Математическое моделирование кристаллизации и осаждения высококипящих микропримесей в жидкостных криогенных системах при их испарительном охлаждении

• Автор: Рябов, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18, 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 177 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЯВЛЕНИЙ ПЕРЕНОСА В ЖИДКОСТНЫХ КРИОГЕННЫХ
СИСТЕМАХ
1.1. Функционирование жидкостных криогенных систем в условиях образования, роста и осаждения микропримесей.

1.2. Существующие подходы к моделированию явлений переноса в гетерогенных системах

1.3. Моделирование образования, роста и осаждения высококипящих примесей при охлаждении криогенных жидкостей.
1.4. Свободноконвективное перемешивание криогенных жидкостей в стационарных резервуарах.

1.5. Выводы, цель и задачи исследования .

2. СИНТЕЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ ИСПАРИТЕЛЬНОМ ОХЛАЖДЕНИИ КРИОГЕННЫХ

ЖИДКОСТЕЙ В РЕЗЕРВУАРАХ.
2.1. Теплоперенос при газосбросе давления из парового пространства резервуаров.
2.2. Нестационарное температурное поле в объеме жидкости при ее охлаждении.
2.3. Свободная конвекция в замкнутых объемах.
2.4. Выводы.
3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЫСОКОКИПЯЩИХ ПРИМЕСЕЙ ПРИ
ИСПАРИТЕЛЬНОМ ОХЛАЖДЕНИИ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ
3.1. Постановка задачи и основная система допущений.
3.2. Формулировка основных уравнений модели.
3.3. Зависимость функции плотности распределения кристаллов
по размерам от режимных параметров.
3.4. Выводы.
4. ОСАЖДЕНИЕ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ИХ ИМПУЛЬСНОМ ВВОДЕ ЧЕРЕЗ СВОБОДНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ПЕРЕМЕШИВАЕМОЙ В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ ЖИДКОСТИ
4.1. Осаждение стоксовских малоконцентрированных взвесей в плоском слое.
4.1.1. Постановка задачи
4.1.2. Решение для монодисперсного случая.
4.1.3. Обобщение на полидисперсный случай.
4.1.4. Анализ вычислительного эксперимента
4.1.5. Частные случаи.
4.2. Осаждение стоксовских малоконцентрированиых взвесей в вертикальном цилиндрическом резервуаре
4.2.1. Постановка задачи
4.2.2. Решение для монодисперсного случая
4.2.3. Обобщение на полидисперсный случай
4.3. Прогнозирование неоднородности распределения осадка кристаллического азота на смоченной поверхности резервуара с жидким водородом при сбросе давления
4.4. Выводы.
5. ПРЕДМЕТНООРИЕНТИРОВАННЫЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТОЛЩИНЫ ОСАДКА.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА


Ас1 - увеличение концентрации примеси за счёт несовершенства подготовки объёмов системы; Ас2 - увеличение концентрации примесей вследствие испарения жидкости при охлаждении системы; Ас3 - увеличение концентрации примеси за счёт испарения жидкости при её хранении и вытеснении из сосуда; Асл - увеличение концентрации примеси за счёт конденсации из газа наддува. Мохл - количество жидкости, испарившейся при заполнении резервуаров системы; М - количество жидкости, залитой в резервуару; Ми - количество жидкости, испарившейся при хранении; с,- содержание примеси в газе наддува; Мн - масса газа наддува. Анализ расчетных данных по этой модели показал, что количество примесей возрастает в системе на всех этапах обращения с криогенными жидкостями, причем содержание примесей на входе к потребителю может увеличиваться в несколько раз по сравнению с их содержанием на сливном штуцере поставщика. Значительное влияние на чистоту криогенной жидкости оказывает качество газоподготовки. Главным недостатком такого подхода является то, что полностью пре-небрсгается отслеживание уровня безопасности эксплуатации криогенных систем из-за возможного накопления в них взрывоопасных осадков. Попытка учета этого обстоятельства приведена в [, ]. Используемая модель основана на целом ряде упрощающих допущений, главным из которых является предположение, что во всех операциях перелива концентрации примесей в сливаемой жидкости не превышают предельной растворимости при данной температуре, а избыток примеси переходит в осадок и остается в резервуаре. Однако из анализов состава газовой смеси, образующейся при отогревах резервуаров, следует, что действительное количество примесей все же оказывается меньше расчетного. Этот факт ставит под сомнение адекватность допущения о полном осаждении примесей и указывает на то, что возможности продления периодов безотогревной эксплуатации и, следовательно, сокращения потерь криогенных продуктов без снижения уровня безопасности далеко не исчерпаны. Представляется более реальным, что во время очередного слива находящаяся в резервуаре твердая фаза примеси состоит из двух частей, одна из которых представляет взвесь, а другая - осадок, причем первая выводится из резервуара вместе со сливаемой жидкостью, а вторая остается в резервуаре. Количественное соотношение этих частей непрерывно изменяется иод влиянием протекающих процессов зарождения, рост растворения и осаждения кристаллов. Остановимся вначале на гидромеханических процессах, не осложненных явлениями тепло- и массообмена. Такие процессы представляют самостоятельный интерес при моделировании потоков примесей при выполнении технологической операции "охлаждение". В научной литературе этому вопросу уделено и уделяется много внимания [, , , 3, 4]. Однако даже для криогенных дисперсных систем, являющихся малоконцентрированными и мелкодисперсными, моделирование этих процессов на основе совместного анализа уравнений переноса количества движения, массы и энергии встречает ряд практически неразрешимых трудностей в связи с проблемами замыкания этих уравнений, постановки граничных условий и сложности вычислений. В тех случаях, когда скорость изменения линейного размера частиц взвеси много меньше скорости изменения координаты их центра тяжести, изучение гидромеханических процессов можно проводить "автономно" [, 0], тем не менее, трудности при анализе уравнений движения сплошной и дисперсной фаз остаются те же [, ]. По этой причине многими исследователями предлагаются упрощенные модели описания гидромеханических процессов в дисперсных системах []. Анализ публикаций показывает, что можно выделить два общих подхода к построению упрощенных моделей: диффузионный (детерминированный) и статистический (вероятностный). В [, , 7] предложено для описания сепарации и перемешивания дисперсной фазы использовать диффузионные представления, которые были применены в работах [, 5, 1] при разработке математической модели процесса распределения взвесей в проточных элементах кристаллизаторов. В1 - коэффициент продольного перемешивания частиц; С - время. При дц>/д( = 0 получено приближенное решение данного уравнения для вертикальных проточных элементов (отстойник, классификатор).