Ein instabiler Prozess bei der Übertragung

Bei der Förderung kryogener Flüssigkeiten in Rohrleitungen führen die besonderen Eigenschaften und der Betrieb der kryogenen Flüssigkeiten im Übergangszustand vor Erreichen des stabilen Zustands zu einer Reihe instabiler Prozesse, die sich von denen normaltemperierter Flüssigkeiten unterscheiden. Diese instabilen Prozesse üben erhebliche dynamische Belastungen auf die Anlagen aus und können strukturelle Schäden verursachen. Beispielsweise kam es beim Öffnen des Ventils in der US-amerikanischen Saturn-V-Rakete mit flüssigem Sauerstoff zum Bruch der Zufuhrleitung aufgrund der instabilen Prozesse. Häufiger kommt es auch zu Schäden an anderen Hilfseinrichtungen (wie Ventilen, Faltenbälgen usw.). Zu den instabilen Prozessen bei der Förderung kryogener Flüssigkeiten in Rohrleitungen zählen im Wesentlichen die Befüllung von Blindrohren, die Befüllung nach intermittierendem Flüssigkeitsaustritt im Abflussrohr sowie die instabilen Prozesse beim Öffnen des Ventils, die die Bildung einer Luftkammer im vorderen Bereich begünstigen. Allen diesen instabilen Prozessen ist gemeinsam, dass sie im Wesentlichen auf die Befüllung des Dampfraums mit kryogener Flüssigkeit zurückzuführen sind. Dies führt zu einem intensiven Wärme- und Stoffaustausch an der Zweiphasengrenzfläche und somit zu starken Schwankungen der Systemparameter. Da der Füllvorgang nach intermittierendem Flüssigkeitsaustritt aus dem Abflussrohr dem instabilen Vorgang beim Öffnen des Ventils, das vorne eine Luftkammer gebildet hat, ähnelt, analysiert das Folgende nur den instabilen Vorgang beim Füllen des Blindabzweigrohrs und beim Öffnen des offenen Ventils.

Der instabile Prozess des Füllens von Blindrohren

Aus Gründen der Systemsicherheit und -steuerung sollten neben der Hauptleitung auch Hilfsabzweigleitungen im Rohrleitungssystem vorhanden sein. Sicherheitsventile, Auslassventile und andere Ventile im System werden ebenfalls durch entsprechende Abzweigleitungen verbunden. Wenn diese Abzweige nicht in Betrieb sind, entstehen im Rohrleitungssystem Blindrohre. Der Wärmeeintrag aus der Umgebung in die Rohrleitung führt zwangsläufig zur Bildung von Dampfblasen in den Blindrohren (in manchen Fällen werden Dampfblasen gezielt eingesetzt, um den Wärmeeintrag der kryogenen Flüssigkeit von außen zu reduzieren). Im Übergangszustand steigt der Druck in der Rohrleitung aufgrund von Ventileinstellungen und anderen Faktoren. Unter dem Einfluss des Druckunterschieds füllt die Flüssigkeit die Dampfblasen. Reicht der beim Füllen der Dampfblasen entstehende Dampf aufgrund der Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit nicht aus, um die Flüssigkeit zurückzudrängen, füllt sich die Dampfblasenkammer weiterhin mit Flüssigkeit. Nach dem Füllen der Dampfblasen entsteht schließlich an der Blindrohrdichtung ein abrupter Druckabfall, der zu einem plötzlichen Druckanstieg in der Nähe der Dichtung führt.

Der Füllvorgang des Blindrohrs lässt sich in drei Phasen unterteilen. In der ersten Phase wird die Flüssigkeit durch den Druckunterschied bis zum Druckausgleich mit maximaler Füllgeschwindigkeit gefördert. In der zweiten Phase fließt die Flüssigkeit aufgrund ihrer Trägheit weiter. Dabei bremst der Gegendruckunterschied (der Druck in der Gaskammer steigt mit dem Füllvorgang) die Flüssigkeit ab. Die dritte Phase ist die Phase der schnellen Abbremsung, in der die Druckbelastung am größten ist.

Durch Reduzierung der Füllgeschwindigkeit und der Größe des Luftspalts lässt sich die dynamische Belastung beim Befüllen des Blindrohrs eliminieren oder begrenzen. Bei langen Rohrleitungssystemen kann die Flüssigkeitszufuhr im Voraus stufenlos geregelt werden, um die Fließgeschwindigkeit zu reduzieren und das Ventil länger geschlossen zu halten.

Strukturell lassen sich verschiedene Führungselemente einsetzen, um die Flüssigkeitszirkulation im Blindrohr zu verbessern, die Größe des Luftspalts zu verringern, lokalen Widerstand am Eingang des Blindrohrs zu erzeugen oder den Durchmesser des Blindrohrs zu vergrößern, um die Füllgeschwindigkeit zu reduzieren. Darüber hinaus beeinflussen Länge und Einbauposition des Blindrohrs den sekundären Wasserstoß, weshalb der Konstruktion und dem Layout besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte. Die Reduzierung der dynamischen Belastung durch einen größeren Rohrdurchmesser lässt sich wie folgt qualitativ erklären: Beim Befüllen des Blindrohrs ist der Durchfluss im Blindrohr durch den Durchfluss im Hauptrohr begrenzt, der in der qualitativen Analyse als konstant angenommen werden kann. Eine Vergrößerung des Blindrohrdurchmessers entspricht einer Vergrößerung der Querschnittsfläche, was wiederum die Füllgeschwindigkeit und damit die Belastung verringert.

Der instabile Prozess der Ventilöffnung

Wenn das Ventil geschlossen ist, führt der Wärmeeintritt aus der Umgebung, insbesondere über die Wärmebrücke, schnell zur Bildung einer Luftkammer vor dem Ventil. Nach dem Öffnen des Ventils beginnen Dampf und Flüssigkeit zu strömen. Da die Gasdurchflussrate deutlich höher ist als die Flüssigkeitsdurchflussrate, entweicht der Dampf nach dem Entleeren des Ventils nicht sofort vollständig, was zu einem raschen Druckabfall führt. Die Flüssigkeit wird durch die Druckdifferenz nach vorne getrieben. Wenn die Flüssigkeit das Ventil fast vollständig öffnet, entstehen Bremsbedingungen. Gleichzeitig kommt es zu Wasserschlägen, die eine starke dynamische Belastung erzeugen.

Die effektivste Methode zur Beseitigung oder Reduzierung der durch den instabilen Ventilöffnungsprozess entstehenden dynamischen Belastung besteht darin, den Betriebsdruck im Übergangszustand zu senken, um so die Füllgeschwindigkeit der Gaskammer zu verringern. Zusätzlich tragen der Einsatz hochpräziser Ventile, die Änderung der Rohrleitungsrichtung und die Einführung einer speziellen Bypassleitung mit kleinem Durchmesser (zur Verkleinerung der Gaskammer) zur Reduzierung der dynamischen Belastung bei. Im Gegensatz zur Reduzierung der dynamischen Belastung beim Füllen des Blindrohrs durch Vergrößerung des Blindrohrdurchmessers führt die Vergrößerung des Hauptrohrdurchmessers beim instabilen Prozess während des Ventilöffnungsvorgangs zu einer Verringerung des gleichmäßigen Rohrwiderstands. Dies erhöht jedoch die Durchflussrate der gefüllten Luftkammer und somit den Wasserschlagwert.

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.