Un processo instabile nella trasmissione

Nel processo di trasporto di liquidi criogenici tramite condotte, le particolari proprietà e le modalità operative del liquido criogenico causano una serie di processi instabili, diversi da quelli che si verificano nei fluidi a temperatura ambiente, durante la fase di transizione prima del raggiungimento dello stato stabile. Questi processi instabili hanno un forte impatto dinamico sulle apparecchiature, che può provocare danni strutturali. Ad esempio, il sistema di riempimento di ossigeno liquido del razzo vettore Saturn V negli Stati Uniti ha subito la rottura della linea di infusione a causa dell'impatto di un processo instabile durante l'apertura di una valvola. Inoltre, è più frequente che processi instabili causino danni ad altre apparecchiature ausiliarie (come valvole, soffietti, ecc.). I processi instabili nel trasporto di liquidi criogenici tramite condotte includono principalmente il riempimento delle diramazioni cieche, il riempimento dopo lo scarico intermittente del liquido nel tubo di drenaggio e i processi instabili che si verificano all'apertura della valvola che ha formato una camera d'aria a monte. Ciò che questi processi instabili hanno in comune è che la loro essenza consiste nel riempimento della cavità di vapore con liquido criogenico, il che porta a un intenso trasferimento di calore e massa all'interfaccia bifase, con conseguenti forti fluttuazioni dei parametri del sistema. Poiché il processo di riempimento dopo lo scarico intermittente del liquido dal tubo di scarico è simile al processo instabile che si verifica quando si apre la valvola che ha formato la camera d'aria anteriore, di seguito si analizza solo il processo instabile quando il tubo di derivazione cieco viene riempito e quando la valvola aperta viene aperta.

Il processo instabile di riempimento dei tubi di derivazione ciechi

Per garantire la sicurezza e il controllo del sistema, oltre alla condotta principale, il sistema di tubazioni deve essere dotato di alcune diramazioni ausiliarie. Inoltre, le valvole di sicurezza, le valvole di scarico e altre valvole presenti nel sistema genereranno a loro volta delle diramazioni. Quando queste diramazioni non sono in funzione, si formano delle diramazioni cieche nel sistema di tubazioni. L'ingresso di calore nella tubazione da parte dell'ambiente circostante porterà inevitabilmente alla formazione di cavità di vapore nelle diramazioni cieche (in alcuni casi, le cavità di vapore vengono utilizzate appositamente per ridurre l'ingresso di calore del liquido criogenico dall'esterno). Durante questa transizione, la pressione nella tubazione aumenterà a causa della regolazione delle valvole e di altri fattori. Sotto l'azione della differenza di pressione, il liquido riempirà la camera di vapore. Se durante il riempimento della camera di gas, il vapore generato dalla vaporizzazione del liquido criogenico a causa del calore non è sufficiente a spingere il liquido in senso inverso, quest'ultimo continuerà a riempire la camera di gas. Infine, dopo il riempimento della cavità d'aria, si crea una condizione di frenata rapida in corrispondenza della guarnizione della diramazione cieca, che provoca un'improvvisa variazione di pressione in prossimità della guarnizione stessa.

Il processo di riempimento del tubo cieco si articola in tre fasi. Nella prima fase, il liquido viene spinto fino a raggiungere la massima velocità di riempimento per effetto della differenza di pressione, fino al raggiungimento dell'equilibrio. Nella seconda fase, a causa dell'inerzia, il liquido continua ad avanzare. A questo punto, la differenza di pressione inversa (la pressione nella camera del gas aumenta con il processo di riempimento) rallenta il fluido. La terza fase è la fase di frenata rapida, in cui l'impatto della pressione è massimo.

Riducendo la velocità di riempimento e le dimensioni della cavità d'aria, è possibile eliminare o limitare il carico dinamico generato durante il riempimento della tubazione di derivazione cieca. Per i sistemi di tubazioni lunghi, è possibile regolare gradualmente la fonte del flusso di liquido in anticipo per ridurne la velocità e mantenere la valvola chiusa per un periodo prolungato.

In termini di struttura, possiamo utilizzare diverse parti di guida per migliorare la circolazione del liquido nel tubo di derivazione cieco, ridurre le dimensioni della cavità d'aria, introdurre una resistenza locale all'ingresso del tubo di derivazione cieco o aumentare il diametro del tubo di derivazione cieco per ridurre la velocità di riempimento. Inoltre, la lunghezza e la posizione di installazione del tubo Braille avranno un impatto sullo shock idraulico secondario, quindi occorre prestare attenzione alla progettazione e alla disposizione. Il motivo per cui l'aumento del diametro del tubo riduce il carico dinamico può essere spiegato qualitativamente come segue: per il riempimento del tubo di derivazione cieco, il flusso nel tubo di derivazione è limitato dal flusso nel tubo principale, che può essere considerato un valore fisso durante l'analisi qualitativa. Aumentare il diametro del tubo di derivazione equivale ad aumentare l'area della sezione trasversale, il che equivale a ridurre la velocità di riempimento, portando quindi a una riduzione del carico.

Il processo instabile di apertura della valvola

Quando la valvola è chiusa, l'ingresso di calore dall'ambiente, soprattutto attraverso il ponte termico, porta rapidamente alla formazione di una camera d'aria davanti alla valvola. Dopo l'apertura della valvola, il vapore e il liquido iniziano a muoversi; poiché la portata del gas è molto maggiore di quella del liquido, il vapore nella valvola non si apre completamente subito dopo lo svuotamento, con conseguente rapido calo di pressione. Il liquido viene spinto in avanti dall'azione della differenza di pressione e, quando il liquido si avvicina alla valvola non completamente aperta, si creano condizioni di frenatura. In questo momento, si verifica una percussione dell'acqua, che produce un forte carico dinamico.

Il modo più efficace per eliminare o ridurre il carico dinamico generato dal processo instabile di apertura della valvola è ridurre la pressione di esercizio nello stato di transizione, in modo da diminuire la velocità di riempimento della camera del gas. Inoltre, l'utilizzo di valvole altamente controllabili, la modifica della direzione della sezione del tubo e l'introduzione di una speciale tubazione di bypass di piccolo diametro (per ridurre le dimensioni della camera del gas) contribuiranno a ridurre il carico dinamico. In particolare, va notato che, a differenza della riduzione del carico dinamico ottenuta aumentando il diametro della tubazione cieca durante il riempimento, nel caso del processo instabile di apertura della valvola, l'aumento del diametro del tubo principale equivale a ridurre la resistenza uniforme del tubo, il che aumenterà la portata della camera d'aria riempita, incrementando così il valore di impatto dell'acqua.

Apparecchiature criogeniche HL

HL Cryogenic Equipment, fondata nel 1992, è un marchio affiliato a HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co., Ltd. HL Cryogenic Equipment si dedica alla progettazione e alla produzione di sistemi di tubazioni criogeniche isolate per alto vuoto e relative apparecchiature di supporto per soddisfare le diverse esigenze dei clienti. I tubi isolati sottovuoto e i tubi flessibili sono realizzati con materiali isolanti speciali multistrato e multistrato per alto vuoto e sono sottoposti a una serie di trattamenti tecnici estremamente rigorosi e a un trattamento per alto vuoto. Sono utilizzati per il trasferimento di ossigeno liquido, azoto liquido, argon liquido, idrogeno liquido, elio liquido, gas etilene liquefatto (LEG) e gas naturale liquefatto (LNG).

La serie di prodotti HL Cryogenic Equipment Company, che comprende tubi, tubi flessibili, valvole e separatori di fase con rivestimento sottovuoto, sottoposti a una serie di trattamenti tecnici estremamente rigorosi, è utilizzata per il trasferimento di ossigeno liquido, azoto liquido, argon liquido, idrogeno liquido, elio liquido, LEG e GNL. Questi prodotti trovano impiego in apparecchiature criogeniche (ad esempio serbatoi criogenici, dewar e contenitori termici, ecc.) in settori quali separazione dell'aria, gas, aviazione, elettronica, superconduttori, semiconduttori, assemblaggio automatizzato, alimentare e delle bevande, farmaceutico, ospedaliero, biobanche, gomma, produzione di nuovi materiali, ingegneria chimica, siderurgico e ricerca scientifica.