Geysirphänomen

Das Geysir-Phänomen bezeichnet das Ausbruchsphänomen, das durch den Transport kryogener Flüssigkeit durch ein vertikales, langes Rohr (wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser einen bestimmten Wert erreicht) aufgrund der durch die Verdampfung der Flüssigkeit entstehenden Blasen verursacht wird. Mit zunehmender Anzahl der Blasen kommt es zur Polymerisation zwischen den Blasen, und schließlich wird die kryogene Flüssigkeit aus dem Rohreingang herausgeschleudert.

Geysire können bei geringer Durchflussrate in der Rohrleitung auftreten, müssen aber erst bemerkt werden, wenn der Durchfluss stoppt.

Wenn kryogene Flüssigkeit in einer vertikalen Rohrleitung nach unten fließt, ähnelt dies dem Vorkühlungsprozess. Kryogene Flüssigkeit siedet und verdampft aufgrund von Wärme, was sich vom Vorkühlungsprozess unterscheidet. Die Wärme stammt jedoch hauptsächlich aus der geringen Wärmezufuhr aus der Umgebung und nicht aus der höheren Wärmekapazität des Systems wie bei der Vorkühlung. Daher bildet sich in Wandnähe eine Flüssigkeitsgrenzschicht mit relativ hoher Temperatur anstelle eines Dampffilms. Beim Fließen der Flüssigkeit in der vertikalen Rohrleitung nimmt die Wärmedichte der Flüssigkeitsgrenzschicht in Wandnähe aufgrund der Wärmezufuhr aus der Umgebung ab. Unter dem Einfluss des Auftriebs strömt die Flüssigkeit nach oben und bildet eine heiße Flüssigkeitsgrenzschicht, während die kalte Flüssigkeit im Zentrum nach unten strömt und Konvektion zwischen beiden erzeugt. Die heiße Flüssigkeitsgrenzschicht verdickt sich allmählich in Richtung der Hauptströmung, bis sie die zentrale Flüssigkeit vollständig blockiert und die Konvektion unterbricht. Da keine Konvektion mehr stattfindet, um Wärme abzuführen, steigt die Temperatur der Flüssigkeit im heißen Bereich rapide an. Sobald die Temperatur der Flüssigkeit die Sättigungstemperatur erreicht hat, beginnt sie zu sieden und Blasen zu bilden. Die Zingle-Gasbombe verlangsamt den Aufstieg der Blasen.

Aufgrund der Blasenbildung im vertikalen Rohr reduziert die viskose Scherkraft der Blasen den statischen Druck am Blasenboden. Dies führt zu einer Überhitzung der verbleibenden Flüssigkeit und damit zur vermehrten Dampfbildung. Der statische Druck sinkt dadurch weiter, und diese gegenseitige Verstärkung erzeugt bis zu einem gewissen Grad große Mengen an Dampf. Ein explosionsartiges Phänomen, das einem Geysir ähnelt, tritt auf, wenn Flüssigkeit, die einen Dampfstoß mit sich führt, zurück in die Rohrleitung geschleudert wird. Die dabei entstehende Dampfmenge, die mit der Flüssigkeit in den oberen Bereich des Tanks gelangt, verursacht drastische Temperaturänderungen im Tankraum und damit einhergehende Druckschwankungen. Bei extremen Druckspitzen und -tälern kann im Tank ein Unterdruck entstehen. Dieser Druckunterschied kann zu strukturellen Schäden am System führen.

Nach dem Dampfausbruch sinkt der Druck im Rohr rapide, und die kryogene Flüssigkeit wird aufgrund der Schwerkraft wieder in das vertikale Rohr eingespritzt. Die mit hoher Geschwindigkeit austretende Flüssigkeit erzeugt einen Druckstoß, ähnlich einem Wasserschlag, der erhebliche Auswirkungen auf das System, insbesondere auf die Raumfahrtausrüstung, hat.

Um die durch das Geysirphänomen verursachten Schäden zu beseitigen oder zu reduzieren, muss in der Anwendung einerseits auf die Isolierung des Rohrleitungssystems geachtet werden, da Wärmeeintritt die Hauptursache für das Geysirphänomen ist. Andererseits können verschiedene Verfahren untersucht werden: die Einspritzung von inertem, nicht kondensierendem Gas, die zusätzliche Einspritzung von kryogener Flüssigkeit und eine Zirkulationsleitung. Das Wesentliche dieser Verfahren besteht darin, die überschüssige Wärme der kryogenen Flüssigkeit abzuführen, eine Ansammlung von überschüssiger Wärme zu vermeiden und so das Auftreten des Geysirphänomens zu verhindern.

Beim Inertgas-Einspritzverfahren wird üblicherweise Helium als Inertgas verwendet und in den unteren Teil der Rohrleitung eingespritzt. Der Dampfdruckunterschied zwischen Flüssigkeit und Helium ermöglicht den Stoffaustausch von Produktdampf von der Flüssigkeit zur Heliummasse. Dadurch wird ein Teil der kryogenen Flüssigkeit verdampft, Wärme von ihr aufgenommen und ein Unterkühlungseffekt erzeugt, der die Ansammlung von überschüssiger Wärme verhindert. Dieses Verfahren findet Anwendung in einigen Raumfahrttreibstoff-Befüllsystemen. Die Nachfüllung dient der Temperaturreduzierung der kryogenen Flüssigkeit durch Zugabe von unterkühlter kryogener Flüssigkeit. Das Verfahren mit zusätzlicher Zirkulationsleitung stellt durch das Hinzufügen einer Leitung eine natürliche Zirkulation zwischen Rohrleitung und Tank her, um überschüssige Wärme lokal abzuführen und die Entstehung von Geysiren zu verhindern.

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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.