Нестабильный процесс передачи

В процессе транспортировки криогенных жидкостей по трубопроводам особые свойства и технологический процесс криогенной жидкости вызывают ряд нестабильных процессов, отличающихся от процессов, происходящих с жидкостью при нормальной температуре в переходном состоянии до установления стабильного состояния. Нестабильные процессы также оказывают сильное динамическое воздействие на оборудование, что может привести к повреждению конструкции. Например, в системе заправки жидким кислородом транспортной ракеты «Сатурн V» в США однажды произошел разрыв инфузионной линии из-за воздействия нестабильного процесса при открытии клапана. Кроме того, нестабильные процессы чаще приводят к повреждению другого вспомогательного оборудования (например, клапанов, сильфонов и т. д.). Нестабильные процессы в процессе транспортировки криогенных жидкостей по трубопроводам в основном включают заполнение глухого ответвления, заполнение после периодического сброса жидкости в сливную трубу и нестабильный процесс при открытии клапана, в результате которого образуется воздушная камера спереди. Общим для этих нестабильных процессов является то, что их суть заключается в заполнении паровой полости криогенной жидкостью, что приводит к интенсивному тепло- и массообмену на границе раздела двух фаз, вызывая резкие колебания параметров системы. Поскольку процесс заполнения после периодического слива жидкости из сливной трубы аналогичен нестабильному процессу при открытии клапана, образовавшего воздушную камеру спереди, далее анализируется только нестабильный процесс при заполнении глухой ответвленной трубы и при открытии клапана.

Нестабильный процесс заполнения глухих ответвлений трубок

В целях обеспечения безопасности и контроля системы, помимо основного трубопровода, в трубопроводной системе должны быть предусмотрены вспомогательные ответвления. Кроме того, предохранительный клапан, выпускной клапан и другие клапаны в системе будут оснащены соответствующими ответвлениями. Когда эти ответвления не работают, в трубопроводной системе образуются глухие ответвления. Тепловое воздействие окружающей среды на трубопровод неизбежно приводит к образованию паровых камер в глухой трубе (в некоторых случаях паровые камеры специально используются для уменьшения теплового воздействия криогенной жидкости извне). В переходном состоянии давление в трубопроводе повышается из-за регулировки клапанов и других причин. Под действием разницы давлений жидкость заполняет паровую камеру. Если в процессе заполнения газовой камеры пара, образующегося при испарении криогенной жидкости под действием тепла, недостаточно для обратного потока жидкости, жидкость будет постоянно заполнять газовую камеру. Наконец, после заполнения воздушной камеры, в месте уплотнения глухой трубы возникает резкое торможение, что приводит к резкому повышению давления вблизи уплотнения.

Процесс заполнения глухой трубки делится на три этапа. На первом этапе жидкость под действием разницы давлений движется с максимальной скоростью заполнения до тех пор, пока давление не уравновесится. На втором этапе, благодаря инерции, жидкость продолжает заполнять трубку вперед. В это время обратная разница давлений (давление в газовой камере увеличивается в процессе заполнения) замедляет движение жидкости. Третий этап — это этап резкого торможения, на котором воздействие давления наиболее велико.

Снижение скорости заполнения и уменьшение размера воздушной полости могут использоваться для устранения или ограничения динамической нагрузки, возникающей при заполнении глухого ответвления трубопровода. Для длинных трубопроводных систем источник потока жидкости можно плавно отрегулировать заранее, чтобы снизить скорость потока, и закрыть клапан на длительное время.

С точки зрения конструкции, мы можем использовать различные направляющие элементы для улучшения циркуляции жидкости в глухом ответвлении, уменьшения размера воздушной полости, создания локального сопротивления на входе в глухое ответвление или увеличения диаметра глухого ответвления для снижения скорости заполнения. Кроме того, длина и место установки глухого ответвления будут влиять на вторичный водяной удар, поэтому следует уделять внимание проектированию и компоновке. Причина, по которой увеличение диаметра трубы снижает динамическую нагрузку, может быть качественно объяснена следующим образом: при заполнении глухого ответвления поток в ответвлении ограничивается потоком в основном трубопроводе, который можно считать фиксированным значением при качественном анализе. Увеличение диаметра ответвления эквивалентно увеличению площади поперечного сечения, что эквивалентно снижению скорости заполнения, следовательно, приводит к снижению нагрузки.

Нестабильный процесс открытия клапана

Когда клапан закрыт, проникновение тепла из окружающей среды, особенно через тепловой мост, быстро приводит к образованию воздушной камеры перед клапаном. После открытия клапана пар и жидкость начинают двигаться, поскольку расход газа значительно превышает расход жидкости, пар в клапане не полностью открывается вскоре после откачки, что приводит к быстрому падению давления, жидкость движется вперед под действием разницы давлений, и когда жидкость приближается к не полностью открытому клапану, возникают условия торможения. В это время происходит ударное воздействие воды, создающее сильную динамическую нагрузку.

Наиболее эффективным способом устранения или уменьшения динамической нагрузки, создаваемой нестабильным процессом открытия клапана, является снижение рабочего давления в переходном состоянии, что приводит к уменьшению скорости заполнения газовой камеры. Кроме того, использование высокорегулируемых клапанов, изменение направления участка трубопровода и введение специального байпасного трубопровода малого диаметра (для уменьшения размера газовой камеры) также будут способствовать снижению динамической нагрузки. В частности, следует отметить, что в отличие от снижения динамической нагрузки при заполнении глухого ответвления за счет увеличения диаметра глухого ответвления, в случае нестабильного процесса открытия клапана увеличение диаметра основного трубопровода эквивалентно уменьшению равномерного сопротивления трубы, что увеличит расход заполненной воздушной камеры и, следовательно, повысит значение ударной нагрузки.

Криогенное оборудование HL

Компания HL Cryogenic Equipment, основанная в 1992 году, является брендом, принадлежащим HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co., Ltd. HL Cryogenic Equipment занимается проектированием и производством высоковакуумных изолированных криогенных трубопроводных систем и сопутствующего вспомогательного оборудования для удовлетворения разнообразных потребностей клиентов. Вакуумные изолированные трубы и гибкие шланги изготавливаются в условиях высокого вакуума с использованием многослойных многоэкранных специальных изоляционных материалов и проходят ряд чрезвычайно строгих технических обработок и высоковакуумной обработки. Они используются для перекачки жидкого кислорода, жидкого азота, жидкого аргона, жидкого водорода, жидкого гелия, сжиженного этилена (LEG) и сжиженного природного газа (СПГ).

Серия вакуумных труб с рубашкой охлаждения, вакуумных шлангов с рубашкой охлаждения, вакуумных клапанов с рубашкой охлаждения и фазовых сепараторов компании HL Cryogenic Equipment Company, прошедшая ряд чрезвычайно строгих технических испытаний, используется для перекачки жидкого кислорода, жидкого азота, жидкого аргона, жидкого водорода, жидкого гелия, сжиженного природного газа и СПГ. Эти изделия используются в криогенном оборудовании (например, криогенных резервуарах, сосудах Дьюара и холодильных камерах и т. д.) в таких отраслях, как разделение воздуха, газовая промышленность, авиация, электроника, сверхпроводники, микросхемы, автоматизированная сборка, пищевая промышленность, фармацевтика, больницы, биобанки, резиновая промышленность, производство новых материалов, химическая промышленность, металлургия, научные исследования и т. д.