумервав аадача
ОсоОеввостьв яспояьвовапоя схема валяется то.
что условно
устоячнвостя имеет вид
bt
дх
(4.12)
то есть на* по времени свазаа с нагом по координате через ско-
рость звука, что обуславливает малые наги и увеличение мавинно-
го гремеои.
По схеме Лан:а-0ввдро|фа иоявлнетсв правая дополнительная
ячг'ка. На газовом участке она описывает работу клапана,
т.е , на жидкостном - ее яедо "снивать" с двухфпэням по-
током по уравнениям сохранения.
Уравнения нестационарного двухфазного потока эапимем я
раеновесвоя постановке:
-ш-
д(рм . у) ,
dt dz “ '
+ ^4^ -
Л di *'Jtf'
-> i <4 13)
где
<4 * = w , f/-- <””b
fi"s ^nfpF
Ори расчете сям ереаня вводим поправит Нартмиежлп ( 4
Яатаисяавостъ перехода едва* фаза в другую Твплоп-
ритск опрелин до зависимости ( в* ) где #и*('Яе,
Таи ход длина двужрвового участка мгла, то иа*>леияа «амаемиа ч
скорости в вам опредоиаам во квааистваионарляпя уравиоаивм.
этом случае шси-гаО вастапиоварвости
что намного маньмо времени клапане (/T|q>'-6 — 40 с).
Дли объемной хе концентрации < чествааяо пе только эрема
распространении возиумекиа, но и вреин установления стационар-
ного профиля
1 AZ toi
Иоатоиу определим по явной схеме
-/32
+ //- rfJ ^ + &
‘ Ji”'v fa dl Я*1* <414>
Получайся уравнение аозналкат рассчитать^ в новом временном
слое ао известному нредндудему. По авдаииоя лавой Гранина
Vjni аС^ ) но системе уравнение, получеанса ин сложаниа
нс «сдана уравнения 4.13, где 0, лолуччм
г
<4tv ~+ p Ж? о po)^ fat ,
dp/Ji > di ,
S (4.15)
"37 * Л» 2z s ” ~ Pr*S
где
b (-£&/)
Опредедмм новям значения rf If, т. к. это скотома из двух /рав-
но ах а с двумя аоязвостаима
Печальвне и граничааа условна
Задание начальна! и гравичннж усаовия в ураакенивх гидро-
динамили обнчко на амэывват сомнения н линчуете» |изичесжими
соображениями. Но в более сложна» сжучаяж, а именно ж такому
следует от> ти лоставленнуа задачу, сдадует использовать чисто
математические соображения, основаниям as обних свойствах ха-
оактаристих.
..звестно, что вдоль кахдоя из характеристик остается постоянпоя
некоторая величина, вазнваоиав инвариантом Римавв [9]. Значе-
ние инвариантов
J/
^;зя zpvc ^Pt
где С - скорость звука.
Число независимых условия равно числу характеристик, входами» *
-/33-
облесть реиения.
характеристику,
н
Наприыер, правая граница у клапана имеет одну
яходянум в область радения X^V~C (см.схему).
Л/
6___________
Поэтому на этой граница существует одно независимое граничное
усдовив, ааприыар, скооость потока, определяемаа евконом тахрх*
тая клапана. Все другие параметра (f> Р > связанн со скоростьа
через инварианты Римана на соответстауэких характеристиках.
Аналогично уточнится границы для участков
Вачвльнне условия в задача опиомвавт стационарное течение
родувта по системе, т.е. в момент времени t = 0 определяется
значения всех физических параметров по длине всея магистрали.
аг счета по времени дця всея смстенн не должен правы
вать угла наклона характеристик
C+/VI
По участкам магистрали
* ООО/2 с
* Щ 5
bi*-
О Of иь
кяеэистапионарняя иодевь, т.п. длина однофазного подогре
в&емого потом в испаритедв аренебревимо маяв по сравнеаив
длинея всея системы газификапии.
= V00* с
s _3
Следовательно, для всея системы с.
Расчет давление при аварияноя работе системы Прометее lei
Достаточно слокнув, иетривиельиув мвухмернув задачу, требуюдув
больного объема менянной памяти и времени. Однако проведенные
Экспериментальные и теоретические исследования позволили олре
Делить границу волноьоя аварияноя работы систем. Поэтому расчет
-ш-
с учете 4 сжимаемости термит свое нрехтмчеснуа жеаность ( этой
хота в научаем плмае
На ряс. 4.14 показано влиавиа аренеал зехрнтиа клапана аа
iMaaaay* вмп туду жолабааия давления дла исследуемое гаэи-
фижаниоаноя сиг-ема при нережрмтии одного из двух хлапааов.
t - хареатервоа «рем* систем», эавтрихованнаа область - аяа
риямме режимы.
4 в. Практические вонрасн проектирования систем газифяннции
1 Спреде «ажяе грязней аваряяяоя
чесжое время сраОетжвеапп перожрмжажжжа
работа системы.
арматура, которое
<эо против неги а
доажио бить бельме
харажтерного времени
3
£
2. Кожструь .в всоарятела должна обеспечивать формирован!
альжоЯ, о то чаи аренах теплообмена, стружтурм мррнядяос
ноге потока ।
эового перехода.
раз акту а понврхл мт*
испояьвовавяе rypQyi
тора нотока в
виде аасадач о ребрани,
располоневяымм в аехее'
ном порядке.
Происходит механическое воздействие
нарока
костной поток
и формируется равновесная капельная структура.
Кроме того, аппарат должен иметь буферная объем, дампфиру
ониа холебваид давления.
3. Влияние длина жидкостное магистрали аа жоаебавяи давле
нив. Чем меньне длина хиджостаол нагиеграни до испариталан пр
постоааноп длина система, там манаае амплитуда и время ватухе
аиж жопебания давления.
При жонструнроваиии новых енотом испарители должай бать и°
возможности ближе распоаожонм ж хравилицам. Это умеаьнит иаор'
ционность яидкости, сглацит колебательная процесс.
4. Пережрывавцая арыатура. В аовых крупных системах це
яаеообрезво использовать клапан с торможени^и перехрыоавиеЯ те-
регжх иа последней частя хода.
Динамические характеристики запорю-регулируацея армвтуры
долины корректироваться по величине давления в газовой ыагист
рали. Например, ноэыояное конструктивное ременив проблемы регу-
лировки закона перекрытия клапава с обратной свгэьа приведено
на рис. 4.15.
5< Наложение колебания давления при последоветальвоя рабо-
те арматуры. Интервал времени А'Р' мекду подвчея сигналов ив
яанрнтие арматуры доляаи быть таким, чтобы не происходило пов-
торное усиление амплитуды колебания давления. Для двух клвпвлов
оданакового диаметра А Т 2 Ck
6. Нв основании описанных физино-мвтематических моделей
ооэданж программы расчета колебания давлениа в системах гаэифи-
нации при отвлечения потребителей. В зависимости от ваосииого
возмуменик, т.п. звкома перекрытия валорно pctупируанея риасу
рм следует использовать модель о сосредоточенными параметрам-
ееномерная модель или двухмерная ). Программы имеьт блочнув
структуру, однако двухмерная модель ве нередок сложнее, ребу
ется формирование массивов давления скоростеа, температур,
_дотностея и т.Д. Расчет ве параметров в безаварийном режиме
позволяет проводить предварительные оптямизапионимз оцекжи
вновь создаваемых систем по геометрии и вясплуатециоввым пара
метрам.
Заключение. Этот пример убедительво показывает, что воз-
можно проведение расчетов нестационарных режимов в реальных
крупяомасвтабных криогенных системах, иьевдих сложнув гео т
Ри®, однофазные и двухфазные потоки. На основании физической
сУти велений (возникновение иолэбении, их взаннолеяствие, обрн
*оавяке напольного потока н насадке) формируется модели, гипо
схеаатизации промивлеавоя
возмуцеаия позволило разрабо-
получить результата расчетов.
-/36-
Исподьэоаваие радиоаавьасл
листами, матоаоа оценок аненних
тать гидроданвыячесжие модеаи,
Отхлоаеаие расчетов от натуржах яспытваия ае прававаат 20*. что
подтверядачт праэяаъаост* вабраааах модален. Критериальная ана-
няз обобщает полученные зависимости.
Результата атоонееннах исследования ввили праитячесвое
прямеаеаяе. Чзиеаааиа времени срабатмвааиа клапанов у потреби-
ла я обеспечило беэааарияаость работы. Внасенн аоррехтивы в
вжсцщуатьпяоваув дожумаатацио, свизанвне с оптимальаам аоистру-
яровааивм гпифяааторов, парежрнваацаи арматура и расчетами при
поспедоемтельиом срабатывании ряда жлапааон, что увеличило па-
яв запеть а биэаа•рияжооть систем, работаеких в сяоааом раае —
во-посмичесаом посыоса "Эаергии-Нураа".
-/31-
Ржс.4.5. Изменение параметров в криогенной
гавв^вкацвонной системе при
аварийном режиме ее работы: о - вкопери-
ментальвм тотки;А-граиии конабанил
гавообравного прожгите ва дсходит до
места установки датчика ммперапри-
I -расчетное предельно-доцуспмое Дав-
-иение ддя оборхдсаания крвогевной га-
квфаацвовисв системы:
2 - верхиии дацтотхиш предел жжеваш
давшавл ва входе в обмхт-потребктедь.
й1°* 4"7* оотс®а8Я?
£»> стчгаяЯУТ^
®рёЯЛк и,(
•«• 4-?i веляя.’йиг-
Рве. 4.II. Сравнение экспериментов с расчетами
~ - висперименталъные точки;---------------расчет
+ - сигнал на закрытие клапана.
?ис. 4.10. Влияние расхода продукта на
максимальное увеличение давления в
системе, о - эксперимент;
—- ~ расчет.
-Н2-
Рю*л>
10,5
10,0
Д/wW
Рио. 4.12. Изменение параметр® в аиотеме при последовательном
орабативавжи двух жлапав®,
--о--о- - игоперимеят; - - расчет
-fts-
Рио.4.13 Влияние времени ДТ*“эвду подачей сигналов на
закрытие клапанов на колеовния давления, расчет
Рис 4 14. Влияние времени накрытая мапвиа
гис.ч.лч. амплитуду давления
№ враиж еиотеин;
ж - эксперимент; ——• - расчет
Рис 4 15 Принципиальная схема nHeBMO5$??®?5aJJ
"°* дёмпфароэениск поршня, пттем
мйидащей линии подаоригевов пмссет UU-
SaarassEs^S®’
да:
нами полость пневмопривода, ш-иав"*»'"*'"!,.
с Зв» регуляторе
К S 3 Э О М S
3 1 I и г I я
ч м « в и а*ин и и э •* 'З и
: : 5 8 1 : ? s ? ? s ? ? 8 ?
НЕСТАЦИОНАРННВ РВХ1ИЫ РАВОТН СИСТЕМ ВРИОСТАТИРОВАНИВ
аретохает во млад* ( 0 73 ж 0 80). Част» арямого одмофавного
»тожа мдаотоа в сераоавдвм аааааа, гм ев ожаавдмтея оОрег-
инм двухфовам мотелем годна, далауиамоа вротваотопом мем
Лрассавараааааа. Рмммвм а сдавим мтояа происходит черев
аааааа 0 а. Вмчо араостзтароваааа состомт ва 100-110 итуа мг-
амтеа. сатан* теаммя загружав словам образом мререояроде-
ямтеа мал* мтоавмм гадив.
ра ааасаваа в систему хриоствтироавнив аермдичесия мм-
авеммв таааоаоя негрузжи возможно поввяем а мроааомрвоа пи-
дачи гадав а сбораиж рофряхерьтора, даже его авариями авроаоа-
а io.
рем теге, даатепвестъ втого процесса (во техямчесжому
«ямам ХОФФ часов) маот примните а рмнваояна уреваа жид-
веети в офретма трубовремм с МУХфаввм га две и, в М ре грев у
вара и уху дм «ни жачостаа гернастатароваана - аааоть до ямам.
□сотому мало расчета яялмтоа оироммам осаоаааж гндро-
аааааачосажж мрамтров амтоан (двамваа. еверостн и т.д.) ера
жаааввм геемтрачесавх. Омачвсаах заремтрах а язвима тевае-
воа мгртзяе. «мам веамавоств мроаава вместе, вврогреаа
вара в инм в мтхфавам гейма.
Овроммвм ваяема тевмеоа мгррвжа
ООорваа рефразоретера вамаамтса гаама м тррфояреаам с
двухфаеам потехой. Таено аратов ж мм* м данм вамда вааячим
мремзваа л зависит от тепяооОмаа однофазного гвяад а сорао-
вндзах м я ад ах с реосдоввпма мжжфааямм зетовом. До на теамра-
'рвах рес«втсв ' тс. 6,3 а,в), вроводаявах я работе (11), сле-
дует, что вривцив оргвааавяяи гелионах аотожоа а СП-мгаятах
оОосоачиввет врехтичесха воетеявями тенлодратож во вооя длиав
ааваав с лвухфавамм геаием (2„»СОл$1 , ген хая отвоаовяе
измаваиа температуря гения во длине в оредмя томворатуре
составляет 1 - 2*.
Вовмуаамаа мгрулиа Л(3 везаихвет в моатрвяьвом ионоя-
роводе и свивается аваосрчдстяваао нрвмхш иотохом одвофоэяого
етсе оямамвм оврагам дарвОаовм азтовом г<-.аи чара* тоив-
овааа в серманавм имамах. Часть вестаияоирмя мгруаяя
восярмямется вракам мтовоя я ираааотоя в даухОеаввЯ. Воато-
яу расчет вестакмаармго мухОеоиго матова м манчнм бу-
дет авмамя о вавосем.
Ромстм, что двужОаввм мотов овравуетов моем дроосеви-
ровавия, в м ежом а мма уетемамв регуаетор расхода матова
мвор расчетяоя овеян
Она ранения задача о ммеваяма уроаиа говна а сворим j
рефрявораторе при миваараеаямя мгруаяя мам от сметам,
аредстевяевмоя на рис. 1.10, 0.1 в оостоамя яа рефрямратора,
вамаоа о геями, магмитаии, аараати в расчетная схеме врастете
трувоароаода о мухОазаша сотовом гоняв < М> 1,5
я) вря верен* анон топяоаоа ввгрузве и о граяячпьм уямааам,
атмчаеяими Оиянчесвоя сути ароасводаннв а яви врамоеоа
дроссевмроаввм я так яаа).
Жнкнан рмапоаесвое яомаи рясчатя
I вапам в с муюозаея гааяая в СО-пегмвтяв ГМ ваОаяда-
«тса «мчятоаьма дмаамичосаая а тормдямявчосма мвроам-
асвоетя - мр а аорама частя труОм мраграммтяа а мямтеа
се сверостая, арааамама сварость вядвастЯ а весмаам рва.
'«мяв, рясчатя м роавоаасма вомаа tow растя и таамротуря
♦ее ревак) в м ммая рммаьмго оваеевяа Ом о учетом
•еояаамвнммв ммеаая, что оворость тямма фмаа (впалости)
*амм в рвам заем Я омроетя смея. «тому два реяевяя еемчя
-М8~
вне движения сне-и 8 ):
у) х
dt di
Нелая плотность гелия обуславливает неоиачителькое изиене-
аие дав юаня во длина жааала 7HS (аа 2 - 6kj я малые, отяоси-
тешно темавратурм ядсммеаиа, возможные перегревы паровой фазы
1о«то«, все веевеее тепла идо ее фазовая порогов — Q/ъ
Теамевия состоя вил фаз. Уаиаальаость свойств жидкого ге-
лия визжа ж температура j-Ф I, малая нлотаость аил-
аости рв~ 120 кг/ж и т.д. побудила порвовачальпо испольчовате
П
м^деен сжтшамжж жиджостея и газ»
где Zc ~ жоэффидяеятя сжимаемости; 4 1; 2.0длажо выполнение*
расчеты покд для, что ьнвсение в систему сраваятельво аебопьмоя
тепловой нагрузки (CiQ/Qa 4 10) приводят ж малым яэмеаеаияи да-
вления в жавеле 2 - 5Ж) . Довтому Р и корреят-
_,о использовать ыодел*|йесхимаемой жидкости и идеального газа
Квазистациоварность по скорости и давление
Нестапионеряый режим циклирования нагрузки свнчаи с им*
-М9-
пульснмм тепловыделением в иояопроводе. вносимое визмуцен я®
велико: (ом. рис. 5.2)» поэтому нет аффектов взрывного и
ударного вскипании Скорость двухфазного потока намного мввьмв
скорости звука * поэтому корректно дредлокить кга
зиотадионарвость скорости давление, то есть &г - 0; dP/dt «
0. Распределение объемных концентрация составлавдих смеси по
длике канала росдростраикетск со скорость» потока, учитываем
нестсционарвость по^впцву плотности или ионцентрапик).
Аналитические преобразование. Пер^пичем левуг часть урев
веник двихениа в следуоцем виде:
dfafa) г) +
я dt
+ + d((^^v)v)
di . дг
Проведен дифференцирование, сложим одинаково отмеченные
члены с учетом уравнения неразрнааости
д(РУ>)
dt
3v
dt
-
Рвд( РЛ-
dt
dfp^tv)
di
t p<>, v dv_ =
di 1 di
- И - - A-t
n результата получим:
-&0-
to to
Свяаямаам 1р*о4ра»вмашм /равжалаа мревуммста!
# */T ntjr*'
[ to д' p; *
осм уаремама aaaoa часта ypaamni anаутам:
4/Z- 4)
л »Gr Л'
OOP* ивамруем чарам уреамоеаа мраармаостм:
a* ~ t йаг * A% p- * ~
" dt ”r to ' to »
aacraaaoa iшрчааара apowoaaaaya ^/to a aaaoVpaayea a
aaap.
-Г Л-^ * )
to rto ' { /Г
Ажааатачасжаа арааврааааавм мажа аамроЖао рас тага, чта«а
аоаааата, мая аожао вараата ат *смрагттма*’| яамргчртап ураа-
ваама оожрааевав в ваааратааа уеааапав вам* аамча, та ест»,
каа участь ураамваа омтаамаа вавае* •*•> * в всяячмау
вааевага вммрмааа. Крем тага, ета атаесатамм вроете* рае-
аоаасааа, мстеваоеармв аома» авуафмаоге мтова ожватмаат
аираваа вруг аамч о мемам* авеавам аоемумааам >• '
100), гм мт еермаав вровесеав.
В реаувьтате вмучеом смтеву урмаоам
~/я-
q f (<-<&) 1
3* " 4 Р/ >//J'Ir^;
& , a Il . z).
dl “ г If/ f/)'
(5 2)
fa ★P»"^) * fa - P„.
b.
имчжграэмспоа уреввенме для ожрлдалеаия объемно* яаа
ле атредми вавимом а вале
AtJ. - М & f/jyf Ш*1 .,
Ч й' Я» ]
-r* М? - Mi-f
i &z
•s’* • арвиваи и ваорцммтв авввави чвр«в срвцав» сао-
рост» ветви» тсааввм - навар» ачааа аа ааога.
Граиитавв уоаоааа:
1) *1ух>»вавя аотва овраауатса аасае лроссеяа, пранам
аоотоаааоа ватааьаав яацфапвот сися ап входа а трубопровоа
7/л = conit.
Эятвльни! смев аддитмвав вз массе входавих в нее состав
лдввмх
4r “РтТ Я + P^Ji ^CDnst,
Следует учесть яормировку евтельаяд фае чврев теплоту аа-
рооврвэовадяв
Ъ ~ h = ъ
В результата каучин гревичпое условна
г
где
иЛ ~ ^2 's ,'
U(= иг - Р j) о ~ go) * г
2) Д ipaa дросселей устаяоеяее регулятор расход*, хотормИ
по вд веете мат роста лажам расход продухта, то «ст*
3) Сверлив рефрижератора, куда поступает {еухфавпая потов,
представ «ват яд сова достаточно Ооаьаоя резервуар (1,96 и
Зркиимавс. что в постаимомраом режиме даалепие в мам остается
правтичесжч востожнвжм
в. 1.2. Результата расчетов.
Предлодеппая матаматичаоваа модель отсевает дапппя вояе-
бательпая процесс я результата расчетов вервях 100 сеп повева-
ли, что цивличаевпе иэмепепив теплопритовое а иояопроводе УН2
вмааваат судвствеаямв аолебапия расхода видвостя, поступаваеи в
сборкия рефрижераторе. Одиаво, при длнтедьпон цивяировапии паг-
рувяи должно установиться повое вваепстациомараое состояние.
Харантерное время итоге пвреходпого продасса оцепим по средней
снорости цвухфаапогс истова и длине хапала хрпостатировавил
Z _ ~ /6оОс
Г. 04 м/с
-03-
Позтому численная расчета следует проводи.» до уствлооле-
пик иоасго каазистациоаариого состояния, которое достигается
через 1000 - 2000 С в зежисимооти от вносимой тепяовс* нагруз-
ки.
Результата численных раскатов ло ояломераым нестационарным
уравнениям в частник производима? приведены ап рис. 5.4 5.Ц.
Измепаапе расхода Жидкого гелик, аостуаааквго а сборник
рефрижераторе.
На оОьаивом графина 5.4 показано, как иенаетг расход жид-
кости а капало с даухфазанм гелиам до длине плача ма'-дите и во
времени, не рис. 5.5 - сачвппа объемного графило. На рис. б
показан расход жидкого гелия, постуиаацего а сборами рефрижера-
тора ао время нестационарного режима. Область I - режим снвтна
таплоприголов из окружапнел среды, жарактеряэуатса равномерной
выдачей жидкого продукте в резервуар, II - цпкяироеапиа нагруз-
ки, нестационарный режим, Т} начальный момент увеличения ста-
ционарного уронил в резервуаре. В результате интегрирование
плонади кривой за вряпк 'Zy (10 - 20 ии^ут в зависимости от
/ровна теплоаритожое> иОЖно определить довым*пяе уроаак жид-
кости а резервуаре, к -.ли объем резервуара не ввяжется доста-
точная, то аоэаикает опасность его серенные. Практически ату
ситуации аабладааи ари эксплуатации ускорителя "Теветроа* в
Ferailab, 034. 8 УВЖ объем гелиевого резервуара составляет 1,96
м , уровень ого залояжониа составляет 50-608, за время жопояяи-
теаьяна объем галия состааит 0,4-0,5 а Поатему опасности «ье-
реяиаа емкости во возникает. В ремa (5 - 10 миаут) же ре хел а
полому состояния; Vj - наазистацповаркое состояние. По техни-
ческому надавив па систему сяо долю ч^ддорживатьсе а течение
2000 Чассв.
>
Дамваекие объемного наросодержанид.
Другое ваккой характеристикой исследуевого пестацвояариого
panama является паросэдеркаиле а канапе с двухфаэпки гадпвм.
Дополнительная теямпряток свуслааяпвает Оояео иптеиспапое
испарение жидкости я уавяпчепае ее старости. Ив на мп ла обьемво-
го пароледержавна по длям жамка п во премии мкаеам па рио.
3.7. Вря дикамропажип пагруави паросадараеяпа такая ааходят па
аавястепиопарауа аапичипу. Увелпчеваа доля пара в хавая» при-
водят к ухудмява теплооОиенавх характеристик, п его воамхвому
вореграау етвооятельио температура масмаемия пидвоотя (ряс. в. 8).
в,в».
Иэммвяа малаяма я спорости.
Жолаваяяа дававпиа ао арена аестацяоааржого режима имеет
теме воряоаяхвсвиж характер - при вваоеппя домлвитеяьпав тав-
воаоп хагруавн вляпаем а вапам увеаячпвается (рм. 6.9
а,В в Дав мастями нового мрепада дааяеппи хиджость реаго-
•аатса рм 3.1* а.в,а). Вря хостояямв м дням вяапмм теа-
м<ерчтове и амяачятеавми, м етяомаяв п мходмму уровни,
ввммяяи моления, ивммвм сяарестя повит дяивппиа характер.
В рееудатете расеетеа м мотенммржмм уравнениям опреде-
ляйте я асе осмаям гвдролняамячесим мраыетрв оистемп м дли-
не капала п во аремепп: сжереоть течении, давмим, мросодер-
жавно, расхоа жидко ста. |япаячяость маммпия парамтроа ооот-
аат ст»уат вяжаяипвсти ваосяыоп вагруеки. Врактияесвя рассиятв-
ваатса основав» ввлияиаж в давая то та» камла в аявои исмят
аремпи, что поавовяет анализировать тахммгяв еясплуатаапи
с’лстемп и ее ввзаваряяпистк. (рпс. 6.11).
Увеличение теппопритока к капаау приводит я уооличвямв
скорости движения; так нал и праятичесяя V^sCOnsi >
то Скорость потока у сборника рефрижераторе меняется а 2-3 ра-
са. Даваепае па входе в капая воероствет, а в резервуаре оота-
»тск правтически аостоапппм, я пидкоета разгопиетса под
действием поасго перепада даалвпяя. Парооодархаиио аа цикл наг-
рева мпяетсе мэпвчительпо, теп как вносится пеболвпоя теппоп-
ряток, по со временам при переходе к кааапстациспарпому состоя-
fST-
nna черев 10 - 10 капут произеядет оупаствемвое уваличепяе ложи
пара в трувовровода. Лнавив иэиепояпв расхожа гания в сборямпе
рвфрааоратара паввоамт репать в о врос п пражтпчеснея вжспяуата-
яип аистами, оаавапияо о варепояяекяен емяостя па начааьпом
тане жастачиоперяого рех тмя и о рсосироаавяин аодливом геаив в
сборник ве новом ввавистацяоиаряои ровная.
Особяваостьа паатаяиояаряого режима а яропиалаяааж сясте-
мах с бааьаимя жажапамя ) жж л же топ то, что жаражтер-
аоа врана вровасса составаает десятки минут. Оно епредевветса
сродная сверяет»а патова, вносимой вагрузчоя. Таж паж пег счета
вря вропвдояии аичмеяанмп ограничен и определяется то усповмам
устойчивости, то МП расчета ояисаяявх промессоа на ЭМ требт-
етса зввчитеаьвпя объем мавяняоя памяти (нилобажтя).
6.2. Эксперяиевтальвеа исследояанип па паком геями.
Прежтичосви режим "цинлжроеаиив* лагрузп вря варемажжмж
магвитвпх волях осуаествллисв ла усаоритеяе "Толатрон* (СТА}
[ 16 ]. >а рис. 6.11 покачали итмеа»апа апоктричеспх харенте-
ристяж во ареяаяи, ног алия темперетурн п росжаяа. Огроаичеа-
яостъ исховппж жвпппх П^олижацпи же позволяет арожастя веяния
ресчатяе-таоретячеспиа анализ вронесса, на во рмсуяжа жадно
•то хелавания тааяервтурв и спорости отоаеживает явмемаяме тая-
оврятопа, яря атом скорость кавеете« в ава реяв, одтваржаа-
атся ииняячаежяя, ввряожмчесжяа харожтер вромвссе, ввачятеяакме
овевания скорости в ресхода видного гевяя Яря медях вояеваппях
жавяеяяя я реляааесноя температуря
Нодеаяровааао жестадиопариях реяиися равотя систем жри-
отатироаавпя о жаканами Оояьаого диаметре в аеворетерммх усае-
вияж весьма вровпаматкчво! воовход. яоскровааеотя структуру
явухфпвкого потока, аикдпчпооть м длительность тепловой нагруз-
ки, Кроме того, эяокорямевтаяьвмо резупьтатв часто огрепичива-
*тся вамораия давяоппп а тааяературм, т.н. п даухУаввях потояах
овредововяе таких вакааяявж аарематроч, хек скорость, яаросо
~f56~
держание, структура потока связано со слоциадьямми методами из-
мерения и во всегда осукестьимо на пректияв. Я все ве поррект-
аость чзлокеппоя фиэико-иетеметпчес|гоя мояпи подтвердите ре-
эупьтатами экспериментов, приведении! а работе ( 7 }. Ва ряс.
5 12. показана схема ставда. составного из питательпого резерву-
ара. опытного эиеиента эмееаявоеоя ковструкпии дпяаоЯ 13 и и
диаметром 5.4 мм с участием предварительного обогрева в 4,в м*
диаметров 2.36 ми. Гелия после г элносо спареиия поступает в
газгольдер.
Во апема эксперимептов давление о пнтатальжсм резервуаре
К
а деркиеалось постолиным и равнин Р 4 • 10 Па, фиксиро-
аадса таплоприток аа всем трубопроводе, иэмаралсж расход про-
дукте, которая сбрасяаалса а газгольдер больного обкома, изма-
рало в ларепед давления аа опптпон адаманте .
Расчетное измеаевяа осиовппх параметров
пляже трубопровода в стационарном режима при ледово аа рис.
5 -3 «сперммеятадьпо апреле пипс в перепад давления аа опмтпом
элементе, отжаовоаие от расчетов в серям вясперииевтоа во пре-
вмаадо 18 - 204, прячем эксперямеятаяьяаа велачяна всегда била
аесаоаьжо больна т.н а модели по учитмлалл местная сонротяв-
левив ври повороте потока а ьжеввижовоЯ ковструкняи. Силу тре-
лив рассчятмпаем учетом нопревжя па теплофиэическяе свойства
гелия (формуле (а)).
Из рисунка видно. что поправка Н ввачитваьва Я - 10 - 130
- настолько увеличилось треаие двухфазного иотоже по срэаяепив
о однофазным, двихумимся с тем хе расходом. Числе Фрума яа
кспарим?нтальсоы участке мало (/Г215), однако расслоение пото-
ка галиа а области турбулентимх течении а зиееаима будет пару-
BalM.cn, ов будет пареиемиватьса.
В момент времени Т * 0 подавали тепловув нагрузку ва
опмтныЯ элемент и йенарели новая перепад давления па нем. Суть
происходаних физических процессов: энергия авекнего обогрева
переходит в хипетическум Ввергив потока, увеличиваетса давление
аа алемевте Даннов аозмуцевие прилокево и элементу дливоя 13 7*
/57-
м одпако оно рвспрострпняетоя л во участок предварите аого
обогрева и а вей измелетеж основные зраметрм (давлиняв, с«о-
poc'ib, пзросодерхание). Прирост давления па элементе (Д^ = (2
1 *
10) • 10 Па) ванного мемьме абсолстпого давления a резервуаре
Па), объем резервуара достаточно больной
сравявни» с объемом экскеримевтальвых трубок, поэтому во арена
иестациоварного процесса давление в мм поддерживается пранти
чески постоянным Pax CMSt . Давленье в сбросном газгольдере
тоже можно принять постоянным, то есть Евмх • £(№$£
Вестационарный режим может быть описав в рамкех предложен
кой физижо-мвтематичесжой модели: протяженный капал с двухфаз
вмм потоком импульсно нагревается. Вносимое яоэмукенив доста
точно мало - пет эффожтов взрывного и ударного вскипания, око
рость двухфазного потока намного меиьве скорости звука в кем.
Это обуславливает жввэистационариость скорости и давлевня и
вестациокарпое распределение паросодврхвыня в канал.
Ясли тепловая нагрузка была сраннятельпо яебольмод.то
дВиХфазвмй поток движется быстрее л течет и* резервуара. II, ‘
дальпеяием увеличения ^скорость потока тьн возрос ест ч -
уеппоя способности магистоали и **амовчтся медо< гзто41 Да»
«•е в опытном впеманте ставомит;я больно чем в резервуаре, и
зо то к даижатоя в а питательная разераувр я в сбр.смоя ре1* и-
в»р. На рис. б.ЪОДпоказапо изменение абсолютного давлениъ ма
входа в обогреваемый участон, подученвое по результатам весна
'••втоа [ 7 Видно, что давление а опытном элементе мохе
5ытъ а меньне, и больна давления о питптедьмом резервуаре- При
атом существенно меняется физическая картина движения потока
Так при тепловой aai рузге » 20 Вт дидкогтг. яьтеипет из
резервуара и входков паросодержавие Mix s 0. Задача реяается
ятерапионнмм методом надо подобрать такув скорость потока,
чтобы давления на концах элементе не менялись во время пер«*у^д«
него процесса. Результаты числевнмх расчетов по пригеденчнм
нестационарным равновесным уравнениям с паниыыя гравичными
Условиями приведены на рис. 5.1Ф, 5.15. Изменения скорости по
топа и дгелепия в трубхах показана ае обьемвнх графинах. Стаци-
онарная профиль пкоростап и даеяепив соответствует моменту «ре-
ме ап fx 0 с. Поспо вяесепия ваамваго вовнуцепия &Q верепад
девмния ва вксаврямаатадьвом участке уввяичянаетсв, увеличива-
ется г бсоамтвоа дааваям да входе о овогреваемая участок.
Эксперямеагальяь.. пряная прадставпает ио севе, сечвпяа
графика вря /,• 4,в в.
Ври &Q • 10 Вт давяекиа ае входе а обогреваемая участок
"оавиаетск до величиям, Ооаьмвм даалепик в питательном рчсирву-
мре, двухфазная ноток движется а обе сторона. Грапичнис условие
песпоаько молятся: пря 4,6 a, df = 0 - остановов потока,
каросонорвавм в атом сечевич ае измплетсе, Рвх ° ДО.г/, Рвав
const.
В момент времена, когда давяемие ма входа а аааноот (Рак)
яреоанаается о Ррее * Рвж, скорости пввпоста ва прадварктеаь-
зом г чистке бувет кумзоя. Поеве «того умньмяяа дапаеаик па
хода а гвогремемМ участок приведет к кстечедяв из ре» ера у ара
и к соответетчеааам пвааеаияа граничим! усвоена. Яа ряс. 5.16
вокала» оваоаамя гуанин за мм мял давмппв ао длине в во в реме-
п яря « 30 Чт.
а чес 5.11 призе донн расчетам я зксперимеательжм
( 1 J вепчяяа яеревада аазяаякя яа оиитвом вкеяев%я оря ян-
иулъсвои обогреве какала яря равякчаая теваоовк нагрузка!
Хоровое совяадев» (в враделах 19 - 304' объясавотса тем,
гто скорости и температура фаз в трубках диаметром 2-в на
ори fig. * 10* - 10^ близки между совой, гомогенная реваовесвае
модель оеискзпвт реадавия провесе.
Вносимое воэмувепня аепеяико, допуаевяк о взавистадмоиар-
востя давления и скорости сараведяява. Граничим усковия ввбра-
вм ие фиеяческих сообрахоиин и соответствует усвоении експери-
иепта.
Провадеппяе яабораторвгее исследования на кядком гелии
водтвердиви правильпость ввврапаоя фкзико-ватеватичаскся модели
для описания систем кряостетярование в мстоциопарянх ревимаз
-f59-
работа.
В главе рассмотрена сметами нр статирсваяиа, в моторах
воемумеаие сввэево о иэмевевяем тепловой гагрузви Яапримор,
а УИХ тепловом лотов возвиваат и вевтральмом иоиопроводе а во
систзме хвпалоа с яидхим галсам передается обратному лаухрааяо-
ву потопу. Лря рааевяи задача о жояебавип уровне сааме а сбор-
илва ребриввраюре ври нзмевевпи тепловое вагруавв в иовоарово-
де из всея гелиевом система праостетировевие можно вмдвлмть
подсистему - вавва обратного потопа с соотаетстауш.ичя условие-
ми па входе и амхолв. Оцевха воамуаввив оохавала, что омо срав-
аительво вобопьаое. Там вам своростъ твцедоя фавн - хядиости -
близха а раавооесвоя спорости смеси, то долабпеие уровах гелии
в сборпиве ребриввратара мовво рассчитывать ао рвввоввсаоя
нестационарной неделя, аосмотре ла расслоевпость течевих и
проспвльымаавие бае. Рвауль'гатм расчетов позволввт амплавиро-
вать изменение всех осоовялх гидроДивамичеоиих параметров
систамм я ао мимо валена и не . ремеви (оеорость, давление, ма-
рс одврааане, раоход и т.д.), додать превтачесжие мвчодм ио бе-
эаварвапоств работа оборудоаааил, хеместау чвраостатяроевчма,
технологии евсалуатаиия слотами, евлзаииол с уорсировенвон дод-
лвтяов геамавоя сястема-
Хяражтервое время местацноваравх процессов в бепьаах нава-
лах составляет длоятви вовут, тев жал срадвел спо-
рость течалал голая иного оольле свороотя еаува, ато ладо учи-
тваать пря пралтичесжоя авсолуатадик енотам. Ори втол времв
ресчата нестационарного режима на 9ВН уаелаччаавтсх, что сехэа-
во с условием устойчивости расчетвмх сетов а во вренстеьмиет
особах трудвоотел пря совреиоваом уровне раоаитяе вмчаеллтедь-
аоя теханжа.
бясаерамеатальвая ароверна разработанная ♦ививо-натемати-
часноя модели а аабораторнмх условиях воваэала хоровое -в е-
Далах 18 - 20Х - совпадение расчетвмх и измэроввмх перепадов
Дазпеиих ва имаульсво обогреваемом участие вавапг с деухбезимм
галием. кроме втого рассчитмааатсе тахие параметра, ива сво
в ы й is—is—яг—
Рио.5.2. Изменение иьлопритста в нейтральнее
т< ионэцроводе
Х-цевтоельннА ионсиравод; 2-цеят-
^SB£sHssiJ:od£0®,oi иаавл;
Рис.5.3.
?’!JLxaS?<1I’MOi,Tb 'температур потоков гелия
5 наеншенного двухфазного потока
ЙЛ&ЖЗ: 3-°«епанвн® °™*- 4-вн^
-/63~
Рис. 5.5. Изменение расхода жидкого гелия в мяличннх
сечениях трубопровода во времени.
Рио. 5.6. Расход жидкого гелия, поотупакцего в
сборник рефрижератора, во время неста-
ционарного режима.
Рис.5.7. Изменение объемного парооодержания
двухфазного погоне гелия по длине
канала УНК и во времени
-4^/-
Рио. 5.8. Изменение объемного парооодаржания
двухфазного потока гелия по длине
канала У11К и во времени
-/66-
«
-ffi-
о а мхыЬпм teng'f»
*)
Рио, 5.II. РевиМрЦвд^ифо^ана^ нагрузки на ускорителе
а^изиенение гдектрических и тепловых ха-
рактеристик; б.в) колеовиия температуры и
скорости до дливе цепочки магнитов за два
цикла.
-/са-
[7]
Рис. 5.12. Импульсный обогрев канала о двухфазным гели®“^е ’
а) схема экспериментального стенда; б) измене™
твидовой нагрузки на энспериментадьном утаотке^_
в) изменение перепада давлений на эксперименте^
ном участке при импульсном обогреве, г) изме
абсолютного давления ва входа в обогреваемый
участок Гп1
• , о - эксперимент, 171.
-tea-
Рио. 5.15. Измевевве давления двухфазного
потока гелия в вхоперимеятальнсм
трубопроводе при его импульсном
обогреве дц » 30 Вт
Рио. 5.16. Изменение перап гм дешвиия во времени
ва импульово обогреваемом участке канала;
• - экоперкиевт [7], •— - расчет.
8ЛТЖИАТУРА
1 А.с. 1002 796 (СССР) Теплообиеиввя злемежт. Авт. возв-
рат. В. I. Орлов, В А. Гария, В.В. Позвав и ар.- Заява.
13.07 81 В 3320 132/24-08, М Вл. F28 0 7/10 - УДК 821.506 94
(088.В)
2. Виввев И.П. я др. Экспериментальное исеаеаоваяие гид-
равлического сопротивления двухфеэного оо гияа геяня в каналах
/ Ваввав И.П., Нигаливсвея Л.П Лебедева Н.П. - МФК, 1S82, т.
43. Н2, с.195 - 201
3. Горбочее С. В. Нолввяровавве рабочих ароцесеол емс тек
жряоететировавня жрутшх своржвроводяявовяя устройств - Дас
вв еонпв. учев. став. аовт. тавв. аауж. - Валаяиха, 1987 - 483
е - НП" Кряогеямев).
4. Деяааа Дж. я ар. Теянообшев я гядродяяаинжа в атемвоц
я тепловой яимрготвке. / Делая* Дж., Гво И., Рнтмвллер И -
И.: Эвергоатомиэдат, 1984 - 424 е.
5 Дячуя М.П. Прогвовнровавно и умевввеяне ао домивальввж
ввачевня иолебаямя даяяввия я жряогеаяях газяфнжапяоввах owe-
темах , / Вауч. рукеволитала Архаров А.М, Оиливв П В - Дисе
яа соися. учев. стаж. жажд. тоже. яауж. И., 1991 - 169 с. -
(МВТУ).
6. 1у2ьменжо Г.В. Уссасаоваиае в ивтеисяфивацив процесса
теплообмена при пдемочвом живавив жрногенаях видаостаи в гази-
фниеторех. - Диес. яа еоисж. уч. ст. ж.т.н - И., 1879 - 240
С. - (МВТУ).
7 Лодохив С.Д., Горбачев С.В. Пасхацвоиврвое расспоевяое
течаяче двухфвэяого гелия п горихохтаяеыях хаиояах. - Хямичвс-
жле и вефтяяое мааяаостроемне, 1990, Я4, с.16 - 17.
8. Яягматуавв Р.И. Диаамяяа мвогофаввах сред. Т1.Т2 - И.:
Иаужа, 1987 - 300 с. - Вибвяогр.i с.337 (237 паяв.).
9. Пигматулиж Р.И., Фжаяаа П.В., Кроанлиж В.П., .Дячуя
И Я Кояобавия девлеакя в гояифияациоявмх снствмах. - Яэввстия
АВ СССР. Эявргетяяа я тревспорт, М2, с.134 - 138, 1990 г.
10. Рихтмеяер Р., Мортов I. Развостямо метола реяеяиа
12
чпстяя
/73-
, Ияр. К»” ' 41В »•
Спаевовяо посевов вряостатнроааяия
и 190В, с.ЭВО - ЭВ9.
1994, К9, с.19- 29.
гидроаивемиаа
Павлауря Г.В.
Хажвоствоа жраогаапва смета-
24В о
Nvlb&l lead
lio»latlot> of tba laorcy *>a*or Coollai Froaiaiona Till
TraaaeetioBO oa Radar ScioBca, 1981, Vai. 98-20, 9:1 »p
8*0» ЗЭ0В
18 Rodrik V.R я яр a Nctood of »* d ti--
Caleaiatloe far Vapoor Оаа-Llquid По» Cnndiiaeaa »x c»«
mix, тамяоратур, IBM т lb B4 c 428 492,
Вал По» ».a., Filippo» », F oaaade»
Poeallarlti., of ,eld rpectloB »pptl.. t r,,, t
UotalHUoa Cbaaa.l. Cool.d by Forc.d Ballua Fioo advaaca.
'• ryoiaoie 8о«1ьоаг1в(, 199В, Vo).ЗВ, у 7<*
в beilecker J.I., Roda C.B Ao lavoatl(atioa iotc J ok
4-lB**io« l>h‘*e ,1в*' ICIC^C»’<’. Illiro... Jura