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1、第32卷 第4期低 温 与 超 导Vol.32No.42004年11月CRYOGENICSANDSUPERCONDUCTIVITYNov.2004X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
2、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,否则可能会引发操作故障。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,这个过程会给管路带来较强的压力冲击和其他负面影响。此外,竖直管路中的间歇泉现象和系统操作的不稳定现象如盲支管填充、间隔排液后的填充和阀门开启后气腔的填充等都会给设
3、备和管道带来不同程度的不利影响。有鉴于此,本文就上述这几个问题作一些深入的分析,并希望通过分析找出解决方案。2 传输前管路中气体的置换对输送一些温度极低的低温液体来说,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组分会受冷凝固成固体,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
4、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
5、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[1]限过热温度。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。X收稿日期:2004-05-09 低 温 与 超 导
6、 第1232卷在剧烈汽化时,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
7、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[1]的压力也因此升高,可能会达到入口压力的1.5～2倍。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
8、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,为此可通过控制预冷流量来控制预冷过程,合理预冷流量的选择原则是在保证压力波动和冷缩应力不超过设备和管道允许范围的前提下,采用较大的预冷流[3]量来缩短预
