はじめに誘導

極低温技術の発展に伴い、極低温液体製品は国民経済、国防、科学研究など多くの分野で重要な役割を果たしてきました。極低温液体の応用は、極低温液体製品の効率的かつ安全な貯蔵・輸送に基礎を置いており、極低温液体のパイプライン輸送は貯蔵・輸送の全プロセスに関わっています。そのため、極低温液体パイプライン輸送の安全性と効率性を確保することは非常に重要です。極低温液体の輸送においては、輸送前にパイプライン内のガスを置換する必要があり、置換しないと運転不能につながる可能性があります。また、予冷プロセスは極低温液体製品輸送プロセスにおいて不可欠な要素です。このプロセスは、パイプラインに強い圧力衝撃などの悪影響をもたらします。さらに、垂直パイプラインにおける間欠泉現象や、分岐管への盲点充填、インターバル排水後の充填、バルブ開放後のエアチャンバー充填といったシステム運転の不安定現象は、機器やパイプラインに様々な悪影響を及ぼします。こうした状況を踏まえ、本稿では上記の問題について詳細な分析を行い、その解決策を見出すことを目指します。

伝送前のライン内のガスの置換

極低温技術の発展に伴い、極低温液体製品は国民経済、国防、科学研究など多くの分野で重要な役割を果たしてきました。極低温液体の応用は、極低温液体製品の効率的かつ安全な貯蔵・輸送に基礎を置いており、極低温液体のパイプライン輸送は貯蔵・輸送の全プロセスに関わっています。そのため、極低温液体パイプライン輸送の安全性と効率性を確保することは非常に重要です。極低温液体の輸送においては、輸送前にパイプライン内のガスを置換する必要があり、置換しないと運転不能につながる可能性があります。また、予冷プロセスは極低温液体製品輸送プロセスにおいて不可欠な要素です。このプロセスは、パイプラインに強い圧力衝撃などの悪影響をもたらします。さらに、垂直パイプラインにおける間欠泉現象や、分岐管への盲点充填、インターバル排水後の充填、バルブ開放後のエアチャンバー充填といったシステム運転の不安定現象は、機器やパイプラインに様々な悪影響を及ぼします。こうした状況を踏まえ、本稿では上記の問題について詳細な分析を行い、その解決策を見出すことを目指します。

パイプラインの予冷プロセス

極低温液体パイプラインの伝送プロセス全体において、安定した伝送状態を確立する前に、高温配管システムと受電設備の予冷、すなわち予冷工程が行われます。この工程では、パイプラインと受電設備は相当の収縮応力と衝撃圧力に耐えなければならないため、適切に制御する必要があります。

プロセスの分析から始めましょう。

予冷プロセス全体は、激しい蒸発過程から始まり、その後二相流となり、最終的にシステムが完全に冷却されると単相流となります。予冷プロセスの初期段階では、管壁温度は極低温液体の飽和温度を明らかに超え、極低温液体の上限温度、つまり究極の過熱温度さえも超えています。熱伝達により、管壁付近の液体は加熱され、瞬時に蒸発して蒸気膜を形成し、管壁を完全に取り囲みます。つまり、膜沸騰が発生します。その後、予冷プロセスに伴い、管壁の温度は徐々に限界過熱温度を下回り、遷移沸騰と気泡沸騰に好ましい条件が形成されます。この過程では大きな圧力変動が発生します。予冷がある程度まで進むと、配管の熱容量と環境からの熱侵入によって極低温液体は飽和温度まで加熱されず、単相流の状態になります。

激しい蒸発過程においては、劇的な流れと圧力の変動が発生します。圧力変動の全過程において、極低温液体が直接高温パイプに流入した後に初めて形成される最大圧力が、圧力変動の全過程における最大振幅であり、圧力波によってシステムの圧力容量を検証することができます。そのため、通常は最初の圧力波のみが研究対象となります。

バルブが開かれた後、極低温液体は圧力差の作用で急速にパイプラインに入り、蒸発によって生成された蒸気膜が液体をパイプ壁から分離し、同心円状の軸流を形成します。蒸気の抵抗係数が非常に小さいため、極低温液体の流量は非常に大きく、前進するにつれて、液体は熱を吸収して徐々に温度が上昇し、それに応じてパイプラインの圧力が上昇し、充填速度が遅くなります。パイプが十分に長い場合、液体の温度はある時点で飽和に達する必要があり、その時点で液体の前進が停止します。パイプ壁から極低温液体に伝わる熱はすべて蒸発に使用され、このとき蒸発速度が大幅に増加し、パイプライン内の圧力も上昇し、入口圧力の1.5〜2倍に達する場合があります。圧力差の作用により、一部の液体は極低温液体貯蔵タンクへと逆流し、蒸気発生速度が低下します。また、発生した蒸気の一部はパイプ出口から排出されるため、パイプ内の圧力が低下します。しばらくすると、パイプ内の液体は再び圧力差の状態に戻り、この現象が再び現れ、繰り返し発生します。しかし、その後の過程では、一定の圧力とパイプ内の一部の液体が存在するため、新たな液体による圧力上昇は小さく、圧力ピークは最初のピークよりも小さくなります。

予冷の全過程において、システムは大きな圧力波の衝撃を受けるだけでなく、冷気による大きな収縮応力にも耐えなければなりません。この2つの複合作用はシステムの構造的損傷を引き起こす可能性があるため、適切な制御対策を講じる必要があります。

予冷流量は予冷プロセスと冷収縮応力の大きさに直接影響するため、予冷流量を制御することで予冷プロセスを制御することができます。予冷流量の合理的な選択原則は、圧力変動と冷収縮応力が機器および配管の許容範囲を超えないことを前提に、より大きな予冷流量を使用して予冷時間を短縮することです。予冷流量が小さすぎると、配管の断熱性能が低下し、冷却状態に到達できない可能性があります。

予冷プロセスでは、二相流が発生するため、一般的な流量計では実際の流量を測定することができず、予冷流量制御の指針として使用することはできません。しかし、受容器の背圧を監視することで、間接的に流量の大きさを判断することができます。特定の条件下では、受容器の背圧と予冷流量の関係を解析的に求めることができます。予冷プロセスが単相流状態に移行すると、流量計で測定された実際の流量を用いて予冷流量制御を指針とすることができます。この方法は、ロケットの極低温液体推進剤の充填制御によく用いられます。

受入容器の背圧の変化は、予冷過程と以下のように対応しており、予冷段階を定性的に判断するために用いることができます。受入容器の排気能力が一定の場合、極低温液体の激しい蒸発により背圧は最初に急激に上昇しますが、その後、受入容器と配管の温度が低下するにつれて徐々に低下します。このとき、予冷能力は増加します。

他の質問については次の記事をお楽しみに！

HL極低温装置

HL Cryogenic Equipmentは1992年に設立され、HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co.,Ltd.傘下のブランドです。HL Cryogenic Equipmentは、高真空断熱極低温配管システムおよび関連サポート機器の設計・製造に注力し、お客様の多様なニーズにお応えしています。真空断熱パイプとフレキシブルホースは、高真空・多層マルチスクリーンの特殊断熱材を使用し、厳格な技術処理と高真空処理を経て製造されており、液体酸素、液体窒素、液体アルゴン、液体水素、液体ヘリウム、液化エチレンガス（LEG）、液化天然ガス（LNG）の輸送に使用されています。

HL Cryogenic Equipment Company の真空ジャケット パイプ、真空ジャケット ホース、真空ジャケット バルブ、相分離器の製品シリーズは、一連の非常に厳格な技術的処理を経たもので、液体酸素、液体窒素、液体アルゴン、液体水素、液体ヘリウム、LEG、LNG の移送に使用され、空気分離、ガス、航空、エレクトロニクス、超伝導、チップ、自動化アセンブリ、食品および飲料、製薬、病院、バイオバンク、ゴム、新素材製造、化学工学、鉄鋼、科学研究などの業界の極低温装置 (例: 極低温タンク、デュワー、コールドボックスなど) に使用されています。