3.8. Физические процессы, возникающие в криогенных заправочных системах

В криогенных заправочных системах из-за разности температур между компонента­ми топлива и окружающей средой происходят процессы теплообмена в резервуарах, трубо­проводах и арматуре, в баках РКН. При этом могут происходить фазовые превращения жидкости в пар. Эти фазовые переходы связаны с изменением молекулярной структуры вещества и сопровождаются выделением (поглощением) энергии.

Теплообмен при кипении зависит от физических параметров компонента, состоя­ния и формы поверхности соприкосновения, характера образования центров новой фазы, давления, температуры, теплоты фазового перехода, условий распространения тепла в каждой из фаз.

Зависимость теплообмена от многочисленных факторов чрезвычайно усложняет создание методик расчета криогенных систем, так как требует проведения различных эк­спериментов и использования при расчетах эмпирических зависимостей, полученных в результате экспериментальных и научно-исследовательских работ.

Процесс кипения при фазовых превращениях (переход жидкости в пар) начинает­ся, когда температура поверхности (71) превышает равновесную температуру насыщения (Т„) при данном давлении, и определяется разностью температур

АТ=Т_С-Т„. (3.8.1)

Различают три основных типа кипения: пузырьковый, переходный и пленочный. Процесс кипения происходит таким образом: с возрастанием ДГ начинается кипе­ние, плотность теплового потока увеличивается до критического значения q_Kp (режим пузырькового кипения — выделяются пузырьки), затем в узком интервале ДГ тепловой поток уменьшается (переходный режим) до минимального значения ц_ща- Между жидко­стью и поверхностью нагрева образуется сплошная тепловая пленка, имеющая значительное сопротивление, что приводит к устойчивому пленочному кипению, при котором боль­шие значения разности AT соответствуют сравнительно малым значениям q.

Границы областей пузырькового и пленочного кипения определяются критичес­кими удельными тепловыми потоками, q_Kp1 и q_Kp2. Между ними находится переходная зона неустойчивого режима кипения. В пузырьковом режиме процесс кипения происходит при q < q_Kp1, при пленочном — при q > q_Kp2.

Кипение может иметь место как в большом объеме, например, в резервуаре, так и при вынужденном движении жидкости в относительно малом объеме, например, в тру­бопроводах.

Плотность теплового потока (q) связана с разностью температур через коэффици­ент теплоотдачи, а:

q = a:x∆T. (3.8.2)

Экспериментальные зависимости обычно представляются в виде функций q_кр =f(∆T) и а: = φ(∆T) и, в основном из-за сложностей процессов, определяются экспери­ментально и приведены в литературе в виде графиков [3, 4].

Специфические свойства криогенных продуктов, различные формы образования паровой фазы, поведение их при переходных режимах приводят к неустановившимся про­цессам на различных этапах проведения заправки. Образование паровой фазы происхо­дит в потоке, если жидкость прогрета до температуры насыщения при охлаждении комму­никаций, резервуаров, баков ракеты, а также при транспортировании недогретой жидко­сти, если на отдельных участках магистрали идет повышенный прогрев, например, в за­стойной зоне. Паровые полости образуются и перед запорной арматурой после прекраще­ния циркуляции жидкости, гейзерного выброса и др.

Научно-исследовательские работы и опыт эксплуатации криогенных систем показа­ли, что при переходных режимах работы в системе возникают кратковременные повыше­ния давления (гидроудары), в 3-4 раза превышающие значения давления, полученные для обычных жидкостей по формуле Н.Е. Жуковского:

∆Р=рхахW₂ (3.8.3)

где р — плотность,

а — скорость звука в жидкости,

W₂ — скорость движения жидкости в конце тупикового участка.

Такое повышение давления вызвано специфическими свойствами криогенных продуктов, такими как близость к кривой насыщения, малая теплота парообразования, взаимное влияние газодинамических параметров течения и теплообменных процессов в жидкой и паровой фазах.

При разработке криогенных систем, проведении гидравлических и тепловых расче­тов, разработке технологии заправочных операций необходимо постоянно помнить о воз­можности появления двухфазных потоков криогенного компонента и, в связи с этим, мощ­ных гидроударов, способных привести к разрушению системы.