EinleitungInduktion

Mit der Entwicklung der Kryotechnik spielen kryogene Flüssigkeiten eine wichtige Rolle in vielen Bereichen wie Wirtschaft, Verteidigung und Forschung. Die Anwendung kryogener Flüssigkeiten basiert auf deren effektiver und sicherer Lagerung und dem Transport. Der Transport kryogener Flüssigkeiten in Pipelines umfasst den gesamten Prozess der Lagerung und des Transports. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Sicherheit und Effizienz des Pipeline-Transports kryogener Flüssigkeiten zu gewährleisten. Vor dem Transport muss das Gas in der Pipeline ausgetauscht werden, da es sonst zu Betriebsstörungen kommen kann. Die Vorkühlung ist ein unvermeidlicher Schritt im Transportprozess kryogener Flüssigkeiten. Dieser Prozess verursacht starke Druckstöße und andere negative Auswirkungen auf die Pipeline. Darüber hinaus können Geysirbildung in vertikalen Pipelines und instabile Systembetriebsvorgänge, wie z. B. das Füllen von Blindrohren, das Füllen nach Intervallentleerung und das Füllen der Luftkammer nach Ventilöffnung, die Anlagen und die Pipeline in unterschiedlichem Maße beeinträchtigen. Vor diesem Hintergrund analysiert diese Arbeit die genannten Probleme eingehend und hofft, durch die Analyse Lösungen zu finden.

Verdrängung von Gas in der Leitung vor der Übertragung

Mit der Entwicklung der Kryotechnik spielen kryogene Flüssigkeiten eine wichtige Rolle in vielen Bereichen wie Wirtschaft, Verteidigung und Forschung. Die Anwendung kryogener Flüssigkeiten basiert auf deren effektiver und sicherer Lagerung und dem Transport. Der Transport kryogener Flüssigkeiten in Pipelines umfasst den gesamten Prozess der Lagerung und des Transports. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Sicherheit und Effizienz des Pipeline-Transports kryogener Flüssigkeiten zu gewährleisten. Vor dem Transport muss das Gas in der Pipeline ausgetauscht werden, da es sonst zu Betriebsstörungen kommen kann. Die Vorkühlung ist ein unvermeidlicher Schritt im Transportprozess kryogener Flüssigkeiten. Dieser Prozess verursacht starke Druckstöße und andere negative Auswirkungen auf die Pipeline. Darüber hinaus können Geysirbildung in vertikalen Pipelines und instabile Systembetriebsvorgänge, wie z. B. das Füllen von Blindrohren, das Füllen nach Intervallentleerung und das Füllen der Luftkammer nach Ventilöffnung, die Anlagen und die Pipeline in unterschiedlichem Maße beeinträchtigen. Vor diesem Hintergrund analysiert diese Arbeit die genannten Probleme eingehend und hofft, durch die Analyse Lösungen zu finden.

Der Vorkühlprozess der Pipeline

Beim Transport kryogener Flüssigkeiten über Rohrleitungen durchläuft das Rohrleitungssystem und die Empfangseinrichtung vor Erreichen eines stabilen Transportzustands einen Vorkühl- und Heißlaufprozess – den sogenannten Vorkühlprozess. Während dieses Prozesses sind Rohrleitung und Empfangseinrichtung erheblichen Schrumpfungsspannungen und Stoßdrücken ausgesetzt und müssen daher kontrolliert werden.

Beginnen wir mit einer Analyse des Prozesses.

Der gesamte Vorkühlprozess beginnt mit einer heftigen Verdampfung, gefolgt von einer Zweiphasenströmung. Nach vollständiger Abkühlung des Systems tritt schließlich eine Einphasenströmung ein. Zu Beginn des Vorkühlprozesses übersteigt die Wandtemperatur deutlich die Sättigungstemperatur der kryogenen Flüssigkeit und sogar deren obere Grenztemperatur – die maximale Überhitzungstemperatur. Durch Wärmeübertragung erhitzt sich die Flüssigkeit nahe der Rohrwand und verdampft schlagartig. Es bildet sich ein Dampffilm, der die Rohrwand vollständig umhüllt – es kommt zum Filmsieden. Im weiteren Verlauf des Vorkühlprozesses sinkt die Temperatur der Rohrwand allmählich unter die Grenztemperatur der Überhitzung, wodurch günstige Bedingungen für Übergangssieden und Blasensieden entstehen. Während dieses Prozesses treten große Druckschwankungen auf. Erreicht die Vorkühlung einen bestimmten Punkt, reichen die Wärmekapazität der Rohrleitung und der Wärmeeintrag aus der Umgebung nicht mehr aus, um die kryogene Flüssigkeit auf die Sättigungstemperatur zu erhitzen, und es kommt zu einer Einphasenströmung.

Bei intensiver Verdampfung entstehen starke Strömungs- und Druckschwankungen. Der maximale Druck, der sich unmittelbar nach dem Eintritt der kryogenen Flüssigkeit in das Heißrohr bildet, stellt die maximale Amplitude der gesamten Druckschwankung dar. Anhand dieser Druckwelle lässt sich die Druckbelastbarkeit des Systems überprüfen. Daher wird üblicherweise nur die erste Druckwelle untersucht.

Nach dem Öffnen des Ventils strömt die kryogene Flüssigkeit aufgrund des entstehenden Druckunterschieds schnell in die Rohrleitung. Der durch die Verdampfung gebildete Dampffilm trennt die Flüssigkeit von der Rohrwand und erzeugt eine konzentrische axiale Strömung. Da der Widerstand des Dampfes sehr gering ist, ist die Durchflussrate der kryogenen Flüssigkeit sehr hoch. Mit fortschreitender Strömung steigt die Temperatur der Flüssigkeit durch Wärmeaufnahme allmählich an, wodurch der Druck in der Rohrleitung zunimmt und die Füllgeschwindigkeit abnimmt. Bei ausreichend langer Rohrleitung erreicht die Flüssigkeit irgendwann die Sättigungstemperatur, woraufhin der Flüssigkeitsstrom zum Stillstand kommt. Die von der Rohrwand abgegebene Wärme wird vollständig für die Verdampfung genutzt. Dadurch erhöht sich die Verdampfungsgeschwindigkeit stark, und der Druck in der Rohrleitung steigt ebenfalls an und kann das 1,5- bis 2-Fache des Eingangsdrucks erreichen. Unter dem Einfluss des Druckunterschieds wird ein Teil der Flüssigkeit zurück in den Tieftemperaturflüssigkeitsbehälter gedrückt, wodurch die Dampfbildungsgeschwindigkeit abnimmt. Da ein Teil des entstehenden Dampfes über den Rohrauslass abfließt, sinkt der Druck im Rohr. Nach einer gewissen Zeit stellt sich im Rohr wieder ein Druckunterschied ein, und das Phänomen wiederholt sich. Im weiteren Verlauf ist der durch die neue Flüssigkeit verursachte Druckanstieg jedoch aufgrund des bereits vorhandenen Drucks und der im Rohr vorhandenen Flüssigkeit geringer, sodass der Druckpeak niedriger ausfällt als der erste.

Während des gesamten Vorkühlungsprozesses ist das System nicht nur einer starken Druckwelle, sondern auch einer hohen Schrumpfungsspannung aufgrund der Kälte ausgesetzt. Das Zusammenwirken beider Einflüsse kann zu strukturellen Schäden am System führen, weshalb entsprechende Maßnahmen zur Schadensbegrenzung ergriffen werden müssen.

Da die Vorkühlmenge den Vorkühlprozess und die Kaltschrumpfungsspannung direkt beeinflusst, lässt sich der Vorkühlprozess durch die Steuerung der Vorkühlmenge regeln. Ein sinnvolles Wahlprinzip für die Vorkühlmenge besteht darin, die Vorkühlzeit durch eine höhere Vorkühlmenge zu verkürzen, vorausgesetzt, die Druckschwankungen und die Kaltschrumpfungsspannung überschreiten nicht die zulässigen Bereiche der Anlagen und Rohrleitungen. Ist die Vorkühlmenge zu gering, ist die Isolierung der Rohrleitung unzureichend, und sie erreicht möglicherweise nie den Kühlzustand.

Beim Vorkühlen ist es aufgrund der Zweiphasenströmung unmöglich, den tatsächlichen Durchfluss mit einem herkömmlichen Durchflussmesser zu messen. Daher eignet sich dieser nicht zur Steuerung des Vorkühldurchflusses. Die Durchflussmenge lässt sich jedoch indirekt über den Gegendruck im Auffangbehälter abschätzen. Unter bestimmten Bedingungen kann der Zusammenhang zwischen Gegendruck und Vorkühldurchfluss analytisch ermittelt werden. Sobald die Vorkühlung in den Einphasenströmungszustand übergeht, kann der mit dem Durchflussmesser gemessene Durchfluss zur Steuerung des Vorkühldurchflusses verwendet werden. Dieses Verfahren wird häufig zur Steuerung der Befüllung von Raketen mit kryogenen Flüssigtreibstoffen eingesetzt.

Die Änderung des Gegendrucks im Auffangbehälter entspricht dem Vorkühlprozess und ermöglicht eine qualitative Beurteilung der Vorkühlphase: Bei konstanter Abluftleistung des Auffangbehälters steigt der Gegendruck zunächst aufgrund der heftigen Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit rapide an und sinkt dann mit abnehmender Temperatur im Auffangbehälter und der Rohrleitung allmählich wieder ab. In dieser Phase erhöht sich die Vorkühlleistung.

Weitere Fragen beantworten wir im nächsten Artikel!

HL Kryotechnik

HL Cryogenic Equipment, gegründet 1992, ist eine Marke der HL Cryogenic Equipment Company (Cryogenic Equipment Co., Ltd.). HL Cryogenic Equipment hat sich auf die Entwicklung und Herstellung von hochvakuumisolierten kryogenen Rohrleitungssystemen und zugehöriger Ausrüstung spezialisiert, um den vielfältigen Kundenbedürfnissen gerecht zu werden. Die vakuumisolierten Rohre und flexiblen Schläuche werden aus hochvakuum- und mehrlagigen Spezialisolationsmaterialien gefertigt und durchlaufen eine Reihe strengster technischer Verfahren sowie eine Hochvakuumbehandlung. Sie eignen sich für den Transport von flüssigem Sauerstoff, flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium, verflüssigtem Ethylen (LEG) und verflüssigtem Erdgas (LNG).

Die Produktreihen Vakuummantelrohre, Vakuummantelschläuche, Vakuummantelventile und Phasenseparatoren der HL Cryogenic Equipment Company, die eine Reihe äußerst strenger technischer Behandlungen durchlaufen haben, werden für den Transfer von flüssigem Sauerstoff, flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium, LEG und LNG verwendet. Diese Produkte werden für kryogene Anlagen (z. B. Kryotanks, Dewargefäße und Kälteboxen usw.) in Branchen wie Luftzerlegung, Gase, Luftfahrt, Elektronik, Supraleiter, Chips, Automatisierungsmontage, Lebensmittel und Getränke, Pharmazie, Krankenhäuser, Biobanken, Gummi, Herstellung neuer Materialien, Chemieingenieurwesen, Eisen und Stahl sowie wissenschaftliche Forschung usw. eingesetzt.