Особенности течения криогенных жидкостей в трубах

Принятые допущения:

1. течение стационарное:

2. накопление массы жидкости в трубе отсутствует:

3.

4. потери давления происходят за счет трения и возникновения отрывных зон в проточной части

5. плотность жидкости сильно не изменяется:

6. плотность теплового потока на внешней стенке трубы:

Втекающая масса жидкости в трубу:

Вытекающая масса жидкости из трубы:

Изменение энтальпии:

Тепло за счет теплопритока:

Тепло за счет необратимых потерь:

Уравнение баланса тепла:

Определим подогрев жидкости:

Рассчитаем величину диссипативных потерь:

Работа проталкивания жидкости в трубу:

-на входе:

-на выходе:

Работа на преодоление диссипативных потерь:

Таким образом, подогрев запишется в виде:

Запишем уравнение неразрывности:

Потери давления выразим из закона Бернулли:

λ_тр – коэффициент распределенных потерь (для технических гладких труб λтр ~ 0,2)

ξ_i – местные гидравлические потери (потери в элементах, длина которых меньше или соизмерима с диаметром канала)

Окончательно подогрев запишется в виде:

Оптимальная скорость течения жидкости определяется как:

Для каждого теплопритока существует некоторая оптимальная скорость потока.

Выводы:

1. даже при отсутствии внешних теплопритоков криогенная жидкость нагревается за счет потерь в канале;

2. с увеличением теплопритока необходимо увеличить скорость потока;

3. существует некоторая оптимальная скорость потока, обеспечивающая минимальный прогрев жидкости;

4. выбор диаметра канала производится по следующему алгоритму:

1. задана скорость потока

2. определяется подогрев

3. вычисляется площадь поперечного сечения канала

4. определяется диаметр канала

7.3 Особенности течения криогенной жидкости с насосной системой подачи

Все двигательные установки ракетных систем снабжены насосной системой подачи.

Установка насосов преследует следующие цели:

1. увеличение пропускной способности магистрали (т.е. увеличение массового расхода);

2. увеличение давления (с повышением давления увеличивается недогрев жидкости (ΔТ_нед = T_s(Р) - Т_ж), т.е. увеличивается способность к конденсации (Т_ж< T_s→ конденсация; Т_ж= T_s→ испарение)).

В проточной части насоса за счет необратимых потерь происходит значительный прогрев жидкости, по сравнению с трубой той же длины.

Для кислородного насоса до 1…3 К и 2…3 К для водородного насоса. В водородных системах подогрев жидкости происходит не только за счет необратимых потерь, но и за счет сжимаемости жидкости.

Определим величину подогрева жидкости в насосе.

η – КПД насоса; Обычно η = 0.4…0.8;

А – механическая работа на валу насоса;

Q_необр=А·(1- η) – количество тепла, идущее на подогрев жидкости за счет необратимых потерь.

- напор насоса, (м/с)²;

- диссипативные потери;

7.4 Изменение параметров по длине расходных магистралей

1. Магистраль без насоса

2. Магистраль с насосом

8. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ

Исходная температура криогенной системы близка к температуре окружающей среды. Поэтому перед началом её запуска в работу необходимо провести следующие подготовительные этапы, которые заключаются в следующем:

- для водородной системы:

1. замещение воздуха инертным газом: криогенную систему продувают газообразным азотом при нормальной температуре:

а) непрерывная продувка;

б) полоскание криосистем: заполнение газом, затем дренирование газом, заполнение газом, дренирование и т.д. с хроматографическим анализом на дренаже;

2. продувка газообразным водородом при нормальной температуре;

3. полоскание системы, удаление азота (хроматографический контроль);

4. захолаживание системы;

5. заправка криогенной жидкостью.

- для кислородной и азотной систем:

1. полоскание азотом (для кислородных систем азот замещать не обязательно;

2. захолаживание;

3. заправка

4.