Hiện tượng mạch nước phun

Hiện tượng mạch nước phun là hiện tượng phun trào do chất lỏng đông lạnh được vận chuyển xuống một đường ống dài thẳng đứng (khi tỷ lệ chiều dài/đường kính đạt đến một giá trị nhất định) do các bọt khí được tạo ra từ sự bay hơi của chất lỏng, và sự kết tụ giữa các bọt khí sẽ xảy ra khi số lượng bọt khí tăng lên, cuối cùng chất lỏng đông lạnh sẽ phun ngược ra khỏi cửa ống.

Hiện tượng phun trào có thể xảy ra khi lưu lượng nước trong đường ống thấp, nhưng chỉ khi dòng chảy dừng hẳn thì mới nhận thấy được hiện tượng này.

Khi chất lỏng đông lạnh chảy xuống trong đường ống thẳng đứng, nó tương tự như quá trình làm lạnh sơ bộ. Chất lỏng đông lạnh sẽ sôi và bay hơi do nhiệt, điều này khác với quá trình làm lạnh sơ bộ! Tuy nhiên, nhiệt chủ yếu đến từ sự xâm nhập nhiệt nhỏ từ môi trường xung quanh, chứ không phải từ dung lượng nhiệt lớn hơn của hệ thống trong quá trình làm lạnh sơ bộ. Do đó, lớp biên chất lỏng có nhiệt độ tương đối cao được hình thành gần thành ống, chứ không phải là màng hơi. Khi chất lỏng chảy trong ống thẳng đứng, do sự xâm nhập nhiệt từ môi trường, mật độ nhiệt của lớp biên chất lỏng gần thành ống giảm xuống. Dưới tác dụng của lực nổi, chất lỏng sẽ chảy ngược lên trên, tạo thành lớp biên chất lỏng nóng, trong khi chất lỏng lạnh ở trung tâm chảy xuống dưới, tạo ra hiệu ứng đối lưu giữa hai lớp. Lớp biên của chất lỏng nóng dày lên dần theo hướng dòng chảy chính cho đến khi nó hoàn toàn chặn chất lỏng trung tâm và ngăn chặn sự đối lưu. Sau đó, vì không có sự đối lưu để mang nhiệt đi, nhiệt độ của chất lỏng trong vùng nóng tăng lên nhanh chóng. Sau khi nhiệt độ của chất lỏng đạt đến nhiệt độ bão hòa, nó bắt đầu sôi và tạo ra bọt khí. Bom khí Zingle làm chậm sự nổi lên của bọt khí.

Do sự hiện diện của bọt khí trong ống dẫn thẳng đứng, phản ứng của lực cắt nhớt do bọt khí tạo ra sẽ làm giảm áp suất tĩnh ở đáy bọt khí, từ đó làm cho chất lỏng còn lại bị quá nhiệt, tạo ra nhiều hơi nước hơn, làm giảm áp suất tĩnh, tạo ra sự tương tác qua lại, dẫn đến sự hình thành nhiều hơi nước. Hiện tượng phun trào, tương tự như một vụ nổ, xảy ra khi chất lỏng mang theo hơi nước bắn ngược trở lại đường ống. Một lượng hơi nước nhất định đi kèm với chất lỏng bị đẩy lên không gian phía trên của bể chứa sẽ gây ra những thay đổi đột ngột về nhiệt độ tổng thể trong không gian bể, dẫn đến những thay đổi đột ngột về áp suất. Khi áp suất dao động ở đỉnh và đáy, có thể khiến bể chứa ở trạng thái áp suất âm. Tác động của chênh lệch áp suất sẽ dẫn đến hư hỏng cấu trúc của hệ thống.

Sau khi hơi nước phun trào, áp suất trong đường ống giảm nhanh chóng, và chất lỏng đông lạnh được bơm trở lại vào đường ống thẳng đứng do tác động của trọng lực. Chất lỏng chuyển động với tốc độ cao sẽ tạo ra một cú sốc áp suất tương tự như hiện tượng búa nước, gây ảnh hưởng lớn đến hệ thống, đặc biệt là các thiết bị không gian.

Để loại bỏ hoặc giảm thiểu tác hại do hiện tượng phun trào gây ra, trong ứng dụng, một mặt, chúng ta cần chú ý đến việc cách nhiệt của hệ thống đường ống, vì sự xâm nhập nhiệt là nguyên nhân gốc rễ của hiện tượng phun trào; mặt khác, có thể nghiên cứu một số phương án: bơm khí trơ không ngưng tụ, bơm bổ sung chất lỏng đông lạnh và đường ống tuần hoàn. Bản chất của các phương án này là truyền nhiệt dư thừa của chất lỏng đông lạnh, tránh sự tích tụ nhiệt quá mức, nhằm ngăn ngừa sự xuất hiện của hiện tượng phun trào.

Đối với phương án bơm khí trơ, khí heli thường được sử dụng làm khí trơ, và heli được bơm vào đáy đường ống. Sự chênh lệch áp suất hơi giữa chất lỏng và heli có thể được sử dụng để thực hiện quá trình chuyển khối hơi sản phẩm từ chất lỏng sang khối heli, nhằm làm bay hơi một phần chất lỏng đông lạnh, hấp thụ nhiệt từ chất lỏng đông lạnh và tạo ra hiệu ứng làm lạnh quá mức, do đó ngăn ngừa sự tích tụ nhiệt quá mức. Phương án này được sử dụng trong một số hệ thống nạp nhiên liệu đẩy trong không gian. Nạp bổ sung là để giảm nhiệt độ của chất lỏng đông lạnh bằng cách thêm chất lỏng đông lạnh siêu lạnh, trong khi phương án thêm đường ống tuần hoàn là để thiết lập điều kiện tuần hoàn tự nhiên giữa đường ống và bể chứa bằng cách thêm đường ống, nhằm truyền nhiệt dư thừa ở các khu vực cục bộ và phá hủy các điều kiện tạo ra mạch phun khí.

Hãy đón đọc bài viết tiếp theo để biết thêm các câu hỏi khác!

Thiết bị đông lạnh HL

Công ty HL Cryogenic Equipment, được thành lập năm 1992, là một thương hiệu trực thuộc Công ty TNHH Thiết bị Cryogenic HL. HL Cryogenic Equipment cam kết thiết kế và sản xuất hệ thống đường ống cách nhiệt chân không cao và các thiết bị hỗ trợ liên quan để đáp ứng các nhu cầu đa dạng của khách hàng. Ống cách nhiệt chân không và ống mềm được chế tạo bằng vật liệu cách nhiệt đặc biệt nhiều lớp, nhiều màn chắn, trong môi trường chân không cao, trải qua một loạt các quy trình xử lý kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt và xử lý chân không cao, được sử dụng để vận chuyển oxy lỏng, nitơ lỏng, argon lỏng, hydro lỏng, heli lỏng, khí etylen hóa lỏng (LEG) và khí tự nhiên hóa lỏng (LNG).

Dòng sản phẩm ống bọc chân không, ống mềm bọc chân không, van bọc chân không và bộ tách pha của Công ty Thiết bị Cryogenic HL, trải qua hàng loạt quy trình xử lý kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt, được sử dụng để vận chuyển oxy lỏng, nitơ lỏng, argon lỏng, hydro lỏng, heli lỏng, LEG và LNG, và được bảo dưỡng cho các thiết bị cryogenic (ví dụ: bồn chứa cryogenic, bình Dewar và hộp lạnh, v.v.) trong các ngành công nghiệp tách khí, khí đốt, hàng không, điện tử, siêu dẫn, chip, lắp ráp tự động hóa, thực phẩm và đồ uống, dược phẩm, bệnh viện, ngân hàng sinh học, cao su, sản xuất vật liệu mới, kỹ thuật hóa học, sắt thép và nghiên cứu khoa học, v.v.