流速和管径对热力特性的影响何家声(北京航天发射技术研究所北京100076)摘要:论述了低温系统绝热性能和流阻特性对液流温度的影响,推导了液流温升及最优流速公式,分析了流速和管径与液流温升的关系,提出了确定流速和管径的方法。关键词:低温系统流速管径温升:TB611文献标识码:A:100026516(2007)0220046204EffectofflowrateandpipediameteronflowthermodynamicpropertyHe激asheng(Bei激ngInstituteofAerospaceLaunchTechnology,Bei激ng100076,China)Abstract:Theinfluenceofinsulationeffectandresistancepropertyofthecryogenicsystemonthetem2peraturerisewasdiscussed,theformulaofflowtemperatureriseandoptimalflowratewasdeduced,there2lationshipamongtheflowrate,pipediameterandflowtemperaturerisewasanalyzedandthewaytodeter2mineflowrateandpipediameterwasintroduced.Keywords:cryogenicsystem;flowrate;pipediameter;temperaturerise确定管路的流通直径,即:1引言4QV(1)di=低温加注系统除了要满足水力性能要求以外,还要满足热力特性要求,即加注推进剂时要避免管内液流在某处达到饱和温度即出现两相流动,同时要使流至管末的推进剂温度不超出限定的温度。要满足这两种要求,最根本的是要限制推进剂的温升,而温升不仅与管路绝热性能好坏有关,而且与系统的流阻特性有关。当漏热的热流密度以及管长、管路组件的流阻系数一定时,推进剂的温升主要与流速和管径有关。如何更合理地确定管径和流速,一直是低温加注或输送系统设计中需要首先考虑的问题。在过去的设计中,通常的作法是参考同类系统,先选定适中的管径,然后反过来测算流速,或者是根据要求的加注πv式中di为管路流通直径,m;Qv为低温液体容积流量,m3/s;v为选定的流速,m/s。显然,式(1)只反映管径与流速之间的关系,并不反映管径与流速与热力特性之间的关系。由该式可知,在保证流量的前提下,选择较高的流速可使管路直径较小,较小直径的管路不仅可减少外界漏入的热量,而且连接部位容易保证密封,经济性好,管路装拆方便。可以缩短向火箭贮箱加注的时间,提高加注效率但液流对管路的冲刷严重,易引起振动和响声。相反,选择较低的流速会使管路直径较大,漏热增加,多余物容易在某些部位沉积,连接部位不容易保证密封,经济性不好,管路装拆不方便,而且加注时间长,收稿日期:2007201209;修订日期:2007203226作者简介:何家声,男,66岁,研究员。47第2期流速和管径对热力特性的影响加注效率低,但流动较平稳。因此,通常选择较高的流速和较小的管路流通直径,例如,某液氢管路系统的管径为75mm,最大流速达5.2m/s以上。然而,流速高、管径小虽可减少外界漏热,可以降低因漏热而引起的温升,但会使流阻损失增加,从而使压降引起的温升增加。因此,为了限制推进剂的温升,在进行管路水力和热力性能设计时,需要分析两者的关系以及流速与管径对温升的影响,以便最大限度地降低液流的温升。分;pe,p0分别为管路末端和始端液流压力,Pa;Te,T0分别为管末和管路入口液流温度,K;ΔT1,ΔT2分别为由漏热和流阻压降引起的温升,K;Q为漏入管路的总热量,W;mL为低温液体的质量流量,kg/s;Cp为低温液体的比热容,j/(kg·K);ρL为低温液体的密度,kg/m3;Δp为液流的总压降,Pa。因为2vL1L2Δp=ρL[gh+(λ1+λ2di+∑ζi)]di2Q=qS-2流速与管径的影响分析1-q=∑λmδn(T0-Ti)2.1液流温升关系式对管路任一截面建立热力学方程得:i代入式(5)可得:2-dq=di+d(v4qL)+dhg(2)T-T=()+ie0pρL2Cvdi9v2vL1L21由于di=CpdT-[T(9T)p并忽略动能及势能变化得:-v]dp,代入式(2)[gh+(λ1+λ2+∑ζi)](6)2Cpdidi式中:h为供给贮罐液面与接收贮罐液面之间的静位高差,m;λ1,λ2,∑ζi分别为硬直管、软管的沿程=dq+1[T(9v)dTv]dp(3)p-CpCp9T阻力系数和局部阻力系数和;L,L分别为硬直管和12焦尔-汤姆逊效应系数为:-2软管的长度,m;q为平均热流密度,W/m;λm为管路9T19vμi(9p)i=[T()p-v]9T=各组件的表观导热系数,W/(m·K);δ为绝热层厚cip度,m;n为管路各组件的数量;T0,Ti分别为外界温度代入式(3)并两边积分得:和管内温度,K;S为内管表面积,m2;d为管路流通TeqedqPe(9T)∫T∫C∫9pidT=+dpi直径,m。由式(6)可知,液流的温升...