автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Моделирование теплогидродинамических процессов при захолаживании криогенных коммуникаций двухфазными потоками

д ' 0 0%

(ШЩ) НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ КРИОГЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи УДК 536. 24

Горлач Игорь Владимирович

ОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ ПРИ ЗАХОЛАЖИВАНИИ КРИОГЕННЫХ КОММУНИКАЦИИ ДВУХФАЗНЫМИ ПОТОКАМИ

05. 04. 03 - Машины и аппараты холодильной и криогенной техники п систем кондиционирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1992

• (о о/ а гу

Работа выполнена в Балашихинском ордена Ленина научно-производственном объединении криогенного машиностроения имени 40-летия Октября.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Горбачев С. П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Павлов Ю. М. , кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лелехов С. А.

Ведущее предприятие - Московское научно-производственное объединение гелиевой техники ( НПО 'Телиймаш" )

. .Защита диссертации состоится 1992 г.

в 17 час. ,30 мин. на заседании специализированного ученого совета К 169.01.01 Балашихинского ордена Ленина научно-производственного объединения криогенного машиностроения имени 40-летия Октября по адресу: 143900, г. Балашиха-7 Московской области, проспект Ленина, 67, НПО "Криогенмаш".

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке НПО "Криогенмаш".

Отзывы на автореферат направлять по вышеуказанному адресу. Пропуск для участия в заседании совета необходимо заказать по телефонам 521-77-56 , 524-05-76. При себе иметь паспорт.

Автореферат разослан ,|5_" Оиьфеля 1992 г.

Ученый секретарь ■■ ^ |>

специализированного совета, Д (

кандидат технических наук ' ^ ' И. Жкудьменко

1 I

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ стуальность работы. В настоящее время в различных облас-

тях науки и техники создаются сверхпроводниковые устройства с циркуляционным охлаждением обмоток жидким гелием. В частности,

гией частиц на 3 ТЭВ (УНК-3000), длина канала охлаждения которого около 20 км, а масса около 12000 т. За рубежом создаются ускорители на 20 ТЭВ (США) с каналом охлаждения длиной около 100 км, ведется проектирование международного термоядерного реактора, создается ряд ускорителей на меньшую энергию. Все эти установки используют жидкий гелий, принудительно циркулирующий по каналам охлаждения. Регламентами работы сверхпроводниковых устройств предусмотрены режимы охлаждения магнитов циркулирующим гелием и эвакуация его при аварийных ситуациях, связанных со значительными мгновенной тепловыделениями. Практика показала, что при захолаживании "длинных" каналов жидким азотом наблюдаются колебания давления в канале с обратным выбросом криоа-гента, а при захолаживании гелием - резкое увеличение времени вахолаживания, а в некоторых случаях, полное прекращение захо-лаживалия.

Цель работы. Целью работы является создание физико-математической модели процесса захолаживания протяженных трубопроводов жидкими криоагентами, создание и проверка методики расчета переходного процесса на основе теоретических и экспериментальных работ, а также анализ процесса в реальных криогенных установках.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана физико-математическая модель процесса захолаживания канала двухфазным криоагентом, отличающаяся тем, что позволяет полностью рассчитьвать переходный процесс (амплитуду и частоту колебаний температуры и. давления потока, длительность процесса) при различных граничных условиях на входе с учетом возвратно-поступательного движения криоагента, теплоемкости стенки и внешнего теплопритока;

. - впервые получены экспериментальные результаты по захола--живанию длинных каналов жидким гелием;

- теоретически и экспериментально установлен ряд особен-

в СССР ведется проектирование и изготовление ускорителя с. энер-

- 4 -

ностей переходного процесса (колебание температуры и расхода криоагента во время всего переходного процесса захолаживания; немонотонная зависимость первого пика давления от длины трубопровода и- др.);

- показано, что при захолаживании жидким гелием параметры переходного процесса обусловлены теплообменом и гидродинамикой участка потока с дисперсно-кольцевым режимом течения;

- впервые теоретически и экспериментально обнаружено сильное влияние внешнего теплопритока на захолаживание канала жидким гелием; показано, что при определенных сочетаниях внешнего теплопритока и пропускной способности канала в потоке могут возникнуть автоколебания температуры и расхода, при которых процесс прекращается.

- показано, что автоколебания потока вызваны теплогидрав-лической неустойчивостью."в большом", а неустойчивость "в малом" может служить достаточным условием их возникновения.

Практическая ценность. Разработана программа расчета процесса захолаживания протяженных трубопроводов двухфазными кри-оагентами для неадиабатных условий, которая может быть использована в составе комплексного расчета криогенного оборудования. Проанализирован-весь спектр влияния режимных и конструкционных параметров на переходный процесс. Представлены рекомендации для устранения нелэдательных эффектов при проведении захолаживания.

Внедрение. Результаты работы использованы при разработке систем охлаадения установок'Т0КАМАК-15, УНК-3000. Проведен анализ режимов захолаживания азотных экранов и гелиевого коллектора установки УЫК-ЗООО. Проанализированы пики давления, возникающие при захолаживании азотом, и время переходного процесса захолаживания азотом и гелием.

Апробация работы. Основные результаты настоящего исследования опубликованы в 7 печатных работах и докладывались на 4-й Всесоюзной научно-технической конференции по криогенной технике ("Криогеника-87"); всесоюзных семинарах "Научно-технические проблемы криогенной техники и кондиционирования"; "Двухфазные потоки в тепловом оборудовании атомных электростанций", "Динамика теплофизических процессов в элементах энергетических аппаратов", а также на 10-й научно -

- 5 -

технической конференции молодых ученых и специалистов НЮ "Криогенмаш".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из.6 разделов и выводов, изложенных на 149 с. машинописного текста, включая 43 рисунка, 2 таблицы и список использованной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первый раздел. Введение. На основе рассмотренной проблемы захолаживания трубопроводов двухфазными криоагентами, сформулированы цели работы. Перечислены основные положения диссертации с указанием научной новизны и практической ценности.

Второй раздел. Обзор состояния вопроса и постановка задачи исследования. Представлен обзор научно-технической информации по исследуемой тематике. Проанализированы и систематизированы физические модели, используемые при описании процесса захолажи-вания.

Анализ проработанных информационных источников показывает, что задача захолаживания протяженных трубопроводов двухфазными криоагентами является частным случаем общей сопряженной тепло-гидродинамической задачи поток - стенка с фазовым переходом жидкость - пар и различными режимами течения каждой из фаз при наличии нестационарной распределенной тепловой нагрузки и переменных граничных условий. Отдельные аспекты этой проблемы .рассматривались при анализе аварийных режимов в реакторостроении для парожидкостнго теплоносителя и при захолаживании жидким азотом криогенных трубопроводов.

В работах Дрейцера Г. А. и др. подробно проанализированы нестационарный теплообмен и гидродинамические режимы в канале при постоянном по длине канала расходе. Модель предназначена для расчета процесса захолаживания коротких каналов жидким азотом. В работах Буланова А. Б.' и др. решена задача о возникновении первого пика давления при захолаживании "длинного" канала жидким азотом, однако нет описания всего процесса захолаживания целиком. Отсутствуют экспериментальные данные по захолаживанию жидким гелием неадиабатных каналов.

- 6 -

Третий раздел. Физико-математическая модель захолаживания и заполнения Трубопровода криогенной Жидкостью. В разделе представлена физико-математическая модель захолаживания трубопровода жидким криоагентом, дана конечно-разностная схема решения задача.

Модель базировалась на анализе четырех характерных участков движения криоагента с различными режимами течения как для прямого, так и для обратного движения потока (рис.1): течение однофазной недогретой жидкости (1); стержневой режим течения с пленочным кипением (2); дисперсный режим пленочного кипения жидкости (3); течение однофазного газа (4).

3

1о'

г

•/{///////г

// /у/у/ У У У У У У У У;

- Рис. 1. Характерные участки течения криоагента в процессе захолаживания

При разработке физико-математической модели принимались следующие допущения: течение потока одномерное; газ на участке однофазного течения двигается только по направлению к выходу, а на остальных может двигаться как в прямом, так и в обратном направлении; для участка со стержневым течением потока, тепло-вой поток, поступающий от стенки, идет на нагревание ядра жидкости и на испарение с его поверхности, а весь пар, образующийся в единицу времени, уходит через плоскую границу раздала фаз; осевые перетечки тепла в канале отсутствуют; для описания коэфь-фициентов теплоотдачи и трения используются эмпирические зависимости, употребляемые в стационарных условиях и усредненные по длинам соответствующих участков.

На первом участке температура жидкости и на втором ядра жидкости (поверхностное кипение с недогревом) меньше температуры насыщения, на третьем температура потока равна температуре

- 7 -

насыщения, а граница раздела фаз соответствует максимальному паросодержанию (Х=Хтах<1).

Для кавдого из четырех участков были записаны уравнения сохранения неразрывности, энергии и движения.

Первый участок. Принимаем, что жидкость несжимаема, температура стенки равна температуре жидкости, тогда уравнения принимают вид:

Си£ео^)> (1)

т + ае^-^-- (2)

^ ие сре '

где расход, температура и скорость жидкого криоа-

гента, Р -давление в потоке,X и х-время и координата, теп-лоприток от стенки, и С^- плотность и теплоемкость, 7\е- коэффициент трения,!) и Р -диаметр и площадь поперечного, сечения канала.

Второй участок. На этом участке имеет место поверхностное пленочное кипение жидкости при наличии недогретого ядра. Для' описания переходного процесса используется двухзонная модель с учетом тепломассообмена между жидкой и паровой фазой. Температура пара равна температуре насыщения, жидкость несжимаема, толщина пленки пара на участке постоянна и равна среднеинтег-ральному значению; перепад давления на этом участке обусловлен движением только жидкостного ядра потока, поскольку толщина пленки значительно меньше диаметра.

Уравнения неразрывности для жидкости и пара

_ (5)

~ШГ г

где9г~ поток на испарение жидкости с поверхности раздела фаз;

¿V" массовые расходы жидкости и пара; г - теплота парообразования:

- 8 -

+ (Х - £ео . (6)

Уравнения анергии для жидкости:

где «-энтальпия потока.

Учитывая, что пар не нагревается (Т^Тй), уравнение энергии для пара записывается в виде:

■ или

Чг-Чн-Че, (9)

где - тепловой роток в ядро жидкости, с^ - тепловой поток на испарение жидкости с поверхности ядра потока, - теп-.йЬвой поток от стенки к потоку.

Уравнение сохранения импульса:

Ш-.Ж.¡лоШ.Чп.*- ("в

В соответствии с принятым допущением перепад давления на этом участке обуславливается только течением'жидкостного ядра. Уравнения (4)-(9) дополнены уравнением состояния для пара

■ 9у~ ' (И)

' где ' - молекулярная масса; К - универсальная постоянная. Условие сопряжения между стенкой и каналом:

^ С* (Т* -Тб) + ц, (12)

гдеТ^ -температура стенки; «С- коэффициент теплоотдачи в поток, с) - внешний теплоприток.

Тепловой поток от -стенки представлен как сумма потоков вы-нугеденой и естественной конвекции ,в пленке пара.

^-Чр + Я-"- (13)

Третий участок. На этом участке имеет место дисперсный режим пленочного кипения жидкости. Используется гомогенная модель потока для обогреваемого' канала

Уравнения неразрывности, энергии, движения и состояния

для двухфазного потока:

(14)

(16)

(16)

1 1-х , (17)

Четвертый участок. На этом участке газ с расходом на входе 6 нагревается от температуры Го до температуры Тн. Для уравнения неразрывности используется нуль-мерная модель, а для уравнения энергии- одномерная модель.

Ери этих условиях имеем

п аоу. э¿у _ а (18)

Уравнение энергии:

Ро + ГЧ р£ _ (19)

где ^у и Ту - средняя плотность и температура газа.

Уравнение движения записывается в квазистационарном представлении и интегральной форме:

(Ь-Хз4) . (20)

Уравнение состояния: А РМр

При прямом движении криоагента общие граничные условия выглядят следующим образом:

х=0: Р =Р0; х-Ь: Р=Р*; х=0 : I =1а; (22)

При обратном движении криоагента их можно записать в вийв: х=0: Р =Р0; х=Ь: Р=Ра; . х-х3: I -Ь; (23)

- 10 -

В результате решения необходимо определить перемещение границ участков в процессе захолаживания, включая реверсное течение, а также изменение параметров потока (Р/и.Т^д).

Реализация модели проводилась на основе численно-аналитического последовательно-параллельного решения уравнений сохранения в одномерном приближении с составлением конечно-разностных аппроксимаций для численного решения на алгоритмическом языке Фортран-IV.

Особенность численной реализации состоит в описании трех переменных границ участков и их стыковки с учетом реверсного движения жидкости. Была выбрана подвижная координатная сетка для рассмотрения потока жидкости (метод последовательных цепочек сосредоточенных объемов) и стенки с неподвижной системой координат. Это позволило решить задачу численного моделирования процесса при описании динамики изменения границ участков и их стыковки.

Система стыковки сеток проводилась с помощью разработанного метода "бегущего" поиска граничных узлов стенки с последующей интерполяцией между ними температуры для прямого и реверсного движения потока при описании теплообмена.

При этом предполагалось, что элементарные участки потока, формируемые расходом на входе при прямом течении, обладают средними по его объему теплогидродинамическими параметрами и находятся в равновесии с остальными, т. е. на границах элементов объемов выполняются условия: ; = х1!&Р "

Р, или меаду элементарными объемами нет теплоперетечек и нет разрыва на границе по давлению и скорости. Эти условия позволили использовать уравнения сохранения для каждого из участков со среднеинтегральными параметрами, а их стыковка - найти пространственное распределение искомы:: величин.

Четвертый раздел. Экспериментальная установка, методика проведения экспериментов и измерений.

Цель экспериментального исследования процесса захолажива-ния жидким криоагентом "теплых" трубопроводов - проверка разработанной физико-математической модели переходного процесса, анализ основных характеристик (пиков давления, времени захола-

- л ' -

живания, температуры потоков и стенки) как по координате, так и во времени, влияние режимных и конструкционных параметров на процесс.

Для экспериментального изучения процесса захолаживания жидким азотом и гелием был создан универсальный стенд (рис. 2.). Основой стенда является вакуумная камера (1) диаметром 1,8 и длиной 10 м. Для уменьшения теплопритока от окружающей среды в камере поддерживается вакуум 1 • 1(5 Topp. В камере размещается опытный элемент (2) на специальной подвеске, уменьшающей теп-лоприток по тепловым мостам. Азотный экран £3) позволяет защитить элементы от теплового излучения, а также позволяет изменять внешний теплопригок к опытному элементу. На крышке камеры подвешен резервуар (5) с входным участком (4), содержащий жидкий криоагент.

Рис. 2. Схема экспериментального стенда

Основными сложностями при проведении экспериментальных работ являлись поддержание граничных условий, обеспечение контролируемой внешней тепловой нагрузки, измерение параметров потока в нестационарных условиях.

Эксперименты по захолаживанию жидким азотом проводились на двух опытных элементах: 1=47 м, 018x1 мм и Ь-45 м, 012x1,5мм, а жидким гелием - на элементе Ь=30 м, $6x0,32 мм. Элементы выполнены из нержавеющей стали. На них-были компактно расположены четыре измерительных.уьла с датчиками температуры

- 12 -

потока, стенхи и отбором на импульсные трубки (Ь-1,6 м, 01, А)

*

мм, которые соединяют канал и датчики давления.

При проведении экспериментов по захолаживанию жидким гелием в условиях значительного (д > 1 Вт/м) внешнего теплопритока газообразный азот подавался в экран через регулируемый электрический нагреватель. Таким образом выставлялась температура экрана, который создавал необходимый тепловой поток излучением к опытному трубопроводу.

После того, как давление в сосуде будет поднято до уровня давления подачи, открывается выходной вентиль. С этого момента начинается процесс захолаживания элемента. Газ, находящийся в опытном элементе, через выходное отверстие выдавливается из элемента, при Зтом в трубопровод начинает поступать жидкость. Начало процесса фиксируется датчиком температуры потока, расположенным на входе в элемент, окончание процесса - по датчику, расположенному на выходе из опытного элемента.

Экспериментальные работы проводились сериями с неоднократными повторениями режимов, с целью уменьшения экспериментальной погрешности варьировались граничные и начальные условия (температура и давление жидкости на входе, начальная температура стенки), проводился анализ влияния тепловой нагрузки на трубопровод с целью определения существования критической тепловой нагрузки, приводящей к прекращению захолаживания.

Пятый раздел. Анализ теоретических и экспериментальных результатов исследований. В разделе проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных по изменению давления в канале и длительности переходного процесса.

Как следует из экспериментальных данных, изменение давления в канале имеет ярко выраженный характер при заполнении теплого канала криожидкостьи с достаточно большой плотностью (азот, кислород, аргон и т. д.). При заполнении канала жидким гелием и водородом колебания давления практически отсутствуют.

Проведено сопоставление экспериментальных и расчетных данных по изменению амплитуды колебаний давления для экспериментального элемента 1=47 м, 018x1 мм для давления подачи азота Ро=0.48 МПа с начальной температурой трубопровода Т=300 К (рис.3) и элемента Ь=50 м, 023x1,5 мм, для То=78 К, Ро=0,8 МПа,

Тн=300 К. Максимальная погрешность для этих азотных трубопроводов составила 1SZ.

Анализ длительности переходного процесса проводил-оя для экспериментальных элементов и соответствующих режимов: L=47m, 018x1мм (Ро= =0,3 МПа, То = 88 К; Ро= =0,4 МПа, То = 87 К; Ро-=0,48 МПа, То=8б К); L=45m, 012x1,5 мм (Ро= 0,3 МПа, То= =79 К; Ро-0,4 МПа, То= 83 К; Ро = 0,5 МПа, То =83 К) при захолаживании жидким азотом и L=30 м, 06x0,32 мм (Ро-=0,12 МПа, То-4,424 К; Ро= =0,15 МПа, То=4,680 К; Ро= =0,18 МПа, То=4,911 К) при захолаживании жидким гелием.

Оказалось, что для различных давлений подачи, геометрии и криоагентов динамическая модель описывает полное время захола-1 живания трубопровода с точностью 20%, в то время как метод "теплового баланса" дает 50%. Эти данные были получены для адиабатных условий при отсутствии внешней тепловой нагрузки.'

Одним из эффектов, полученных при математическом моделировании и впоследствии подтвержденных экспериментально, является возникновение колебаний давления на конечной стадии захолажива-ния. Это объясняется ускорением двухфазного потока в конце трубопровода, имеющего еще достаточно высокую температуру и резким увеличением испарения. Пики имеют относительно высокую частоту, а их амплитуда значительно меньше появляющихся на начальной стадии.

Наиболее важным эффектом, полученным при моделировании за-холаживания жидким гелием, является возможность прекращения за-холаживания для некоторого диапазона реальных внешних тепловых нагрузок с выходом процесса на автоколебательный или новый стационарный режим. Суть эффекта заключается в том, что для длин-

ное и расчетное давление в канале во время переходного процесса .

►0Ьт/м 0,6 Ы/м 2 ьт/м

О/К 0,16

Рис.5. Время переходного процесса для различных тепловых нагрузок и давлений на входе в опытный элемент (06x0,32 , Ь=30 М, То^Тб)

640 650 660 N0 «С,С

Рис. 4. Автоколебательный характер заполнения канала жидким гелием при внешней тепловой нагрузке ц = 2 Вт/м (06x0,32 , Ь=30 м, Ро=0,18 МПа, Т =320 К, То=Тэ) ' ных каналов при определенной (граничной) внешней тепловой нагрузке после окончания реверсного течения жидкости стенки канала успевают прогреваться настолько, что при прямом движении поток, прогреваясь, "испаряется, давление возрастает и вызывает повторный реверс потока в сечении, приблизительно равном предыдущему. Таким образом, поток выходит на автоколебательный режим, а за-холаживание прекращается (рис. 4).

Эффект прекращения захолаживания был подтвержден экспериментально яа опытном гелиевом элементе. На рис. 5 проводится сопоставление расчетных и экспериментальных данных длительности переходного процесса для различных значений давления на входе в трубопровод и внешних тепловых нагрузок.

Была проведена проверка правомерности и определение возможной погрешности в связи с использованием стационарных замыкающих зависимостей.

Шестой раздел. Влияние режимных и конструкционных параметров на характеристики переходного процесса. С помощью математического моделирования был проведен анализ влияния'режимных

- 15 -

(давление и температура потока на входе в трубопровод, начальная температура трубопровода, входное и в>ходное местные сопротивления) и конструкционных (длина, проходное сечение и толщина стенки трубопровода) параметров на амплитуду колебаний давления в канале и общее время захолаживания.

Анализ амплитуды колебаний давления, возникающих в трубопроводе проводился для канала Ь=47 м, $18x1, Ро=0,48 Ша.

Подтвердились ранее известные факты, что при уменьшении недогрева амплитуда колебаний уменьшается и при подаче на вход в канал насыщенной жидкости колебания давления практически отсутствуют.

При анализе влияния начальной температуры обнаружилось, что ниже некоторой начальной температуры трубопровода колебаний давления не возникает совсем, давление в канале монотонно меняется, а захолаживание проходит без реверсного течения жидкости.

Показано, что с увеличением входного сопротивления в области малых значений амплитуда колебаний давления падает очень быстро. Для начального этапа захолаживания, во время которого появляются пики давления, изменение выходного сопротивления адекватно возрастанию длины канала.

Длина трубопровода немонотонно влияет на амплитуду колебаний давления. При относительно коротких каналах колебаний не возникает, а при протяженных их амплитуда асимптотически приближается к определенной фиксированной величине. Существует область длины трубопровода, при которой амплитуда является максимальной.

С увеличением толшщы стенки амплитуда асимптотически стремится к максимально возможному значению, соответствующему состоянию, при котором температура стенки неизменна и равна начальной. При малой толщине стенки происходит быстрое охлаждение трубопровода, амплитуда колебаний давления мала.

Анализ времени захолаживания проведен на примере захолаживания азотного трубопровода Ь=47 м,018x1 с режимными параметрами: Ро =0,8 МПа, Т =78 К, Т =300 К, ,^=0,^0, на основе динамической модели и методом "теплового баланса", последовательно меняя каждый из параметров и фиксируя остальные.

Обнаружено, что время захолаживания падает практически ли-

нейно с увеличением недогрева. При эгом время переходного процесса значительно уменьшается.

Показано, что возрастание времени переходного процесса с ростом начальной температуры происходит незначительно до некоторого уровня температур трубопровода, превышающих входную менее чем в 2,5 раза В этой области происходит монотонное эахо-даживание без пиков давления и реверсного течения криоагента, увеличивающих общее время переходного процесса.

Местное сопротивление на входе в канал играет стабилизирующую роль в динамике движения жидкости. Уменьшение расхода и скорости движения жидкости из-за местного сопротивления на входе не приводит к существенному увеличению времени захолажива-ния.

Увеличение местного сопротивления на выходе носит дестабилизирующий характер. При этом частота колебаний увеличивается, а колебания давления хотя и' уменьшаются по амплитуде, но продолжаются в течение всего процесса, что существенно увеличивает время захолаживания.

С увеличением длины трубопровода, как и ожидалось, существенно возрастает время захолаживания, а производная стремится к определенной фиксированной величине,и. для достаточно длинных каналов время захолаживания становится прямо пропорциональным его длине. Это объясняется тем, что при большой длине канала начальные и концевые эффекты занимают лишь малую долю времени от общего времени захолаживания, которое определяется в основном близкой к постоянной среднеинтегральной скоростью захолаживания в средней части канала.

Анализ влияния диаметра проходного сечения на длительность переходного процесса проводился исходя из предположения, что удельная масса трубопровода-на единицу длины остается постоянной. При больших диаметрах время захолаживания приближается к времени теплового баланса, а при малых резко возрастает.

В разделе проведен анализ влияния на процесс внешней тепловой нагрузки при захолаживании трубопровода жидким гелием. По мере увеличения тепловой нагрузки (рис. 6) длительность захолаживания постепенно увеличивается, а, начиная с. некоторого значения я, в канале возникают автоколебания расхода и температуры

гц

т

ад-

ю

О л 2 Ч ВТ/И

Рис. 6. Влияние внешней тепловой нагрузки на время захолаживания ((614x1,1=1 ООм, Ро-0,18 МПа, Тн=20 К. То=Гэ)

- 17 -

на выходе, и в результате невозможно достигнуть нового стационарного состояния. Из представленных результатов расчета видно, что увеличение длительности переходного процесса в неадиабатных каналах сильно зависит от начальной температуры канала, и, в частности, время захо-лаживания увеличивается на 20, 50, 300% при начальной температуре 300, 80, и 20 К, соответственно. При снижении начальной текшера-туры соответственно уменьшается внутренняя энергия

стенки канала и увеличивается относительная доля транспортного времени (времени прохождения частицы криоагента всего канала). С другой стороны, увеличение внешней тепловой нагрузки приводит к увеличению транспортного времени. В результате при снижении температуры стенки отрицательное влияние тепловой нагрузки увеличивается. При этом длительность переходного процесса может увеличиться в несколько раз П9 сравнению с методом теплового баланса. Расчеты также показали, что увеличение длительности захолаживания обуславливается общим теплопритоком к каналу с а, Вт).

В разделе проведен анализ причин выхода процесса на автоколебательный режим и показано, что для избежания возникновения автоколебательного режима во время переходного процесса давление на входе в трубопровод необходимо поддерживать выше, чем требуется для окончания процесса захолаживания исходя из стационарных представлений, и выше, чем для обеспечения тепло-гидравлической устойчивости "в малом" при переходе из одного стационарного состояние в другое. Это объясняется тем, что по мере продвижения температурного фронта по каналу общая тепловая нагрузка к жидкому гелию увеличивается, а расход криоагента ос-

- 18 -

тается ниже стационарного значения из-за колебательного характера переходного процесса. В этих условиях теплогидравлическая неустойчивость существует при более высоких значениях давления на входе, чем при стационарных условиях.

Отмечено, "то при увеличении паросодержания гелия на входе автоколебания границы раздела фаз возникают на меньшем расстоянии от входа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана физико-математическая модель, основанная на общепринятых представлениях о режимах течения и теплоотдачи, позволяющая полностью описать динамику процесса захолаживания и заполнения неадиабатного канала жидким криоагентом, включая ам-литуды и частоту колебания давления и температуры, возвратно-поступательное движение криоагецта в канале, длительность переходного процесса, а также автоколебательные режимы.

2. Разработана методика и проведено экспериментальное исследование процесса захолаживания протяженных неадиабатных каналов жидким азотом и гелием при параметрах, близких к реальным условиям. .

3. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено:

- предложенная физико-математическая модель удовлетворительно описывает все стадии переходного процесса-,

- при захолаживании канала жидким гелием определяющими являются теплогидродинамические процессы на участке с дисперсным режимом течения при пленочном кипении;

- процесс захолаживания имеет колебательный характер практически на всем протяжении ?

- при захолаживании неадиабатных каналов жидким гелием время переходного процесса увеличивается в 2-3 раза для уровня температур, при которых определяющим является процесс заполнения;

- при определенных значениях внешнего теплопритока в каналах могут возникнуть автоколебательные режимы, при этом процесс захолаживания полностью прекращается.

4. Разработанная методика расчета позволяет проводить численное моделирование и расчет процесса захолаживания криагента-

- 19 -

ми теплообменно-проточной части сверхпроводниковых устройств; при этом достигается соотношение реального времени к затраченному на ЭВМ РС-АТ порядка 1/100 с/с.

Результаты работы были использовании при проектировании гелиевых и азотных систем опытной термоядерной установки ТОКА-МДК-15 и ускорителя на 3 ТЭВ (УНК-3000).

Содержание диссертации раскрыто в следующих опубликованных работах:

1. Горбачев С. IL и др. Влияние теплообмена между каналами на захолаживание сложных криоэнергетических систем. /Горбачев С. Е , Крикунов А. А. , Ладохин С. Д. , Горлач И. В// Тез. докл. Всесоюзного научно-технического совещания "Науч. -тех. и технолог, вопросы создания сверхпроводникового и электроэнерг. оборудования" - М. , 1984. -С. 126-127.

2. Горбачев С. П. и др. "Двухслойная" модель заполнения трубопровода двухфазным криоагенгом/ Горбачев С. П., Бочаров М.Е, Горлач И.В.//ИФЖ, 1989.- С. ll.-Деп. ВИНИТИ 22. Об; 89 N4114 - В89.

3. Горбачев С. IL и др. Исследование процесса заполнения жидким азотом криогенных трубопроводов. / Горбачев С. П. , Бочаров М. Е 5 Горлач И. В.//Динамика теплофизических процессов в элемент тах энергетических аппаратов: Тез. докл. - Челябинск, 1989. -С. 31.

4 . Горбачев С. П. и др. Исследование процесса заполнения трубопровода жидким криоагентом/ Горбачев С. П. , Бочаров М. Е, Горлач И. В.// Хим. и нефт. машиностроение.-1989.-N4. - С. 19-21.

5. Горбачев С. IL и др. Физико-математическая модель захо-лаживания длинных трубопроводов жидким криоагентом. / Горбачев С. Е , Бочаров М. Е , Горлач И. В. //Двухфазные потоки в тепловом оборудовании атомных электростанций: Тез. докл. - Одесса, 1988. - С. 71.

6. Горлач И. В. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса заполнения длинных трубопроводов жидким азотом// Роль молодых конструкторов и исследователей хим. машиностроения в реализации целевых программ, направленных на ускорение научно-технического прогресса в отрасли: Тез. докл. - М.: МВТУ им.

Баумана, 1988.- С. 30-31.

7. Крикунов А. А., Горлач Л В. Разработка модели процесса захолаживания параллельных каналов//Роль молодых исследователей и конструкторов хим. машиностроения в реализации целевых комплексных программ и важнейших научно-технических проблем: Тез. докл.— М: ЦИНТИхимнефтемаш, 1983,- С. 91-92.