Un proceso inestable en la transmisión

En el proceso de transmisión de líquidos criogénicos por tuberías, las propiedades especiales y el funcionamiento de estos líquidos provocan una serie de procesos inestables, distintos a los de un fluido a temperatura ambiente, durante la transición antes de alcanzar un estado estable. Estos procesos inestables también generan un gran impacto dinámico en los equipos, pudiendo causar daños estructurales. Por ejemplo, el sistema de llenado de oxígeno líquido del cohete de transporte Saturno V en Estados Unidos sufrió la rotura de la línea de infusión debido al impacto de estos procesos inestables al abrirse la válvula. Además, es frecuente que estos procesos inestables dañen otros equipos auxiliares (como válvulas, fuelles, etc.). Los procesos inestables en la transmisión de líquidos criogénicos por tuberías incluyen principalmente el llenado de ramales ciegos, el llenado tras la descarga intermitente de líquido en el tubo de drenaje y la inestabilidad al abrir la válvula, que ha formado una cámara de aire en la parte frontal. Lo que estos procesos inestables tienen en común es que su esencia radica en el llenado de la cavidad de vapor con líquido criogénico, lo que provoca una intensa transferencia de calor y masa en la interfaz bifásica, resultando en fuertes fluctuaciones 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 en la parte frontal, a continuación solo se analiza el proceso inestable cuando se llena el tubo de derivación ciego y cuando se abre la válvula.

El proceso inestable de llenado de tubos de derivación ciegos

Para garantizar la seguridad y el control del sistema, además de la tubería principal de transporte, se deben instalar algunas tuberías ramales auxiliares en el sistema de tuberías. Asimismo, las válvulas de seguridad, de descarga y otras válvulas del sistema contarán con sus correspondientes tuberías ramales. Cuando estos ramales no están en funcionamiento, se forman ramales ciegos en el sistema de tuberías. La invasión térmica de la tubería por el entorno circundante inevitablemente provocará la existencia de cavidades de vapor en el tubo ciego (en algunos casos, las cavidades de vapor se utilizan específicamente para reducir la invasión de calor del líquido criogénico proveniente del exterior). En el estado de 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 proceso de llenado de la cámara de gas, el vapor generado por la vaporización del líquido criogénico debido al calor no es suficiente para impulsar el líquido en sentido inverso, este siempre llenará la cámara de gas. Finalmente, después de llenar la cavidad de aire, se forma una condición de frenado rápido en el sello del tubo ciego, lo que provoca un aumento brusco de la presión cerca del sello.

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

Reducir la velocidad de llenado y el tamaño de la cavidad de aire permite eliminar o limitar la carga dinámica generada durante el llenado de la tubería de derivación ciega. En sistemas de tuberías largas, se puede ajustar con precisión el caudal de líquido para disminuir su velocidad y mantener la válvula cerrada durante un tiempo prolongado.

En términos estructurales, podemos usar diferentes elementos de guía para mejorar la circulación del líquido en la tubería de derivación ciega, reducir el tamaño de la cavidad de aire, introducir resistencia local en la entrada de la tubería de derivación ciega o aumentar el diámetro de la tubería de derivación ciega para reducir la velocidad de llenado. Además, la longitud y la posición de instalación de la tubería de derivación tendrán un impacto en el choque de agua secundario, por lo que se debe prestar atención al diseño y la disposición. La razón por la que aumentar el diámetro de la tubería reducirá la carga dinámica se puede explicar cualitativamente de la siguiente manera: para el llenado de la tubería de derivación ciega, el flujo de la tubería de derivación está limitado por el flujo de la tubería principal, que puede asumirse como un valor fijo durante el análisis cualitativo. Aumentar el diámetro de la tubería de derivación es equivalente a aumentar el área de la sección transversal, lo que equivale a reducir la velocidad de llenado, lo que lleva a la reducción de la carga.

El proceso inestable de apertura de válvulas

Cuando la válvula está cerrada, la intrusión de calor del ambiente, especialmente a través del puente térmico, provoca rápidamente la formación de una cámara de aire delante de la válvula. Tras abrir 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 en la válvula no se abre completamente inmediatamente después de la evacuación, lo que provoca una rápida caída de presión. El líquido es impulsado hacia adelante por la acción de la diferencia de presión. Cuando el líquido se acerca a la válvula, que no está completamente abierta, se generan condiciones de frenado. En ese momento, se produce una percusión de agua, generando 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 de la sección de la tubería y la introducción de una tubería de derivación especial de pequeño diámetro (para reducir el tamaño de la cámara de gas) contribuirán a disminuir la carga dinámica. En particular, cabe destacar que, a diferencia de la reducción de la carga dinámica que se produce al aumentar el diámetro de la tubería de derivación ciega durante el llenado, 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 incrementará 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 afiliada a HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co., Ltd. HL Cryogenic Equipment se dedica al diseño y la fabricación de sistemas de tuberías criogénicas aisladas de alto vacío y equipos de soporte relacionados para satisfacer las diversas necesidades de los clientes. Las tuberías y mangueras flexibles aisladas al vacío están construidas con materiales aislantes especiales de alto vacío y multicapa, y se someten a una serie de tratamientos técnicos extremadamente rigurosos y a un tratamiento de alto vacío. Se utilizan para la transferencia de oxígeno líquido, nitrógeno líquido, argón líquido, hidrógeno líquido, helio líquido, gas etileno licuado (LEG) y gas natural licuado (GNL).

La gama 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 rigurosos, 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 de 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.