Транспортирование криопродуктов

Транспортировка криопродуктов производится автомобильным и железнодорожным транспортом и по трубопроводам. Отечественной промышленностью выпускаются транспортные резервуары типа ТЦК, предназначенные для хранения и перевозки жидких кислорода, азота и аргона. Объем резервуаров от 0,5 до 7,3 м³.

Промышленностью выпускаются транспортные резервуары для перевозки сжиженных водорода и гелия.

С развитием криогенной технологии: криогенного обеспечения сверхпроводящих устройств, ракетно-космической техники (ракето-носителей на криогенных продуктах, испытательной базы) получили развитие трубопроводные системы подачи криогенных жидкостей к потребителям.

Опыт эксплуатации криогенных систем показал, что трубопроводов характерны нестационарные режимы, сопровождающиеся гидроударами. Характерными неустановившимися процессами являются процессы при перекрытии трубопровода (при закрытии клапана). процессы при открытии клапана и процессы при захолаживании криогенного оборудования.

Процессы при закрытии криогенного клапана. При быстром закрытии запорно-регулирующей арматуры возникает гидравлический удар. Места проявления этих ударных нагрузок сосредоточены в тупиковых отводах от основной магистрали, что не соответствует прогнозам, основанным на классических представлениях теории неустановившихся течений. Давление гидроударов в несколько раз превышает расчетные значения, полученные по формуле Жуковского. Это свидетельствует об особенностях механизмов заполнения тупикового участка при останове потока в центральной магистрали.

При сравнительно большом давлении гидроудара в основной магистрали, возникающем при закрытии клапана, жидкость в тупиковый участок подается давлением гидроудара с большой скоростью и там тормозится. Возникает вторичный гидроудар, но в тупиковом отводе, с повышением давления на порядок по сравнению с давлением в основной магистрали. Реальные процессы заполнения тупикового участка (отвода) протекают с конденсацией пара в объеме, что приводит к увеличению скорости в конце заполнения отвода и увеличению гидравлического удара.

Для решения проблемы необходимы специальные мероприятия и устройства, снижающие давление гидроудара в тупиковых отводах.

Процессы при открытии криогенного клапана. Перед закрытым клапаном из-за теплопритоков через различного рода тепловые мосты и через изоляцию образуется паровая полость. При открытии клапана давление в паровой полости быстро падает, и поток жидкости начинает разгоняться, заполняя паровую полость. При подходе жидкого фронта к клапану, поток тормозится, возникает гидроудар. Исследования показывают, что такие факторы, как длина паровой полости и время открытия клапана не одинаковым образом влияют на характеристики гидроудара. Это говорит о том, что последствия гидроудара можно оптимизировать.

Захолаживание криогенного оборудования. Стенки кригенного оборудования (трубопровода) до приема жидких криопродуктов имеют температуру, практически равную температуре окружающей среды. Эта температура превышает как температуру предельного перегрева жидкости, так и критическую температуру. Естественно, что при таких условиях криогенные продукты могут существовать только в газообразном виде. Поэтому на начальном этапе захолаживания криогенного оборудования на теплых стенках устанавливается пленочный режим кипения (рис. 12). При значительном понижении температуры стенки трубопровода (или сосуда) возможен ее контакт с жидкой фазой. Пленочный режим кипения меняется на пузырьковый, который при выравнивании температур стенки и жидкости переходит в режим конвективного теплообмена.

Экспериментальные исследования выявили сольное влияние конструктивных особенностей трубопровода и его относительной длины на процессы при его захолаживании. В коротких трубопроводах длиной не более 200 калибров (l/d=200) жидкий криопродукт проскакивает через трубопровод в паровом кольце (обращенная кольцевая структура двухфазового потока). Охлаждение длинных трубопроводов сопровождается колебаниями расхода и давления, которые вызваны крупномасштабной структурой двухфазного потока на выходе из трубопровода.

Различная интенсивность теплообмена по длине захолаживаемого тракта обуславливает сильную неравномерность температурных напряжений (концентрацию усилий и нагрузок, возникших неравномерным температурным полем системы). Термические напряжения могут разрушить конструкцию. Поэтому охлаждение криогенного оборудования в процессе его эксплуатации является очень ответственным этапом работы.

Охлаждение жидких криопродуктов. Жидкие криопродукты получаются, транспортируются и хранятся в недогретом состоянии. В промышленных условиях охлаждение и термостатирование жидких криопродуктов осуществляется с помощью внешних источников холода (хладоагенты, рефрижераторные установки), охлаждением за счет теплоты парообразования путем вакуумирования парового пространства или барботированием охлажденным малорастворимым газом (гелием).

При охлаждении от внешних источников холода в качестве хладоагента используется охлажденный до требуемой температуры газообразный гелий.

При охлаждении барботированием газообразным гелием эффект охлаждения достигается за счет испарения продукта в объеме гелиевого пузырька. Недостаток – необходимо использовать большое количество дорого гелия. Этот способ используется тогда, когда другие способы охлаждения неприменимы, например, для быстрого захолаживания жидкого водорода непосредственно в топливных баках ракето-носителей.

Для снижения расхода гелия этот процесс можно реализовать в замкнутом цикле. Но в этом случае требуется сложное машинное оборудование.

Способ охлаждения вакуумированием парового объема резервуара над зеркалом жидкости нашел наибольшее применение в криогенных системах. Экспериментальные исследования процессов при вакуумной откачке позволили установить, что процесс охлаждения может происходить в двух основных режимах: поверхностного испарения и кипения. Кипение возникает на поверхностях, смоченных жидкостью, потом распространяется на весь объем. Этот режим устойчив для водорода и неустойчив для азота и кислорода. Для последних криопродуктов по ряду причин объемное кипение затруднено и процесс переходит в режим поверхностного испарения, что менее эффективно. Экспериментально найдены способы интенсифицировать этот процесс.