НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 629.7.082.6

МГТУ им. Н.Э. Баумана

hocleric@rambler.ru

Сжиженный природный газ (СПГ) – новое альтернативное горючее, до сих пор не применявшееся в ракетно-космической технике, имеет ряд преимуществ перед ракетным керосином Т-1[1]. Однако существуют и недостатки при применении СПГ.

Уникальным для данного горючего является возможность протекания явления ролловера, возникающего при дозаправке емкости системы заправки новой дозой, физические параметры которой отличаются от имеющейся. По этой причине происходит стратификация СПГ на два горизонтальных слоя. Нижний слой за счет внешнего теплопритока перегревается и аккумулирует часть тепла, не успевая передать его на верхний.

При возникновении явления ролловера происходит интенсивное перемешивание, а накопленное тепло уходит на фазовый переход части жидкости, тем самым увеличивая давление в газовой подушке. Такой неконтролируемый рост давления может привести к повреждению хранилища и самой системы заправки.

Рис. 1. Стадии протекания явления ролловера

СПГ является многокомпонентной смесью различных углеводородов и азота, однако существенное влияние на возникновение явления ролловер оказывает именно пара этан-метана [2], поскольку концентрация этих веществ в начальный момент времени наиболее весома.

Решение задачи явления ролловера следует искать в решении задачи в области термодинамики необратимых процессов:

,

где       - средняя плотность смеси,

       - плотности каждого компонента смеси,

       - средняя энтальпия смеси,

       - энтальпия каждого компонента смеси,

       - коэффициент теплопроводности,

       - температура,

       - плотность потока массы для первого компонента смеси,

       - концентрации компонентов.

Поскольку в протекающем явлении происходит не только концентрационная диффузия, но и термо- и  бародиффузия, молекулярный массоперенос будет определяться как:

       - коэффициент взаимодиффузии,

,  - коэффициенты термо- и бародиффузии,

 - давление,

       - термодиффузионное отношение ,

       - бародиффузионное отношение,

       - молекулярные массы компонентов и смеси соответственно.

Тогда с учетом всех подстановок получим выражение математической модели поведения жидкости при возникновении явления ролловер:

.

На основе представленной математической модели был проведен расчет явления ролловер для горизонтального 200 м³ хранилища СПГ [3] при начальном относительном объеме нижнего и верхнего слоя 0,4 и 0,5 соответственно. Результаты расчета представлены в таблице 1, на рис. 2 и на рис. 3.

Таблица 1.

Результаты расчета параметров СПГ для хранилища объемом 200 м³

Рис. 2. График изменения плотности слоев

Рис. 3. График изменения температуры слоев

На последнем этапе, когда плотности слоев становятся равными, происходит перемешивание двух слоев жидкости. Накопленное тепло в нижнем слое выходит в виде пара наружу. Проведенный расчет позволяет определить разницу температур между слоями в момент перемешивания. Из чего возможно определение количества испарившегося газа, а так же значение повышения давления в газовой подушке хранилища СПГ.

Литература

1.     Исследование вопросов производства и использования СПГ в качестве альтернативного топлива в различных отраслях народного хозяйства. М., Отчет «Крион» при МЭИ. 1994.

2.     ТУ 021 00480689-96 Газ горючий природный сжиженный. Топливо для ракетной техники. СПб., ГИПХ. 1996.

3.     Архаров А.М., Кунис И.Д. Криогенные заправочные системы стартовых ракетно-космических комплексов. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2006, 252 с.