Расчет потерь криоагента в криосифоне

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ КРИОАГЕНТА В КРИОСИФОНЕ.

Заборная труба криосифона нижней своей частью находится в паровом пространстве сосуда, верхняя часть находится в паровом пространстве внутри системы криостатирования, а средний участок омывается атмосферным воздухом. Таким образом создаютя условия для интенсивного переноса теплоты вдоль оси трубы в паузах между импульсами подачи жидкости. Во время подачи жидкости по трубе, теплота, подводимая атмосферным воздухом через стенку трубы передается потоку криоагента.

Характер передачи теплоты от криоагента к воздуху окружающей среды во время подачи криоагента поясняется схемой приведенной на рисунке 1. В расчете рассматривается неизолированный трубопровод изготовленный из металлической трубы. Технические характеристики труб, принятых в рассмотрение, приведены в таблице  . По трубе течет криоагент, представляющий собой парожидкостной поток с температурой около Т_аз=80 К, с наружной стороны поверхность трубы омывается воздухом с Т_ос=290 К.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха около вертикальной трубы применяют формулу (  )_

.                                                       (1)

В  формуле (1) в качестве определяющего размера принят наружный диаметр трубы D_тр, а в качестве определяющей температуры – температура окружающей среды Т_ос .

Формула (1) справедлива в пределах  .

Физические характеристики воздуха при температуре  окружающей среды  Т_ос=290 К (   ):

Вт/(м·К); м²/с; ;

Значение критерия Рr_ст выбираем по температуре стенки Т_ст.

Критерий подобия, характеризующие процесс теплоотдачи определяем по формуле

.

Затем определяем значение Nu_в,d , тогда коэффициент теплоотдачи

.

Действительный коэффициент теплопередачи со стороны воздуха

,

, где  - коэффициент влаговыпадения,  и - влагосодержание воздуха в помещении и на поверхности трубы, определяем с помощью таблиц параметров или i-d-диаграммы влажного воздуха, кг/кг при Т=Т_ос=290 К и φ=80%,   кг/кг при Т<<T_ос φ=100%.

Находим коэффициент теплопередачи от криоагента к воздуху

, где - коэффициент теплоотдачи азота при кипении, принимаем Вт/(м·К);м - толщина слоя стенки трубы; Вт/(м·К) – теплопроводности нержавеющей стали.

Следует учитывать то, что трубопровод является центром конденсации паров воды из воздуха, иней увеличивает степень шероховатости и ухудшает теплообмен. Коэффициент теплопередачи при наличии снеговой шубы на трубопроводе

, где м- толщина снеговой шубы; - теплопроводность снега.

Температура на наружной поверхности трубы определяется интенсивностью теплообмена с двух сторон трубы, и может быть определена итерационным вычислением.

Принимаем минимальную температуру наружной поверхности трубы Т_ст=135 К и с помощью редактора Exel повторяем вычисления для различных значений Т_ст в интервале от 135 до 155 К.Результаты вычислений  для труб с наружным диаметром 20 и 16 мм приведены в табл.1 и 2

Таблица 2

Результаты расчета теплопритоков через не изолированный трубопровод  (наружный диаметр 0,02 м)

Тст , K	135	137	139	141	143	145	147	149	151	153	155
Nuв,d	8,3523	8,3252	8,2979	8,2703	8,2424	8,2142	8,1857	8,157	8,1279	8,09849884	8,0688
Grв,d	111237	109802	108367	106932	105496	104061	102626	101190	99755	98319,5856	96884
Prст	0,709	0,7102	0,711	0,7118	0,7122	0,7127	0,713	0,7132	0,7135	0,71360505	0,7138
Prв·Grв,d	78864	77977	77054	76109	75137	74161	73171	72173	71171	70161,3526	69153
α , Вт/(м2 К)	12,597	12,556	12,515	12,473	12,431	12,389	12,346	12,303	12,259	12,2143809	12,17
αв, Вт/(м2 К)	17,291	17,297	17,302	17,309	17,316	17,324	17,333	17,342	17,353	17,3640352	17,376
ζ	1,3726	1,3775	1,3825	1,3877	1,3929	1,3983	1,4039	1,4096	1,4155	1,42160584	1,4279
k, Вт/(м2·К)	17,137	17,142	17,148	17,154	17,162	17,169	17,178	17,187	17,198	17,2086641	17,221
k1,    Вт/(м2·К)	11,875	11,877	11,88	11,883	11,886	11,89	11,894	11,898	11,903	11,9086844	11,914
q1, Вт/м2	2493,6	2494,2	2494,7	2495,4	2496,1	2496,9	2497,7	2498,7	2499,7	2500,82372	2502
q2, Вт/м2	2680,2	2646,4	2612,7	2579	2545,5	2512	2478,6	2445,3	2412	2378,87283	2345,8

Рис. 

	-187		-152	-118	-83,7	-49,4	-15,1	19,15	53,41	87,68	121,9509	156,2
Cp	1052		1051	1051	1050	1050	1049	1049	1048	1048	1047,561	1047
μ	9E-06		9E-06	9E-06	9E-06	9E-06	1E-05	1E-05	1E-05	1E-05	1,01E-05	1E-05
λ	0,013		0,014	0,014	0,014	0,014	0,014	0,014	0,014	0,015	0,01484	0,015
F тр	0,011
Q	28,23
потери от испар, кг/c		1E-04
		0,511