(北京航天發(fā)射技術研究所,北京 100076)
在我國現(xiàn)役低溫運載火箭中,高壓氦氣主要應用在儲箱增壓、氣瓶充氣和發(fā)動機吹除等方面。在航天領域,氦氣最高儲存壓力可達45 MPa,使用時一般通過減壓閥或節(jié)流閥將壓力降低至需求壓力,氣體經(jīng)過節(jié)流后溫度可能會發(fā)生變化。根據(jù)工程熱力學定義可知,把節(jié)流后溫度不變的氣流溫度叫做轉回溫度,在T-p圖上把不同壓力下的轉回溫度連起來可得到一條轉回曲線,轉回曲線與溫度軸上方的交點成為最大轉回溫度,氣體溫度高于最大轉回溫度時產生節(jié)流熱效應。氦氣的最高轉回溫度約為47 K,航天常用的氦氣溫度范圍(223.15~373.15 K)均高于該溫度,高壓氦氣經(jīng)減壓節(jié)流后會出現(xiàn)溫升效應[1],如果減壓節(jié)流產生的溫升超過航天設備的允許溫度范圍,則可能影響設備的正常運行,甚至會對火箭發(fā)射和飛行任務造成影響,因此,有必要針對高壓氦氣的節(jié)流效應開展定量研究。
孫慶國等[2]根據(jù)等焓曲線查圖法研究了高壓氦氣的節(jié)流效應,但等焓曲線法在實際應用和仿真計算中存在諸多不便;國內有學者根據(jù)經(jīng)典氣體狀態(tài)方程推導了焦耳-湯姆遜系數(shù)計算公式,并根據(jù)公式計算了天然氣、氫氣、氮氣、空氣和二氧化碳的焦耳-湯姆遜系數(shù),獲得了較高的計算精度[3-7],也有學者采用CFD對空氣、天然氣和液壓油等介質的節(jié)流效應進行了數(shù)值模擬研究[8-15];謝太浩[16]通過對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到了計算低壓氧氣焦耳-湯姆遜系數(shù)的經(jīng)驗公式。到目前為止,尚未發(fā)現(xiàn)對高壓氦氣焦耳-湯姆遜效應數(shù)值計算方面的研究。
本研究針對航天領域用高壓氦氣,分別通過經(jīng)典氣體狀態(tài)方程和經(jīng)驗公式法求解高壓氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù),并將計算與實驗結果進行對比,獲得求解高壓氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù)的最佳方法,并根據(jù)得到的氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù)求解方法計算氦氣的節(jié)流溫升,用以指導實際工程應用。
高壓流體經(jīng)節(jié)流膨脹后,由于壓力變化而引起溫度的變化,該現(xiàn)象被稱為節(jié)流效應或者焦耳-湯姆遜效應。節(jié)流膨脹過程無對外做功,節(jié)流過程時間較短,可認為是絕熱膨脹,同時節(jié)流前后宏觀動能和位能變化不大,因此,節(jié)流膨脹過程可近似看作等焓過程。
實際氣體在等焓節(jié)流過程中溫度隨壓力變化的速率稱為焦耳-湯姆遜系數(shù),實際氣體的焓為溫度和壓力的函數(shù),其表達式見式(1),根據(jù)等焓條件求得焦耳-湯姆遜系數(shù)的表達式如式(2)所示:
(1)
(2)
式中,h—— 氣體的焓,J
μJT—— 焦耳-湯姆遜系數(shù),K/MPa
p—— 壓力,MPa
T—— 溫度,K
ν—— 摩爾體積,cm3/mol
Cp—— 實際氣體的摩爾比定壓熱容,J/(mol·K)
當μJT=0時,氣體節(jié)流前后溫度不發(fā)生變化;當μJT<0時,氣體節(jié)流后溫度升高,稱為焦耳-湯姆遜熱效應;當μJT>0時,氣體節(jié)流后溫度降低,稱為焦耳-湯姆遜熱冷效應。
焦耳-湯姆遜系數(shù)μJT可由實際氣體狀態(tài)方程求出,也可采用經(jīng)驗公式進行求解。本研究選用的實際氣體狀態(tài)方程為經(jīng)典范德瓦爾斯狀態(tài)方程(簡稱VDW方程)和雷德利希-鄺式狀態(tài)方程(簡稱R-K方程)。
1873年,范德瓦爾斯對理想氣體狀態(tài)方程進行了修訂,提出了VDW方程,表達式如下[17]:
(3)
(4)
(5)
式中,R —— 氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K)
a—— 范德瓦爾斯常數(shù),cm6/mol2
b—— 范德瓦爾斯常數(shù),cm3/mol
Tc—— 臨界溫度,K
pc—— 臨界壓力,MPa
對于氦氣,Tc為5.19 K,pc為0.227 MPa。p,ν,T三者之間存在如下關系:
(6)
根據(jù)式(6),焦耳-湯姆遜系數(shù)可轉化如下:
(7)
由VDW方程可得出:
(8)
(9)
將式(8)和式(9)帶入式(7),求得焦耳-湯姆遜系數(shù)μJT如下:
(10)
根據(jù)式(10)可知,已知壓力p和溫度T,只需求解出實際氣體的摩爾比定壓熱容Cp和摩爾體積ν即可求得焦耳-湯姆遜系數(shù)μJT。
將VDW方程轉化為標準形式的關于摩爾體積ν的一元三次方程如下:
pν3-(pb+RT)ν2+aν-ab=0
(11)
對式(11),應用盛金公式[18]可求解出實際氣體的摩爾體積ν。
實際氣體的摩爾比定壓熱容Cp既是溫度的函數(shù),又是壓力的函數(shù),根據(jù)剩余焓和VDW狀態(tài)方程,可推導出氦氣的摩爾比定壓熱容Cp計算公式,見式(12),具體推導過程參見文獻[3]:
(12)
根據(jù)式(10)~式(12)可知,實際氣體的摩爾比定壓熱容Cp和摩爾體積ν為關于壓力p和溫度T的函數(shù),因此已知p和T,即可由VDW方程求得實際氣體的焦耳-湯姆遜系數(shù)μJT。
1949年,雷德利希(Redlich)和鄺(Kwong)在范德瓦爾斯狀態(tài)方程的基礎上進行了修訂,提出了雷德利希-鄺式狀態(tài)方程,簡稱R-K方程,表達式如下[17]:
(13)
(14)
(15)
式(13)~式(15)中:
ar—— R-K方程常數(shù),K0.5·cm6/mol2
br—— R-K方程常數(shù),cm3/mol
由R-K方程可得出:
(16)
(17)
將式(15)和式(16)帶入式(6),求得焦耳-湯姆遜系數(shù)μJT與壓力p和溫度T的關系如下:
(18)
根據(jù)式(18)可知,已知壓力p和溫度T,只需求解出實際氣體的摩爾比定壓熱容Cp和摩爾體積ν即可求得μJT。
將R-K方程轉化為標準形式的關于摩爾體積ν的一元三次方程如下:
arbr=0
(19)
對式(19),同樣應用盛金公式可求解出實際氣體的摩爾體積ν。
同理,根據(jù)剩余焓和R-K狀態(tài)方程,可推導出氦氣的摩爾比定壓熱容Cp計算公式,見式(12),具體推導過程參見文獻[3]:
(20)
聯(lián)立式(18)~式(20),同樣已知壓力p和溫度T,即可由R-K方程求得實際氣體的焦耳-湯姆遜系數(shù)μJT。
根據(jù)目前航天領域高壓氦氣的使用溫度范圍(223.15~373.15 K)和壓力范圍(0.1~45 MPa),選取典型工況分別代入式(10)和式(18)計算焦耳-湯姆遜系數(shù),并與實驗得到的焦耳-湯姆遜系數(shù)進行對比,如表1所示,表中所列的氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù)的實驗數(shù)據(jù)由物性數(shù)據(jù)庫查得。根據(jù)表1可知,經(jīng)典VDW方程和R-K狀態(tài)方程計算結果和實際實驗結果均為負值,說明航天領域高壓氦氣在使用溫度和壓力范圍內節(jié)流產生熱效應。在進行高壓閥門和氣動系統(tǒng)設計時應考慮節(jié)流升溫對供氣元件、設備和系統(tǒng)的影響。
當氦氣溫度高于最高轉回溫度時,氣體分子之間的作用力以排斥力為主導[19-20]。節(jié)流后,氣體體積膨脹,分子間距離增大,分子內部勢能減小,由于系統(tǒng)絕熱,總能量維持不變,分子總勢能的減小導致總動能的增加,即分子運動變快,氣體溫度的升高,表現(xiàn)為節(jié)流熱效應。
同時,表1顯示VDW狀態(tài)方程和R-K狀態(tài)方程計算的氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù)均與實驗數(shù)據(jù)偏差較大,其中VDW狀態(tài)方程計算結果平均相對誤差約75%;R-K狀態(tài)方程計算結果平均相對誤差約27%。
根據(jù)上述分析計算可知,經(jīng)典氣體狀態(tài)方程VDW方程和R-K方程計算氦氣的焦耳-湯姆遜系數(shù)誤差較大,難以應用于實際工程,下面通過經(jīng)驗公式法對氦氣的焦耳-湯姆遜系數(shù)進行求解。
根據(jù)航天領域高壓氦氣的使用溫度范圍和壓力范圍,在物性數(shù)據(jù)庫中查得典型氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù)的實驗結果,并繪制焦耳-湯姆遜系數(shù)關于溫度和壓力的曲線,如圖1所示。
表1 試驗結果和經(jīng)典氣體狀態(tài)方程計算結果對比Tab.1 Comparison of experimental data with results of classic gas equation
圖1 氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù)實驗結果Fig.1 Experimental results of Joule-Thomson coefficient of Hilium
根據(jù)圖1可知,氦氣的焦耳-湯姆遜系數(shù)與壓力近似成二次方關系,受溫度影響較小,因此,工程計算中可忽略溫度影響,將氦氣的焦耳-湯姆遜系數(shù)對壓力進行二次回歸,得出經(jīng)驗公式如下:
μJT=9×10-6p2+4×10-4p-0.6264
(21)
為驗證二次回歸方程適用性,在航天領域高壓氦氣的使用溫度和壓力范圍內選取典型工況代入式(21)計算焦耳-湯姆遜系數(shù),并與實驗得到的焦耳-湯姆遜系數(shù)進行對比,如表2所示。
由表2可知,采用經(jīng)驗公式計算的氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù)均與實驗數(shù)據(jù)偏差較小,平均相對誤差約0.8%,最大相對誤差為2.67%。由于篇幅限制,只列舉了典型溫度和壓力工況下的焦耳-湯姆遜系數(shù)經(jīng)驗公式計算結果,針對航天領域氦氣壓力和溫度范圍內多種使用工況進行了計算,經(jīng)驗公式計算結果和實驗結果最大相對誤差在3%以內。由此可知,經(jīng)驗公式法相比氣體狀態(tài)方程法計算量較小,且計算精度較高,可應用于工程實際。
表2 實驗結果和經(jīng)驗公式計算結果對比Tab.2 Comparison of experimental data with results of empirical equation
將高壓氦氣節(jié)流過程視為等焓節(jié)流膨脹過程,則節(jié)流溫升只考慮焦耳-湯姆遜效應引起的溫度變化即可。在計算過程中,焦耳-湯姆遜系數(shù)采用精度較高的經(jīng)驗公式法,節(jié)流溫升計算式如下:
(22)
式中,T1—— 節(jié)流后溫度,K
T0—— 節(jié)流前溫度,K
p1—— 節(jié)流后壓力,MPa
p0—— 節(jié)流前壓力,MPa。
對式(22)進行積分,轉化如下:
ΔT=0.6264(p0-p1)-2×10-4×
(23)
在航天高壓氦氣使用過程中,一般可通過壓力傳感器或壓力表獲取節(jié)流前后氣體壓力,代入式(23)即可計算出節(jié)流溫升。
為驗證經(jīng)驗公式計算結果的合理性,設定節(jié)流前溫度為常溫293.15 K,選取入口典型節(jié)流工況,按照式(23)計算溫升,并與實驗結果進行了對比,如表3所示,表3中的實驗結果根據(jù)文獻[1]中等焓線獲取。
根據(jù)表3可知,通過經(jīng)驗公式法積分求解的節(jié)流溫升與實驗溫升偏差較小,平均相對誤差約2%,最大相對誤差3.33%。同樣針對航天領域氦氣壓力和溫度范圍內多種使用工況進行了計算,經(jīng)驗公式計算結果和實驗結果最大相對誤差在4%以內。節(jié)流溫升誤差一方面來自于焦耳-湯姆遜計算誤差,另一方面來自于等焓線讀數(shù)誤差。通過以上分析可知,利用經(jīng)驗公式積分法,只需已知節(jié)流前后氣體壓力,即可求解節(jié)流溫升,該方法計算簡便,計算精度較高,可更好的滿足工程實際應用需求。
表3 溫升計算結果Tab.3 Calculations of temperature rise
本研究通過經(jīng)典氣體狀態(tài)方程(VDW狀態(tài)方程和R-K狀態(tài)方程)和經(jīng)驗公式法推導計算了航天領域高壓氦氣節(jié)流過程的焦耳-湯姆遜系數(shù),并計算了氦氣節(jié)流溫升,得到如下結論:
(1) 計算和實驗結果均表明,常溫工況下,航天領域高壓氦氣在節(jié)流過程中產生熱效應,在進行閥門和氣動系統(tǒng)設計時應考慮節(jié)流升溫對供氣元件、設備和系統(tǒng)的影響;
(2) 通過經(jīng)典VDW狀態(tài)方程和R-K狀態(tài)方程推導計算的氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù)均與實驗數(shù)據(jù)偏差較大,其中VDW狀態(tài)方程計算結果平均相對誤差約75%,R-K狀態(tài)方程計算結果平均相對誤差約27%;
(3) 采用經(jīng)驗公式計算的氦氣焦耳-湯姆遜系數(shù)均與實驗數(shù)據(jù)偏差較小,最大相對誤差在3%以內;通過經(jīng)驗公式法積分求解的節(jié)流溫升與實驗溫升偏差較小,最大相對誤差在4%以內。
經(jīng)驗公式積分法可在已知節(jié)流前后氣體壓力時,求解得出節(jié)流溫升,該方法計算簡便,精度較高,便于解決工程實際問題。