Wprowadzeniedukacja

Wraz z rozwojem technologii kriogenicznej, produkty kriogeniczne odgrywają ważną rolę w wielu dziedzinach, takich jak gospodarka narodowa, obronność i badania naukowe. Zastosowanie cieczy kriogenicznej opiera się na efektywnym i bezpiecznym przechowywaniu i transporcie produktów kriogenicznych, a przesył cieczy kriogenicznej rurociągami obejmuje cały proces magazynowania i transportu. Dlatego niezwykle ważne jest zapewnienie bezpieczeństwa i sprawności przesyłu cieczy kriogenicznej rurociągami. W przypadku przesyłu cieczy kriogenicznych konieczna jest wymiana gazu w rurociągu przed jego rozpoczęciem, w przeciwnym razie może to spowodować awarię. Proces wstępnego schładzania jest nieuniknionym elementem transportu produktów kriogenicznych. Proces ten powoduje silne szoki ciśnieniowe i inne negatywne skutki dla rurociągu. Ponadto zjawisko gejzeru w rurociągu pionowym oraz niestabilna praca systemu, takie jak napełnianie ślepych odgałęzień, napełnianie po opróżnieniu interwałowym i napełnianie komory powietrznej po otwarciu zaworu, będą miały różny stopień negatywnego wpływu na urządzenia i rurociąg. W związku z tym niniejszy artykuł zawiera dogłębną analizę powyższych problemów i ma na celu znalezienie rozwiązania poprzez analizę.

Przemieszczanie gazu w linii przed przesyłem

Wraz z rozwojem technologii kriogenicznej, produkty kriogeniczne odgrywają ważną rolę w wielu dziedzinach, takich jak gospodarka narodowa, obronność i badania naukowe. Zastosowanie cieczy kriogenicznej opiera się na efektywnym i bezpiecznym przechowywaniu i transporcie produktów kriogenicznych, a przesył cieczy kriogenicznej rurociągami obejmuje cały proces magazynowania i transportu. Dlatego niezwykle ważne jest zapewnienie bezpieczeństwa i sprawności przesyłu cieczy kriogenicznej rurociągami. W przypadku przesyłu cieczy kriogenicznych konieczna jest wymiana gazu w rurociągu przed jego rozpoczęciem, w przeciwnym razie może to spowodować awarię. Proces wstępnego schładzania jest nieuniknionym elementem transportu produktów kriogenicznych. Proces ten powoduje silne szoki ciśnieniowe i inne negatywne skutki dla rurociągu. Ponadto zjawisko gejzeru w rurociągu pionowym oraz niestabilna praca systemu, takie jak napełnianie ślepych odgałęzień, napełnianie po opróżnieniu interwałowym i napełnianie komory powietrznej po otwarciu zaworu, będą miały różny stopień negatywnego wpływu na urządzenia i rurociąg. W związku z tym niniejszy artykuł zawiera dogłębną analizę powyższych problemów i ma na celu znalezienie rozwiązania poprzez analizę.

Proces wstępnego schładzania rurociągu

W całym procesie przesyłu cieczy kriogenicznej rurociągiem, przed osiągnięciem stabilnego stanu przesyłu, następuje proces wstępnego schładzania, podgrzewania systemu rurociągów i urządzeń odbiorczych, czyli proces wstępnego schładzania. W tym procesie rurociąg i urządzenia odbiorcze muszą wytrzymać znaczne naprężenia skurczowe i ciśnienie udarowe, dlatego powinny być kontrolowane.

Zacznijmy od analizy procesu.

Cały proces schładzania wstępnego rozpoczyna się gwałtownym parowaniem, po którym następuje przepływ dwufazowy. Ostatecznie, po całkowitym schłodzeniu układu, pojawia się przepływ jednofazowy. Na początku procesu schładzania wstępnego temperatura ścianki wyraźnie przekracza temperaturę nasycenia cieczy kriogenicznej, a nawet górną granicę temperatury cieczy kriogenicznej – temperaturę przegrzania. W wyniku wymiany ciepła ciecz w pobliżu ścianki rury jest podgrzewana i natychmiast odparowywana, tworząc warstwę pary, która całkowicie otacza ściankę rury – następuje wrzenie warstwowe. Następnie, w procesie schładzania wstępnego, temperatura ścianki rury stopniowo spada poniżej granicznej temperatury przegrzania, co powoduje powstanie korzystnych warunków do wrzenia przejściowego i wrzenia pęcherzykowego. Podczas tego procesu występują duże wahania ciśnienia. Po osiągnięciu określonego poziomu schładzania wstępnego, pojemność cieplna rurociągu i przenikanie ciepła do otoczenia nie doprowadzą do podgrzania cieczy kriogenicznej do temperatury nasycenia i wystąpi stan przepływu jednofazowego.

W procesie intensywnego parowania generowane są gwałtowne wahania przepływu i ciśnienia. W całym procesie wahań ciśnienia, maksymalne ciśnienie, które powstaje po raz pierwszy po bezpośrednim wpłynięciu cieczy kriogenicznej do gorącej rury, stanowi maksymalną amplitudę w całym procesie wahań ciśnienia, a fala ciśnienia może weryfikować wydajność ciśnieniową układu. Dlatego zazwyczaj bada się tylko pierwszą falę ciśnienia.

Po otwarciu zaworu, ciecz kriogeniczna szybko przedostaje się do rurociągu pod wpływem różnicy ciśnień, a warstewka pary powstająca w wyniku parowania oddziela ciecz od ścianki rury, tworząc koncentryczny przepływ osiowy. Ponieważ współczynnik oporu pary jest bardzo mały, a więc natężenie przepływu cieczy kriogenicznej jest bardzo duże, wraz z postępem przepływu, temperatura cieczy z powodu absorpcji ciepła stopniowo rośnie, a ciśnienie w rurociągu rośnie, a prędkość napełniania spada. Jeśli rura jest wystarczająco długa, temperatura cieczy musi w pewnym momencie osiągnąć poziom nasycenia, w którym to momencie ciecz zatrzymuje się. Ciepło od ścianki rury do cieczy kriogenicznej jest w całości wykorzystywane do parowania, w tym momencie prędkość parowania znacznie wzrasta, a ciśnienie w rurociągu również wzrasta, osiągając 1,5–2-krotność ciśnienia wlotowego. Pod wpływem różnicy ciśnień część cieczy zostanie zawrócona do zbiornika z cieczą kriogeniczną, co spowoduje zmniejszenie prędkości generowania pary. Ponieważ część pary generowanej przez wylot rury spada, po pewnym czasie rurociąg ponownie przywróci ciśnienie cieczy do stanu równowagi, a zjawisko to pojawi się ponownie. Jednak w poniższym procesie, ze względu na pewne ciśnienie i część cieczy w rurze, wzrost ciśnienia spowodowany przez nową ciecz jest niewielki, więc szczyt ciśnienia będzie mniejszy niż pierwszy szczyt.

W całym procesie schładzania wstępnego system musi nie tylko wytrzymać silne uderzenie fali ciśnienia, ale także duże naprężenia skurczowe spowodowane niską temperaturą. Połączenie tych dwóch czynników może spowodować uszkodzenia konstrukcyjne systemu, dlatego należy podjąć niezbędne środki w celu ich ograniczenia.

Ponieważ natężenie przepływu wstępnego chłodzenia bezpośrednio wpływa na proces schładzania i wielkość naprężeń skurczowych, proces schładzania wstępnego można kontrolować poprzez regulację natężenia przepływu wstępnego chłodzenia. Rozsądną zasadą doboru natężenia przepływu wstępnego chłodzenia jest skrócenie czasu schładzania wstępnego poprzez zastosowanie większego natężenia przepływu wstępnego chłodzenia, przy założeniu, że wahania ciśnienia i naprężenia skurczowe nie przekroczą dopuszczalnego zakresu dla urządzeń i rurociągów. Zbyt małe natężenie przepływu wstępnego chłodzenia może negatywnie wpłynąć na izolację rurociągu, co może skutkować jego całkowitym schłodzeniem.

W procesie schładzania wstępnego, ze względu na występowanie przepływu dwufazowego, nie jest możliwy pomiar rzeczywistego natężenia przepływu za pomocą zwykłego przepływomierza, co uniemożliwia sterowanie natężeniem przepływu podczas schładzania wstępnego. Możemy jednak pośrednio oszacować wielkość przepływu, monitorując ciśnienie wsteczne w zbiorniku odbiorczym. W pewnych warunkach zależność między ciśnieniem wstecznym w zbiorniku odbiorczym a przepływem podczas schładzania wstępnego można określić metodą analityczną. Gdy proces schładzania wstępnego przechodzi do stanu przepływu jednofazowego, rzeczywisty przepływ mierzony przez przepływomierz może posłużyć do sterowania przepływem podczas schładzania wstępnego. Metoda ta jest często stosowana do sterowania napełnianiem kriogenicznym paliwem ciekłym do rakiet.

Zmiana przeciwciśnienia w zbiorniku odbiorczym odpowiada procesowi schładzania wstępnego w następujący sposób, co można wykorzystać do jakościowej oceny etapu schładzania wstępnego: gdy wydajność wylotowa zbiornika odbiorczego jest stała, przeciwciśnienie początkowo gwałtownie wzrośnie z powodu gwałtownego parowania cieczy kriogenicznej, a następnie stopniowo spadnie wraz ze spadkiem temperatury zbiornika odbiorczego i rurociągu. W tym momencie wydajność schładzania wstępnego wzrasta.

Zapraszamy do przeczytania następnego artykułu, w którym odpowiemy na kolejne pytania!

Sprzęt kriogeniczny HL

Firma HL Cryogenic Equipment, założona w 1992 roku, jest marką powiązaną z HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co., Ltd. HL Cryogenic Equipment zajmuje się projektowaniem i produkcją kriogenicznych systemów rurowych z izolacją wysokopróżniową oraz powiązanego sprzętu pomocniczego, aby sprostać zróżnicowanym potrzebom klientów. Rury i elastyczne przewody z izolacją próżniową są wykonane z wysokiej próżni i wielowarstwowych, wielowarstwowych, specjalnych materiałów izolacyjnych, a następnie poddawane szeregowi rygorystycznych procesów technicznych, w tym obróbce wysokopróżniowej, która jest wykorzystywana do przesyłu ciekłego tlenu, ciekłego azotu, ciekłego argonu, ciekłego wodoru, ciekłego helu, skroplonego etylenu (LEG) i skroplonego gazu ziemnego (LNG).

Seria produktów rur z płaszczem próżniowym, węży z płaszczem próżniowym, zaworów z płaszczem próżniowym i separatorów faz w firmie HL Cryogenic Equipment Company, które przeszły szereg niezwykle rygorystycznych obróbek technicznych, jest używana do przesyłu ciekłego tlenu, ciekłego azotu, ciekłego argonu, ciekłego wodoru, ciekłego helu, LEG i LNG. Produkty te są serwisowane w sprzęcie kriogenicznym (np. zbiornikach kriogenicznych, naczyniach Dewara i komorach chłodniczych itp.) w branżach związanych z separacją powietrza, gazami, lotnictwem, elektroniką, nadprzewodnikami, układami scalonymi, montażem automatyki, żywnością i napojami, farmacją, szpitalnictwem, biobankami, gumą, produkcją nowych materiałów, inżynierią chemiczną, hutnictwem i stalą oraz badaniami naukowymi itp.