12 Состояния криогенных жидкостей

Криогенные жидкости всегда находятся под воздействием теплопритока и поэтому они либо кипят, либо нагреваются и испаряются в зависимости от возможности сброса паров в атмосферу.

К ипящее состояние наблюдается при хранении криогенной жидкости в резервуаре с открытым дренажом, когда пары свободно вытекают в атмосферу и давление в резервуаре практически равно атмосферному. Весь теплоприток расходуется на парообразование. Кипящее состояние является нормальным для криогенной жидкости.

Парообразование происходит в форме кипения жидкости на стенках резервуара. Пузырьки пара отрываются от стенок, всплывают, увеличиваются в размерах за счёт испарения в них жидкости и перемешивают её. Температура жидкости по всему объёму остаётся постоянной по величине Т=Т_КИП и однородной по массе.

На протяжении почти всего периода эксплуатации криогенные жидкости находятся в кипящем состоянии. На заводах и, в частности, на кислородно-азотодобывающем заводе (КАЗ), получают кипящий продукт, который накапливается в заводском хранилище. Затем его вытеснительным способом выдают в специальные железнодорожные теплоизолированные цистерны и в кипящем состоянии транспортируют до хранилища на стартовой позиции. Из железнодорожных цистерн продукты вытесняются в наземные резервуары.

Кипящую криогенную жидкость невозможно заправлять в баки ЛА. Центробежным насосом перекачивать криогенную жидкость нельзя из-за кавитации. Транспортировать кипящую жидкость по трубопроводам вытеснением можно только повышая давление в резервуаре. Но тогда кипение в резервуаре прекратиться и жидкость из кипящей станет недогретой. Если на некотором расстоянии от входа в бак ЛА давление в трубопроводе понизиться до равновесного с Т_КИП, то жидкость закипит и поток далее будет двухфазным.

Перегретое состояние. Если дренажный клапан резервуара закрыть, то отвода пара не будет, его концентрация у свободной поверхности возрастает и кипение прекращается. Почти всё подводимое тепло расходуется на повышение температуры жидкости и лишь его небольшая часть затрачивается на испарение жидкости. За время Δτ температура жидкости возрастает на Т и равновесие системы “жидкость-пар” будет нарушено. Состояние жидкости обозначиться точкой ^I. Равновесие восстановится, когда часть жидкости испарится и давление возрастёт на величину ΔР. Перегретое состояние жидкости обозначиться точкой D, где температура перегретой жидкости Т_П> Т_КИП, а давление в газовой подушке Р_ГП2>Р_АТМ. Если открыть отсечной клапан и сообщить резервуар с заправочной коммуникацией, в которой Р<Р_ГП2, то, поступая в область пониженного давления, криогенная жидкость вскипит в трубопроводе. Поэтому перегретую жидкость, перед тем как подать в длинную магистраль необходимо охладить. Для этого на выходе из резервуара можно установить теплообменники-охладители, в которых перегретая жидкость охлаждается до температуры ниже температуры кипения при атмосферном давлении.

Если резко открыть ДПК и быстро сбросить пар наружу, то жидкость вскипит по всему объёму и с вновь образовавшимся паром наружу будут выплёскиваться присоединённые массы жидкости. Чем быстрее происходит сброс давления, тем значительнее выбросы пара и жидкости. Большие выбросы пара и жидкости могут происходить при аварийном разрыве предохранительной мембраны, площадь проходного сечения которой намного больше, чем у ДПК. Такие выбросы получили название “гейзерного эффекта”, а процесс мгновенного вскипания жидкости – “взрывной декомпрессией”. Выбросы жидкости наружу создают неудобства при эксплуатации, а результирующие потери на испарение и кипение могут быть большими, чем при хранении с открытым дренажом. Недогретое состояние. Сохранить чистоту и взрывобезопасность криогенной жидкости в резервуаре можно закрыв ДПК и наддув резервуар неконденсирующимся газом, например, гелием. Он мало растворяется в криопродуктах и обеспечивает стабильное избыточное давление во время хранения. Положим, что в начальный момент жидкость находилась в кипящем состоянии (точка ). После наддува резервуара до давления Р_ГП2 состояние жидкости может быть обозначено точкой ^II. Если резервуар наддуть собственным паром, то он сконденсируется на зеркале жидкости. Для поддержания нужного давления резервуар следует постоянно подпитывать паром из испарителей наддува. Гелий же не конденсируется на поверхности других криопродуктов. Теплоприток практически весь пойдёт на нагрев жидкости, а меньшая часть – на испарение и рост парциального давления пара. Состояние жидкости будет приближаться к обозначенному точкой D.

Охлаждённое состояние является искусственным для криогенной жидкости и создаётся специально для удобства эксплуатации. Понизить температуру жидкости можно в теплообменнике путём контакта с более холодным продуктом и тогда при атмосферном давлении жидкость из состояния кипения перейдёт в состояние, обозначенное точкой ^IV , а затем под действием теплопритока вернётся в кипящее состояние. По другому понизить температуру криогенной жидкости можно понижая давление в паровой фазе (Р_ГП1<Р_АТМ) путём откачки пара, который образуется при испарении или кипении жидкости. Расходуя внутреннюю энергию, температура жидкости понижается от Т_КИП до Т_ОХ

Шугообразное состояние. Наибольшее охлаждение криопродукта получается при понижении его температуры до температуры в тройной точке – Т_ТТ. При этой температуре криопродукт замерзает и его можно получить в виде мелких кристаллов. Смесь кристаллов с жидкой фазой называется шугой, а полученный продукт – шугообразным, например, “шугообразный кислород”, “шугообразный водород”. Соотношение твёрдой и жидкой фазы обычно бывает 50:50. Время хранения без дренажа паров складывается из времени, необходимого на расплавление льда, времени подогрева до Т_КИП и времени на испарение для роста давления до допустимой величины. Большой запас холода выгоден для хранения криопродуктов на борту КА.