Г.И. Абрамов, В.М. Бродянский. Хранение и транспорт ожиженных газов

2. Трубопроводы для ожиженных газов

Во многих криогенных системах приходится передавать значительные количества ожиженных газов или шуги [Шуга - смеси жидкости и кристаллов.] по трубам на различные расстояния - от 1-2 м до нескольких сотен метров. Давление, необходимое для преодоления сопротивления трубопровода и арматуры, создается либо парами самой жидкости в том резервуаре, откуда она подается, либо насосами. Различают четыре основных режима работы трубопровода:
1) нестационарный режим охлаждения первоначально теплого трубопровода:
2) стационарный режим течения однофазного жидкостного потока;
3) стационарный режим течения двухфазного потока кристаллы - жидкость;
4) стационарный режим течения двухфазного парожидкостного потока.

Охлаждение трубопровода сопровождается быстрым испарением поступающей жидкости и заполнением его газом. По мере охлаждения начального участка фронт жидкости перемещается по направлению к выходному отверстию и постепенно весь трубопровод охлаждается до рабочей температуры. Время, затрачиваемое на охлаждение, зависит от скорости подачи жидкости, которая определяется сопротивлением трубопровода потоку образующегося газа. Поскольку отношение объемов газа, образующегося из жидкости, и жидкости велико (в пределах 800-1000), пусковое время может быть весьма значительным. Для сокращения длительности периода охлаждения трубопроводов большой протяженности иногда используют ряд штуцеров, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, через которые выпускают газ, образующийся при испарении жидкости. Таким способом охлаждают трубопровод по участкам, не заставляя газ проходить по всему трубопроводу. При таком способе сокращается время охлаждения, но расход жидкости увеличивается, так как газ выводится через штуцера холодным. Расход жидкости на охлаждение трубопровода можно ориентировочно оценить с помощью табл. 3-3.

Таблица 3-3

Скорость звука, определяющая предельную скорость потока жидкости в трубе, в однофазных низкотемпературных жидкостях довольно высока (порядка 1000 м/с для азота, кислорода и водорода и около 200 м/с для гелия), но резко снижается в двухфазной смеси вследствие высокой адиабатической сжимаемости пара. Поэтому, для того чтобы производительность трубопровода была максимальной, необходимо стремиться к созданию однофазного потока в трубе. В случае подачи жидкости насосом этого можно достигнуть, направляя жидкость под давлением после насоса в теплообменник, охлаждаемый перекачиваемой жидкостью, находящейся под атмосферным давлением. Попадая в трубопровод, жидкость будет нагреваться до температуры насыщения, соответствующей давлению после насоса; двухфазного потока при течении жидкости в этом случае не получается.

Для изготовления трубопроводов используются нержавеющая сталь, алюминий и его сплавы, медь и медные сплавы.

Передача криогенных жидкостей с относительно высокой температурой кипения (кислород, азот, метан) на короткие расстояния (3-5 м) может производиться и по неизолированным трубам, что не сопряжено со значительными потерями в результате испарения. Слой снега (затвердевшая влага и углекислый газ), образующийся на наружной поверхности такой трубы, играет роль тепловой изоляции; кроме того, пленка пара, прилегающая к внутренней поверхности трубы, также обладает большим термическим сопротивлением. Промышленностью выпускаются гибкие металлические рукава, которыми пользуются при заполнении н опорожнении резервуаров для ожижения газов. Жидкий водород, неон, а тем более гелий передаются только по изолированным трубопроводам, так как в противном случае на холодной поверхности трубы происходит конденсация воздуха, связанная с большим тепловыделением, приводящим к испарению жидкости в трубопроводе.

Например, при образовании 1 л жидкого воздуха испаряется более 10 л жидкого водорода.

Применяются различные способы изоляции трубопроводов с помощью пористых, волокнистых и порошкообразных материалов (без вакуума), высоковакуумная, порошково-вакуумная и экранно-вакуумная изоляция.

На рис. 33 показано устройство трубопровода небольшой длины (1-3 м) для перелива жидких азота, водорода или гелия из одного сосуда в другой. Трубопровод имеет высоко-вакуумную изоляцию и снабжен на одном конце запорным вентилем. Открытие и закрытие вентиля осуществляется поворотом гайки 8. Соединения 5 и 3 осуществляются с помощью сильфона 4. Фиксация трубки 1 относительно трубки 2 производится с помощью проставок 9, выполняемых из нержавеющей стали (толщина - 0,3 мм) и имеющих треугольную форму.

Рис. 33. Переливная трубка (сифон): 1 - внутренняя трубка; 2 - кожух; 3 - муфта; 4 -сильфон; 5 - трубка; 6 -игла; 7 - отверстие для прохода жидкости; 8 - накладная гайка; 9 -дистанционная вставка; 10 - штуцер для откачки

Трубопроводы большой длины с высоковакуумной или порошково-вакуумной изоляцией изготавливаются в виде отдельных секций, а затем соединяются, например так, как показано на рис. 34.

Рис. 34. 1 - секция трубопровода; 2 - вакуумное про-странство; 3 - сварной шов внутренней трубы; 4 -кожух соединения, 5 - изоляция соединения

Вентили трубопроводов конструируются таким образом, чтобы приток тепла и гидравлическое сопротивление Их были минимальными. Наиболее часто они имеют длинные штоки, выполненные из тонкостенных труб нержавеющей стали; уплотнение штоков достигается с помощью сильфонов или сальников в теплой зоне.

Тепловой расчет стационарных режимов трубопроводов ожиженных газов в принципе ничем не отличается от теплового расчета низкотемпературной изоляции и тепловых мостов, что было рассмотрено в первой и второй части. Для ориентировочной оценки теплопритоков в трубопроводах для жидкого азота можно пользоваться табл. 3-4.

Таблица 3-4. Теплоприток в трубопроводах для жидкого азота (диаметр трубопровода 25 мм длина 6,1 м)

Для оценки теплопритока в трубопроводе для жидкого водорода можно воспользоваться следующими данными: а) трубопровод с высоковакуумной изоляцией - в результате теплопритока испаряется ~0,2 л/ч·пог.м.; б) трубопровод с экранно-вакуумной изоляцией - теплоприток 0,8-0,9 ккал/пог.м·ч.
[Данные для трубопровода с внутренним диаметром 9,5 мм.]