Một quá trình không ổn định trong truyền tải

Trong quá trình vận chuyển chất lỏng đông lạnh bằng đường ống, các đặc tính và quy trình vận hành đặc biệt của chất lỏng đông lạnh sẽ gây ra một loạt các quá trình bất ổn định khác với quá trình của chất lỏng nhiệt độ thường ở trạng thái chuyển tiếp trước khi đạt trạng thái ổn định. Quá trình bất ổn định cũng gây ra tác động động lớn đến thiết bị, có thể gây hư hỏng kết cấu. Ví dụ, hệ thống nạp oxy lỏng của tên lửa vận chuyển Saturn V tại Hoa Kỳ đã từng gây ra sự cố vỡ đường ống truyền do tác động của quá trình bất ổn định khi van được mở. Ngoài ra, quá trình bất ổn định còn gây ra hư hỏng cho các thiết bị phụ trợ khác (như van, ống thổi, v.v.) cũng phổ biến hơn. Quá trình bất ổn định trong quá trình vận chuyển chất lỏng đông lạnh chủ yếu bao gồm quá trình nạp ống nhánh mù, quá trình nạp sau khi xả chất lỏng gián đoạn vào ống xả và quá trình bất ổn định khi mở van tạo thành buồng khí ở phía trước. Điểm chung của các quá trình bất ổn định này là bản chất của chúng là quá trình nạp chất lỏng đông lạnh vào khoang hơi, dẫn đến sự truyền nhiệt và truyền khối mạnh tại giao diện hai pha, dẫn đến sự biến động đột ngột của các thông số hệ thống. Vì quá trình nạp đầy sau khi xả chất lỏng không liên tục từ ống xả tương tự như quá trình không ổn định khi mở van tạo thành buồng khí ở phía trước, nên phần sau chỉ phân tích quá trình không ổn định khi ống nhánh mù được nạp đầy và khi van mở được mở.

Quá trình không ổn định của việc nạp ống nhánh mù

Để đảm bảo an toàn và kiểm soát hệ thống, ngoài ống dẫn chính, hệ thống đường ống cần được trang bị một số ống nhánh phụ. Ngoài ra, van an toàn, van xả và các van khác trong hệ thống sẽ đưa vào các ống nhánh tương ứng. Khi các ống nhánh này không hoạt động, các ống nhánh mù sẽ được hình thành cho hệ thống đường ống. Sự xâm nhập nhiệt của môi trường xung quanh vào đường ống chắc chắn sẽ dẫn đến sự xuất hiện của các khoang hơi trong ống mù (trong một số trường hợp, các khoang hơi được sử dụng đặc biệt để giảm sự xâm nhập nhiệt của chất lỏng đông lạnh từ thế giới bên ngoài). Ở trạng thái chuyển tiếp, áp suất trong đường ống sẽ tăng lên do việc điều chỉnh van và các lý do khác. Dưới tác động của chênh lệch áp suất, chất lỏng sẽ lấp đầy khoang hơi. Nếu trong quá trình nạp khí, hơi nước sinh ra do quá trình bay hơi của chất lỏng đông lạnh do nhiệt không đủ để đẩy chất lỏng ngược trở lại, chất lỏng sẽ luôn lấp đầy khoang khí. Cuối cùng, sau khi nạp đầy khoang khí, một trạng thái hãm nhanh được hình thành tại gioăng ống mù, dẫn đến áp suất đột ngột gần gioăng.

Quá trình nạp ống mù được chia thành ba giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên, chất lỏng được đẩy đến tốc độ nạp tối đa dưới tác động của chênh lệch áp suất cho đến khi áp suất cân bằng. Giai đoạn thứ hai, do quán tính, chất lỏng tiếp tục nạp về phía trước. Lúc này, chênh lệch áp suất ngược (áp suất trong buồng khí tăng theo quá trình nạp) sẽ làm chậm tốc độ chất lỏng. Giai đoạn thứ ba là giai đoạn hãm nhanh, trong đó tác động áp suất là lớn nhất.

Việc giảm tốc độ nạp và giảm kích thước khoang khí có thể được sử dụng để loại bỏ hoặc hạn chế tải trọng động phát sinh trong quá trình nạp ống nhánh mù. Đối với hệ thống đường ống dài, nguồn dòng chảy chất lỏng có thể được điều chỉnh trơn tru trước để giảm tốc độ dòng chảy và van đóng trong thời gian dài.

Về mặt cấu trúc, chúng ta có thể sử dụng các bộ phận dẫn hướng khác nhau để tăng cường lưu thông chất lỏng trong ống nhánh mù, giảm kích thước khoang khí, tạo lực cản cục bộ tại lối vào của ống nhánh mù hoặc tăng đường kính của ống nhánh mù để giảm tốc độ nạp. Ngoài ra, chiều dài và vị trí lắp đặt của ống chữ nổi sẽ ảnh hưởng đến sốc nước thứ cấp, vì vậy cần chú ý đến thiết kế và bố trí. Lý do tại sao việc tăng đường kính ống sẽ làm giảm tải trọng động có thể được giải thích về mặt định tính như sau: đối với quá trình nạp ống nhánh mù, lưu lượng của ống nhánh bị giới hạn bởi lưu lượng của ống chính, có thể coi là một giá trị cố định trong quá trình phân tích định tính. Tăng đường kính ống nhánh tương đương với việc tăng diện tích mặt cắt ngang, tương đương với việc giảm tốc độ nạp, do đó dẫn đến giảm tải.

Quá trình mở van không ổn định

Khi van đóng, nhiệt từ môi trường xâm nhập, đặc biệt là qua cầu nhiệt, nhanh chóng dẫn đến sự hình thành khoang khí trước van. Sau khi van mở, hơi nước và chất lỏng bắt đầu di chuyển. Do lưu lượng khí cao hơn nhiều so với lưu lượng chất lỏng, hơi nước trong van không được mở hoàn toàn ngay sau khi xả, dẫn đến áp suất giảm nhanh chóng. Chất lỏng bị đẩy về phía trước dưới tác động của chênh lệch áp suất. Khi chất lỏng gần van chưa mở hoàn toàn, nó sẽ hình thành trạng thái hãm. Lúc này, va chạm nước sẽ xảy ra, tạo ra tải trọng động mạnh.

Cách hiệu quả nhất để loại bỏ hoặc giảm tải trọng động do quá trình mở van không ổn định tạo ra là giảm áp suất làm việc trong trạng thái chuyển tiếp, từ đó giảm tốc độ nạp khí vào buồng khí. Ngoài ra, việc sử dụng van có khả năng điều khiển cao, thay đổi hướng của tiết diện ống và đưa vào đường ống bypass chuyên dụng có đường kính nhỏ (để giảm kích thước buồng khí) sẽ có tác dụng giảm tải trọng động. Đặc biệt, cần lưu ý rằng khác với việc giảm tải trọng động khi ống nhánh mù được nạp khí bằng cách tăng đường kính ống nhánh mù, đối với quá trình không ổn định khi van mở, việc tăng đường kính ống chính tương đương với việc giảm lực cản của ống đồng đều, điều này sẽ làm tăng lưu lượng của buồng khí được nạp khí, do đó làm tăng giá trị va chạm nước.

Thiết bị đông lạnh HL

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 và chân không cao, trải qua một loạt các quy trình xử lý kỹ thuật và chân không cực kỳ nghiêm ngặt, được sử dụng để vận chuyển oxy lỏng, nitơ lỏng, argon lỏng, hydro lỏng, heli lỏng, khí ethylene hóa lỏng (LEG) và khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG).

Dòng sản phẩm Ống chân không bọc, Ống chân không bọc, Van chân không bọc và Bộ tách pha của Công ty Thiết bị Nhiệt độ thấp HL đã trải qua một loạt các 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 các sản phẩm này được sử dụng cho thiết bị nhiệt độ thấp (ví dụ: bồn chứa nhiệt độ thấp, bình chứa sương và hộp lạnh, v.v.) trong các ngành công nghiệp tách khí, khí, hàng không, điện tử, siêu dẫn, chip, lắp ráp tự động hóa, thực phẩm & 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.