CC BY
47
УДК 536.25
ЛОКАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОКОКИПЯЩИХ ПРИМЕСЕЙ НА СМОЧЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ В ЖИДКОСТНЫХ ВОДОРОДНЫХ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМАХ А.А. Богер, В.И. Ряжских
Сформулирован новый подход в решении проблемы обеспечения безопасного функционирования жидкостных водородных систем из-за возможного накопления отвержденных высококипящих микропримесей кислорода и азота, который заключается в использовании метода математического моделирования явлений переноса многофазных систем в условиях свободноконвективного перемешивания, вызванного теплопритоками извне
Ключевые слова: испарительное охлаждение, жидкий водород, микропримеси
Острота проблемы безопасного хранения жидкого водорода в наземных резервуарах возрастает в связи с развитием быстрыми темпами водородной энергетики. Присутствие высококипящих примесей кислорода и азота в криогенных системах создают потенциальную угрозу взрыва. Отсутствие контрольноизмерительных приборов для
непосредственного измерения толщины
осадков отвержденных примесей, по которой судят о критичности ситуации, ставят на первое место расчетные методы в рамках создания математических моделей явлений переноса.
Основные межфазные потоки примесей возникают при охлаждении жидкого водорода. Хотя существует достаточный спектр моделей переноса примесей при высокоинтенсивном охлаждении криогенных жидкостей путем вакуумирования парового пространства и при циркуляционном охлаждении в выносном испарителе, сопряженные модели
кристаллизации, осаждения и образования примесей при сбросе давления из парового пространства отсутствуют. Сброс давления можно отнести к разновидности испарительного охлаждения, но с менее интенсивной тепловой нагрузкой, что определяет специфику гидротермической обстановки в жидкости и вносит соответствующие особенности на процесс образования кристаллов примесей и их функции плотности распределения по размерам.
В начале определенны закономерности изменения температуры в паровом пространстве при газосбросе в предположении адиабатности процесса истечения через
Богер Андрей Александрович - ВГУИТ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 255-35-54 e-mail: kafvm@vgta.vm.ru Ряжских Виктор Иванович - ВГУИТ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 255-35-54 e-mail kafvm@vgta.vrn.ru
дренажные патрубки без трения в силу их теплоизолированности от окружающей среды и относительно небольшой длинны. В результате получен почти линейный темп снижения температуры в паровом пространстве при газосбросе. Полученный результат позволил выдвинуть гипотезу о структуре функции описывающей изменение температуры «зеркала» жидкости при газосбросе, и сформулировать задачу охлаждения жидкости по механизму теплопроводности, решение которой дает представление о характере изменения температуры в приповерхностном слое жидкости, и скорости распространения тепловой волны.
Проверка предположения о
преимущественном влиянии механизма теплопроводности в приповерхностном слое была сделана в рамках решения задачи о свободной конвекции в замкнутом объеме, в котором на смоченной поверхности заданы тепловые потоки, а на свободной поверхности тепловой поток отсутствует (данная подстановка соответствует хранению криожидкостей в промышленных резервуарах). Такая задача сформулирована основе уравнений Обербека - Буссинеска в переменных Гельмгольца, анализ которой проводился на основе численного интегрирования по полунеявной кончено -разностной схеме. Аппроксимация
максимальных значений функций тока до значений числа Грасгофа, соответствующих промышленным водородным системам хранения, дала возможность оценить скорость жидкости в приповерхностном слое. В результате получено, что скорость жидкости на порядок меньше скорости тепловой волны. Это означает, что конвективная составляющая переноса теплоты в приповерхностном слое по сравнению с теплопроводностью
незначительна.
Полученные результаты создали базу для синтеза модели кристаллизации примесей. Если перед газосбросом из парового пространства криогенная жидкость была в состоянии насыщения по растворенной высококипящей примеси, а ее твердая фаза во взвеси отсутствовала, то используя
термодинамическое соотношение Гиббса -Томпсона и известную теоретическую зависимость для определения коэффициента поверхностного натяжения на границе кристалл - раствор, найдена связь между текущей концентрацией примеси в растворе, ее растворимостью и размером зародышей. Принимая во внимание, что концентрация раствора в течение латентного периода сохраняется постоянной и равной ее исходному значению, определена температура, когда начнут появляться самые первые зародыши. Установлено, что первые зародыши начнут появляться практически мгновенно. Это дало основание считать, что с момента начала кристаллизации факторы, создающие, и
снимающие пресыщение раствора, взаимно уравновешиваются, так что величина созданного пресыщения в дальнейшем ходе процесса остается постоянной. В результате синтезирована модель кристаллизации в пространстве размеров кристаллов и получено аналитическое представление функции плотности распределение кристаллов по
размерам, из структуры которой следует ее равномерный характер.
Учитывая координатно-временные
особенности образования твердой фазы
микропримесей, задача осаждения
сформулирована на основе диффузионных представлений вначале для
малоконцентрированной монодисперсной взвеси, решение которой обобщено на полидисперсный случай в соответствии с принципом суперпозиции концентрационных полей. В результате получены выражения локальных функции плотности распределения частиц взвеси, их массовой концентрации и толщины осадка на дне и боковой поверхности резервуара вертикальной цилиндрической
формы.
На основе предложенного комплекса математических моделей разработана методика для оценки локальной толщины осадка примесей в жидком водороде при газосбросе, работоспособность которой
продемонстрирована при прогнозировании
толщины осадка кристаллического азота при однократном газосбросе из парового
пространства промышленного резервуара РЦВ-25/1,6 с жидким водородом. Получено, что толщина осадка на дне после однократного сброса давления из парового пространства составит «9x1 СГ8 м, на боковой поверхности
*9х1СГ10м. Известно, что для резервуара РЦВ -25/1,6 потери в сутки для жидкого водорода составляют «1 % от объема резервуара и поэтому сброс давления может осуществляться до 40 раз в сутки, что в пересчете на толщину осадка составит до 3,5 мкм. Таким образом, хранение жидкого водорода, насыщенного азотом, в течение месяца может привести к образованию осадка толщиной порядка 100 мкм.
Выполнено при финансовой поддержке РФФИ по гранту № 10-08-00120-а.
Воронежский государственный университет инженерных технологий
LOCAL DISTRIBUTION OF HIGH-BOILING IMPURITIES ON THE MOISTENED SURFACES IN LIQUID HYDROGEN CRYOGENIC SYSTEMS A.A. Boger, V.I. Ryazhskih
A new approach to solving the problem of safe operation of liquid-hydrogen systems due to possible accumulation of solidified high-boiling microimpurities of oxygen and nitrogen, which is to use the method of mathematical modeling of transport phenomena in multiphase systems under free-convective mixing caused by the heat input from the outside is formulated
Key words: evaporative cooling, liquid hydrogen, microimpurities
вв
