EinleitungProduktion

Mit der Entwicklung der Kryotechnik spielen kryogene Flüssigprodukte in vielen Bereichen wie Volkswirtschaft, Landesverteidigung und wissenschaftlicher Forschung eine wichtige Rolle. Die Anwendung kryogener Flüssigkeiten basiert auf deren effektiver und sicherer Lagerung und Transport. Der Transport kryogener Flüssigkeiten durch Pipelines umfasst den gesamten Lagerungs- und Transportprozess. Daher ist es äußerst wichtig, die Sicherheit und Effizienz des Transports kryogener Flüssigkeiten in Pipelines zu gewährleisten. Für den Transport kryogener Flüssigkeiten ist ein Gasaustausch in der Pipeline vor der Übertragung erforderlich, da es sonst zu Betriebsstörungen kommen kann. Der Vorkühlprozess ist ein unvermeidlicher Bestandteil des Transports kryogener Flüssigprodukte. Dieser Prozess führt zu starken Druckstößen und anderen negativen Auswirkungen auf die Pipeline. Darüber hinaus haben das Geysir-Phänomen in vertikalen Pipelines und instabile Systembetriebserscheinungen, wie z. B. das Füllen von Blindabzweigrohren, das Füllen nach Intervallentleerung und das Füllen von Luftkammern nach Ventilöffnung, unterschiedlich starke negative Auswirkungen auf die Anlage und die Pipeline. Vor diesem Hintergrund analysiert diese Arbeit die oben genannten Probleme eingehend und hofft, durch die Analyse eine Lösung zu finden.

Verdrängung des Gases in der Leitung vor der Übertragung

Mit der Entwicklung der Kryotechnik spielen kryogene Flüssigprodukte in vielen Bereichen wie Volkswirtschaft, Landesverteidigung und wissenschaftlicher Forschung eine wichtige Rolle. Die Anwendung kryogener Flüssigkeiten basiert auf deren effektiver und sicherer Lagerung und Transport. Der Transport kryogener Flüssigkeiten durch Pipelines umfasst den gesamten Lagerungs- und Transportprozess. Daher ist es äußerst wichtig, die Sicherheit und Effizienz des Transports kryogener Flüssigkeiten in Pipelines zu gewährleisten. Für den Transport kryogener Flüssigkeiten ist ein Gasaustausch in der Pipeline vor der Übertragung erforderlich, da es sonst zu Betriebsstörungen kommen kann. Der Vorkühlprozess ist ein unvermeidlicher Bestandteil des Transports kryogener Flüssigprodukte. Dieser Prozess führt zu starken Druckstößen und anderen negativen Auswirkungen auf die Pipeline. Darüber hinaus haben das Geysir-Phänomen in vertikalen Pipelines und instabile Systembetriebserscheinungen, wie z. B. das Füllen von Blindabzweigrohren, das Füllen nach Intervallentleerung und das Füllen von Luftkammern nach Ventilöffnung, unterschiedlich starke negative Auswirkungen auf die Anlage und die Pipeline. Vor diesem Hintergrund analysiert diese Arbeit die oben genannten Probleme eingehend und hofft, durch die Analyse eine Lösung zu finden.

Der Vorkühlungsprozess der Pipeline

Während des gesamten Transports kryogener Flüssigkeiten durch Rohrleitungen wird vor der Herstellung eines stabilen Transportzustands ein Vorkühl- und Heißleitungssystem sowie ein Empfangsgeräteprozess durchgeführt, d. h. der Vorkühlprozess. Bei diesem Prozess müssen die Rohrleitung und die Empfangsgeräte erheblichen Schrumpfspannungen und Aufpralldrücken standhalten und sollten daher kontrolliert werden.

Beginnen wir mit einer Analyse des Prozesses.

Der gesamte Vorkühlungsprozess beginnt mit einem heftigen Verdampfungsprozess, woraufhin eine Zweiphasenströmung auftritt. Nachdem das System vollständig abgekühlt ist, stellt sich schließlich eine Einphasenströmung ein. Zu Beginn des Vorkühlungsprozesses überschreitet die Wandtemperatur deutlich die Sättigungstemperatur der kryogenen Flüssigkeit und sogar die obere Grenztemperatur der kryogenen Flüssigkeit – die ultimative Überhitzungstemperatur. Durch die Wärmeübertragung wird die Flüssigkeit in der Nähe der Rohrwand erhitzt und verdampft augenblicklich, wobei sich ein Dampffilm bildet, der die Rohrwand vollständig umgibt; das heißt, es kommt zum Filmsieden. Danach sinkt die Temperatur der Rohrwand durch den Vorkühlungsprozess allmählich unter die Grenzüberhitzungstemperatur, wodurch günstige Bedingungen für Übergangssieden und Blasensieden entstehen. Während dieses Prozesses treten große Druckschwankungen auf. Wenn die Vorkühlung bis zu einem bestimmten Grad durchgeführt wurde, können die Wärmekapazität der Rohrleitung und die Wärmeeinwirkung der Umgebung die kryogene Flüssigkeit nicht mehr auf die Sättigungstemperatur erhitzen, und es stellt sich eine Einphasenströmung ein.

Bei intensiver Verdampfung entstehen starke Strömungs- und Druckschwankungen. Der maximale Druck, der beim Eintritt der kryogenen Flüssigkeit in das heiße Rohr entsteht, ist die maximale Amplitude im gesamten Druckschwankungsprozess. Die Druckwelle kann die Druckkapazität des Systems bestätigen. Daher wird im Allgemeinen nur die erste Druckwelle untersucht.

Nach dem Öffnen des Ventils gelangt die kryogene Flüssigkeit aufgrund des Druckunterschieds schnell in die Rohrleitung. Der durch die Verdampfung erzeugte Dampffilm trennt die Flüssigkeit von der Rohrwand und bildet eine konzentrische axiale Strömung. Da der Widerstandskoeffizient des Dampfes sehr gering ist, ist die Strömungsrate der kryogenen Flüssigkeit sehr hoch. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit steigt die Temperatur der Flüssigkeit aufgrund der Wärmeaufnahme allmählich an. Dementsprechend steigt der Rohrleitungsdruck und die Füllgeschwindigkeit verlangsamt sich. Bei einer ausreichend langen Rohrleitung erreicht die Flüssigkeit irgendwann die Sättigungstemperatur. An diesem Punkt stoppt die Flüssigkeitsströmung. Die von der Rohrwand in die kryogene Flüssigkeit übertragene Wärme wird vollständig zur Verdampfung genutzt. Dadurch erhöht sich die Verdampfungsgeschwindigkeit erheblich und der Druck in der Rohrleitung steigt ebenfalls auf das 1,5- bis 2-fache des Eingangsdrucks. Unter dem Einfluss des Druckunterschieds wird ein Teil der Flüssigkeit zurück in den Speichertank für kryogene Flüssigkeiten getrieben, wodurch die Geschwindigkeit der Dampfbildung verringert wird. Da ein Teil des Dampfes aus dem Rohrauslass austritt, sinkt der Rohrdruck. Nach einer gewissen Zeit wird die Flüssigkeit in der Rohrleitung wieder unter Druckunterschiedsbedingungen stehen, und das Phänomen tritt erneut auf und wiederholt sich. Im folgenden Prozess ist jedoch der durch die neue Flüssigkeit verursachte Druckanstieg gering, da ein bestimmter Druck und ein Teil der Flüssigkeit in der Leitung vorhanden sind. Daher ist die Druckspitze kleiner als die erste Spitze.

Während des gesamten Vorkühlungsprozesses muss das System nicht nur großen Druckwelleneinwirkungen standhalten, sondern auch einer großen Schrumpfspannung durch Kälte standhalten. Die kombinierte Wirkung der beiden kann zu strukturellen Schäden am System führen, daher sollten die notwendigen Maßnahmen zur Kontrolle ergriffen werden.

Da die Vorkühlrate den Vorkühlprozess und die Größe der Kaltschrumpfspannung direkt beeinflusst, kann der Vorkühlprozess durch die Regelung der Vorkühlrate gesteuert werden. Ein sinnvolles Auswahlprinzip der Vorkühlrate besteht darin, die Vorkühlzeit durch eine höhere Vorkühlrate zu verkürzen, um sicherzustellen, dass Druckschwankungen und Kaltschrumpfspannung den zulässigen Bereich von Geräten und Rohrleitungen nicht überschreiten. Ist die Vorkühlrate zu gering, ist die Isolierungsleistung der Rohrleitung nicht gut und sie erreicht möglicherweise nie den Kühlzustand.

Beim Vorkühlen ist es aufgrund der Zweiphasenströmung nicht möglich, den tatsächlichen Durchfluss mit einem herkömmlichen Durchflussmesser zu messen. Daher kann dieser nicht zur Steuerung des Vorkühldurchflusses verwendet werden. Die Durchflussmenge lässt sich jedoch indirekt durch Überwachung des Gegendrucks im Vorlagebehälter ermitteln. Unter bestimmten Bedingungen lässt sich der Zusammenhang zwischen dem Gegendruck im Vorlagebehälter und dem Vorkühldurchfluss analytisch bestimmen. Wenn der Vorkühlprozess in den einphasigen Strömungszustand übergeht, kann der vom Durchflussmesser gemessene tatsächliche Durchfluss zur Steuerung des Vorkühldurchflusses verwendet werden. Diese Methode wird häufig zur Steuerung der Befüllung mit kryogenem Flüssigtreibstoff für Raketen eingesetzt.

Die Änderung des Gegendrucks des Aufnahmebehälters entspricht dem Vorkühlprozess wie folgt, was zur qualitativen Beurteilung der Vorkühlphase verwendet werden kann: Wenn die Abgaskapazität des Aufnahmebehälters konstant ist, steigt der Gegendruck aufgrund der heftigen Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit zunächst schnell an und fällt dann mit der Abnahme der Temperatur des Aufnahmebehälters und der Rohrleitung allmählich wieder ab. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich die Vorkühlkapazität.

Für weitere Fragen bin ich auf den nächsten Artikel gespannt!

HL Kryotechnik

HL Cryogenic Equipment wurde 1992 gegründet und ist eine Marke der HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co., Ltd. HL Cryogenic Equipment hat sich der Entwicklung und Herstellung von hochvakuumisolierten kryogenen Rohrleitungssystemen und zugehöriger Unterstützungsausrüstung verschrieben, um den unterschiedlichen Anforderungen der Kunden gerecht zu werden. Die vakuumisolierten Rohre und flexiblen Schläuche werden aus hochvakuum- und mehrschichtigen Spezialisoliermaterialien hergestellt und durchlaufen eine Reihe strenger technischer Verfahren und Hochvakuumbehandlungen. Sie werden für den Transport von flüssigem Sauerstoff, flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium, verflüssigtem Ethylengas (LEG) und verflüssigtem Erdgas (LNG) verwendet.

Die Produktreihen aus Vakuummantelrohren, Vakuummantelschläuchen, Vakuummantelventilen und Phasentrennern der HL Cryogenic Equipment Company, die eine Reihe äußerst strenger technischer Behandlungen durchlaufen haben, werden zum Transport von flüssigem Sauerstoff, flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium, LEG und LNG verwendet. Diese Produkte werden für kryogene Geräte (z. B. kryogene Tanks, Dewargefäße und Coldboxen usw.) in den Branchen 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. gewartet.