Um processo instável na transmissão

No processo de transporte de líquidos criogênicos por dutos, as propriedades especiais e o funcionamento do líquido criogênico causam uma série de processos instáveis, diferentes daqueles observados em fluidos à temperatura ambiente durante o estado de transição, antes do estabelecimento de um estado estável. Esses processos instáveis ​​também causam grande impacto dinâmico nos equipamentos, podendo resultar em danos estruturais. Por exemplo, o sistema de abastecimento de oxigênio líquido do foguete Saturno V, nos Estados Unidos, sofreu uma ruptura na linha de infusão devido ao impacto de um processo instável durante a abertura da válvula. Além disso, danos a outros equipamentos auxiliares (como válvulas, foles, etc.) causados ​​por esses processos instáveis ​​são mais comuns. Os principais processos instáveis ​​no transporte de líquidos criogênicos por dutos incluem o abastecimento de tubos de derivação cega, o abastecimento após a descarga intermitente de líquido no tubo de drenagem e o processo instável durante a abertura da válvula que formou uma câmara de ar na entrada. O que esses processos instáveis ​​têm em comum é a essência do preenchimento da cavidade de vapor com líquido criogênico, o que leva a uma intensa transferência de calor e massa na interface bifásica, resultando em flutuações bruscas dos parâmetros do sistema. Como o processo de enchimento após a descarga intermitente de líquido do tubo de drenagem é semelhante ao processo instável que ocorre ao abrir a válvula que formou uma câmara de ar na parte frontal, a análise a seguir se concentra apenas no processo instável que ocorre quando o tubo de derivação cego é enchido e quando a válvula é aberta.

O processo instável de enchimento de tubos de ramificação cegos

Para garantir a segurança e o controle do sistema, além da tubulação principal de transporte, algumas tubulações auxiliares devem ser instaladas no sistema de tubulação. Além disso, válvulas de segurança, válvulas de descarga e outras válvulas no sistema também devem utilizar tubulações auxiliares. Quando essas tubulações auxiliares não estão em operação, formam-se ramificações cegas no sistema de tubulação. A entrada de calor na tubulação devido ao ambiente externo inevitavelmente leva à formação de câmaras de vapor nas ramificações cegas (em alguns casos, essas câmaras de vapor são utilizadas especificamente para reduzir a entrada de calor do líquido criogênico proveniente do ambiente externo). Durante a transição, a pressão na tubulação aumenta devido ao ajuste das válvulas e outros fatores. Sob a ação da diferença de pressão, o líquido preenche a câmara de vapor. Se, durante o processo de enchimento da câmara de vapor, o vapor gerado pela vaporização do líquido criogênico não for suficiente para impulsionar o líquido, este continuará preenchendo a câmara de vapor. Finalmente, após o enchimento da câmara de vapor, forma-se uma condição de frenagem brusca na vedação da ramificação cega, o que leva a uma alta pressão próxima à vedação.

O processo de enchimento do tubo cego é dividido em três estágios. No primeiro estágio, o líquido é impulsionado até atingir a velocidade máxima de enchimento sob a ação da diferença de pressão, até que a pressão se equilibre. No segundo estágio, devido à inércia, o líquido continua a ser preenchido. Nesse momento, a diferença de pressão reversa (a pressão na câmara de gás aumenta com o processo de enchimento) irá desacelerar o fluido. O terceiro estágio é o estágio de frenagem rápida, no qual o impacto da pressão é o maior.

Reduzir a velocidade de enchimento e o tamanho da cavidade de ar podem ser usados ​​para eliminar ou limitar a carga dinâmica gerada durante o enchimento do ramal cego. Para sistemas de tubulação longos, a fonte do fluxo de líquido pode ser ajustada suavemente com antecedência para reduzir a velocidade do fluxo, e a válvula pode ser mantida fechada por um período prolongado.

Em termos de estrutura, podemos utilizar diferentes elementos de guia para melhorar a circulação do líquido no tubo de derivação cega, reduzir o tamanho da cavidade de ar, introduzir resistência localizada na entrada do tubo de derivação cega ou aumentar o diâmetro do tubo de derivação cega para reduzir a velocidade de enchimento. Além disso, o comprimento e a posição de instalação do tubo de derivação cega influenciam o choque hídrico secundário, portanto, deve-se atentar para o projeto e o layout. A razão pela qual o aumento do diâmetro do tubo reduz a carga dinâmica pode ser explicada qualitativamente da seguinte forma: para o enchimento do tubo de derivação cega, o fluxo no tubo de derivação é limitado pelo fluxo no tubo principal, que pode ser considerado um valor fixo durante a análise qualitativa. Aumentar o diâmetro do tubo de derivação equivale a aumentar a área da seção transversal, o que equivale a reduzir a velocidade de enchimento, levando, assim, à redução da carga.

O processo instável de abertura da válvula

Quando a válvula está fechada, a entrada de calor do ambiente, especialmente através da ponte térmica, leva rapidamente à formação de uma câmara de ar em frente à válvula. Após a abertura da válvula, o vapor e o líquido começam a se mover. Como a vazão de gás é muito maior que a de líquido, o vapor na válvula não se abre completamente logo após a evacuação, resultando em uma queda rápida de pressão. O líquido é impulsionado para a frente pela ação da diferença de pressão e, quando se aproxima da válvula parcialmente aberta, cria-se uma condição de frenagem. Nesse momento, ocorre percussão hidráulica, produzindo uma forte carga dinâmica.

A maneira mais eficaz de eliminar ou reduzir a carga dinâmica gerada pelo processo instável de abertura da válvula é reduzir a pressão de trabalho no estado de transição, diminuindo assim a velocidade de enchimento da câmara de gás. Além disso, o uso de válvulas altamente controláveis, a alteração da direção da seção transversal da tubulação e a introdução de tubulações de desvio especiais de pequeno diâmetro (para reduzir o tamanho da câmara de gás) também contribuem para a redução da carga dinâmica. Em particular, deve-se observar que, diferentemente da redução da carga dinâmica que ocorre quando o tubo de derivação cega é preenchido pelo aumento do diâmetro deste, para o processo instável de abertura da válvula, o aumento do diâmetro da tubulação principal equivale a reduzir a resistência uniforme da tubulação, o que aumentará a vazão da câmara de ar preenchida, elevando, consequentemente, o valor do impacto da água.

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.