低溫輸送系統(tǒng)間歇泉現(xiàn)象實驗研究

1、低溫輸送系統(tǒng)間歇泉現(xiàn)象實驗研究第39卷第2期上海交通大學(xué)2005年2月journaofshanghaijiaotonguniversity一=:=:=一文章編號:10062467(2005)02023804feb.2005低溫輸送系統(tǒng)間歇泉現(xiàn)象實驗研究張亮,林文勝,魯雪生,顧安忠(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所,上海200030)摘要:為研究低溫輸送系統(tǒng)的低溫垂直管路中可能出現(xiàn)的間歇泉現(xiàn)象,采用液氮為工質(zhì),進行了間歇泉現(xiàn)象模擬實驗研究.實驗紀錄了不同的管路結(jié)構(gòu)及不同絕熱結(jié)構(gòu)條件下,管路出現(xiàn)的振動信號及管路溫度分布,并將實驗結(jié)果與murphy曲線進行了對比.結(jié)果表明,管路的長徑比和絕熱結(jié)構(gòu)對間

2、歇泉現(xiàn)象的產(chǎn)生有較大的影響.關(guān)鍵詞:低溫液體;輸送系統(tǒng);間歇泉中圖分類號:tb6文獻標識碼:ageyseringresearchincryogenictransfersystemzhangliang,linwensheng,luxuesheng,guanzhong(inst.ofrefrigerationandcryogenics,shanghaijiaotonguniv.,shanghai200030,china)abstract:ageyeringexperimentstudyinverticalcryogenictransfersystemwasmadewithliquidnitroge

3、nasaworkingfluid.thevibrationandtemperaturedistributionwarerecordedindifferentpipestructureandinsulationconditions.theresultsofexperimentwerecomparedwiththemurphysresult.fromtheresults,itisclearthatgeyseringissignificantlyaffectedbythepipesstructureandinsulationconditions.keywords:cryogenicliquid;tr

4、ansfersystem;geysering間歇泉現(xiàn)象主要發(fā)生在低溫液體垂直輸送管路中,該現(xiàn)象的產(chǎn)生將對管路系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞.隨著低溫推進劑在現(xiàn)代空間技術(shù)中應(yīng)用的越來越廣泛_lj,低溫液體在貯運中有可能產(chǎn)生的間歇泉現(xiàn)象越來越受到重視,因此,研究低溫輸送系統(tǒng)中間歇泉現(xiàn)象產(chǎn)生的機理具有重要的意義.間歇泉現(xiàn)象指液體在長的低溫垂直輸送管路中,由于液體汽化產(chǎn)生汽泡,汽泡不斷增多并聚集堵塞管路,最終將液柱擠出管路產(chǎn)生噴發(fā)的現(xiàn)象.這現(xiàn)象導(dǎo)致低溫液體將產(chǎn)生類似水錘的壓力波動,會對供應(yīng)管道,閥門和管路造成結(jié)構(gòu)性損害,同時也使液氧的蒸發(fā)量顯著上升.這種現(xiàn)象在火箭工業(yè)中經(jīng)常存在,尤其是在連接推進劑貯箱與火箭引擎的

5、垂直管路中.在液化天然氣(lng)的貯運的垂直輸送管路中也有該現(xiàn)象的產(chǎn)生【5.murphy63使用lh,ln,水和f113等工質(zhì)對不同長徑比,不同流體的低溫垂直輸送管路進行了測試,得出了長徑比,管路漏熱及工質(zhì)物性等相關(guān)因素之間的關(guān)系,并總結(jié)出了一條能夠判定是否產(chǎn)生間歇泉現(xiàn)象的mulyhy曲線.burkhalter等3以水為工質(zhì),kuncoro等以氟利昂為工質(zhì)進行了間歇泉實驗研究,他們認為用murphy曲線在判斷間歇泉是否產(chǎn)生時有一定的局限性.本文實驗以液氮為工質(zhì),研究了低溫垂直輸送管路中絕熱結(jié)構(gòu),管路長徑比對間歇泉現(xiàn)象產(chǎn)生的影響.收稿日期:200403一o1作者簡介:張亮(1977一),男,江

6、蘇宜興人,博士生,現(xiàn)主要從事低溫液體輸送,貯運及氣體分離,液化等方面的研究顧安忠(聯(lián)系人),男,教授,博士生導(dǎo)師, (te1.):02162932602,e第2期張亮,等:低溫輸送系統(tǒng)間歇泉現(xiàn)象實驗研究2391實驗裝置2實驗步驟間歇泉實驗裝置使用一個貯罐連接一根輸送管路,管路端部密封,如圖1所示.為了考察管路長徑比,漏熱量等因素對產(chǎn)生間歇泉現(xiàn)象的影響,模擬實驗擬采用不同長徑比及不同絕熱結(jié)構(gòu)的管路.輸送管路有兩種:單層輸送管路(包覆pef絕熱);雙層輸送管路(抽真空絕熱).管路的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示,j)為輸送管路內(nèi)徑,l為管路長度.圖1中測點丁,丁,丁.測量的是單層輸送管路壁面溫度,丁測量的是絕

7、熱層外表面溫度.在雙層輸送管路系統(tǒng)中,只測量管路外部溫度.測量系統(tǒng)包括:測溫,測壓及測量振動信號系統(tǒng).圖1間歇泉實驗裝置示意圖fig.1experimentalapparatus表1低溫輸送管路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)tab.1structureofcryogenictransferpipe間歇泉現(xiàn)象對系統(tǒng)的最大危害在于其可能形成液擊,造成瞬間壓力急劇升高.為此,在單層輸送管路底部安裝動態(tài)壓力傳感器以捕捉這一可能出現(xiàn)的壓力峰值.由于管內(nèi)流體為液氮,溫度很低,因此在測壓點處焊接了一段毛細管,防止壓力傳感器直接與低溫液體接觸而產(chǎn)生損壞.同時液擊產(chǎn)生的劇烈壓力波動在管路上必然形成振動,因此,實驗中在管路上安裝振動傳

8、感器,以記錄可能出現(xiàn)的振動.振動傳感器安裝在管路底部,緊貼輸送管管壁.整個模擬實驗由單層低溫輸送管路和雙層低溫輸送管路間歇泉模擬實驗組成.實驗主要步驟如下:(1)連接貯罐及管路,包覆絕熱層.布置測點.(2)向貯罐內(nèi)充注液氮,約至貯罐3/4處,記錄溫度,壓力及振動信號數(shù)據(jù).充注的液體保證在實驗期間輸送管路內(nèi)部充滿液體.(3)實驗結(jié)束,更換實驗輸送管段,重復(fù)步驟(1),(2).在單管輸送管路實驗中,改變了2號管路的端部絕熱結(jié)構(gòu),觀測不同的漏熱量對管路內(nèi)間歇泉產(chǎn)生的影響.雙層輸送管路在實驗前需要對管路進行抽真空,根據(jù)實驗的要求決定是否對管路進行加熱,使用擴散泵及延長抽真空時間.3實驗結(jié)果3.1實驗結(jié)

9、果分析1,2號管路為pef管包覆絕熱,在管路充注液氮初期絕熱效果較好,約2h以后管路法蘭接頭及管路底部等絕熱較差部分出現(xiàn)結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象,約3h后管路出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象.由于整個輸送系統(tǒng)采用包覆絕熱,在法蘭及管路端部絕熱包覆效果較差,絕熱性能沒有管路中段好,出現(xiàn)結(jié)霜及結(jié)冰的現(xiàn)象比管路中段要早.對于雙層抽真空絕熱管路,絕熱效果較好,真空度的高低直接影響到了絕熱效果的好壞.實驗對不同真空度及不同長徑比的管路進行了實驗?zāi)M.3號管路采用機械泵抽真空,真空度僅為0.5pa,絕熱效果比pef管絕熱要好.4,5號管路均使用了擴散泵進行抽真空,在管路充注液氮后,抽真空口處的真于13號管路.由于間歇泉噴發(fā)并在管路內(nèi)形成

10、壓力波動的時間較短,因此,對振動信號采取了高頻率階段性測量.圖2(a)為1號管路在實驗過程中記錄下的一條典型振動曲線,圖右上角為第1個振動點放大后單個振動點的波形圖.由圖可見,1號管路的振動曲線出現(xiàn)了多次不規(guī)則的波動,即管路出現(xiàn)了振動現(xiàn)象.由于在測量時實驗裝置沒有外界振動干擾,因此可以認為振動是由輸送管路產(chǎn)生間歇泉現(xiàn)象后,液體回流產(chǎn)生的水錘撞擊管路底部造成了管路的振動.從幾組獲得的振動曲線來看振動時間間隔為20,110,120,130s等,沒有明顯的規(guī)律性,由此說明管240上海交通大學(xué)第39卷路出現(xiàn)了不規(guī)則振動現(xiàn)象.圖2(b)為3號管路在產(chǎn)生間歇泉時出現(xiàn)的振動曲線.由圖可見,在出現(xiàn)間歇泉的時候

11、,管路內(nèi)會產(chǎn)生頻繁的振動,振動時間間隔小于20s.圖2(c),(d)分別為4,5號管路的典型振動曲線.由于管路內(nèi)徑較小,液體噴發(fā)后的回流現(xiàn)象不太明顯,回流引起的管內(nèi)流體波動較小,因此液體噴發(fā)較快,振動時間間隔與1號管路相比較小.豳l.t/s(a)1號管路.f.,j.lit/s(b)3號管路_lllj.ft/s(c)4號管路.it/s(d)5號管路圖2輸送管路產(chǎn)生的振動曲線fig.2typicalvibrationcurvesofthecryogentctransferpipe2號管路的振動曲線沒有明顯的振動信號.為了改變絕熱結(jié)構(gòu),采取了改變管路端部絕熱結(jié)構(gòu)及對管路進行電加熱的方法.但效果并不明

12、顯,振動曲線還是沒有明顯的波動.造成這種結(jié)果的主要原因是由于2號管路的長徑比較小,管路內(nèi)的氣泡還沒有聚合成較大的taylor氣泡就已經(jīng)沖出管路了,產(chǎn)生不了明顯的噴發(fā)及液體回流現(xiàn)象,因此振動也就不明顯.圖3為單層輸送管路實驗時1,2號管路管壁平均溫度隨時間的變化曲線.由圖可見,輸送管路管壁溫度變化不大,1號管路的間歇泉現(xiàn)象的產(chǎn)生對管壁溫度影響較小.圖4為單層輸送管路中絕熱層外部溫度隨時間的變化曲線.1號管路的溫度變化較小,2號管路在實驗中采取剝離絕熱層的方法對管路絕熱結(jié)構(gòu)進行了改變,絕熱層外部溫度有一定的下降.單層輸送管路采取的pef管絕熱的方法在實驗有效時間內(nèi)絕熱效果較好.當實驗進行到2h以后

13、,在管路法蘭連接處及管路末端才出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象.4,5號雙層輸送真空管路采用了高真空絕熱,絕熱效果更好,而3號管路為低真空絕熱,絕熱效果比4,5號管路差.圖31,2號管路的管壁溫度曲線fig.3walltemperaturedistributionofthe1stand2ndpipe30028026024o220200+1號管路.厶_2號管路l.64o2468t/h圖41,2號管路的絕熱層外部溫度曲線fig.4variationofthetemperatureofoutsideoftheinsulationlayerofthe1stand2ndpipewithtime由于管路內(nèi)是低溫液體,故在測量

14、壓力時,壓力傳感器無法直接安裝在管壁上,而是通過從管路上引出的毛細管安裝的,因此,壓力傳感器接觸的是毛細管尾部已經(jīng)氣化的氣體空間.由于液體的不可壓縮性,液體即使壓力升高很多,其體積的改變也是很小的,由此造成的氣相空間的壓力變化也微乎其微.因此,間歇泉現(xiàn)象產(chǎn)生后,產(chǎn)生的壓力波動被毛細管中的氣相空間衰減,在測出的壓力曲線上沒有產(chǎn)生任何波動.由于振動信號是由劇烈的壓力波動產(chǎn)生,故振動信號的測出也能反映出管路內(nèi)出現(xiàn)了不規(guī)則的,劇烈的壓力波動,即產(chǎn)生了間歇泉現(xiàn)象.但壓力沒有測出,不能確定壓力波動的大小,因此,壓力測量手段需要改進.第2期張亮,等:低溫輸送系統(tǒng)間歇泉現(xiàn)象實驗研究2413.2與murphy曲

15、線對比從間歇泉產(chǎn)生的機理可以看出,間歇泉的產(chǎn)生與輸送管的幾何尺寸,管內(nèi)流體的性質(zhì)及漏熱量有關(guān).murphy給出了能夠區(qū)分間歇泉與非間歇泉區(qū)的曲線,如圖5所示.相應(yīng)的公式為yc,6(1)zc:式中:z為與漏熱量,管路長度,流體性質(zhì)相關(guān)的參數(shù),kj/m.;y為與管路長徑比和管路直徑相關(guān)的參數(shù);a為管路傳熱區(qū)域的面積,m;d為管路直徑,in;l為受熱管路的長度,in;pr為普朗特數(shù);q為漏熱率,w;d,為熱擴散系數(shù),in/s;c,c為常數(shù),c一39.37,c237.3.將本次間歇泉實驗管路長徑比,漏熱率及液氮物性等參數(shù)代入式(1),(2),并與其給出的曲線進行對比,結(jié)果如圖5所示.1號管路的實驗參數(shù)

16、點遠離murphy曲線,產(chǎn)生間歇泉的機會較大;2號管路實驗參數(shù)點略微高于murphy曲線;3號管路的實驗點雖然高于1號管路,但由于管路內(nèi)徑較小,沒有出現(xiàn)明顯的間歇泉現(xiàn)象;4,5號管路長徑比相同,真空夾層厚度不同,在圖中兩點較為接近,均出現(xiàn)了明顯的間歇泉現(xiàn)象.1g【z,(kj?m一3)1圖5實驗條件參數(shù)與murphy曲線對比fig.5comparisonoftheexperimentalparameterswithmurphycurvemurphy曲線是從不同工質(zhì)的多次實驗總結(jié)得出的,其預(yù)測結(jié)果偏于易發(fā)生間歇泉現(xiàn)象.采用液氮為工質(zhì)的模擬實驗結(jié)果基本與murphy曲線的預(yù)測相符.以液氮為工質(zhì)的低溫

17、輸送管路在一定絕熱條件下,l/d30時產(chǎn)生間歇泉的可能性較大.4結(jié)論(1)低溫液體垂直長輸送管路在一定長徑比,漏熱率的條件下,有可能發(fā)生間歇泉現(xiàn)象.(2)對于以液氮為工質(zhì)的低溫垂直輸送管路,長徑比和絕熱方式對系統(tǒng)產(chǎn)生間歇泉現(xiàn)象有較大的影響,其中長徑比的影響更為顯著.(3)實驗產(chǎn)生的間歇泉現(xiàn)象從振動曲線來看,沒有周期性,現(xiàn)象產(chǎn)生時間間隔不定.(4)間歇泉現(xiàn)象對垂直輸送管路上管壁溫度及管路絕熱層的溫度影響不大.(5)murphy經(jīng)過實驗得出的曲線對低溫垂直輸送管路是否發(fā)生間歇泉現(xiàn)象的預(yù)測偏于容易發(fā)生,但對于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱工設(shè)計均有一定的指導(dǎo)作用,可以節(jié)省大量的實驗對比工作.(6)總結(jié)出了以液氮

18、為工質(zhì)的低溫輸送管路產(chǎn)生間歇泉的大致范圍,對低溫推進劑在垂直輸送管路中的研究有重要意義.參考文獻:1nagaih,nodak.statusofh一rocketfirststagepropulsionsystemj.journalofpropulsionandpower,1992,8(2):313319.2handsba.problemsduetosuperheatingofcryogenicliquidsj.advanceincryogenics,1988,28:823829.33張亮,林文勝,魯雪生,等.低溫液體輸送系統(tǒng)間歇泉現(xiàn)象機理分析與消除措施i-j.低溫與超導(dǎo),2002,30(2):16.zhangliang,linwensheng,luxuesheng.eta1.physicalmechanismandeliminationofthegeyseringeffectingryogenicliquidtransfersystemj.cryogenicsandsuperconductiv-ty,2002,30(2):16.4zh