第32卷 第4期低 温 与 超 导V o l . 32 N o. 4 2004年11月N ov . 2004CR YO GEN I CS AND SU PERCONDU CT I V IT Y
Ξ
低温液体管路输送中几个问题的分析
张曙光 徐烈 刘凤梁 孙恒 朱红梅
(上海交通大学制冷与低温工程研究所, 200030)
摘要:对低温液体传输过程中气体置换、预冷过程、竖直管道中间歇泉现象、盲支管填充时和阀门开启时的不稳定现象作了较详细分析, 指出了其可能造成的危害, 并提出了相应的解决方法。
关键词:低温液体 管路传输 气体置换 预冷 间歇泉 不稳定过程
1 引言
随着低温技术的发展, 低温液体产品已在国民经济、国防、科学研究等众多领域中发挥着重要作用。低温液体应用建立在低温液体产品的有效与安全储运的基础之上, 而低温液体的管道传输贯穿在整个储运过程中, 因此, 保证低温液体管道传输的安全与高效十分重要。
对传输低温液体而言, 在输送前需要对管路进行气体置换, 。预冷过程是低温液体产品输送过程中不可避免的一个环节, 。此外, 填充等都会给设备和管道带来不同程度的不利影响有鉴于此, 。
2, 如液氢、液氦, 预留在管路中的凝固点高于低温液体沸点的气体, 在低温液体中形成机械杂质, 这会卡塞阀门, 从而引发操作故障, 因此在输送这些低温液体前必须用特定的方法对预留在管路中的气体进行置换。对输送液氢来说, 一般先用相对廉价的氮气置换到氧气含量小于5%
(根据不可燃要求计算得到) , 然后再用氢气或氦气(其凝固点比氢更低) 对氮气进行置换。而对输送液氦来说, 考虑到氦十分昂贵, 而且由于输送液氦一般都是在用液氮预冷好管道之后, 预留在管路中的气体的绝大部分是氮气, 所以一般是先对管路和接收设备抽真空, 最后用氦气清洗管路。3 管道的预冷过程
在整个低温液体管路传输过程中, 在建立稳定的传输状态之前, 会有一个预冷热的管路系统和接受设备过程, 即预冷过程。在这个过程中, 管路和接受设备要承受相当大的冷缩应力和冲击压力, 因此要加以控制。
我们先对其过程作一个分析。
整个预冷过程起始时是剧烈的汽化过程, 进而出现两相流, 最终在系统完全冷透后才出现单相流。在预冷过程的起始阶段, 管壁温度明显超过了低温液体的饱和温度, 甚至超过了低温液体存在的上限温度极限过热温度[1]。由于传热, 在管壁附近的液体受热瞬时汽化形成蒸气膜, 完全包围住管壁, 即出现了膜态沸腾。此后, 随着预冷过程的进行, 管壁温度逐步下降到极限过热温度以下, 这时就形成了过渡沸腾和气泡沸腾的有利条件。在这个过程中会出现较大的压力波动。当预冷进行到一定阶段, 管路的热容和环境的热侵不会使低温液体加热到饱和温度时, 便会呈现单相流的状态。
收稿日期:2004-05-09Ξ
低 温 与 超 导 第32卷 12
在剧烈汽化时, 会产生剧烈的流量和压力波动, 而在整个压力波动过程中, 低温液体直接进入热管道后第一次形成的最大压力是整个压力波动过程中的最大振幅, 而该压力波能验证系统的承压能力, 因此, 一般仅研究第一压力波。
在阀门打开后, 低温液体在压差的作用下很快进入管路, 汽化产生的蒸气膜将液体和管壁隔开, 形成同心轴态流。由于蒸气的阻力系数很小, 故而低温液体的流速很大, 随着向前推进的进行, 其温度由于液体吸热而逐渐上升, 相应地, 管路压力增大, 填充速度减慢。如果管路足够长, 液体温度必然会在某一处达到饱和温度, 此时液体就停止推进。由管壁传入低温液体的热量全部用来蒸发, 此时蒸发的速度得到大幅提高, 管路中的压力也因此升高, 可能会达到入口压力的1. 5～2倍[1]。在压差的作用下, 部分液体又会被反向驱赶流回低温液体贮箱, 导致产生蒸气的速度变小, 而且由于部分已产生的蒸气从管路出口排出, 管中压力回落, 一段时间以后, 管路中会重新建立起液体进入的压差条件, 上述现象又会出现, 如此反复。但在以后出现的上述过程中, 由于管内已有一定压力和部分液体, 新进入的液体导致的压力增加较小, 所以以后出现的压力峰值都会小于第一次的峰值。文献[2]中详细介绍了第一压力波值的计算方法。
在整个预冷过程中, 系统除要承受较大的压力波冲击外, 还因受冷要承受较大的冷缩应力, 这两者的共同作用可能会造成系统的结构损坏, 因此要采用必要的措施加以控制。
由于预冷流量直接影响预冷过程和冷缩应力的大小, , 合理预采用较大的预冷流量来缩短预冷时间。如果预冷流量过小, , [3]。文献[3]介绍了预冷流量的确定和总耗液量的计算方法 在预冷过程中, 由于出现了两相流, , 也就无法以此来指导预冷流量的控制。,
在特定的条件下, 接收容器的[4]。而在预冷过程进展到单相流状态后, 就可以用流量计测火箭低温液体推进剂的加注控制经常用这种方法。
, 可以用来定性判断预冷阶段:当接收容器排气能力一定时, 其反压起先会因为低温液体剧烈汽化而迅速增大, 而后随着接收容器和管路温度的下降, 反压会逐渐回落, 这时, 预冷量增大。文献[5]中详细介绍了利用反压来反映L H e 加注整个过程所处阶段的方法。4 间歇泉现象
间歇泉现象指的是在低温液体沿竖直的长管道(指长径比达到一定值) 向下输送过程中, 由于液体汽化会产生气泡, 而且随着气泡的增多气泡之间会发生聚合, 最后把低温液体反向挤出管道入口而产生的喷发现象[6]。
当管路中的流体流速较低时可能会发生间歇泉现象, 但只有在流体停止流动时才需要注意它的发生[6]。低温液体在竖直管路中向下流动时, 与预冷过程相似, 低温液体会因受热而沸腾汽化, 不同于预冷过程的是, 其热量主要是来源于较小的环境热侵, 而不是预冷过程中系统较大的系统热容, 因此, 在近管壁处形成的是温度相对较高的液体边界层, 而不是蒸气膜。液体在竖直管路中流动时, 由于环境热侵, 近管壁处的流体边界层受热密度减小, 在浮力作用下会反向向上流动, 形成热流体边界层, 而中心的冷流体向下流动, 二者形成对流作用。热流体边界层沿主流方向逐渐增厚, 直至完全阻挡住中心流体, 使对流停止, 此后, 由于没有对流来带走热量, 所以受热区液体温度上升很快, 在液体温度达到饱和温度之后, 就开始沸腾产生气泡, 气泡由于浮力而上升, 随着气泡的增多, 气泡会积聚而产生圆柱形气泡泰勒气弹, 使得气泡的上升速度变缓。
由于竖直管路中气泡的存在, 气泡粘性剪切力的反作用会减小气泡底部的静压, 静压的减小又会使得剩余液体过热, 从而会产生更多的蒸气, 这又会反过来使静压更低, 如此相互促进, 达到一定程度, 会产生大量的蒸气, 出现液体携带着闪蒸的蒸气反向喷出管路的情况, 这就是有些类似于爆炸的间歇泉现象。一定量的
第4期 张曙光等:低温液体管路输送中几个问题的分析 13 蒸气夹带着液体喷出到储槽的上部空间会引起储槽空间整体温度的剧烈变化, 从而引起压力的剧烈变化, 当
[7]压力波动处于压力峰谷时, 有可能使储槽处于负压状态, 压力差的作用会导致系统的结构损坏。
在蒸气喷发后, 管内压力迅速下降, 低温液体由于重力作用重新注入竖直管路, 高速的液体将会产生类似于水锤的压力冲击, 这对系统的冲击很大, 尤其是对航天设备。
为了消除或减轻间歇泉现象带来的危害, 在应用中, 一方面要注意管路系统的绝热, 因为热侵是导致间歇泉现象产生的根本原因; 另一方面可考虑文献[6]提出的几种方案:注入惰性不冷凝气体、补充注入低温液体和加循环管路, 这几种方案的本质都是转移低温液体的过热量, 避免过热量的累积, 从而防止间歇泉现象的发生。
对注入惰性气体方案, 惰性气体一般可选用氦气, 把氦气注入到管路底部, 利用产品蒸气在液体和氦气中的蒸气压差使产品蒸气从液体中到氦气团发生质传递, 使得部分低温液体汽化, 从低温液体吸热, 产生过冷效应, 这样就阻止了过热量的积累。一些航天推进剂的加注系统就采用了该方案。
补充加注是利用加注过冷低温液体的方法来降低低温液体的温度, 而加循环管路的方案是用加管道的方式使得管路与贮箱建立起自然循环的条件, 转移掉局部区域的过热量, 破坏间歇泉产生的条件。5 传输过程中的不稳定过程
在低温液体管路传输过程中, , 引发一系列不同于常温流体的不稳定过程。, 从而可能引发结构性的损坏。如美国土星5管道断裂[1], 此外, () 破坏的现象更是常见。
:盲支管的充填、放液管间歇排液后的填充和开启前部已。, 引发在, 。
, 因此下面仅针对盲支管填充时和开启阀门开启时的不稳定过程作分析。
5. 1盲支管填充时的不稳定过程
出于系统安全、控制等方面的考虑, 在管路系统中除了主输送管道外, 还需装备一些辅助的支管
, 此外系统中的安全阀、排泄阀等阀门会引入相应的支管。这些支管处于不工作状态时, 对管路系统来说就形成了盲支管。周围环境对管路的热侵, 必然会导致盲管中存在蒸气腔(在有些情况下还专门利用蒸气腔以减少外界对低温液体的热侵[1]) 。在过渡状态中, 管路中的压力会因为阀门调节等原因而上升, 在压差作用下液体会去填充蒸气腔, 如果在气腔填充过程中, 低温液体因受热而汽化产生的蒸气不足以反向驱赶液体时, 液体会一直填充气腔, 最后在填充气腔结束后, 在盲管封口处形成急促的制动条件, 从而导致在封口附近的压力急剧(a ) 装置原理图(1, 2压力传感器) ; (b ) 压力波形图(
1管路中的压力, 2盲支管中压力)
图1 盲支管中的不稳定过程[1]
增大形成二次水击, 冲击盲管。图1给出了某次实验时的压力变化。
低 温 与 超 导 第32卷 14
文献[1]把整个盲管填充过程分为三个阶段加以分别研究, 第一阶段中液体在压差作用下被驱赶达到最大的填充速度, 直至压力平衡; 第二阶段, 由于惯性, 液体继续向前填充, 此时形成的反向压差(气腔中的压力随填充的进行而增大) 作用会使流体缓慢减速; 第三阶段即快速制动阶段, 该过程中的压力冲击最大。
消除或限制盲支管填充时产生的动态负荷可从降低填充速度和减少气腔尺寸两方面入手。对长管路系统, 可预先平稳地调节液流的源头使流速降低, 并采用关闭时间较长的阀门。
在结构上, 我们可以采用不同导向部件以增强盲支管中液体的循环, 减小气腔尺寸, 并可在盲支管入口处引入局部阻力或增大盲支管管径以降低填充速度, 此外, 盲文管的长度和安装位置会对二次水击有所影响, 设计和布置时应注意。增大管径会减小动态负荷的原因可定性解释如下:对盲支管填充而言, 支管流量受到主管流量的限制, 定性分析时可假设为定值, 增加支管管径就相当于增加了截面积, 因此也就相当于减小了填充速度, 因此导致负荷的减小。
5. 2阀门开启时的不稳定过程
当阀门处于关闭状态时, 环境的热侵, 特别是通过热桥传入的热量很快就会导致在阀门前形成气腔。阀门开启后, 蒸气和液体就开始运动, 由于气体流速远大于液体流速, 蒸气在阀门没有完全打开时就很快疏散完毕, 导致压力下降很快, 液体在压差作用下被驱赶前进,
, 由于阀门对液
体的通过能力不够, , 这时会发生水击,
。化。
, 使得充填气腔
, 此外, 使用高可控性阀门、变更管段走向和引
入小口径专用旁通管道(以减小气腔尺寸) 都会对减小动态
负荷有所作用。
特别要注意, 与盲支管填充时增大盲支管管径会减小
(a ) 装置图示(1, 2-压力传感) ; (b ) 压力波形图
(1-管路中阀门前的压力, 2-容器中的压力)
图2 阀门开启时的不稳定过程[1]动态负荷不同, 对阀门开启时的不稳定过程, 增大主管路管径就相当于减小了均布管道阻力, 这会增大填充气腔的流
速, 从而会使水击值增大。
6 结束语
本文从机理上详细分析了低温液体管道输送过程中需要注意的几个问题, 并且提出了相应的解决方案, 为低温液体管道输送的设计和操作提供参考。
参 考 文 献
[1] 瓦费林尼亚波部拉诺夫著, 赵运生. 崔春娥译. 液体低温系统. 北京:《低温工程》编制部, 1993, 98-144
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[5] 吴远宽. 液氦输送技术. 低温工程, 1995, (5)
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[6] 张亮等. 低温液体输送系统间歇泉现象机理分析及消除措施. 低温与特气, 2002, 21(5) :1-6
[7] 万忠民等. 低温直立管道中两相自然循环流动分析. 低温与特气, 2003, 21(5) :14-16
(下转第5页后)
第4期 施锦等:超导电缆用2000W @70K 制冷系统的设计和计算
5
参 考 文 献
[1] W h ite G K , 洪朝生等译, 北京:科学出版社, 1962
[2] 阎守胜. 陆果. 低温物理实验的原理与方法, 北京:科学出版社, 1985
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b le , IEEE T ran sacti on on A pp lied Superconductivity , invited paper 4L K 04. 2001, 11
The D esign of Sub -Cooled L N 2Syste m for 30M -2000A HTS Cable
Sh i J in , D ing H uaikuang , Chen D engke
(Ch ina E lectron ics T echno logy Group Co rpo rati on N o . 16th R esearch A nhu iV acree T echno logies Co . , td , H , )
X i H aix ia , (Beijing Innopow eer . , , )
Abstract :T he design of sub -coo led 2fo r 30S cab le is described in th is paper . T he system p ro 2cess , design and calcu lati on of the m i ts , l resu lts of tests and experi m en ts of the sub -coo led LN 2system etc . are in .
Keywords :r le Sub -coo led LN 2system , C ryocoo ler , Box fo r LN 2pump , Sub -coo led box
作者简介:施锦, 男, 1946年生。主要从事氦制冷、液化、回收和纯化技术以及低温超导系统工程和低温恒温器的研发等。(上接第14页后)
Ana lysis of Severa l Proble m s i n the Cryogen ic L iqu id P ipe Tran sfer Process
Zhang Shuguang , Xu L ie , L iu Fengliang , Sun H eng , Zhu Hongm ei
(In stitu te of R efrigerati on and C ryogen ics Engineering , Shanghai , J iao tong U n iversity , 200030)
Abstract :In th is paper , gas disp lacem en t and p recoo ling stage du ring the p i pe tran sfer p rocess of the cryogen ic liqu id w ere analyzed in details , and geysering phenom enon in the vertical p i pe and un stab le p rocesses du ring fueling the b lind tube and open ing the valve in the w ho le tran sfer p rocess w ere discu ssed . M o reover , the po ssib le harm du ring these p rocesses and coo responding so lu ti on s w ere also p resen ted .
Keywords :C ryogen ic liqu id , P i pe tran sfer , Gas disp lacem en t , P recoo l , Geysering , U n stab le p rocess
作者简介:张曙光, 男, 1980年生。现在上海交通大学攻读硕士学位。
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低温液体管路输送中几个问题的分析
张曙光 徐烈 刘凤梁 孙恒 朱红梅
(上海交通大学制冷与低温工程研究所, 200030)
摘要:对低温液体传输过程中气体置换、预冷过程、竖直管道中间歇泉现象、盲支管填充时和阀门开启时的不稳定现象作了较详细分析, 指出了其可能造成的危害, 并提出了相应的解决方法。
关键词:低温液体 管路传输 气体置换 预冷 间歇泉 不稳定过程
1 引言
随着低温技术的发展, 低温液体产品已在国民经济、国防、科学研究等众多领域中发挥着重要作用。低温液体应用建立在低温液体产品的有效与安全储运的基础之上, 而低温液体的管道传输贯穿在整个储运过程中, 因此, 保证低温液体管道传输的安全与高效十分重要。
对传输低温液体而言, 在输送前需要对管路进行气体置换, 。预冷过程是低温液体产品输送过程中不可避免的一个环节, 。此外, 填充等都会给设备和管道带来不同程度的不利影响有鉴于此, 。
2, 如液氢、液氦, 预留在管路中的凝固点高于低温液体沸点的气体, 在低温液体中形成机械杂质, 这会卡塞阀门, 从而引发操作故障, 因此在输送这些低温液体前必须用特定的方法对预留在管路中的气体进行置换。对输送液氢来说, 一般先用相对廉价的氮气置换到氧气含量小于5%
(根据不可燃要求计算得到) , 然后再用氢气或氦气(其凝固点比氢更低) 对氮气进行置换。而对输送液氦来说, 考虑到氦十分昂贵, 而且由于输送液氦一般都是在用液氮预冷好管道之后, 预留在管路中的气体的绝大部分是氮气, 所以一般是先对管路和接收设备抽真空, 最后用氦气清洗管路。3 管道的预冷过程
在整个低温液体管路传输过程中, 在建立稳定的传输状态之前, 会有一个预冷热的管路系统和接受设备过程, 即预冷过程。在这个过程中, 管路和接受设备要承受相当大的冷缩应力和冲击压力, 因此要加以控制。
我们先对其过程作一个分析。
整个预冷过程起始时是剧烈的汽化过程, 进而出现两相流, 最终在系统完全冷透后才出现单相流。在预冷过程的起始阶段, 管壁温度明显超过了低温液体的饱和温度, 甚至超过了低温液体存在的上限温度极限过热温度[1]。由于传热, 在管壁附近的液体受热瞬时汽化形成蒸气膜, 完全包围住管壁, 即出现了膜态沸腾。此后, 随着预冷过程的进行, 管壁温度逐步下降到极限过热温度以下, 这时就形成了过渡沸腾和气泡沸腾的有利条件。在这个过程中会出现较大的压力波动。当预冷进行到一定阶段, 管路的热容和环境的热侵不会使低温液体加热到饱和温度时, 便会呈现单相流的状态。
收稿日期:2004-05-09Ξ
低 温 与 超 导 第32卷 12
在剧烈汽化时, 会产生剧烈的流量和压力波动, 而在整个压力波动过程中, 低温液体直接进入热管道后第一次形成的最大压力是整个压力波动过程中的最大振幅, 而该压力波能验证系统的承压能力, 因此, 一般仅研究第一压力波。
在阀门打开后, 低温液体在压差的作用下很快进入管路, 汽化产生的蒸气膜将液体和管壁隔开, 形成同心轴态流。由于蒸气的阻力系数很小, 故而低温液体的流速很大, 随着向前推进的进行, 其温度由于液体吸热而逐渐上升, 相应地, 管路压力增大, 填充速度减慢。如果管路足够长, 液体温度必然会在某一处达到饱和温度, 此时液体就停止推进。由管壁传入低温液体的热量全部用来蒸发, 此时蒸发的速度得到大幅提高, 管路中的压力也因此升高, 可能会达到入口压力的1. 5～2倍[1]。在压差的作用下, 部分液体又会被反向驱赶流回低温液体贮箱, 导致产生蒸气的速度变小, 而且由于部分已产生的蒸气从管路出口排出, 管中压力回落, 一段时间以后, 管路中会重新建立起液体进入的压差条件, 上述现象又会出现, 如此反复。但在以后出现的上述过程中, 由于管内已有一定压力和部分液体, 新进入的液体导致的压力增加较小, 所以以后出现的压力峰值都会小于第一次的峰值。文献[2]中详细介绍了第一压力波值的计算方法。
在整个预冷过程中, 系统除要承受较大的压力波冲击外, 还因受冷要承受较大的冷缩应力, 这两者的共同作用可能会造成系统的结构损坏, 因此要采用必要的措施加以控制。
由于预冷流量直接影响预冷过程和冷缩应力的大小, , 合理预采用较大的预冷流量来缩短预冷时间。如果预冷流量过小, , [3]。文献[3]介绍了预冷流量的确定和总耗液量的计算方法 在预冷过程中, 由于出现了两相流, , 也就无法以此来指导预冷流量的控制。,
在特定的条件下, 接收容器的[4]。而在预冷过程进展到单相流状态后, 就可以用流量计测火箭低温液体推进剂的加注控制经常用这种方法。
, 可以用来定性判断预冷阶段:当接收容器排气能力一定时, 其反压起先会因为低温液体剧烈汽化而迅速增大, 而后随着接收容器和管路温度的下降, 反压会逐渐回落, 这时, 预冷量增大。文献[5]中详细介绍了利用反压来反映L H e 加注整个过程所处阶段的方法。4 间歇泉现象
间歇泉现象指的是在低温液体沿竖直的长管道(指长径比达到一定值) 向下输送过程中, 由于液体汽化会产生气泡, 而且随着气泡的增多气泡之间会发生聚合, 最后把低温液体反向挤出管道入口而产生的喷发现象[6]。
当管路中的流体流速较低时可能会发生间歇泉现象, 但只有在流体停止流动时才需要注意它的发生[6]。低温液体在竖直管路中向下流动时, 与预冷过程相似, 低温液体会因受热而沸腾汽化, 不同于预冷过程的是, 其热量主要是来源于较小的环境热侵, 而不是预冷过程中系统较大的系统热容, 因此, 在近管壁处形成的是温度相对较高的液体边界层, 而不是蒸气膜。液体在竖直管路中流动时, 由于环境热侵, 近管壁处的流体边界层受热密度减小, 在浮力作用下会反向向上流动, 形成热流体边界层, 而中心的冷流体向下流动, 二者形成对流作用。热流体边界层沿主流方向逐渐增厚, 直至完全阻挡住中心流体, 使对流停止, 此后, 由于没有对流来带走热量, 所以受热区液体温度上升很快, 在液体温度达到饱和温度之后, 就开始沸腾产生气泡, 气泡由于浮力而上升, 随着气泡的增多, 气泡会积聚而产生圆柱形气泡泰勒气弹, 使得气泡的上升速度变缓。
由于竖直管路中气泡的存在, 气泡粘性剪切力的反作用会减小气泡底部的静压, 静压的减小又会使得剩余液体过热, 从而会产生更多的蒸气, 这又会反过来使静压更低, 如此相互促进, 达到一定程度, 会产生大量的蒸气, 出现液体携带着闪蒸的蒸气反向喷出管路的情况, 这就是有些类似于爆炸的间歇泉现象。一定量的
第4期 张曙光等:低温液体管路输送中几个问题的分析 13 蒸气夹带着液体喷出到储槽的上部空间会引起储槽空间整体温度的剧烈变化, 从而引起压力的剧烈变化, 当
[7]压力波动处于压力峰谷时, 有可能使储槽处于负压状态, 压力差的作用会导致系统的结构损坏。
在蒸气喷发后, 管内压力迅速下降, 低温液体由于重力作用重新注入竖直管路, 高速的液体将会产生类似于水锤的压力冲击, 这对系统的冲击很大, 尤其是对航天设备。
为了消除或减轻间歇泉现象带来的危害, 在应用中, 一方面要注意管路系统的绝热, 因为热侵是导致间歇泉现象产生的根本原因; 另一方面可考虑文献[6]提出的几种方案:注入惰性不冷凝气体、补充注入低温液体和加循环管路, 这几种方案的本质都是转移低温液体的过热量, 避免过热量的累积, 从而防止间歇泉现象的发生。
对注入惰性气体方案, 惰性气体一般可选用氦气, 把氦气注入到管路底部, 利用产品蒸气在液体和氦气中的蒸气压差使产品蒸气从液体中到氦气团发生质传递, 使得部分低温液体汽化, 从低温液体吸热, 产生过冷效应, 这样就阻止了过热量的积累。一些航天推进剂的加注系统就采用了该方案。
补充加注是利用加注过冷低温液体的方法来降低低温液体的温度, 而加循环管路的方案是用加管道的方式使得管路与贮箱建立起自然循环的条件, 转移掉局部区域的过热量, 破坏间歇泉产生的条件。5 传输过程中的不稳定过程
在低温液体管路传输过程中, , 引发一系列不同于常温流体的不稳定过程。, 从而可能引发结构性的损坏。如美国土星5管道断裂[1], 此外, () 破坏的现象更是常见。
:盲支管的充填、放液管间歇排液后的填充和开启前部已。, 引发在, 。
, 因此下面仅针对盲支管填充时和开启阀门开启时的不稳定过程作分析。
5. 1盲支管填充时的不稳定过程
出于系统安全、控制等方面的考虑, 在管路系统中除了主输送管道外, 还需装备一些辅助的支管
, 此外系统中的安全阀、排泄阀等阀门会引入相应的支管。这些支管处于不工作状态时, 对管路系统来说就形成了盲支管。周围环境对管路的热侵, 必然会导致盲管中存在蒸气腔(在有些情况下还专门利用蒸气腔以减少外界对低温液体的热侵[1]) 。在过渡状态中, 管路中的压力会因为阀门调节等原因而上升, 在压差作用下液体会去填充蒸气腔, 如果在气腔填充过程中, 低温液体因受热而汽化产生的蒸气不足以反向驱赶液体时, 液体会一直填充气腔, 最后在填充气腔结束后, 在盲管封口处形成急促的制动条件, 从而导致在封口附近的压力急剧(a ) 装置原理图(1, 2压力传感器) ; (b ) 压力波形图(
1管路中的压力, 2盲支管中压力)
图1 盲支管中的不稳定过程[1]
增大形成二次水击, 冲击盲管。图1给出了某次实验时的压力变化。
低 温 与 超 导 第32卷 14
文献[1]把整个盲管填充过程分为三个阶段加以分别研究, 第一阶段中液体在压差作用下被驱赶达到最大的填充速度, 直至压力平衡; 第二阶段, 由于惯性, 液体继续向前填充, 此时形成的反向压差(气腔中的压力随填充的进行而增大) 作用会使流体缓慢减速; 第三阶段即快速制动阶段, 该过程中的压力冲击最大。
消除或限制盲支管填充时产生的动态负荷可从降低填充速度和减少气腔尺寸两方面入手。对长管路系统, 可预先平稳地调节液流的源头使流速降低, 并采用关闭时间较长的阀门。
在结构上, 我们可以采用不同导向部件以增强盲支管中液体的循环, 减小气腔尺寸, 并可在盲支管入口处引入局部阻力或增大盲支管管径以降低填充速度, 此外, 盲文管的长度和安装位置会对二次水击有所影响, 设计和布置时应注意。增大管径会减小动态负荷的原因可定性解释如下:对盲支管填充而言, 支管流量受到主管流量的限制, 定性分析时可假设为定值, 增加支管管径就相当于增加了截面积, 因此也就相当于减小了填充速度, 因此导致负荷的减小。
5. 2阀门开启时的不稳定过程
当阀门处于关闭状态时, 环境的热侵, 特别是通过热桥传入的热量很快就会导致在阀门前形成气腔。阀门开启后, 蒸气和液体就开始运动, 由于气体流速远大于液体流速, 蒸气在阀门没有完全打开时就很快疏散完毕, 导致压力下降很快, 液体在压差作用下被驱赶前进,
, 由于阀门对液
体的通过能力不够, , 这时会发生水击,
。化。
, 使得充填气腔
, 此外, 使用高可控性阀门、变更管段走向和引
入小口径专用旁通管道(以减小气腔尺寸) 都会对减小动态
负荷有所作用。
特别要注意, 与盲支管填充时增大盲支管管径会减小
(a ) 装置图示(1, 2-压力传感) ; (b ) 压力波形图
(1-管路中阀门前的压力, 2-容器中的压力)
图2 阀门开启时的不稳定过程[1]动态负荷不同, 对阀门开启时的不稳定过程, 增大主管路管径就相当于减小了均布管道阻力, 这会增大填充气腔的流
速, 从而会使水击值增大。
6 结束语
本文从机理上详细分析了低温液体管道输送过程中需要注意的几个问题, 并且提出了相应的解决方案, 为低温液体管道输送的设计和操作提供参考。
参 考 文 献
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(下转第5页后)
第4期 施锦等:超导电缆用2000W @70K 制冷系统的设计和计算
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The D esign of Sub -Cooled L N 2Syste m for 30M -2000A HTS Cable
Sh i J in , D ing H uaikuang , Chen D engke
(Ch ina E lectron ics T echno logy Group Co rpo rati on N o . 16th R esearch A nhu iV acree T echno logies Co . , td , H , )
X i H aix ia , (Beijing Innopow eer . , , )
Abstract :T he design of sub -coo led 2fo r 30S cab le is described in th is paper . T he system p ro 2cess , design and calcu lati on of the m i ts , l resu lts of tests and experi m en ts of the sub -coo led LN 2system etc . are in .
Keywords :r le Sub -coo led LN 2system , C ryocoo ler , Box fo r LN 2pump , Sub -coo led box
作者简介:施锦, 男, 1946年生。主要从事氦制冷、液化、回收和纯化技术以及低温超导系统工程和低温恒温器的研发等。(上接第14页后)
Ana lysis of Severa l Proble m s i n the Cryogen ic L iqu id P ipe Tran sfer Process
Zhang Shuguang , Xu L ie , L iu Fengliang , Sun H eng , Zhu Hongm ei
(In stitu te of R efrigerati on and C ryogen ics Engineering , Shanghai , J iao tong U n iversity , 200030)
Abstract :In th is paper , gas disp lacem en t and p recoo ling stage du ring the p i pe tran sfer p rocess of the cryogen ic liqu id w ere analyzed in details , and geysering phenom enon in the vertical p i pe and un stab le p rocesses du ring fueling the b lind tube and open ing the valve in the w ho le tran sfer p rocess w ere discu ssed . M o reover , the po ssib le harm du ring these p rocesses and coo responding so lu ti on s w ere also p resen ted .
Keywords :C ryogen ic liqu id , P i pe tran sfer , Gas disp lacem en t , P recoo l , Geysering , U n stab le p rocess
作者简介:张曙光, 男, 1980年生。现在上海交通大学攻读硕士学位。