EinleitungProduktion

Mit der Entwicklung der Kryotechnik spielen kryogene Flüssigprodukte in vielen Bereichen wie Volkswirtschaft, Landesverteidigung und 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 der kryogenen Flüssigkeitstransporte zu gewährleisten. Bei der Übertragung kryogener Flüssigkeiten ist ein Gasaustausch in der Pipeline vor der Übertragung erforderlich, da sonst Betriebsstörungen auftreten können. Der Vorkühlungsprozess ist ein unvermeidlicher Bestandteil des Transports kryogener Flüssigprodukte. Dieser Prozess führt zu starken Druckstößen und anderen negativen Auswirkungen auf die Pipeline. Darüber hinaus können das Geysirphänomen in vertikalen Rohrleitungen und instabile Systembetriebszustände, wie z. B. das Füllen von Blindabzweigen, das Füllen nach Intervallentleerung und das Füllen von Luftkammern nach Ventilöffnung, unterschiedlich starke negative Auswirkungen auf die Anlage und die Rohrleitung haben. 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 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 der kryogenen Flüssigkeitstransporte zu gewährleisten. Bei der Übertragung kryogener Flüssigkeiten ist ein Gasaustausch in der Pipeline vor der Übertragung erforderlich, da sonst Betriebsstörungen auftreten können. Der Vorkühlungsprozess ist ein unvermeidlicher Bestandteil des Transports kryogener Flüssigprodukte. Dieser Prozess führt zu starken Druckstößen und anderen negativen Auswirkungen auf die Pipeline. Darüber hinaus können das Geysirphänomen in vertikalen Rohrleitungen und instabile Systembetriebszustände, wie z. B. das Füllen von Blindabzweigen, das Füllen nach Intervallentleerung und das Füllen von Luftkammern nach Ventilöffnung, unterschiedlich starke negative Auswirkungen auf die Anlage und die Rohrleitung haben. 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 Übertragungszustands ein Vorkühl- und Heißleitungssystem sowie ein Empfangsgeräteprozess durchgeführt, d. h. der Vorkühlprozess. Dabei müssen die Rohrleitung und das Empfangsgerät erheblichen Schrumpfspannungen und Aufpralldrücken standhalten und müssen 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 der Vorkühlung überschreitet die Wandtemperatur deutlich die Sättigungstemperatur der kryogenen Flüssigkeit und sogar deren obere Grenztemperatur – die ultimative Überhitzungstemperatur. Durch 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. Anschließend sinkt die Temperatur der Rohrwand durch die Vorkühlung 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 erfolgt, können die Wärmekapazität der Rohrleitung und die eindringende Wärme der Umgebung die kryogene Flüssigkeit nicht mehr bis zur Sättigungstemperatur erhitzen, und es stellt sich eine Einphasenströmung ein.

Bei intensiver Verdampfung entstehen erhebliche Strömungs- und Druckschwankungen. Der maximale Druck, der beim Eintritt der kryogenen Flüssigkeit in das heiße Rohr entsteht, stellt die maximale Amplitude im gesamten Druckschwankungsprozess dar. 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, wodurch eine konzentrische axiale Strömung entsteht. 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 Rohrleitungsdruck steigt ebenfalls auf das 1,5- bis 2-fache des Eingangsdrucks. Durch den Druckunterschied wird ein Teil der Flüssigkeit zurück in den kryogenen Flüssigkeitstank gedrückt, wodurch die Dampfbildungsgeschwindigkeit abnimmt. Da ein Teil des Dampfes aus dem Rohrauslass austritt, sinkt der Druck in der Leitung. Nach einiger Zeit wird die Flüssigkeit in der Rohrleitung wieder unter Druckunterschiedsbedingungen stehen. Das Phänomen tritt erneut auf und wiederholt sich. Im folgenden Prozess ist der durch die neue Flüssigkeit verursachte Druckanstieg jedoch gering, da ein gewisser 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 Druckwellen standhalten, sondern auch einer großen Schrumpfspannung durch die Kälte standhalten. Die kombinierte Wirkung beider Faktoren kann zu strukturellen Schäden am System führen. Daher sollten die notwendigen Maßnahmen ergriffen werden, um dies zu kontrollieren.

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, beeinträchtigt dies die Isolierung der Rohrleitung und führt möglicherweise nicht zum Abkühlen.

Beim Vorkühlen ist aufgrund der Zweiphasenströmung die tatsächliche Durchflussrate mit einem herkömmlichen Durchflussmesser nicht messbar und kann daher nicht zur Regelung der Vorkühldurchflussrate verwendet werden. Die Durchflussrate lässt sich jedoch indirekt durch Überwachung des Gegendrucks im Vorlagebehälter ermitteln. Unter bestimmten Bedingungen lässt sich der Zusammenhang zwischen dem Gegendruck im Vorlagebehälter und der Vorkühldurchflussrate analytisch bestimmen. Sobald der Vorkühlprozess einphasige Strömung erreicht, kann der vom Durchflussmesser gemessene tatsächliche Durchfluss zur Regelung der Vorkühldurchflussrate verwendet werden. Diese Methode wird häufig zur Regelung der Befüllung mit kryogenem Flüssigtreibstoff für Raketen eingesetzt.

Die Änderung des Gegendrucks im Aufnahmebehälter entspricht dem Vorkühlprozess wie folgt und kann zur qualitativen Beurteilung der Vorkühlphase verwendet werden: Bei konstanter Abgasleistung des Aufnahmebehälters steigt der Gegendruck aufgrund der heftigen Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit zunächst schnell an und fällt dann mit sinkender Temperatur des Aufnahmebehälters und der Rohrleitung allmählich wieder ab. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich die Vorkühlleistung.

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 Kundenanforderungen gerecht zu werden. Die vakuumisolierten Rohre und flexiblen Schläuche bestehen aus Hochvakuum und mehrschichtigen, speziell isolierten Materialien und durchlaufen eine Reihe strenger technischer Verfahren und Hochvakuumbehandlungen. Sie dienen zum Transport von flüssigem Sauerstoff, flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium, verflüssigtem Ethylengas (LEG) und verflüssigtem Erdgas (LNG).

Die Produktreihen aus Vakuummantelrohren, Vakuummantelschläuchen, Vakuummantelventilen und Phasentrennern 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 und diese Produkte werden für kryogene Geräte (z. B. kryogene Tanks, Dewargefäße und Coldboxen usw.) in den Branchen Luftzerlegung, Gase, Luftfahrt, Elektronik, Supraleitung, Chips, Automatisierungsmontage, Lebensmittel und Getränke, Pharmazie, Krankenhäuser, Biobanken, Gummi, Herstellung neuer Materialien, Chemieingenieurwesen, Eisen und Stahl sowie wissenschaftliche Forschung usw. gewartet.