Johdantoduktio
Kryogeenisen teknologian kehityksen myötä kryogeenisillä nesteillä on ollut tärkeä rooli monilla aloilla, kuten kansantaloudessa, maanpuolustuksessa ja tieteellisessä tutkimuksessa. Kryogeenisten nesteiden käyttö perustuu kryogeenisten nestemäisten tuotteiden tehokkaaseen ja turvalliseen varastointiin ja kuljetukseen, ja kryogeenisen nesteen putkistokuljetus kulkee läpi koko varastointi- ja kuljetusprosessin. Siksi on erittäin tärkeää varmistaa kryogeenisten nesteiden putkistokuljetuksen turvallisuus ja tehokkuus. Kryogeenisten nesteiden siirtämiseksi on tarpeen vaihtaa putkistossa oleva kaasu ennen siirtoa, muuten se voi aiheuttaa toimintahäiriön. Esijäähdytysprosessi on väistämätön lenkki kryogeenisten nestemäisten tuotteiden kuljetusprosessissa. Tämä prosessi aiheuttaa voimakkaita paineiskuja ja muita negatiivisia vaikutuksia putkistoon. Lisäksi pystysuoran putkiston geysir-ilmiö ja järjestelmän toiminnan epävakaat ilmiöt, kuten sokeiden haaraputkien täyttö, täyttö välityhjennyksen jälkeen ja ilmakammion täyttö venttiilin avaamisen jälkeen, aiheuttavat eriasteisia negatiivisia vaikutuksia laitteisiin ja putkistoon. Tämän vuoksi tässä artikkelissa analysoidaan perusteellisesti edellä mainittuja ongelmia ja toivotaan löytävän ratkaisun analyysin avulla.
Kaasun siirtyminen linjassa ennen siirtoa
Kryogeenisen teknologian kehityksen myötä kryogeenisillä nesteillä on ollut tärkeä rooli monilla aloilla, kuten kansantaloudessa, maanpuolustuksessa ja tieteellisessä tutkimuksessa. Kryogeenisten nesteiden käyttö perustuu kryogeenisten nestemäisten tuotteiden tehokkaaseen ja turvalliseen varastointiin ja kuljetukseen, ja kryogeenisen nesteen putkistokuljetus kulkee läpi koko varastointi- ja kuljetusprosessin. Siksi on erittäin tärkeää varmistaa kryogeenisten nesteiden putkistokuljetuksen turvallisuus ja tehokkuus. Kryogeenisten nesteiden siirtämiseksi on tarpeen vaihtaa putkistossa oleva kaasu ennen siirtoa, muuten se voi aiheuttaa toimintahäiriön. Esijäähdytysprosessi on väistämätön lenkki kryogeenisten nestemäisten tuotteiden kuljetusprosessissa. Tämä prosessi aiheuttaa voimakkaita paineiskuja ja muita negatiivisia vaikutuksia putkistoon. Lisäksi pystysuoran putkiston geysir-ilmiö ja järjestelmän toiminnan epävakaat ilmiöt, kuten sokeiden haaraputkien täyttö, täyttö välityhjennyksen jälkeen ja ilmakammion täyttö venttiilin avaamisen jälkeen, aiheuttavat eriasteisia negatiivisia vaikutuksia laitteisiin ja putkistoon. Tämän vuoksi tässä artikkelissa analysoidaan perusteellisesti edellä mainittuja ongelmia ja toivotaan löytävän ratkaisun analyysin avulla.
Putkilinjan esijäähdytysprosessi
Kryogeenisen nesteen putkistokuljetusprosessissa ennen vakaan siirtotilan saavuttamista on esijäähdytys- ja kuumaputkistojärjestelmä sekä vastaanottolaitteet, eli esijäähdytysprosessi. Tässä prosessissa putkiston ja vastaanottolaitteiden on kestettävä huomattavaa kutistumisjännitystä ja iskupainetta, joten niitä on valvottava.
Aloitetaan prosessin analysoinnilla.
Koko esijäähdytysprosessi alkaa voimakkaalla höyrystymisprosessilla, jonka jälkeen ilmenee kaksifaasivirtaus. Lopulta, kun järjestelmä on täysin jäähdytetty, ilmenee yksifaasivirtaus. Esijäähdytysprosessin alussa seinämän lämpötila ylittää selvästi kryogeenisen nesteen kyllästyslämpötilan ja jopa kryogeenisen nesteen ylärajalämpötilan – lopullisen ylikuumenemislämpötilan. Lämmönsiirron vuoksi putken seinämän lähellä oleva neste kuumenee ja höyrystyy välittömästi muodostaen höyrykalvon, joka ympäröi putken seinämän kokonaan, eli kalvo kiehuu. Tämän jälkeen esijäähdytysprosessin myötä putken seinämän lämpötila laskee vähitellen ylikuumenemislämpötilan rajan alapuolelle, jolloin muodostuu suotuisat olosuhteet siirtymäkiehumiselle ja kuplakiehumiselle. Tämän prosessin aikana esiintyy suuria paineenvaihteluita. Kun esijäähdytys suoritetaan tiettyyn vaiheeseen, putkiston lämpökapasiteetti ja ympäristön lämmön tunkeutuminen eivät lämmitä kryogeenistä nestettä kyllästyslämpötilaan, ja syntyy yksifaasivirtaustila.
Voimakkaan höyrystymisen prosessissa syntyy voimakkaita virtaus- ja painevaihteluita. Koko painevaihteluprosessissa kryogeenisen nesteen suoraan kuumaan putkeen tulon jälkeen ensimmäistä kertaa muodostuva maksimipaine on koko painevaihteluprosessin suurin amplitudi, ja paineaalto voi varmistaa järjestelmän paineenkestokyvyn. Siksi yleensä tutkitaan vain ensimmäistä paineaaltoa.
Kun venttiili avataan, kryogeeninen neste virtaa nopeasti putkistoon paine-eron vaikutuksesta, ja höyrystymisen synnyttämä höyryfilmi erottaa nesteen putken seinämästä muodostaen samankeskisen aksiaalivirtauksen. Koska höyryn vastuskerroin on hyvin pieni, kryogeenisen nesteen virtausnopeus on erittäin suuri. Eteenpäin etenemisen myötä nesteen lämpötila nousee lämmön absorboitumisen vuoksi vähitellen, jolloin putkiston paine kasvaa ja täyttönopeus hidastuu. Jos putki on riittävän pitkä, nesteen lämpötilan on jossain vaiheessa saavutettava kyllästyspiste, jolloin nesteen eteneminen pysähtyy. Putken seinämästä kryogeeniseen nesteeseen siirtyvä lämpö käytetään kokonaan haihtumiseen, jolloin haihtumisnopeus kasvaa huomattavasti ja putkiston paine kasvaa, ja se voi olla 1,5–2 kertaa tulopaineen suuruinen. Paine-eron vaikutuksesta osa nesteestä ajetaan takaisin kryogeenisen nesteen varastosäiliöön, jolloin höyrynmuodostusnopeus hidastuu. Koska osa putken ulostulosta syntyvästä höyrystä aiheuttaa putken paineen laskun, neste palautuu tietyn ajan kuluttua paine-eroon, jolloin ilmiö toistuu. Seuraavassa prosessissa uuden nesteen aiheuttama paineennousu on kuitenkin pieni, koska putkessa on tietty paine ja osa nesteestä. Painehuippu on pienempi kuin ensimmäinen huippu.
Koko esijäähdytysprosessin aikana järjestelmän on kestettävä paitsi suuri paineaallon vaikutus, myös suuri kylmän aiheuttama kutistumisjännitys. Näiden kahden yhteisvaikutus voi aiheuttaa järjestelmään rakenteellisia vaurioita, joten sen hallitsemiseksi on ryhdyttävä tarvittaviin toimenpiteisiin.
Koska esijäähdytyksen virtausnopeus vaikuttaa suoraan esijäähdytysprosessiin ja kylmäkutistumisjännityksen suuruuteen, esijäähdytysprosessia voidaan ohjata säätämällä esijäähdytyksen virtausnopeutta. Esijäähdytyksen virtausnopeuden kohtuullinen valintaperiaate on lyhentää esijäähdytysaikaa käyttämällä suurempaa esijäähdytyksen virtausnopeutta, jotta paineenvaihtelut ja kylmäkutistumisjännitys eivät ylitä laitteiden ja putkistojen sallittua aluetta. Jos esijäähdytyksen virtausnopeus on liian pieni, putkiston eristyksen suorituskyky ei ole hyvä eikä putkisto välttämättä koskaan saavuta jäähdytystilaa.
Esijäähdytysprosessissa on kaksifaasivirtauksen vuoksi mahdotonta mitata todellista virtausnopeutta tavallisella virtausmittarilla, joten sitä ei voida käyttää esijäähdytysvirtauksen säädön ohjaamiseen. Virtauksen suuruutta voidaan kuitenkin epäsuorasti arvioida tarkkailemalla vastaanottavan astian vastapainetta. Tietyissä olosuhteissa vastaanottavan astian vastapaineen ja esijäähdytysvirtauksen välinen suhde voidaan määrittää analyyttisellä menetelmällä. Kun esijäähdytysprosessi etenee yksifaasivirtaustilaan, virtausmittarin mittaamaa todellista virtausta voidaan käyttää esijäähdytysvirtauksen säädön ohjaamiseen. Tätä menetelmää käytetään usein rakettien kryogeenisen nestemäisen polttoaineen täytön ohjaamiseen.
Vastaanottoastian vastapaineen muutos vastaa esijäähdytysprosessia seuraavasti, ja sitä voidaan käyttää esijäähdytysvaiheen laadulliseen arviointiin: kun vastaanottavan astian poistokapasiteetti on vakio, vastapaine kasvaa nopeasti kryogeenisen nesteen voimakkaan höyrystymisen vuoksi ja laskee sitten vähitellen vastaanottavan astian ja putkiston lämpötilan laskiessa. Tällöin esijäähdytyskapasiteetti kasvaa.
Katsotaanpa muita kysymyksiä seuraavasta artikkelista!
HL Kryogeeniset laitteet
Vuonna 1992 perustettu HL Cryogenic Equipment on HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co., Ltd.:n sidosryhmä. HL Cryogenic Equipment on sitoutunut suunnittelemaan ja valmistamaan korkeavakuumieristettyjä kryogeenisiä putkistoja ja niihin liittyviä tukilaitteita asiakkaiden erilaisten tarpeiden täyttämiseksi. Tyhjiöeristetyt putket ja joustavat letkut on valmistettu korkeavakuumi- ja monikerroksisista moniseulaeristetyistä materiaaleista, ja ne käyvät läpi useita erittäin tiukkoja teknisiä käsittelyjä ja korkeavakuumikäsittelyä, joita käytetään nestemäisen hapen, nestemäisen typen, nestemäisen argonin, nestemäisen vedyn, nestemäisen heliumin, nesteytetyn etyleenikaasun (LEG) ja nesteytetyn maakaasun (LNG) siirtämiseen.
HL Cryogenic Equipment Companyn tyhjiövaippaputkien, tyhjiöletkujen, tyhjiöventtiilien ja faasierottimien tuotesarja, joka on käynyt läpi sarjan erittäin tiukkoja teknisiä käsittelyjä, on tarkoitettu nestemäisen hapen, nestemäisen typen, nestemäisen argonin, nestemäisen vedyn, nestemäisen heliumin, LEG:n ja LNG:n siirtoon. Näitä tuotteita huolletaan kryogeenisissä laitteissa (esim. kryogeeniset säiliöt, dewar-säiliöt ja kylmälaatikot jne.) ilmanerotus-, kaasu-, ilmailu-, elektroniikka-, suprajohde-, siru-, automaatiokokoonpano-, elintarvike- ja juoma-, apteekki-, sairaala-, biopankki-, kumi-, uusien materiaalien valmistus-, kemiantekniikan, rauta- ja terästeollisuuden sekä tieteellisen tutkimuksen jne. aloilla.
Julkaisun aika: 27. helmikuuta 2023