Một quá trình không ổn định trong truyền tải

Trong quá trình vận chuyển chất lỏng đông lạnh qua 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 không ổn định khác với chất lỏng ở nhiệt độ bình thường trong trạng thái chuyển tiếp trước khi đạt trạng thái ổn định. Quá trình không ổn định này cũng gây ra tác động động học lớn đến thiết bị, có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc. Ví dụ, hệ thống nạp oxy lỏng của tên lửa vận tải Saturn V ở Hoa Kỳ đã từng bị vỡ đường ống dẫn do tác động của quá trình không ổn định khi mở van. Ngoài ra, quá trình không ổn định gây hư hỏng các thiết bị phụ trợ khác (như van, ống thổi, v.v.) cũng khá phổ biến. Quá trình không ổn định trong quá trình vận chuyển chất lỏng đông lạnh qua đường ống chủ yếu bao gồm việc nạp đầy ống nhánh bịt kín, việc nạp đầy sau khi xả chất lỏng gián đoạn trong ống thoát nước và quá trình không ổn định khi mở van đã hình thành khoang khí ở phía trước. Điểm chung của các quá trình không ổn định này là bản chất của chúng là việc lấp đầy khoang hơi bằng chất lỏng đông lạnh, dẫn đến sự truyền nhiệt và truyền khối mạnh mẽ tại giao diện hai pha, dẫn đến sự dao động mạnh của các thông số hệ thống. Vì quá trình làm đầy sau khi xả chất lỏng gián đoạn từ ống thoát nước tương tự như quá trình không ổn định khi mở van đã tạo thành buồng khí ở phía trước, nên phần tiếp theo chỉ phân tích quá trình không ổn định khi ống nhánh bịt kín được làm đầy và khi van được mở.

Quá trình không ổn định của việc lấp đầy các ống nhánh cụt

Để đảm bảo an toàn và kiểm soát hệ thống, ngoài đường ống dẫn chính, hệ thống đường ống cần được trang bị thêm một số đường ống nhánh phụ. Thêm vào đó, van an toàn, van xả và các van khác trong hệ thống sẽ được kết nối với các đường ống nhánh tương ứng. Khi các nhánh này không hoạt động, sẽ hình thành các nhánh kín trong hệ thống đường ống. Sự xâm nhập nhiệt của môi trường xung quanh vào đường ống chắc chắn sẽ dẫn đến sự hình thành các khoang hơi trong ống kín (trong một số trường hợp, khoang hơi được sử dụng đặc biệt để giảm sự xâm nhập nhiệt của chất lỏng đông lạnh từ bên ngoài). Trong trạng thái chuyển tiếp, áp suất trong đường ống sẽ tăng lên do 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 lấp đầy khoang khí, lượng hơi nước sinh ra do sự bay hơi của chất lỏng đông lạnh do nhiệt không đủ để đẩy ngược chất lỏng, chất lỏng sẽ luôn lấp đầy khoang khí. Cuối cùng, sau khi lấp đầy khoang khí, một điều kiện hãm nhanh sẽ hình thành tại chỗ hàn kín của ống kín, dẫn đến áp suất tăng đột ngột gần chỗ hàn kín.

Quá trình nạp chất lỏng vào ống kín được chia thành ba giai đoạn. Ở giai đoạn đầu, chất lỏng được đẩy đến tốc độ nạp tối đa dưới tác dụng của chênh lệch áp suất cho đến khi áp suất cân bằng. Ở 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 lên trong quá trình nạp) sẽ làm chậm dòng chảy. Giai đoạn thứ ba là giai đoạn phanh gấp, trong đó tác động của 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 sinh ra trong quá trình nạp đầy ống nhánh kín. Đối với hệ thống đường ống dài, nguồn cấp dòng chất lỏng có thể được điều chỉnh từ từ trước để giảm tốc độ dòng chảy, và van có thể được đóng trong thời gian dài.

Về cấu trúc, chúng ta có thể sử dụng các bộ phận dẫn hướng khác nhau để tăng cường sự tuần hoàn chất lỏng trong ống nhánh cụt, giảm kích thước khoang khí, tạo lực cản cục bộ ở cửa vào của ống nhánh cụt hoặc tăng đường kính của ống nhánh cụt để giảm tốc độ làm đầy. Ngoài ra, chiều dài và vị trí lắp đặt của ống nhánh sẽ ảnh hưởng đến hiện tượng 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 một cách định tính như sau: đối với việc làm đầy ống nhánh cụt, lưu lượng của ống nhánh bị giới hạn bởi lưu lượng của ống chính, có thể được coi là một giá trị cố định trong quá trình phân tích định tính. Việc tăng đường kính ống nhánh tương đương với việc tăng diện tích mặt cắt ngang, tương đương với việc giảm tốc độ làm đầy, do đó dẫn đến giảm tải trọng.

Quá trình mở van không ổn định

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

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

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.