CC BY
41
УДК 536.21: 536.48 Г Г. ЖУНЬ,д-ртехн. наук, проф.
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков.
И ССЛЕД ОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕПЛ ОЗАЩИТЕКРИОСОСУДА
В статье показано, что разработан теоретический метод определения времени стабшизациитемпературного поля в пакете ЭВТИ криоосудовслоевой формы (после его запцаненияжо(оид криоагентом) возможно исподъзовотк для (о1спорого решеаао пнсликично0 зааачи, а такжв одиеоелзаиы иемтрапурного проО>иао рвц(, з upцмышдeоаыxатоocокyдесеomеuензефopмoй. В р^^е^з^(^огып^^^ското^}из(,д'цене^е1оз^}злс^д'0 характеристики дослиджузмого пакета ЭВТИ, а также выбор наиболее эффективных, из них для совершенствования криососудов.
В сраымепяолсоца, що рв^ор^в^оллоа^ гоее^о^ео^г^^^^^ метоо визначення чазу змыЛтоылп меряетамурнозо пяозв дазстОМВТН крюлпзоЯо имроааг одомв откеяЛ10з(запозоеоаор1дким п^слцкзнл^^о^С можкивквыкоризтотидля меиСлогаремзння aаaлoгiчцаззaдчве, амачож еuслоыsнняmsмавpамарзоецаp<еТезт Рво) вmзnлoзaдuзminpцмцзоoвяпкрeр(озреiчвееЯмiисдю фсрмаю. В фовуломатг птозизpюeмъсо цршкатепзовo'еx(чыакмерзеmuки Цпзледжрзюцец соззту ЕВР1,а т<сл<еж внВф нцйаiцнт зфелтжцпхзних кpioзoзрдев.
Введение
В последние десятилетия все большее применеиие находяткриогенныетемпературы и иоиогесяая техника. НеоНыеный мпр приоеенных темперааФ обладает униксоьннии возможностяии, позволяющими yеcехoртьь новые физические яеияния, проникнуть ь супо етроения магерих, щсущелятьять ириицигшьлоно новые технологические процессы. Достигаются криоиярлню темпераеарн1 в основном с помощью ожижеррогo азота, реорc, водорода и гелия.Для пeдмьпгнияанрднгн^тIcеарадзугyьоeнaаатсдьнег кряичecоаоибeаcаyыб пpнeаcрpoйcтв,кpяпбЫсяуoвикpиаeмoогтeп бтeплoзaщyтoйизcлреб экрасло-ва^пиной тeпааизPJыции(ЭBгaИД истерая^ калиртметрал имеропп^юнизкую тепсoпаoволиacаo. Oднaоcpхвкpиococyдонcrtннеc иpибOзaщиcх (смрсяированнля мpшyихымpхocрcюм)cь^елacь ьпбьоббькoиpзpогжь в с^вольих pкатаpамеyпичecкимy ибоaмиимЯ]
Доя ее совертелствовалия с цеоью уменьшения потерь из иртосо^дов жи°ких иртосгелтов (ожижение которых характеризуется значительными элepгoзaтpaтaми) на лит проводятся систематические иеслеаyьeния Слгличнпcзнрcыx тепеоизoтяциацнбPзмeяирхелoв, а также технологий их изолирования и вакуумирования.
Ссиоеиая часть
Основной хpppктеpиьтикой ирияствр любой тепооиноляции является, иаи известно, ее иоэффициелт тепоопповооности. Нсми впепвые прнпр6отрн метод оппеделения эффективности коэффициента тепeопpовооноьти (Хэф) доя приятр ЭВНИ непоспедственно на ипиососаде по темпеppтаpнои[а ппофиою Н(5), инмепеннома в его попепеилом сеиелии (5) меоь-ионьтpнтpновыми теpмопpppми доя аьтPловившегоья ьтpииолPПлого теплового состояния (после заполнения жидким кpиоpгелтомK, а также с использованием веоииилы ьаммppлого тецооцпитоиp (QсK ппи даллыт асоовият [1].
Ррзпр6отрннря метооииp и сстрновкр доя иссоеоовpния кинетики отоpжоенад приятр ЭВНИ в ппоцессе астPновоения стрционрпного теплового состояния по изменению темпеppяаpнPiх ппофиоей Н(5) описсны в [Ь, У]. Пооаиеллые пеaаоьтpты в попепеилом сеиелии слоев ЭВНИ толщиной 0,071 м, смонтиповрнл^1т с плотностью У5 кг/мр лр ипиобиооогииесиом сосаде емкостью У5 о (после зспоонелия жидким азотом), цпеостpвоены лр пис. 1. Ит анализ поирзывсет, ито охлаждение слоев ЭВНИ лр ипиососаде ппоистодит с
т,к
100
50
различной интенсивностью. Наиболее быстро этот процесс совершается в течение ~60 часов
(зависимость Т(5) 4). Полная стабильность теплового состояния в криососуде, а также процесс испаряемости из него жидкого азота достигается через 205-210 часов. Характеризует данное стационарное тепловое состояние в пакете ЭВТИ температурный профиль Т(5)5.
Изготовление для данных экспериментов одного криососуда с датчиками температуры в поперечном сечении его пакета ЭВТИ и исследование на нем кинетики установления стационарного теплового состояния является очень длительной (до двух месяцев) и сложной задачей.
300
250
200
150
// // А
Ш II,ГУЛ 4
ч со /7
0,02
0,04 0,06
Рис. 1. Изменение распределения температуры по толщине пакета ЭВТИ при его охлаждении после заполнения криососуда жидким азотом (сплошные линии - экспериментальные результаты, пунктирные-теоретические значения):
1 - через 4 часа; 2 - 16 часов; 3 - 30 часов; 4 - 60 часов; 5 - 210 часов.
Поэтому представила интерес работа [4], в которой время охлаждения шарового криососуда с теплозащитным пакетом ЭВТИ для стационарного теплового состояния было предложено определить по изменению в нем температурного поля решением уравнения теплопроводности:
а т , _ а т
С (т) р — = (Ж т)—).
дт
д г
(1)
Приведена рассчитанная таким образом эволюция во времени (т) температурных кривых Т(г) в поперечном сечении пакета ЭВТИ по радиусу Т(г) шарового криососуда. Однако, оценить качество данного расчета не представляется возможным из-за отсутствия сравнения их с экспериментальными результатами.
Предложенная методика [4] была нами исследована для возможного определения по ней также времени захолаживания криобиологического сосуда. который резко отличается от шарового, так как по его высоте пакет ЭВТИ имеет различную толщину. В нижней части, например, он имеет толщину 0,08 м, в центральной части - 0,04 м, а возле горловины - 0,21 м. среднеинтегральная толщина такого пакета ЭВТИ по всей теплозащитной поверхности в криососуде составляет 0,071 м.
Рассчитанные нами по методике [4] зависимости Т(5) для криобиологического сосуда представлены на рис. 1 для сравнения с экспериментальными данными. Их анализ показывает, что при малых временах захолаживания экспериментальные результаты имеют более высокую на 5...8 К температуру, то есть теория предполагает более быстрое охлаждение слоев теплоизоляции. Однако, при больших временах захолаживания различие между теорией и экспериментом составляет всего 2...3 К. Данная теория позволила также определить максимальное время захолаживания криососуда, которое оказалось равным Т^Г' = 230 часов и близким к экспериментальному тф?' = 210 часов. Различие между
теоретическими и экспериментальными значениями составляет всего ~10 %. Проведенные исследования позволили установить, что разработанная программа [4] может быть также использована для описания в промышленном криососуде кинетики охлаждения пакета ЭВТИ и определения времени установления в нем стационарного теплового режима, близкого к экспериментальному.
С помощью математической модели [4] нам и был исследован также процесс выхода на стационарный режим пакетов ЭВТИ с измененной поотностъю нт криососуде. Расчет проводился для следующих условий: наружная его стенка имела температуру оаружающей среды - 297 К, а внутренняя - температуру жидкою азота (77,4 К). Плотность укладки слоев ЭВТИ (р) изменялась от 10 кг/м до 48 кг/м . Эксперимeнтасйеыс и расчетные результаты представлены на рис. 2. ИИх анализ показывает удовлетворительное согласие (с точностью 6...9 %) между экспериментальными и теоретическими значениями. При этом установлено, сто для пакета ЭВТИ с плотностью 10 кг/м3 время выхода на режим составляет 72 часа, а при
Рис. 2. Экспериментальные и теоретические результаты исследования изменения времени установления стационарного теплового состояния в криососуде с пакетами ЭВТИ различной плотности после заполнения жидким азотом.
Значительный интерес представляет также исследование с помощью математической модели [4] времени стабилизации температурного поля в теплоизоляции при изменении ее толщины. Данные исследования нами проведены для пакетов ЭВТИ, смонтированных с одинаковой плотностью 35 кг/ м3 и измененной толщиной от 0,02 м до 0,1 м. При этом температура наружной стенки криососуда составляла 297 К, а внутренняя имела температуру жидкого азота (77,4 К). Результаты представлены на рис. 3. Их анализ показывает, что с повышением толщины теплоизоляции увеличивается время выхода на стационарный тепловой режим. Так, при толщине пакета ЭВТИ 0,02 м время стабилизации составляет всего 18 часов, а при толщине 0,1 м - 295 часов. Зависимость времени выхода на стационарный режим от толщины теплоизоляции имеет линейный характер. Температурное поле при изменении плотности и толщины пакета ЭВТИ качественно не отличается от распределения температуры, представленнойнарис. 1.
Рис.3. Экспкpиминтaленыси тыор есичecкие pксyльтсты иccлeдочaная измеиаи8я аpсм еня ycтайивлeния етaциoичянагс онолoвoооpевнo8гои8в ктывеocyдк с пскетом ЭBTИ рсзличной толщины после счпoанeоис асидком ^езн^^м.
Выводы
Таким вобраом, пpoт8яенныеиcсчeдoвaиоя ичзвoлолдмстaчотpeы,одчpcвpaбoтeянaя математическка ммдель [4] пoевoля8сyceeшеc oнpеоeляеьвмeмя дтcаижe8Pecтaциoнсpнггo теплового cocсe8яия в прем8Iшлeнмыxкаиoc()содax д хепсозащитнымпакемом ЭВЖМ различной тоощичы и плoс8eети, и тскжс получо^ дат ндл тeмпepaтyеньIспpoфили рОЗ). Полученные длл ссaциoнaисмroтeптеемrococтс8нж8 аeмпетaгyейыe птoайле позилляют рассчитать тecшеpттyтутю зaвиcди[ocаькeэффици)нтги ееплоптcемонocaдИеф(T) [ 1]для пакетов ЭВТИ и оогниaьcос8pшeecеасиccлeсyсaьУ тeопоeaемяции.Этoчaeaвoзмoжня8ла
3
ШIOтемpeч 48 кг/м - 288 чассс. т,ч
т,ч
значительно ускорить процесс выбора наиболее эффективных материалов для теплоизоляции криососудов с целью повышения их тепловых характеристик.
Список литературы
1. Жунь Г. Г. Выявление и устранение факторов, ухудшающих эффективность криососудов / Г. Г. Жунь, В. Ф. Гетманец, В. А. Мирошниченко //Инж.-физ. журн. - 1989. - Т. 56, № 2. -С.271-276.
2. Жунь Г. Г. Исследование теплофизических параметров криобиологических сосудов "Харьков-34Б" / Жунь Г. Г., Подольский А. Г., Шалаев В. И. // Криогенные системы: разработки и исследования. - К.: Нук. думка. - 1984. - С. 35-42.
3. Жунь Г. Г. Криобиологические сосуды с улучшенными тепловыми характеристиками // Межвузовский сборн. научн. трудов. Процессы и аппараты криогенных технологий и кондиционирования. - Л.: ЛТИ им. Ленсовета. - 1985. - С. 59-64.
4. Архипов В. Т. К вопросу о температурном поле изоляции криогенных сосудов / Архипов В. Т., Михальченко Р. С., Архипова Е. С. // Вопросы гидродинамики и теплообмена в криогенных системах. - К.: Наук. думка. - 1974, IV вып. - С. 90-95.
STUDY OF PROCESS OF TEMPERATURE STABILIZATION IN
CRYOVESSELHEAT SHIELDING
G. G. ZHUN', Dr. Scie. Tech., Pf.
The paper proves that developed by us theoretical method to determine the stabilization time of temperature field in superinsulation packet of sphere-shaped cryovessel (after filling it with liquid cryoagent) can be used for fast solution of similar issue, and also for calculation of temperature profile T(delta), in heat shielding of industrial cryovessels having other shape. As a result, both estimation of thermal characteristics of the superinsulation packet under test and selection of the most effective solution for making better cryovessels take less time.
Поступила в редакцию09.02 2012 г.
