№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 532.529
ВЗРЫВНОЕ ВСКИПАНИЕ ЖИДКОГО АЗОТА
© 2014 г. НАКОРЯКОВ В.Е., ЦОЙ А.Н., МЕЗЕНЦЕВ И.В., МЕЛЕШКИН А.В.
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск e-mail: nakve@itp.nsc.ru
Экспериментально исследованы гидродинамические процессы, возникающие при инжекции криогенной жидкости в воду. Оптическая регистрация процесса ин-жекции струи жидкого азота в воду выявила структуру и этапы этого процесса. Полученные результаты могут быть использованы при изучении нового метода получения газогидратов, основанного на ударно-волновом способе.
Ключевые слова: жидкий азот, криогенная жидкость, взрывное вскипание, газогидраты.
EXPLOSIVE BOILING OF LIQUID NITROGEN
Nakoryakov V.E., Tsoi A.N., Mezentsev I.V., Meleshkin A.V.
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, Novosbibrsk e-mail: nakve@itp.nsc.ru
The article is concerned with high-speed hydrodynamic processes of explosive liquid nitrogen boiling in water. Flash injection of liquid nitrogen into a vessel with water is experimentally investigated. For the experiment an injector is specially created and manufactured. The pressure profile is measured, peak pressure values lie in a range from 1,4 to 5,3 MPa and depend on water temperature, water level in a vessel, etc. A visualization study is conducted to obtain insight into this complex phenomenon. High-speed imaging reveals detailed structure and stages of the process. The pressurization can be sufficient to form gas hydrate, therefore the obtained results can be applied for investigation of a new gas hydrate production method based on shock-wave technique.
Key words: liquid nitrogen, cryogen, phase change, explosive boiling, gas hydrates.
Введение. Известен проект создания поршневого криогенного двигателя с использованием в качестве рабочего тела криогенной жидкости [1, 2]. Суть идеи заключается в том, что при контролируемой подаче в жидкость криогенного вещества происходит быстрое вскипание и расширение, которое приводит к резкому увеличению внутреннего давления. Были выполнены экспериментальные исследования по введению криогенного вещества в воду [3—5]. В работе [3] установлено, что при смене фаз, происходящей во вводимой среде, наблюдается толстое паровое одеяло из газа, которое окружает вводимую криогенную жидкость. В [4] проводились эксперименты по вводу жидкого азота в относительно большой объем воды при температуре окружающей
Рис. 1. Схема экспериментальной установки без оптического участка: 1 — рабочий участок; 2 — узел ввода жидкости; 3 — инжектор; 4, 5 — датчики давления; 6 — система сброса давления; 7 — система термостатиро-вания; 8 — АЦП; 9 — компьютер
среды 293 К. Было зарегистрировано, что давление и скорость нарастания давления увеличивались почти линейно при увеличении давления впрыскивания и достигали 2,8 бар и 5,0 бар/с, соответственно, при скорости впрыскивания жидкого азота ~0,85 м/с. В работе [5] криогенная жидкость подавалась в сосуд небольшого объема (140 мл). Объем инжектируемой жидкости был мал и составлял ~2 мл. Так, например, при введении жидкого азота в воду под давлением 7 бар через 5 с после ввода давление достигает амплитуды в 14 бар.
Ранее авторами были проведены экспериментальные исследования по динамике ударных волн при взрыве капсул с жидким азотом [6, 7]. Цель исследования — определение амплитуд развивающихся скачков давления, поскольку давление определенного уровня является необходимым условием для процесса гидратообразования в ударно-волновом методе. Максимальная амплитуда давления в проведенных экспериментах составила 35 бар, а скорость нарастания давления — 115 бар/с. Преимуществом ударно-волнового метода [8, 9], по сравнению с известными аналогами, является существенная (на порядок и более) интенсификация процесса образования гидратов газов. Экспериментальные исследования процессов растворения и образования газовых гидратов за ударной волной представлены в работах [10—12].
В данной работе экспериментально исследовались высокоскоростные гидродинамические процессы, возникающие при инжекции струи криогенной жидкости в воду. Полученные результаты являются частью работ, необходимых для разработки нового метода получения газогидратов, основанного на ударно-волновом способе.
Рис. 2. Схема инжектора: 1 — капилляр для подачи гелия; 2 — кольцевая щель; 3 — конусообразный штуцер; 4 — камера инжектора; 5 — трубопровод, соединяющий камеру инжектора с узлом ввода; 6 — мембрана; 7 — шайба; 8 — прижимная гайка
Рис. 3. Профиль волны давления в процессе инжектирования жидкого азота
Экспериментальная установка и методика
По разработанной технологии получения сильных ударных волн с помощью взрывов капсул с жидким азотом проведены экспериментальные исследования [6, 7]. При подборе порции жидкого азота и объема криогенной капсулы достигался режим взрыва азота с тротиловым эквивалентом 0,86. Это дало удобный метод для исследования процесса распространения ударных волн в двухфазной смеси.
Дальнейшим шагом в ходе экспериментальных исследований ударных волн при взрыве капсул с жидким азотом стала модернизация блока ввода жидкого азота. Для
Рис. 4. Профили волн давления в процессе инжектирования жидкого азота при различном заполнении рабочего участка водой при температуре 20°С: 1 — вода занимает 98% от объема рабочего участка; 2 — вода занимает 96%
Рис. 5. Профили волн давления в процессе инжектирования жидкого азота при заполнении водой на 96% от рабочего участка при температуре: 1 — 60°С; 2 — 20°С
этого был разработан специальный инжектор, позволяющий с большой скоростью вводить жидкий азот в воду. Экспериментальная установка представляла собой вертикальный сосуд (труба) высотой 764 мм с внутренним диаметром 53 мм. Внешний вид экспериментальной установки приведен на рис. 1. На крышке трубы размещается узел ввода жидкого азота, снизу труба закрыта сплошным дном. В верхней части трубы размещен предохранительный клапан. Толщина стенок трубы 8 мм, фланцевой крышки и дна — 20 мм. Волны давления регистрируются двумя пьезоэлектрическими датчиками, размещенными на расстоянии 4 и 27 см от нижней точки инжектора. Датчики вмонтированы заподлицо с внутренними стенками трубы. Сигналы датчиков поступают через АЦП на компьютер, их дискретизация происходит с частотой 4 кГц.
Инжектор служит для подачи с большой скоростью струи жидкого азота в воду. Объем вводимого жидкого азота составлял 28 мл. Схема инжектора представлена на рис. 2, здесь узел 1 обеспечивает заполнение инжектора жидким азотом. Заполнение осуществляется следующим образом: все устройство погружается в сосуд Дьюара, через кольцевую щель 2 жидкий азот заполняет весь объем вплоть до мембраны 6. После этого кольцевая щель герметично запирается конусом 3, имеется капилляр 1, через который накопленный в капсуле жидкий азот, после разрыва мембраны, выдавливается гелием под давлением до 150 бар. Узел 2 представляет собой сопло для ввода жидкости, закрытое мембраной. После процедуры заполнения выводной конец инжектора
11,8 мс 21,8 мс 31,8 мс
Рис. 6. Кадры скоростной съемки процесса инжектирования жидкого азота в закрытой емкости (10000 к/с)
Рис. 7. Изменение радиуса пузыря в месте ввода жидкого азота
закрывается мембраной 6 и шайбой 7. Далее они сжимаются прижимной гайкой 8. После этого инжектор герметично закреплялся над объемом с водой, а узел ввода (узел 2) помещался под поверхностью жидкости на глубину до 10 см и через капилляр инжектора 1, соединенного через трубопровод с баллоном для газа, имеющим давление до 150 бар, подавался гелий. При достижении некоторого критического давления мембрана разрывалась, и происходил ввод в воду порции жидкого азота, равной объему камеры инжектора 4. Подбором количества мембран и внутреннего диаметра опорной шайбы изменялось давление в объеме инжектора, при котором происходило разрушение мембраны и вводился в воду жидкий азот. Мембраны были изготовлены из медной фольги толщиной 0,1 мм.
Эксперименты с инжекцией струи жидкого азота в воду
В ходе экспериментальных исследований измерялась амплитуда давления при вскипании жидкого азота в воде, максимальная величина которой составила 53 бар
2 Энергетика, № 3
65
при использовании шайбы с внутренним диаметром 2,7 мм. При этом скорость нарастания давления была равна 567 бар/с (рис. 3). Также были выполнены эксперименты при разных степенях заполнения объема рабочего участка водой, которая изменялась от 84 до 98%, амплитуда развивающихся скачков давления находилась в диапазоне 8— 53 бар. Из рис. 4 видно, что при таком варьировании скорость нарастания давления оказывается пропорциональной степени заполнения водой рабочего участка. Это качественно согласуется с опытами [5] за исключением того, что в экспериментах авторов уровни давления и величины производных выше, что, соответственно, связано не с геометрией эксперимента, а с физикой процесса образования газожидкостной полости внутри объема. Влияние большего объема и большей высоты камеры дает возможность наблюдать более продолжительные по времени и большие по расстоянию процессы. В наших опытах изменялась температура воды в рабочем участке, измерения проводились при температурах 20 и 60°С, темп роста давления при этом также менялся. Максимальная амплитуда скачка давления при температуре 60°С составила 17,4 бар. Эти опыты проводились при наибольшем внутреннем диаметре шайбы (4.5 мм) и носили сравнительный характер (рис. 5).
Эксперименты по визуализации физических процессов при инжекции жидкого азота в воду
Для проведения экспериментов по визуализации процессов при инжекции жидкого азота в воду была изготовлена прозрачная ячейка с толщиной стенки 20 мм представлявшая собой параллелепипед с наружными размерами 150 х 150 и высотой 280 мм. Оптическая ячейка давала возможность работать на больших временах и больших расстояниях от начала развития процесса. В экспериментах по визуализации ячейка заполнялась водой на 90%. Сопло инжектора размещалось на расстоянии 50 мм от уровня воды. Процесс регистрировался с помощью видеокамеры Phantom 7 с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.