Un proceso inestable en la transmisión

Durante el transporte de líquidos criogénicos por oleoductos, las propiedades especiales de estos líquidos y su operación provocan una serie de procesos inestables, distintos a los de un fluido a temperatura ambiente, en el estado de transición previo al establecimiento de la estabilidad. Estos procesos inestables generan un gran impacto dinámico en los equipos, pudiendo causar daños estructurales. Por ejemplo, en el sistema de llenado de oxígeno líquido del cohete de transporte Saturno V de Estados Unidos, la apertura de la válvula provocó la rotura de la línea de infusión debido al impacto de estos procesos inestables. Además, es frecuente que los procesos inestables dañen otros equipos auxiliares (como válvulas, fuelles, etc.). Los procesos inestables en el transporte de líquidos criogénicos por oleoductos incluyen principalmente el llenado de tuberías ciegas, el llenado tras la descarga intermitente de líquido en la tubería de drenaje y la inestabilidad que se produce al abrir la válvula, formando una cámara de aire en la parte frontal. Lo que tienen en común estos procesos inestables es que su esencia radica en el llenado de la cavidad de vapor con líquido criogénico, lo cual genera una intensa transferencia de calor y masa en la interfase bifásica, resultando en fluctuaciones bruscas de los parámetros del sistema. Dado que el proceso de llenado tras la descarga intermitente de líquido por el tubo de drenaje es similar al proceso inestable que se produce al abrir la válvula que ha formado la cámara de aire frontal, a continuación se analiza únicamente el proceso inestable durante el llenado del tubo ciego y la apertura de la válvula.

El proceso inestable de llenado de tubos de derivación ciega

Para garantizar la seguridad y el control del sistema, además de la tubería principal de transporte, se deben instalar tuberías auxiliares en el sistema de tuberías. Asimismo, las válvulas de seguridad, de descarga y otras válvulas del sistema contarán con sus respectivas tuberías auxiliares. Cuando estas tuberías no están operativas, se forman ramales ciegos en el sistema de tuberías. La entrada de calor del entorno en la tubería inevitablemente provocará la formación de cavidades de vapor en el tubo ciego (en algunos casos, estas cavidades se utilizan específicamente para reducir la entrada de calor del líquido criogénico desde el exterior). Durante la transición, la presión en la tubería aumentará debido al ajuste de las válvulas y otros factores. Bajo la acción de la diferencia de presión, el líquido llenará la cámara de vapor. Si durante el llenado de la cámara de vapor, el vapor generado por la vaporización del líquido criogénico debido al calor no es suficiente para impulsar el líquido en sentido inverso, este seguirá llenando la cámara de vapor. Finalmente, tras llenarse la cavidad de aire, se produce una frenada brusca en el sello del tubo ciego, lo que genera una presión repentina cerca del sello.

El proceso de llenado del tubo ciego se divide en tres etapas. En la primera, el líquido es impulsado hasta alcanzar la velocidad máxima de llenado por la acción de la diferencia de presión, hasta que esta se equilibra. En la segunda etapa, debido a la inercia, el líquido continúa avanzando. En este punto, la diferencia de presión inversa (la presión en la cámara de gas aumenta con el llenado) frena el fluido. La tercera etapa es la de frenado rápido, en la que el impacto de la presión es máximo.

Reducir la velocidad de llenado y el tamaño de la cámara de aire permite eliminar o limitar la carga dinámica generada durante el llenado de la tubería ciega. En sistemas de tuberías largas, se puede ajustar gradualmente la fuente de flujo de líquido para reducir la velocidad del flujo y mantener la válvula cerrada durante un tiempo prolongado.

En cuanto a la estructura, se pueden utilizar diferentes elementos de guía para mejorar la circulación del líquido en el conducto ciego, reducir el tamaño de la cavidad de aire, introducir resistencia local en la entrada del conducto ciego o aumentar su diámetro para disminuir la velocidad de llenado. Además, la longitud y la posición de instalación del conducto influyen en el impacto secundario del agua, por lo que se debe prestar atención al diseño y la disposición. La razón por la que aumentar el diámetro del conducto reduce la carga dinámica se puede explicar cualitativamente de la siguiente manera: durante el llenado del conducto ciego, el caudal en este está limitado por el caudal en el conducto principal, que se puede considerar un valor fijo para este análisis cualitativo. Aumentar el diámetro del conducto equivale a aumentar la sección transversal, lo que a su vez reduce la velocidad de llenado y, por lo tanto, la carga.

El proceso inestable de apertura de la válvula

Cuando la válvula está cerrada, la entrada de calor del ambiente, especialmente a través del puente térmico, provoca rápidamente la formación de una cámara de aire frente a la válvula. Al abrirse la válvula, el vapor y el líquido comienzan a moverse. Debido a que el caudal de gas es mucho mayor que el de líquido, el vapor no se abre completamente en la válvula inmediatamente después de la evacuación, lo que produce una rápida caída de presión. El líquido es impulsado hacia adelante por la diferencia de presión, y cuando se acerca a la válvula sin abrirse por completo, se generan condiciones de frenado. En este momento, se produce un golpeteo de agua que genera una fuerte carga dinámica.

La forma más eficaz de eliminar o reducir la carga dinámica generada por el proceso inestable de apertura de la válvula es disminuir la presión de trabajo en el estado de transición, reduciendo así la velocidad de llenado de la cámara de gas. Además, el uso de válvulas de alta precisión, el cambio de dirección del tramo de tubería y la introducción de una tubería de derivación especial de pequeño diámetro (para reducir el tamaño de la cámara de gas) también contribuyen a reducir la carga dinámica. En particular, cabe destacar que, a diferencia de la reducción de la carga dinámica que se produce al llenar una tubería de derivación ciega aumentando su diámetro, en el proceso inestable de apertura de la válvula, aumentar el diámetro de la tubería principal equivale a reducir la resistencia uniforme de la tubería, lo que incrementa el caudal de la cámara de aire llena y, por consiguiente, el valor de impacto del agua.

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.