مقدمةالإنتاج

مع تطور تقنية التبريد الفائق، باتت منتجات السوائل المبردة تلعب دورًا هامًا في العديد من المجالات، كالاقتصاد الوطني والدفاع الوطني والبحث العلمي. ويعتمد استخدام هذه السوائل على تخزينها ونقلها بكفاءة وأمان، حيث يمر نقلها عبر خطوط الأنابيب بمراحل التخزين والنقل. لذا، من الضروري ضمان سلامة وكفاءة نقلها عبر خطوط الأنابيب. ويتطلب نقل السوائل المبردة استبدال الغاز في خط الأنابيب قبل بدء النقل، وإلا فقد يؤدي ذلك إلى تعطل التشغيل. وتُعد عملية التبريد المسبق مرحلة أساسية في عملية نقل منتجات السوائل المبردة، إلا أنها قد تُسبب صدمات ضغط قوية وآثارًا سلبية أخرى على خط الأنابيب. إضافةً إلى ذلك، تُسبب ظاهرة السخانات في خط الأنابيب الرأسي، وظواهر عدم استقرار تشغيل النظام، مثل امتلاء الأنابيب الفرعية المغلقة، والامتلاء بعد التصريف الدوري، وامتلاء حجرة الهواء بعد فتح الصمام، آثارًا سلبية متفاوتة على المعدات وخط الأنابيب. وبناءً على ذلك، تُقدم هذه الورقة تحليلًا معمقًا للمشاكل المذكورة، على أمل التوصل إلى حلول من خلال هذا التحليل.

إزاحة الغاز في الخط قبل النقل

مع تطور تقنية التبريد الفائق، باتت منتجات السوائل المبردة تلعب دورًا هامًا في العديد من المجالات، كالاقتصاد الوطني والدفاع الوطني والبحث العلمي. ويعتمد استخدام هذه السوائل على تخزينها ونقلها بكفاءة وأمان، حيث يمر نقلها عبر خطوط الأنابيب بمراحل التخزين والنقل. لذا، من الضروري ضمان سلامة وكفاءة نقلها عبر خطوط الأنابيب. ويتطلب نقل السوائل المبردة استبدال الغاز في خط الأنابيب قبل بدء النقل، وإلا فقد يؤدي ذلك إلى تعطل التشغيل. وتُعد عملية التبريد المسبق مرحلة أساسية في عملية نقل منتجات السوائل المبردة، إلا أنها قد تُسبب صدمات ضغط قوية وآثارًا سلبية أخرى على خط الأنابيب. إضافةً إلى ذلك، تُسبب ظاهرة السخانات في خط الأنابيب الرأسي، وظواهر عدم استقرار تشغيل النظام، مثل امتلاء الأنابيب الفرعية المغلقة، والامتلاء بعد التصريف الدوري، وامتلاء حجرة الهواء بعد فتح الصمام، آثارًا سلبية متفاوتة على المعدات وخط الأنابيب. وبناءً على ذلك، تُقدم هذه الورقة تحليلًا معمقًا للمشاكل المذكورة، على أمل التوصل إلى حلول من خلال هذا التحليل.

عملية التبريد المسبق لخط الأنابيب

في عملية نقل السوائل المبردة عبر الأنابيب، وقبل الوصول إلى حالة النقل المستقرة، تُجرى عملية تبريد مسبق وتسخين لنظام الأنابيب ومعدات الاستقبال، أي عملية التبريد المسبق. خلال هذه العملية، تتعرض الأنابيب ومعدات الاستقبال لإجهاد انكماش كبير وضغط صدمي، لذا يجب التحكم بها.

لنبدأ بتحليل العملية.

تبدأ عملية التبريد المسبق بعملية تبخر شديدة، ثم يظهر تدفق ثنائي الطور. وأخيرًا، يظهر تدفق أحادي الطور بعد تبريد النظام بالكامل. في بداية عملية التبريد المسبق، تتجاوز درجة حرارة الجدار بشكل واضح درجة حرارة تشبع السائل المبرد، بل وتتجاوز درجة حرارة الحد الأعلى للسائل المبرد - درجة حرارة التسخين الزائد القصوى. نتيجة لانتقال الحرارة، يسخن السائل بالقرب من جدار الأنبوب ويتبخر فورًا مكونًا طبقة بخارية تحيط بجدار الأنبوب تمامًا، أي يحدث غليان غشائي. بعد ذلك، ومع استمرار عملية التبريد المسبق، تنخفض درجة حرارة جدار الأنبوب تدريجيًا إلى ما دون درجة حرارة التسخين الزائد القصوى، مما يوفر الظروف الملائمة للغليان الانتقالي والغليان الفقاعي. تحدث تقلبات كبيرة في الضغط خلال هذه العملية. عندما يصل التبريد المسبق إلى مرحلة معينة، لا تكفي السعة الحرارية للأنبوب ولا حرارة البيئة المحيطة لتسخين السائل المبرد إلى درجة حرارة التشبع، فيظهر التدفق أحادي الطور.

أثناء عملية التبخر الشديد، تتولد تقلبات حادة في التدفق والضغط. خلال هذه العملية، يمثل الضغط الأقصى المتشكل لأول مرة بعد دخول السائل المبرد مباشرةً إلى الأنبوب الساخن أعلى سعة في مجمل تقلبات الضغط، ويمكن من خلال موجة الضغط هذه التحقق من قدرة النظام على تحمل الضغط. لذلك، تُدرس عادةً موجة الضغط الأولى فقط.

بعد فتح الصمام، يدخل السائل المبرد بسرعة إلى الأنبوب بفعل فرق الضغط، ويفصل غشاء البخار الناتج عن التبخر السائل عن جدار الأنبوب، مُشكلاً تدفقًا محوريًا متمركزًا. نظرًا لصغر معامل مقاومة البخار، يكون معدل تدفق السائل المبرد كبيرًا جدًا، ومع تقدمه، ترتفع درجة حرارة السائل تدريجيًا نتيجة امتصاص الحرارة، وبالتالي يزداد ضغط الأنبوب، مما يُبطئ سرعة التدفق. إذا كان الأنبوب طويلًا بما يكفي، فلا بد أن تصل درجة حرارة السائل إلى التشبع عند نقطة معينة، وعندها يتوقف تدفقه. تُستخدم الحرارة المنتقلة من جدار الأنبوب إلى السائل المبرد بالكامل في التبخر، وفي هذه الحالة تزداد سرعة التبخر بشكل كبير، ويرتفع الضغط داخل الأنبوب أيضًا، وقد يصل إلى 1.5 إلى 2 ضعف ضغط الدخول. بفعل فرق الضغط، يُدفع جزء من السائل عائدًا إلى خزان تخزين السائل المبرد، مما يُبطئ عملية توليد البخار. ونظرًا لانخفاض ضغط الأنبوب مع خروج جزء من البخار، يعود السائل بعد فترة إلى ظروف فرق الضغط، فتتكرر هذه الظاهرة. مع ذلك، في العملية اللاحقة، وبسبب وجود ضغط معين وجزء من السائل في الأنبوب، يكون ارتفاع الضغط الناتج عن السائل الجديد طفيفًا، وبالتالي تكون ذروة الضغط أقل من الذروة الأولى.

خلال عملية التبريد المسبق، لا يتحمل النظام فقط تأثير موجة الضغط العالية، بل يتحمل أيضًا إجهاد انكماش كبير ناتج عن البرودة. قد يؤدي التأثير المشترك لهذين العاملين إلى تلف هيكلي في النظام، لذا يجب اتخاذ التدابير اللازمة للتحكم فيه.

بما أن معدل تدفق التبريد المسبق يؤثر بشكل مباشر على عملية التبريد المسبق وحجم إجهاد الانكماش البارد، فإنه يمكن التحكم في عملية التبريد المسبق من خلال التحكم في معدل تدفق التبريد المسبق. ويتمثل مبدأ الاختيار الأمثل لمعدل تدفق التبريد المسبق في تقصير زمن التبريد المسبق باستخدام معدل تدفق أعلى، مع ضمان عدم تجاوز تقلبات الضغط وإجهاد الانكماش البارد النطاق المسموح به للمعدات وخطوط الأنابيب. أما إذا كان معدل تدفق التبريد المسبق منخفضًا جدًا، فإن أداء عزل خط الأنابيب لن يكون جيدًا، وقد لا يصل أبدًا إلى حالة التبريد المطلوبة.

في عملية التبريد المسبق، ونظرًا لحدوث تدفق ثنائي الطور، يستحيل قياس معدل التدفق الفعلي باستخدام مقياس التدفق التقليدي، وبالتالي لا يمكن استخدامه لتوجيه عملية التحكم في معدل تدفق التبريد المسبق. ولكن يمكننا تقدير حجم التدفق بشكل غير مباشر من خلال مراقبة الضغط الخلفي للوعاء المستقبل. في ظل ظروف معينة، يمكن تحديد العلاقة بين الضغط الخلفي للوعاء المستقبل وتدفق التبريد المسبق باستخدام طريقة تحليلية. عندما تتقدم عملية التبريد المسبق إلى حالة التدفق أحادي الطور، يمكن استخدام التدفق الفعلي المقاس بواسطة مقياس التدفق لتوجيه عملية التحكم في تدفق التبريد المسبق. تُستخدم هذه الطريقة غالبًا للتحكم في تعبئة الوقود السائل المبرد للصواريخ.

يتوافق تغير الضغط الخلفي في وعاء الاستقبال مع عملية التبريد المسبق كما يلي، ويمكن استخدامه للحكم نوعيًا على مرحلة التبريد المسبق: عندما تكون سعة تصريف وعاء الاستقبال ثابتة، يرتفع الضغط الخلفي بسرعة في البداية نتيجة التبخر الشديد للسائل المبرد، ثم ينخفض ​​تدريجيًا مع انخفاض درجة حرارة وعاء الاستقبال وخط الأنابيب. في هذه الحالة، تزداد سعة التبريد المسبق.

تابعوا المقال التالي لمزيد من الأسئلة!

معدات التبريد العميق HL

شركة HL Cryogenic Equipment، التي تأسست عام 1992، هي علامة تجارية تابعة لشركة HL Cryogenic Equipment المحدودة. تلتزم HL Cryogenic Equipment بتصميم وتصنيع أنظمة أنابيب التبريد المعزولة تحت فراغ عالٍ ومعدات الدعم ذات الصلة لتلبية مختلف احتياجات العملاء. تُصنع الأنابيب المعزولة تحت الفراغ والخراطيم المرنة من مواد عازلة خاصة متعددة الطبقات ومتعددة الشاشات، وتخضع لسلسلة من المعالجات التقنية الدقيقة للغاية ومعالجة الفراغ العالي، وتُستخدم لنقل الأكسجين السائل، والنيتروجين السائل، والأرجون السائل، والهيدروجين السائل، والهيليوم السائل، وغاز الإيثيلين المسال (LEG)، والغاز الطبيعي المسال (LNG).

تُستخدم سلسلة منتجات الأنابيب ذات الغلاف الفراغي، والخراطيم ذات الغلاف الفراغي، والصمامات ذات الغلاف الفراغي، وفواصل الطور في شركة HL Cryogenic Equipment، والتي خضعت لسلسلة من المعالجات التقنية الصارمة للغاية، لنقل الأكسجين السائل، والنيتروجين السائل، والأرجون السائل، والهيدروجين السائل، والهيليوم السائل، وLEG، وLNG. وتُستخدم هذه المنتجات في صيانة معدات التبريد (مثل خزانات التبريد، وأوعية ديوار، وصناديق التبريد، وما إلى ذلك) في صناعات فصل الهواء، والغازات، والطيران، والإلكترونيات، والموصلات الفائقة، والرقائق، وتجميع الأتمتة، والأغذية والمشروبات، والصيدلة، والمستشفيات، وبنوك العينات الحيوية، والمطاط، وتصنيع المواد الجديدة، والهندسة الكيميائية، والحديد والصلب، والبحث العلمي، وما إلى ذلك.