Fenômeno do gêiser

O fenômeno do gêiser refere-se à erupção causada pelo transporte de líquido criogênico ao longo de um tubo vertical (onde a relação comprimento-diâmetro atinge um determinado valor) devido às bolhas produzidas pela vaporização do líquido. A polimerização entre as bolhas ocorre com o aumento do número delas, e finalmente o líquido criogênico é expelido pela entrada do tubo.

Os gêiseres podem ocorrer quando a vazão na tubulação é baixa, mas só precisam ser notados quando o fluxo para.

Quando um líquido criogênico flui para baixo em um tubo vertical, o processo é semelhante ao de pré-resfriamento. O líquido criogênico entra em ebulição e vaporiza devido ao calor, diferentemente do processo de pré-resfriamento! No entanto, o calor provém principalmente da pequena interferência do calor ambiente, e não da maior capacidade térmica do sistema, como ocorre no pré-resfriamento. Portanto, forma-se uma camada limite líquida com temperatura relativamente alta próxima à parede do tubo, em vez de uma película de vapor. Quando o líquido flui no tubo vertical, devido à interferência do calor ambiente, a densidade térmica da camada limite do fluido próxima à parede do tubo diminui. Sob a ação da flutuabilidade, o fluido inverte o fluxo ascendente, formando a camada limite do fluido quente, enquanto o fluido frio no centro flui para baixo, criando um efeito de convecção entre os dois. A camada limite do fluido quente engrossa gradualmente na direção do fluxo principal até bloquear completamente o fluido central e interromper a convecção. Depois disso, como não há convecção para dissipar o calor, a temperatura do líquido na área quente aumenta rapidamente. Após a temperatura do líquido atingir a temperatura de saturação, ele começa a ferver e a produzir bolhas. A bomba de gás Zingle retarda a subida das bolhas.

Devido à presença de bolhas no tubo vertical, a reação da força de cisalhamento viscoso da bolha reduzirá a pressão estática na base da bolha, o que, por sua vez, fará com que o líquido restante superaqueça, produzindo mais vapor, que, por sua vez, reduzirá a pressão estática, promovendo assim uma reação mútua que, até certo ponto, produzirá muito vapor. O fenômeno de um gêiser, que é de certa forma semelhante a uma explosão, ocorre quando um líquido, carregando um jato de vapor, é ejetado de volta para a tubulação. Uma certa quantidade de vapor, juntamente com o líquido ejetado para o espaço superior do tanque, causará mudanças drásticas na temperatura geral do tanque, resultando em mudanças drásticas na pressão. Quando a flutuação de pressão atinge picos e vales, é possível que o tanque entre em um estado de pressão negativa. O efeito da diferença de pressão pode levar a danos estruturais no sistema.

Após a erupção do vapor, a pressão no tubo cai rapidamente e o líquido criogênico é reinjetado no tubo vertical devido ao efeito da gravidade. O líquido em alta velocidade produz um choque de pressão semelhante ao golpe de aríete, que tem um grande impacto no sistema, especialmente nos equipamentos espaciais.

Para eliminar ou reduzir os danos causados ​​pelo fenômeno do gêiser, na aplicação, por um lado, devemos prestar atenção ao isolamento do sistema de tubulação, pois a infiltração de calor é a causa principal do fenômeno do gêiser; por outro lado, vários esquemas podem ser estudados: injeção de gás inerte não condensável, injeção suplementar de líquido criogênico e tubulação de circulação. A essência desses esquemas é transferir o excesso de calor do líquido criogênico, evitando o acúmulo de calor excessivo, de modo a prevenir a ocorrência do fenômeno do gêiser.

No esquema de injeção de gás inerte, o hélio é geralmente utilizado como gás inerte, sendo injetado na parte inferior da tubulação. A diferença de pressão de vapor entre o líquido e o hélio pode ser utilizada para promover a transferência de massa do vapor do produto do líquido para a massa de hélio, vaporizando parte do líquido criogênico, absorvendo calor deste e produzindo um efeito de super-resfriamento, prevenindo assim o acúmulo de calor excessivo. Este esquema é utilizado em alguns sistemas de enchimento de propelente espacial. O enchimento suplementar consiste em reduzir a temperatura do líquido criogênico adicionando líquido criogênico super-resfriado, enquanto o esquema de adição de tubulação de circulação visa estabelecer uma condição de circulação natural entre a tubulação e o tanque, transferindo o excesso de calor para áreas localizadas e eliminando as condições para a geração de gêiseres.

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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.