Zjawisko gejzeru

Zjawisko gejzeru odnosi się do zjawiska erupcji spowodowanego transportem kriogenicznej cieczy w dół pionowej, długiej rury (odnosząc się do stosunku długości do średnicy osiągającego określoną wartość) z powodu pęcherzyków wytwarzanych przez parowanie cieczy, a następnie polimeryzacji między pęcherzykami wraz ze wzrostem liczby pęcherzyków, a na koniec kriogeniczna ciecz zostaje cofnięta z wlotu rury.

Gejzery mogą pojawiać się, gdy natężenie przepływu w rurociągu jest niskie, ale należy je zauważyć dopiero po ustaniu przepływu.

Przepływ cieczy kriogenicznej w dół pionowym rurociągiem przypomina proces schładzania wstępnego. Ciecz kriogeniczna wrze i paruje pod wpływem ciepła, co różni się od procesu schładzania wstępnego! Jednak ciepło pochodzi głównie z niewielkiego przenikania ciepła otoczenia, a nie z większej pojemności cieplnej układu w procesie schładzania wstępnego. W związku z tym, w pobliżu ścianki rury tworzy się warstwa graniczna cieczy o stosunkowo wysokiej temperaturze, a nie warstwa pary. Gdy ciecz przepływa w pionowej rurze, z powodu przenikania ciepła otoczenia, gęstość cieplna warstwy granicznej cieczy w pobliżu ścianki rury maleje. Pod wpływem siły wyporu ciecz zmienia kierunek przepływu w górę, tworząc warstwę graniczną gorącej cieczy, podczas gdy zimna ciecz w centrum płynie w dół, wywołując efekt konwekcji między nimi. Warstwa graniczna gorącej cieczy stopniowo gęstnieje wzdłuż kierunku głównego strumienia, aż całkowicie blokuje ciecz w centrum i zatrzymuje konwekcję. Następnie, ponieważ nie ma konwekcji, która odbierałaby ciepło, temperatura cieczy w gorącym obszarze szybko rośnie. Gdy temperatura cieczy osiągnie temperaturę nasycenia, zaczyna ona wrzeć i wytwarzać bąbelki. Bomba gazowa Zingle spowalnia unoszenie się bąbelków.

Ze względu na obecność pęcherzyków w pionowej rurze, reakcja lepkiej siły ścinającej pęcherzyka zmniejszy ciśnienie statyczne na dnie pęcherzyka, co z kolei spowoduje przegrzanie pozostałej cieczy, wytwarzając w ten sposób więcej pary, co z kolei obniży ciśnienie statyczne, więc wzajemne promowanie, do pewnego stopnia, wytworzy dużo pary. Zjawisko gejzeru, które jest nieco podobne do eksplozji, występuje, gdy ciecz, niosąc ze sobą uderzenie pary, wyrzucana jest z powrotem do rurociągu. Pewna ilość pary, która nastąpiła wraz z cieczą wyrzuconą do górnej przestrzeni zbiornika, spowoduje gwałtowne zmiany ogólnej temperatury przestrzeni zbiornika, co skutkuje gwałtownymi zmianami ciśnienia. Gdy wahania ciśnienia występują w szczycie i dolinie ciśnienia, możliwe jest wprowadzenie zbiornika w stan podciśnienia. Wpływ różnicy ciśnień doprowadzi do uszkodzenia konstrukcji systemu.

Po wybuchu pary ciśnienie w rurze gwałtownie spada, a ciecz kriogeniczna jest ponownie wtłaczana do pionowej rury pod wpływem grawitacji. Płyn o dużej prędkości wywołuje uderzenie ciśnienia podobne do uderzenia wodnego, co ma ogromny wpływ na system, a zwłaszcza na urządzenia kosmiczne.

Aby wyeliminować lub ograniczyć szkody spowodowane zjawiskiem gejzeru, w praktyce, z jednej strony, należy zwrócić uwagę na izolację systemu rurociągów, ponieważ przenikanie ciepła jest główną przyczyną zjawiska gejzeru. Z drugiej strony, można rozważyć kilka schematów: wtrysk gazu obojętnego nieskraplającego się, uzupełniający wtrysk cieczy kriogenicznej oraz cyrkulację rurociągu. Istotą tych schematów jest odprowadzanie nadmiaru ciepła cieczy kriogenicznej, unikanie gromadzenia się nadmiernego ciepła, aby zapobiec wystąpieniu zjawiska gejzeru.

W schemacie wtrysku gazu obojętnego, hel jest zazwyczaj używany jako gaz obojętny, a hel jest wtryskiwany do dolnej części rurociągu. Różnica ciśnień pary między cieczą a helem może być wykorzystana do transferu masy pary produktu z cieczy do masy helu, co pozwala na odparowanie części cieczy kriogenicznej, pochłonięcie ciepła z cieczy kriogenicznej i uzyskanie efektu przechłodzenia, zapobiegając w ten sposób gromadzeniu się nadmiernego ciepła. Schemat ten jest stosowany w niektórych kosmicznych systemach napełniania paliwem. Uzupełnianie ma na celu obniżenie temperatury cieczy kriogenicznej poprzez dodanie przechłodzonej cieczy kriogenicznej, natomiast schemat dodania rurociągu cyrkulacyjnego ma na celu stworzenie naturalnych warunków cyrkulacji między rurociągiem a zbiornikiem poprzez dodanie rurociągu, co pozwala na lokalne odprowadzanie nadmiaru ciepła i zapobiega powstawaniu gejzerów.

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.