ظاهرة السخانات

تشير ظاهرة السخان إلى ظاهرة الانفجار الناجمة عن نقل السائل المبرد أسفل الأنبوب الطويل العمودي (في إشارة إلى نسبة الطول إلى القطر التي تصل إلى قيمة معينة) بسبب الفقاعات الناتجة عن تبخر السائل، وسيحدث التبلمر بين الفقاعات مع زيادة عدد الفقاعات، وفي النهاية سيتم عكس السائل المبرد خارج مدخل الأنبوب.

قد تحدث الينابيع الحارة عندما يكون معدل التدفق في خط الأنابيب منخفضًا، ولكن لا يلزم ملاحظتها إلا عندما يتوقف التدفق.

عندما يتدفق سائل مبرد للغاية إلى أسفل في أنبوب رأسي، يكون الأمر مشابهًا لعملية التبريد المسبق. يغلي السائل المبرد ويتبخر بفعل الحرارة، وهو ما يختلف عن عملية التبريد المسبق! مع ذلك، تأتي الحرارة بشكل أساسي من تسرب طفيف للحرارة المحيطة، وليس من السعة الحرارية الكبيرة للنظام كما في عملية التبريد المسبق. لذلك، تتشكل طبقة حدية سائلة ذات درجة حرارة عالية نسبيًا بالقرب من جدار الأنبوب، بدلًا من طبقة البخار. عندما يتدفق السائل في الأنبوب الرأسي، وبسبب تسرب الحرارة المحيطة، تنخفض الكثافة الحرارية للطبقة الحدية السائلة بالقرب من جدار الأنبوب. تحت تأثير الطفو، ينعكس اتجاه تدفق السائل إلى أعلى، مُشكلًا طبقة حدية سائلة ساخنة، بينما يتدفق السائل البارد في المركز إلى أسفل، مُشكلًا تأثير الحمل الحراري بينهما. تزداد سماكة الطبقة الحدية للسائل الساخن تدريجيًا على طول اتجاه التدفق الرئيسي حتى تحجب السائل المركزي تمامًا وتوقف الحمل الحراري. بعد ذلك، ولعدم وجود تيارات حرارية لتشتيت الحرارة، ترتفع درجة حرارة السائل في المنطقة الساخنة بسرعة. وعندما تصل درجة حرارة السائل إلى درجة حرارة التشبع، يبدأ بالغليان وإنتاج فقاعات. تعمل قنبلة غاز الزنجل على إبطاء صعود هذه الفقاعات.

بسبب وجود فقاعات في الأنبوب الرأسي، يؤدي رد فعل قوة القص اللزجة للفقاعة إلى تقليل الضغط الساكن في قاعها، مما يؤدي بدوره إلى ارتفاع درجة حرارة السائل المتبقي، وبالتالي إنتاج المزيد من البخار، الأمر الذي يُخفض الضغط الساكن، وهكذا، إلى حد ما، ينتج عن ذلك كمية كبيرة من البخار. وتحدث ظاهرة السخان، التي تُشبه الانفجار إلى حد ما، عندما يندفع سائل، مصحوبًا بوميض من البخار، عائدًا إلى الأنبوب. ويتسبب البخار الناتج عن السائل المندفع إلى الجزء العلوي من الخزان في تغييرات جذرية في درجة حرارة الخزان، مما يؤدي إلى تغييرات جذرية في الضغط. وعندما يكون تذبذب الضغط بين ذروته وقاعه، قد يصبح الخزان في حالة ضغط سلبي. ويؤدي تأثير فرق الضغط إلى تلف هيكلي في النظام.

بعد انفجار البخار، ينخفض ​​الضغط داخل الأنبوب بسرعة، ويُعاد حقن السائل المبرد في الأنبوب الرأسي بفعل الجاذبية. يُحدث هذا السائل عالي السرعة صدمة ضغط تُشبه ظاهرة المطرقة المائية، مما يؤثر بشكل كبير على النظام، وخاصة على المعدات الفضائية.

للقضاء على الضرر الناجم عن ظاهرة السخانات أو الحد منه، ينبغي في التطبيقات العملية، من جهة، الاهتمام بعزل نظام الأنابيب، لأن تسرب الحرارة هو السبب الرئيسي لهذه الظاهرة. ومن جهة أخرى، يمكن دراسة عدة حلول، منها: حقن غاز خامل غير مكثف، وحقن إضافي لسائل مبرد، وأنابيب تدوير. وتتلخص هذه الحلول في نقل الحرارة الزائدة من السائل المبرد، وتجنب تراكمها، وبالتالي منع حدوث ظاهرة السخانات.

في نظام حقن الغاز الخامل، يُستخدم الهيليوم عادةً كغاز خامل، ويُحقن في أسفل الأنبوب. يُمكن استغلال فرق ضغط البخار بين السائل والهيليوم لنقل بخار المنتج من السائل إلى كتلة الهيليوم، مما يُؤدي إلى تبخير جزء من السائل المبرد، وامتصاص الحرارة منه، وإنتاج تأثير التبريد الفائق، وبالتالي منع تراكم الحرارة الزائدة. يُستخدم هذا النظام في بعض أنظمة تعبئة وقود المركبات الفضائية. أما التعبئة التكميلية فتهدف إلى خفض درجة حرارة السائل المبرد بإضافة سائل مبرد فائق التبريد، بينما يهدف نظام إضافة أنبوب تدوير إلى إنشاء حالة دوران طبيعي بين الأنبوب والخزان، وذلك لنقل الحرارة الزائدة في مناطق محددة ومنع تكوّن السخانات.

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.