Geysir-Phänomen

Das Geysir-Phänomen bezeichnet das Ausbruchsphänomen, das dadurch entsteht, dass kryogene Flüssigkeit durch ein langes, vertikales Rohr (das Verhältnis von Länge zu Durchmesser erreicht einen bestimmten Wert) nach unten transportiert wird. Grund dafür sind die durch die Verdampfung der Flüssigkeit entstehenden Blasen. Mit zunehmender Blasenzahl kommt es zur Polymerisation zwischen den Blasen, und schließlich tritt die kryogene Flüssigkeit aus dem Rohreingang aus.

Bei geringer Durchflussrate in der Rohrleitung können Geysire auftreten, man muss sie aber erst bemerken, wenn der Durchfluss stoppt.

Wenn kryogene Flüssigkeit in einer vertikalen Rohrleitung nach unten fließt, ähnelt dies dem Vorkühlprozess. Kryogene Flüssigkeit siedet und verdampft aufgrund der Hitze, was sich vom Vorkühlprozess unterscheidet! Die Wärme stammt jedoch hauptsächlich aus der geringen Umgebungswärme und nicht aus der größeren Systemwärmekapazität beim Vorkühlprozess. Daher bildet sich in der Nähe der Rohrwand eine Flüssigkeitsgrenzschicht mit relativ hoher Temperatur und kein Dampffilm. Wenn die Flüssigkeit in der vertikalen Leitung fließt, verringert sich aufgrund der Umgebungswärme die Wärmedichte der Flüssigkeitsgrenzschicht in der Nähe der Rohrwand. Durch den Auftrieb fließt die Flüssigkeit umgekehrt nach oben und bildet eine heiße Flüssigkeitsgrenzschicht, während die kalte Flüssigkeit in der Mitte nach unten fließt und zwischen beiden ein Konvektionseffekt entsteht. Die Grenzschicht der heißen Flüssigkeit verdickt sich allmählich entlang der Hauptströmungsrichtung, bis sie die zentrale Flüssigkeit vollständig blockiert und die Konvektion stoppt. Da danach keine Konvektion zum Abtransport der Wärme mehr stattfindet, steigt die Temperatur der Flüssigkeit im heißen Bereich schnell an. Nachdem die Temperatur der Flüssigkeit die Sättigungstemperatur erreicht hat, beginnt sie zu kochen und Blasen zu produzieren. Die Zingle-Gasbombe verlangsamt das Aufsteigen der Blasen.

Durch das Vorhandensein von Blasen im vertikalen Rohr reduziert die Reaktion der viskosen Scherkraft der Blase den statischen Druck an deren Boden, wodurch die verbleibende Flüssigkeit überhitzt wird und mehr Dampf entsteht, was wiederum den statischen Druck senkt, sodass durch gegenseitige Förderung bis zu einem gewissen Grad viel Dampf entsteht. Das Phänomen eines Geysirs, das einer Explosion ähnelt, tritt auf, wenn eine Flüssigkeit, die einen Dampfstoß mit sich führt, zurück in die Rohrleitung strömt. Eine bestimmte Menge Dampf, die mit der in den oberen Raum des Tanks ausgestoßenen Flüssigkeit einhergeht, führt zu dramatischen Änderungen der Gesamttemperatur im Tankraum und damit zu dramatischen Druckänderungen. Wenn die Druckschwankungen zwischen Druckspitzen und -tälern liegen, kann im Tank ein Zustand von Unterdruck entstehen. Die Wirkung des Druckunterschieds führt zu strukturellen Schäden am System.

Nach dem Dampfausbruch sinkt der Druck in der Leitung rapide, und die kryogene Flüssigkeit wird aufgrund der Schwerkraft erneut in die vertikale Leitung eingespritzt. Die mit hoher Geschwindigkeit strömende Flüssigkeit erzeugt einen Druckstoß, der einem Wasserschlag ähnelt und erhebliche Auswirkungen auf das System, insbesondere auf die Raumausrüstung, hat.

Um die durch das Geysirphänomen verursachten Schäden zu vermeiden oder zu reduzieren, sollten wir bei der Anwendung einerseits auf die Isolierung des Rohrleitungssystems achten, da der Wärmeeinbruch die Hauptursache für das Geysirphänomen ist. Andererseits können verschiedene Maßnahmen untersucht werden: Einspritzung von inertem, nicht kondensierendem Gas, zusätzliche Einspritzung von kryogener Flüssigkeit und Zirkulationsleitung. Der Kern dieser Maßnahmen besteht darin, die überschüssige Wärme der kryogenen Flüssigkeit abzuleiten und eine Ansammlung übermäßiger Wärme zu vermeiden, um das Auftreten des Geysirphänomens zu verhindern.

Beim Inertgas-Einspritzsystem wird üblicherweise Helium als Inertgas verwendet und in den Boden der Rohrleitung eingespritzt. Der Dampfdruckunterschied zwischen Flüssigkeit und Helium kann für einen Massentransfer des Produktdampfes von der Flüssigkeit zur Heliummasse genutzt werden, um so einen Teil der kryogenen Flüssigkeit zu verdampfen, Wärme aus der kryogenen Flüssigkeit zu absorbieren und einen Unterkühlungseffekt zu erzeugen, wodurch die Ansammlung übermäßiger Wärme verhindert wird. Dieses System wird in einigen Befüllsystemen für Weltraumtreibstoffe verwendet. Durch zusätzliches Befüllen wird die Temperatur der kryogenen Flüssigkeit durch Zugabe unterkühlter kryogener Flüssigkeit gesenkt, während beim System mit zusätzlichen Zirkulationsrohrleitungen durch Hinzufügen einer zusätzlichen Rohrleitung ein natürlicher Zirkulationszustand zwischen Rohrleitung und Tank hergestellt wird, um überschüssige Wärme in lokale Bereiche zu übertragen und die Bedingungen für die Entstehung von Geysiren zu zerstören.

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.