Introduçãodução

Com o desenvolvimento da tecnologia criogênica, os produtos líquidos criogênicos têm desempenhado um papel importante em diversas áreas, como economia nacional, defesa nacional e pesquisa científica. A aplicação de líquidos criogênicos depende do armazenamento e transporte eficazes e seguros desses produtos, e o transporte por dutos abrange todo o processo de armazenamento e transporte. Portanto, é crucial garantir a segurança e a eficiência do transporte de líquidos criogênicos por dutos. Para o transporte desses líquidos, é necessário substituir o gás presente no duto antes do início do transporte, caso contrário, podem ocorrer falhas operacionais. O processo de pré-resfriamento é uma etapa inevitável no transporte de produtos líquidos criogênicos. Esse processo acarreta fortes choques de pressão e outros efeitos negativos no duto. Além disso, o fenômeno de gêiser em dutos verticais e a instabilidade operacional do sistema, como o enchimento de ramais cegos, o enchimento após drenagem em intervalos regulares e o enchimento da câmara de ar após a abertura da válvula, podem causar diferentes graus de impactos negativos nos equipamentos e no duto. Diante disso, este artigo realiza uma análise aprofundada dos problemas mencionados, buscando encontrar soluções por meio dessa análise.

Deslocamento de gás na linha antes da transmissão

Com o desenvolvimento da tecnologia criogênica, os produtos líquidos criogênicos têm desempenhado um papel importante em diversas áreas, como economia nacional, defesa nacional e pesquisa científica. A aplicação de líquidos criogênicos depende do armazenamento e transporte eficazes e seguros desses produtos, e o transporte por dutos abrange todo o processo de armazenamento e transporte. Portanto, é crucial garantir a segurança e a eficiência do transporte de líquidos criogênicos por dutos. Para o transporte desses líquidos, é necessário substituir o gás presente no duto antes do início do transporte, caso contrário, podem ocorrer falhas operacionais. O processo de pré-resfriamento é uma etapa inevitável no transporte de produtos líquidos criogênicos. Esse processo acarreta fortes choques de pressão e outros efeitos negativos no duto. Além disso, o fenômeno de gêiser em dutos verticais e a instabilidade operacional do sistema, como o enchimento de ramais cegos, o enchimento após drenagem em intervalos regulares e o enchimento da câmara de ar após a abertura da válvula, podem causar diferentes graus de impactos negativos nos equipamentos e no duto. Diante disso, este artigo realiza uma análise aprofundada dos problemas mencionados, buscando encontrar soluções por meio dessa análise.

O processo de pré-resfriamento da tubulação

Em todo o processo de transporte de líquidos criogênicos por dutos, antes de se estabelecer um estado de transmissão estável, haverá um processo de pré-resfriamento e aquecimento do sistema de tubulação e do equipamento de recepção, ou seja, o processo de pré-resfriamento. Nesse processo, a tubulação e o equipamento de recepção suportam tensões de contração e pressão de impacto consideráveis, portanto, devem ser controlados.

Vamos começar com uma análise do processo.

Todo o processo de pré-resfriamento começa com uma vaporização intensa, seguida pelo escoamento bifásico. Finalmente, o escoamento monofásico surge após o resfriamento completo do sistema. No início do pré-resfriamento, a temperatura da parede excede consideravelmente a temperatura de saturação do líquido criogênico, chegando a ultrapassar o limite superior de superaquecimento. Devido à transferência de calor, o líquido próximo à parede do tubo aquece e vaporiza instantaneamente, formando uma película de vapor que a envolve completamente, caracterizando a ebulição em película. Posteriormente, com o avanço do pré-resfriamento, a temperatura da parede do tubo cai gradualmente abaixo do limite de superaquecimento, criando condições favoráveis ​​para a ebulição de transição e a ebulição em bolhas. Grandes flutuações de pressão ocorrem durante esse processo. Quando o pré-resfriamento atinge um determinado estágio, a capacidade térmica da tubulação e a interferência do calor do ambiente não conseguem aquecer o líquido criogênico até a temperatura de saturação, resultando no escoamento monofásico.

No processo de vaporização intensa, flutuações drásticas de fluxo e pressão são geradas. Em todo o processo de flutuações de pressão, a pressão máxima formada logo após o líquido criogênico entrar diretamente no tubo quente corresponde à amplitude máxima em todo o processo de flutuação de pressão, e a onda de pressão pode verificar a capacidade de pressão do sistema. Portanto, geralmente apenas a primeira onda de pressão é estudada.

Após a abertura da válvula, o líquido criogênico entra rapidamente na tubulação sob a ação da diferença de pressão, e a película de vapor gerada pela vaporização separa o líquido da parede do tubo, formando um fluxo axial concêntrico. Como o coeficiente de resistência do vapor é muito pequeno, a vazão do líquido criogênico é muito alta. Com o avanço, a temperatura do líquido, devido à absorção de calor, aumenta gradualmente, consequentemente, a pressão na tubulação aumenta e a velocidade de enchimento diminui. Se a tubulação for suficientemente longa, a temperatura do líquido atingirá a saturação em algum ponto, momento em que o fluxo cessará. O calor da parede do tubo para o líquido criogênico é totalmente utilizado para evaporação. Nesse momento, a velocidade de evaporação aumenta consideravelmente e a pressão na tubulação também aumenta, podendo atingir de 1,5 a 2 vezes a pressão de entrada. Sob a ação da diferença de pressão, parte do líquido será impulsionada de volta para o tanque de armazenamento de líquido criogênico, resultando em uma menor velocidade de geração de vapor. Como parte do vapor gerado sai pela saída do tubo, ocorre uma queda de pressão na tubulação. Após um período, o líquido volta a se encontrar em condições de diferença de pressão, e o fenômeno se repete. No entanto, no processo subsequente, como já existe uma certa pressão e parte do líquido na tubulação, o aumento de pressão causado pelo novo líquido é pequeno, portanto, o pico de pressão será menor que o primeiro pico.

Em todo o processo de pré-resfriamento, o sistema não só precisa suportar o impacto de uma grande onda de pressão, como também uma grande tensão de contração devido ao frio. A ação combinada dos dois fatores pode causar danos estruturais ao sistema, portanto, medidas necessárias devem ser tomadas para controlá-la.

Como a vazão de pré-resfriamento afeta diretamente o processo de pré-resfriamento e a magnitude da tensão de retração a frio, o processo de pré-resfriamento pode ser controlado pelo controle da vazão. O princípio de seleção adequado da vazão de pré-resfriamento consiste em reduzir o tempo de pré-resfriamento utilizando uma vazão maior, desde que a flutuação de pressão e a tensão de retração a frio não excedam os limites permitidos para equipamentos e tubulações. Se a vazão de pré-resfriamento for muito baixa, o desempenho do isolamento da tubulação será comprometido, podendo até mesmo impedir o resfriamento completo.

No processo de pré-resfriamento, devido à ocorrência de escoamento bifásico, é impossível medir a vazão real com um fluxômetro comum, portanto, ele não pode ser usado para controlar a vazão de pré-resfriamento. No entanto, podemos estimar indiretamente a magnitude do fluxo monitorando a contrapressão no recipiente receptor. Sob certas condições, a relação entre a contrapressão no recipiente receptor e a vazão de pré-resfriamento pode ser determinada por método analítico. Quando o processo de pré-resfriamento atinge o estado de escoamento monofásico, a vazão real medida pelo fluxômetro pode ser usada para controlar a vazão de pré-resfriamento. Esse método é frequentemente usado para controlar o enchimento de propelente líquido criogênico para foguetes.

A variação da contrapressão no recipiente receptor corresponde ao processo de pré-resfriamento da seguinte forma, o que pode ser usado para avaliar qualitativamente o estágio de pré-resfriamento: quando a capacidade de exaustão do recipiente receptor é constante, a contrapressão aumentará rapidamente devido à intensa vaporização do líquido criogênico inicialmente, e então diminuirá gradualmente com a redução da temperatura do recipiente receptor e da tubulação. Nesse momento, a capacidade de pré-resfriamento aumenta.

Fique atento ao próximo artigo para mais perguntas!

Equipamentos Criogênicos HL

A HL Cryogenic Equipment, fundada em 1992, é uma marca afiliada à HL Cryogenic Equipment Company (Cryogenic Equipment Co., Ltd.). A HL Cryogenic Equipment dedica-se ao projeto e fabricação de sistemas de tubulação criogênica com isolamento a alto vácuo e equipamentos de suporte relacionados, para atender às diversas necessidades dos clientes. Os tubos e mangueiras flexíveis com isolamento a vácuo são fabricados com materiais isolantes especiais de múltiplas camadas e telas, submetidos a uma série de tratamentos técnicos extremamente rigorosos e tratamento a alto vácuo. São utilizados para a transferência de oxigênio líquido, nitrogênio líquido, argônio líquido, hidrogênio líquido, hélio líquido, etileno liquefeito (LEG) e gás natural liquefeito (GNL).

A linha de produtos da HL Cryogenic Equipment Company, composta por tubos com revestimento a vácuo, mangueiras com revestimento a vácuo, válvulas com revestimento a vácuo e separadores de fase, passou por uma série de rigorosos tratamentos técnicos e é utilizada para a transferência de oxigênio líquido, nitrogênio líquido, argônio líquido, hidrogênio líquido, hélio líquido, LEG e GNL. Esses produtos são utilizados em equipamentos criogênicos (como tanques criogênicos, dewars e coldboxes, etc.) em diversos setores, como separação de ar, gases, aviação, eletrônica, supercondutores, chips, montagem de automação, alimentos e bebidas, farmacêutico, hospitalar, biobancos, borracha, fabricação de novos materiais, engenharia química, siderurgia e pesquisa científica, entre outros.