Introducciónducción

Con el desarrollo de la tecnología criogénica, los productos líquidos criogénicos han adquirido un papel fundamental en diversos ámbitos, como la economía nacional, la defensa y la investigación científica. La aplicación de estos líquidos depende de su almacenamiento y transporte seguros y eficaces, y la transmisión por oleoductos abarca todo el proceso. Por consiguiente, es crucial garantizar la seguridad y la eficiencia de dicha transmisión. Para ello, es necesario preenfriar el gas en el oleoducto antes del transporte, ya que de lo contrario podrían producirse fallos operativos. El preenfriamiento es un paso inevitable en el transporte de estos productos. Este proceso genera fuertes choques de presión y otros efectos negativos en el oleoducto. Además, el fenómeno de formación de turbulencias en tuberías verticales y la inestabilidad operativa, como el llenado de ramales ciegos, el llenado tras un drenaje intermitente y el llenado de la cámara de aire tras la apertura de válvulas, pueden provocar diversos grados de daños en los equipos y el oleoducto. En este contexto, el presente artículo analiza en profundidad los problemas mencionados y busca encontrar soluciones a través de dicho análisis.

Desplazamiento de gas en la línea antes de la transmisión

Con el desarrollo de la tecnología criogénica, los productos líquidos criogénicos han adquirido un papel fundamental en diversos ámbitos, como la economía nacional, la defensa y la investigación científica. La aplicación de estos líquidos depende de su almacenamiento y transporte seguros y eficaces, y la transmisión por oleoductos abarca todo el proceso. Por consiguiente, es crucial garantizar la seguridad y la eficiencia de dicha transmisión. Para ello, es necesario preenfriar el gas en el oleoducto antes del transporte, ya que de lo contrario podrían producirse fallos operativos. El preenfriamiento es un paso inevitable en el transporte de estos productos. Este proceso genera fuertes choques de presión y otros efectos negativos en el oleoducto. Además, el fenómeno de formación de turbulencias en tuberías verticales y la inestabilidad operativa, como el llenado de ramales ciegos, el llenado tras un drenaje intermitente y el llenado de la cámara de aire tras la apertura de válvulas, pueden provocar diversos grados de daños en los equipos y el oleoducto. En este contexto, el presente artículo analiza en profundidad los problemas mencionados y busca encontrar soluciones a través de dicho análisis.

El proceso de preenfriamiento de la tubería

En todo el proceso de transporte de líquidos criogénicos por oleoducto, antes de alcanzar un estado de transmisión estable, se lleva a cabo un proceso de preenfriamiento mediante tuberías calientes y equipos receptores. Durante este proceso, las tuberías y los equipos receptores soportan considerables esfuerzos de contracción y presión de impacto, por lo que es necesario controlarlos.

Comencemos con un análisis del proceso.

Todo el proceso de preenfriamiento comienza con una violenta vaporización, seguida de un flujo bifásico. Finalmente, tras el enfriamiento completo del sistema, se produce un flujo monofásico. Al inicio del preenfriamiento, la temperatura de la pared supera notablemente la temperatura de saturación del líquido criogénico, e incluso su temperatura límite superior de sobrecalentamiento. Debido a la transferencia de calor, el líquido cercano a la pared del tubo se calienta y vaporiza instantáneamente, formando una película de vapor que la envuelve por completo, produciéndose así la ebullición en película. Posteriormente, con el avance del preenfriamiento, la temperatura de la pared del tubo desciende gradualmente por debajo de la temperatura límite de sobrecalentamiento, creando condiciones favorables para la ebullición de transición y la ebullición en burbujas. Durante este proceso se producen grandes fluctuaciones de presión. Cuando el preenfriamiento alcanza cierto grado, la capacidad calorífica de la tubería y la transferencia de calor del ambiente no son suficientes para calentar el líquido criogénico hasta la temperatura de saturación, y se produce un flujo monofásico.

Durante la intensa vaporización, se generan fluctuaciones drásticas de flujo y presión. En todo el proceso de fluctuaciones de presión, la presión máxima que se forma inicialmente tras la entrada directa del líquido criogénico en la tubería caliente representa la amplitud máxima, y ​​esta onda de presión permite verificar la capacidad de presión del sistema. Por lo tanto, generalmente solo se estudia la primera onda de presión.

Tras abrirse la válvula, el líquido criogénico entra rápidamente en la tubería debido a la diferencia de presión. La película de vapor generada por la vaporización separa el líquido de la pared de la tubería, formando un flujo axial concéntrico. Debido al bajo coeficiente de resistencia del vapor, el caudal del líquido criogénico es muy elevado. Conforme avanza, la temperatura del líquido aumenta gradualmente por la absorción de calor, lo que incrementa la presión en la tubería y reduce la velocidad de llenado. Si la tubería es suficientemente larga, la temperatura del líquido alcanzará la saturación en algún punto, momento en el que el avance se detiene. El calor de la pared de la tubería se utiliza para la evaporación, lo que acelera considerablemente la velocidad de evaporación y, por consiguiente, la presión en la tubería, que puede alcanzar entre 1,5 y 2 veces la presión de entrada. Debido a la diferencia de presión, parte del líquido regresa al tanque de almacenamiento criogénico, lo que reduce la velocidad de generación de vapor. Dado que parte de este vapor se descarga por la salida de la tubería, la presión disminuye. Tras un tiempo, la tubería restablece las condiciones de diferencia de presión, repitiéndose el fenómeno. Sin embargo, en el siguiente proceso, como ya existe cierta presión y parte del líquido en la tubería, el aumento de presión causado por el nuevo líquido es menor, por lo que el pico de presión será inferior al anterior.

Durante todo el proceso de preenfriamiento, el sistema no solo debe soportar el impacto de una gran onda de presión, sino también una gran tensión de contracción debido al frío. La acción combinada de ambos factores puede causar daños estructurales al sistema, por lo que deben tomarse las medidas necesarias para controlarlo.

Dado que el caudal de preenfriamiento influye directamente en el proceso y en la magnitud de la contracción térmica, dicho proceso puede controlarse mediante el ajuste de dicho caudal. El principio para seleccionar adecuadamente el caudal de preenfriamiento consiste en reducir el tiempo de preenfriamiento aumentando el caudal, siempre que se garantice que la fluctuación de presión y la contracción térmica no superen los límites admisibles de los equipos y tuberías. Si el caudal de preenfriamiento es demasiado bajo, el aislamiento de la tubería se verá comprometido y es posible que nunca alcance el estado de enfriamiento.

Durante el preenfriamiento, debido a la presencia de flujo bifásico, es imposible medir el caudal real con un caudalímetro convencional, por lo que este no puede utilizarse para controlar el flujo de preenfriamiento. Sin embargo, es posible estimar indirectamente la magnitud del flujo mediante la monitorización de la contrapresión del recipiente receptor. Bajo ciertas condiciones, la relación entre la contrapresión del recipiente receptor y el flujo de preenfriamiento puede determinarse mediante un método analítico. Cuando el proceso de preenfriamiento alcanza el estado de flujo monofásico, el caudal real medido por el caudalímetro permite controlar el flujo de preenfriamiento. Este método se utiliza frecuentemente para controlar el llenado de propelente líquido criogénico en cohetes.

La variación de la contrapresión en el recipiente receptor se corresponde con el proceso de preenfriamiento, que permite evaluar cualitativamente la etapa de preenfriamiento: cuando la capacidad de descarga del recipiente receptor es constante, la contrapresión aumenta rápidamente debido a la violenta vaporización del líquido criogénico, para luego disminuir gradualmente a medida que baja la temperatura del recipiente receptor y la tubería. En este momento, la capacidad de preenfriamiento aumenta.

¡Sigue leyendo el próximo artículo para más preguntas!

Equipos criogénicos HL

HL Cryogenic Equipment, fundada en 1992, es una marca perteneciente a HL Cryogenic Equipment Company Co., Ltd. HL Cryogenic Equipment se dedica al diseño y fabricación de sistemas de tuberías criogénicas con aislamiento de alto vacío y equipos auxiliares relacionados para satisfacer las diversas necesidades de sus clientes. Las tuberías y mangueras flexibles con aislamiento de vacío se fabrican con materiales aislantes especiales multicapa y de múltiples capas, sometidos a un proceso de alto vacío y a tratamientos técnicos y de alto vacío extremadamente rigurosos. Se utilizan para la transferencia de oxígeno líquido, nitrógeno líquido, argón líquido, hidrógeno líquido, helio líquido, etileno licuado (LEG) y gas natural licuado (GNL).

La serie de productos de tuberías con camisa de vacío, mangueras con camisa de vacío, válvulas con camisa de vacío y separadores de fases de HL Cryogenic Equipment Company, que han pasado por una serie de tratamientos técnicos extremadamente estrictos, se utilizan para la transferencia de oxígeno líquido, nitrógeno líquido, argón líquido, hidrógeno líquido, helio líquido, LEG y GNL, y estos productos se utilizan para equipos criogénicos (por ejemplo, tanques criogénicos, dewars y cajas frías, etc.) en industrias como la separación de aire, gases, aviación, electrónica, superconductores, chips, ensamblaje de automatización, alimentos y bebidas, farmacia, hospitales, biobancos, caucho, fabricación de nuevos materiales, ingeniería química, hierro y acero, e investigación científica, etc.