Течение криогенных жидкостей

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

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

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

На рис. приведена характерная кривая кипения

Пузырьковое Переходное Пленочное

кипение кипение кипение

Рис.

В пузырьковом режиме кипения при детальном кинематографическом исследовании выделяются четыре зоны6

1. Зона изолированных пузырей, когда расстояние между действующими центрами парообразования значительно больше диаметра растущих на поверхности паровых пузырей

2. Зона, характеризуемая тем, что в активных центрах парообразования возникают непрерывные цепочки пузырей (столбики)

3. Зона, характеризуемая слиянием паровых столбиков в крупные конгломераты (грибы).

4. Зона, начало которой фиксируется по заметному излому кривой кипения (скачок уменьшения производной dq/ΔdT), свидетельствующим о появлении очагов пленочного кипения

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

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

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

ПРОЦЕСС ЗАХОЛАЖИВАНИЯ

Проведем анализ процесса захолаживания, используя схему процесса, представленную на рис.

1 2

Термодинамическая

система

1 2

G₁ – массовый расход жидкости на входе в трубопровод (вход); G₂ – массовый расход среды (пар или двухфазная среда), вытекающей из трубопровода: m – масса термодинамической системы, 0 – начальные условия; к – конечные условия.

Запишем первый закон термодинамики: Q = L, где Q – теплота, подведенная к термодинамической системе, L – работа, произведенная системой (в рассматриваемом случае это работа проталкивания двухфазной среды по трубопроводу). Но Но возможность системы совершать работу определяется ее внутренней энергией и энтальпией, т.е. тепловой функцией системы. Исходя из этого, для системы, вышедшей за время захолаживания t на стацоинарный режим, можно записать следующее балансовое уравнение:

, (1)

где Q – общее количество теплоты, поступающее в систему за время захолаживания; m_к – количество среды, вытекшее через сечение 2 за время захолаживания; m₀ – количество криогенной жидкости, поступившей в систему за время захолаживания; u_k, u₀ – удельная внутренняя энергия системы в состоянии к и 0 соответственно; i₁ и i₂ – удельные энтальпии среды, входящей через сечение 1 и выходящей через сечение 2, соответственно.

Используя осредненные значения параметров, а так же то, что

и ,

можно записать

(2)

Но , (3)

где - тепловой поток из окружающей среды; m_Т – суммарная масса захолаживаемого трубопровода, т.е. трубы и агрегатов, входящих в состав трубопровода; С_Т – теплоемкость трубы и элементов трубопровода; Т₀ и Т_к – начальная и конечная температуры трубопровода соответственно.

Принимается, что ,

где – стационарный тепловой поток, т.е. тепловой поток, поступающий к криопродукту после захолаживания и зависящий только от температуры окружающей среды и качества теплоизоляции.

Второй интеграл в выражении (3) можно представить через осредненные массу и теплоемкость трубопровода

.

Тогда выражение (2) можно представить в следующем виде:

или

(4)

Время захолаживания равно бесконечности, если знаменатель выражения (4) равен нулю, т.е. (5)

На стационарном режиме (в момент окончания захолаживания) ; тогда условие захолаживания трубопровода запишется так:

,

то есть (6)

Из уравнения (6) видно, что захолаживания трубопровода возможно, если величина массового потока превышает некоторый критерий. Если массовый расход не удовлетворяет этому условию, то трубопровод не может быть захоложен.Эта ситуация может возникнуть при большом гидравлическом сопротивлении или при большой массе трубопровода, т.е. при большой начальной теплоте, аккумулированной конструкцией трубопровода.

На практике, чтобы избежать этой ситуации или чтобы увеличить скорость захолаживания, используют сброс пара в промежуточных точках по длине трубопровода. Это увеличивает массовый расход жидкости за счет уменьшения длины трубопровода (участка трубопровода), по которой надо проталкивать пар. Этот метод имеет недостаток, т.к. часть холода пара не используется для захолаживания.

Генерация внешних двухфазных потоков

Основными источниками свободных внешних потоков среды космических ЖТС явля­ются:

• двигательные системы;

• технологические и аварийные сливы;

• системы, формирующие целенаправленные струи в вакууме.

ЖРДМТ, используемые в составе реактивной системы управления (РСУ), представ­ляет собой источник, формирующий расширяющуюся в вакуум двухфазную струю. Эта струя (струи), расширяясь от источника, воздействует на различные поверхности инфра­структуры KA.

Факел двухкомпонентного ЖРДМТ представляет собой достаточно сложную по структуре двухфазную струю: газокапельное ядро, парогазовая периферия, наличие зон кон­денсации и замерзания (рис. 1)

Взаимодействие факелов ЖРДМТ с поверхностями КК как проблема была осознана как нашими, так и зарубежными разработчиками ракетно-космической техники. Зарубежными и отечественными специалистами проводятся систематические работы по изучению загрязнений KA от факелов ЖРДМТ (привести материал из работы Реброва)

При взаимодействии факельного двухфазного потока с поверхностями инфраструк­туры KK реализуются силовые, тепловые, загрязняющие, эррозийные и коррозионные воз­действия.

Эксплуатация ракет-носителей (PH) связана с выбросом компонентов топлива в атмосферу на различных высотах при разделении ступеней или при аварийно-сливных операциях. Это необходимо для обеспечения экологических требова­ний в местах падения на Землю ступеней PH, содержащих топливные компоненты.

Например,при штатных и аварийных сливах компонентов ракетного топлива (KPT) из баков PH "Протон" в атмосферу (на высотах до 120 км) образуются парокапельные двухфазные среды.

На высотах более 80 км можно считать, что капли находятся в условиях вакуума.

Поведение жидкости при выбросе в условиях вакуума на современном этапе мало ис­следовано. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что струя при выбросе в вакуум дробится на капли, а динамика дробления очень сильно зависит от условий выброса. Прежде всего, это относится к физическим условиям истечения в вакуум. Определяющими параметрами в данном процессе будут:

- обогащенность жидкости центрами вскипания (в первую очередь газосодержание);

- температура жидкости;

• давление, которым производится вытеснение (выброс);

• давление насыщенных паров жидкости;

• поверхностное натяжение;

• физические условия окружающей среды4

• форма сливного отверстия.

Изменяя начальные параметры, можно оптимизировать процесс выброса, но следует отметить, что теоретически процессы при выбросах жидкости в вакуум разработаны слабо.

Появляются и дискуссируются предложения и разработки по целенаправленному использованию жидких струй в условиях космического пространства, наиболее проработанным из которых является жидкокапельный радиатор.

В таблице по материалам иностранных публикаций представлены потенциальные области применения жидких струй в космосе.

Для серьезного анализа использования струй и струйной технологии в области космической техники необходимо глубокое понимание связей и взаи-модействия многих гидромеханических и термодинамических основ истечения в вакуум жидкостей с конечным давлением насыщенного пара (Ps).

Испарение, вскипание, дегазация, а также охлаждение за счет излучения и испарения - все эти процессы способны оказать влияние на эволюцию струи и образование двухфазных потоков, включая потоки с твердой фазой.

Физические свойства жидкости определяют те эффекты, которые сопровождают трансформацию жидкой струи, внезапно попадающую в вакуум. Например, для жидкости с низким уровнем давления насыщенных паров (масло) характерен малый угол расширения струи и очень малый разброс скоростей капель относительно среднего значения.

Иначе ведут себя в вакууме струи жидкостей с высокими значениями P_S. Для них ха­рактерно взрывное разрушение, дробление на капли и быстрое охлаждение. В этом отноше­нии характерно поведение струи воды.

Использование пористого тела как регулирующего элемента в тракте подачи компо­нента для ЖРДМТ и представление уплотняющей пары как пористого элемента (это осо­бенно характерно для жесткого типа уплотнения) вызывают интерес к особенностям физических процессов в пористых материалах при использовании их в системах ракетно-космической техники.

Перспективным является применение пористых элементов в устройствах для подачи жидкости в вакуум, например, с целью управления этим процессом, т.е. получения того или иного полезного эффекта, например, гранулирования или дробления струи на капли задан­ного размера.

Таким образом, в результате воздействия окружающей среды как во внутренних по­лостях гидравлических трактов ЖТС, так и за бортом KA протекают физические процессы, связанные с фазовыми переходами: жидкостьпар, партвердая фаза, т.е. процессы вски­пания, испарения, конденсации, сублимации и десублимации. Взаимодействие окружающей среды с откры­той жидкостной технической системой обуславливает реализацию достаточно тонких механизмов и осо­бенностей процессов в двухфазных средах, формирующихся во внутренних полостях гидравлического тракта, в свободных внешних струях и при взаимодействии их с поверхностями инфраструктуры KA.

Наряду с процессами в двигательных системах источниками свободных внешних двухфазных потоков для KA являются технологические и аварийные сливы, специально ор­ганизованные процессы по целенаправленному использованию жидких струй в космосе (приводится таблица сбросов).

Для этих ситуаций характерными процессами являются дробление струй, фазовые переходы и агломерационные процессы в парокапельных системах, твердофазных образова­ниях.

Взаимодействие внешних двухфазных потоков с поверхностями инфраструктуры KK, формирование остаточных следов на орбитах с последующим их взаимодействием с KA также являются актуальными проблемами, особенно при длительных сроках активного существования космических аппаратов и комплексов.

3. ВИДЫ Двухфазных потоков. основные определения, терминология и характеристики

Мы рассмотрели физические и технологические условия формирования двухфазных потоков. Что такое двухфазное течение? – Это совместное течение нескольких фаз. Понятие фаза определяется как отдельная часть неоднофазного тела или системы. Например, смесь пара воды и льда или грунта – трехфазная система. Лед, грун,т вода представляют собой отдельные части этой системы. Двухфазный поток представляет собой простейший случай многофазного течения. Парожидкостные смеси, в которых пар и жидкость - различные фазы одного и того же вещества, называются двухфазными однокомпонентными. Газожидкостные смеси относятся к двухфазным двухкомпонентным смесям. Соответственно этому рассматриваются однокомпонентные и двухкомпонентные двухфазные потоки. При отсутствии фазовых переходов течения двухфазной однокомпонентной смеси подчиняется тем же физическим законам, что и течение двухфазной двухкомпонентной смеси.

С двухфазными течениями приходится сталкиваться практически во всех областях техники: теплоэнергетика, криогенная технология, атомная энергетика, химическая промышленность, добыча и транспортировка нефти, газа, газового конденсата и др.

Историческая справка. Первая публикация по данной теме принадлежит инженеру Тимерину (1830г.). Работа называлась «О форме и движении пузырьков воздуха в жидкости с постоянной скоростью». Впервые термин «двухфазный» в названии опубликованной работы появился в 1943г. в статье советского ученого С.И.Костерина «Исследование структуры течения двухфазной среды в горизонтальной трубе». Интенсивное развитие исследований в области двухфазных течений вызвано развитием атомной энергетики. С тех пор количество публикаций по исследованию характеристик двухфазных потоков стремительно нарастало, как экспериментального, так и теоретического направления. Теоретические методы исследования двухфазных потоков основаны на представлениях о регулярности распределения фаз в двухфазном потоке раздела фаз. Характер распределения фаз в потоке называется структурой потока.

С инженерной точки зрения конечная цель общего изучения двухфазных течений состоит в определении характеристик теплообмена и потерь давления. Эти проблемные задачи могут быть удовлетворительно решены совместно экспериментальными и теоретическими методами только в отношении конкретной структуры. Поэтому знать структуру двухфазного потока так же важно, как знать, является ли течение однофазного потока ламинарным или турбулентным.

Визуальные исследования дали возможность выделить и классифицировать структуру двухфазных потоков. Приведем некоторые определения. Дисперсные смеси – двухфазные системы, в которых одна фаза мелкоструктурно распределена в другой фазе. Распределенная фаза называется дисперсной, другая фаза – несущей. Эмульсии – смеси жидкости с каплями другой жидкости, или тонкое распыление жидкости в паре. Пузырьковые среды – смеси жидкости с пузырьками газа или пара.

На основе этих определений в отечественной литературе классификация структур двухфазных течений выглядит так: пузырьковая, снарядная, расслоенная, дисперсно-кольцевая, эмульсионная, обрамленная дисперсно-кольцевая. На рис. 2 представлены структуры двухфазного потока в горизонтальном и вертикальном трубопроводах.

Рассмотрим некоторые определения, обозначения и параметры, принятые в области исследования двухфазных течений. Общий массовый расход G=G₁+G₂, где G₁ – массовый расход жидкости, G₂ – массовый расход газа (пара); индекс 1 принадлежит соответственно жидкости (тяжелой фазы), индекс 2 – пару (легкой фазе). Относительный массовый расход задается как отношение Х=G₂/G и называется расходным паросодержанием. В литературе по двухфазным течениям широко используются понятия удельного расхода:

; , где F – площадь поперечного сечения потока смеси, т.е. площадь сечения канала. Можно записать следующие соотношения : ; .

Если обозначить U₁ и U₂ – соответственно скорость жидкости и скорость пара (газа) , то U₂/U₁=K – коэффициент скольжения; U_отн=U₂ – U₁ - относительная скорость фаз. Вводится понятие скорости дрейфа: U_д=U₂ – U_r, где U_r – гомогенная скорость двухфазной смеси. Смесь (поток) называется гомогенной, если фазы равномерно распределены и К=1.

Истинное объемное паросодержание – отношение площади поперечного сечения трубы (канала), залитой паром, к общей площади потока: . Общее поперечное сечение F – это сумма площадей сечения, залитых паром (F₂) и жидкостью (F₁): F=F₁+F₂/

C учетом принятых определений можно записать

и , где и - соответственно плотность жидкости и пара, или ; .

Используя введенные соотношения можно получить следующие зависимости

; (1)

, (2)

где и - удельные объемы жидкости и пара соответственно.

Приведенные скорости фаз – это скорости, с которыми эти фазы двигались бы при однофазном течении, т.е. если бы в трубе двигалась только одна фаза.

; . (3)

Аналогично

. (4)

Относительный объемный расход газа. Объемный расход газа Q₂=F₂U₂; объемный расход жидкости Q₁=F₁U₁. Отношение расхода газа к сумме объемных расходов газа и жидкости называется относительным объемным расходом газа и обычно обозначается буквой : . Из приведенных выше уравнений получим

. (5)

Скорость газа и скорость жидкости могут быть найдены следующим образом

; (6)

. (7)

Когда скорости фаз равны, т.е. К=1, среду называют гомогенной и скорость такой среды называется гомогенной скоростью

, (8)

или

, где U₁ и U₂ - скорости фаз.

Плотность и удельный объем смеси. Рассмотрим элемент трубопровода с двухфазной смесью (рис. 3), протяженность элемента

.

; .

;

Рис. 3 Определение плотности смеси

. (9)

Рассмотрев совместно (2) и (9), получим

. (10)

. (11)

Удельный объем – это величина, обратная плотности. Тогда

, (12)

. (13)

При стационарном течении несжимаемой среды с дискретным распределением фаз (рис. 4) объемный расход Q должен быть одинаковым во всех поперечных сечениях трубы постоянного диаметра.

Q =Q₁+Q₂

Q₁=F₁U₁; Q₂=F₂U₂ 14

х y

Рис. 4 Структура стационарного потока

, т.е. (15)

Это значит, что скорость, определенная как отношение объемного расхода к площади сечения, во всех поперечных сечениях вдоль оси трубы является гомогенной скоростью, несмотря на разность истинных объемных скоростей и дискретное распределение фаз.

Мы рассмотрели простую: одномерную двухскоростную модель двухфазного потока. Более сложные модели рассматриваются применительно к конкретной структуре двухфазной среды.