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.