Нестабильный процесс передачи

При транспортировке криогенных жидкостей по трубопроводу особые свойства и особенности технологического процесса приводят к возникновению ряда нестабильных процессов, отличных от процессов, протекающих в жидкости при нормальной температуре в переходном состоянии до достижения устойчивого состояния. Нестабильный процесс также оказывает сильное динамическое воздействие на оборудование, что может привести к его повреждению. Например, система заправки жидким кислородом ракеты-носителя «Сатурн-5» в США однажды привела к разрыву линии наполнения из-за воздействия нестабильных процессов при открытии клапана. Кроме того, нестабильные процессы чаще приводят к повреждению другого вспомогательного оборудования (клапанов, сильфонов и т.д.). Нестабильные процессы при транспортировке криогенных жидкостей по трубопроводу включают в себя, главным образом, заполнение глухого патрубка, заполнение после периодического сброса жидкости в сливной патрубок и нестабильный процесс при открытии клапана, образовавшего воздушную камеру 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, что приводит к резким колебаниям параметров системы. Поскольку процесс наполнения после прерывистого слива жидкости из сливной трубы аналогичен нестабильному процессу при открытии клапана, образовавшего спереди воздушную камеру, то далее анализируется только нестабильный процесс при заполнении глухого патрубка и при открытии открытого клапана.

Нестабильный процесс заполнения глухих патрубков

Для обеспечения безопасности и контроля системы, помимо основного трубопровода, в трубопроводной системе должны быть предусмотрены вспомогательные патрубки. Кроме того, предохранительные клапаны, выпускные клапаны и другие клапаны системы будут вводить соответствующие патрубки. При неработоспособности этих патрубков в трубопроводной системе образуются глухие патрубки. Тепловое воздействие окружающей среды на трубопровод неизбежно приводит к образованию паровых полостей в глухой трубке (в некоторых случаях паровые полости специально используются для снижения теплопритока криогенной жидкости извне). В переходном состоянии давление в трубопроводе повышается из-за регулировки клапанов и по другим причинам. Под действием перепада давления жидкость заполняет паровую камеру. Если в процессе заполнения газовой камеры пара, образующегося при испарении криогенной жидкости под действием тепла, недостаточно для обратного движения жидкости, жидкость всегда будет заполнять газовую камеру. Наконец, после заполнения воздушной полости в уплотнении глухой трубы возникает состояние быстрого торможения, что приводит к резкому повышению давления вблизи уплотнения.

Процесс заполнения глухой трубы делится на три этапа. На первом этапе жидкость под действием разности давлений достигает максимальной скорости заполнения до тех пор, пока давление не уравновесится. На втором этапе, под действием инерции, жидкость продолжает заполнять трубу. В это время обратная разность давлений (давление в газовой камере увеличивается по мере заполнения) замедляет движение жидкости. Третий этап – этап быстрого торможения, на котором воздействие давления максимально.

Снижение скорости наполнения и уменьшение размера воздушной полости позволяет устранить или ограничить динамическую нагрузку, возникающую при заполнении глухого патрубка. В случае длинной трубопроводной системы источник потока жидкости можно плавно отрегулировать заранее, чтобы снизить скорость потока, и клапан будет закрыт на длительное время.

С точки зрения структуры, мы можем использовать различные направляющие детали для улучшения циркуляции жидкости в глухом патрубке, уменьшить размер воздушной полости, ввести местное сопротивление на входе в глухой патрубок или увеличить диаметр глухого патрубка для снижения скорости заполнения. Кроме того, длина и место установки брайлевской трубки будут оказывать влияние на вторичный гидравлический удар, поэтому следует уделять внимание конструкции и компоновке. Причину, по которой увеличение диаметра трубы приведет к снижению динамической нагрузки, можно качественно объяснить следующим образом: при заполнении глухого патрубка поток патрубка ограничивается потоком основного трубопровода, который можно предположить как фиксированную величину при качественном анализе. Увеличение диаметра патрубка эквивалентно увеличению площади поперечного сечения, что эквивалентно снижению скорости заполнения, что приводит к снижению нагрузки.

Нестабильный процесс открытия клапана

При закрытии клапана 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 открывается не полностью сразу после вакуумирования, что приводит к быстрому падению давления. Под действием разности давлений жидкость движется вперёд. Когда жидкость приближается к не полностью открытому клапану, возникают условия торможения. В этот момент происходит удар воды, создающий сильную динамическую нагрузку.

Наиболее эффективным способом устранения или снижения динамической нагрузки, возникающей при нестабильном процессе открытия клапана, является снижение рабочего давления в переходном состоянии, что приводит к снижению скорости заполнения газовой камеры. Кроме того, применение высокорегулируемых клапанов, изменение направления сечения трубопровода и введение специального обводного трубопровода малого диаметра (для уменьшения размера газовой камеры) будет иметь эффект на снижение динамической нагрузки. В частности, следует отметить, что в отличие от снижения динамической нагрузки при заполнении глухого патрубка за счет увеличения диаметра глухого патрубка, для нестабильного процесса при открытии клапана увеличение диаметра основного трубопровода эквивалентно снижению равномерного сопротивления трубы, что приведет к увеличению расхода заполняемой воздушной камеры, тем самым увеличивая величину гидроудара.

Криогенное оборудование HL

Компания HL Cryogenic Equipment, основанная в 1992 году, является дочерней компанией HL Cryogenic Equipment Company (Cryogenic Equipment Co., Ltd.). HL Cryogenic Equipment занимается разработкой и производством криогенных трубопроводных систем с высоковакуумной изоляцией и сопутствующего вспомогательного оборудования для удовлетворения различных потребностей клиентов. Вакуумно-изолированные трубы и гибкие шланги изготавливаются из высоковакуумных и многослойных специальных изоляционных материалов, подвергаются серии строжайшей технической обработке и обработке в условиях высокого вакуума. Они используются для перекачки жидкого кислорода, жидкого азота, жидкого аргона, жидкого водорода, жидкого гелия, сжиженного этилена (LEG) и сжиженного природного газа (LNG).

Серия продукции компании HL Cryogenic Equipment Company, включающая трубы с вакуумной рубашкой, шланги с вакуумной рубашкой, клапаны с вакуумной рубашкой и фазовые сепараторы, прошедшие ряд крайне строгих технических обработок, используется для перекачки жидкого кислорода, жидкого азота, жидкого аргона, жидкого водорода, жидкого гелия, LEG и LNG. Данная продукция используется для криогенного оборудования (например, криогенных резервуаров, сосудов Дьюара и холодильных боксов и т. д.) в отраслях воздухоразделения, газовой промышленности, авиации, электроники, производства сверхпроводников, микросхем, автоматизированной сборки, пищевой промышленности, фармацевтики, больниц, биобанков, резины, производства новых материалов, химической промышленности, черной металлургии, а также в научных исследованиях и т. д.