イントロ生産

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います。極低温液体の利用は、極低温液体製品の効率的かつ安全な貯蔵と輸送に基づいており、極低温液体のパイプライン輸送は、貯蔵と輸送の全過程を網羅しています。したがって、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、そうしないと運転上の不具合が発生する可能性があります。予冷プロセスは、極低温液体製品の輸送プロセスにおいて不可欠なステップです。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噴出現象や、盲分岐管充填、間隔排水後の充填、バルブ開放後の空気室充填などの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程度の悪影響を及ぼします。本稿では、これらの問題点について詳細な分析を行い、分析を通じて解決策を見出すことを目指します。

送電前の配管内のガスの移動

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います。極低温液体の利用は、極低温液体製品の効率的かつ安全な貯蔵と輸送に基づいており、極低温液体のパイプライン輸送は、貯蔵と輸送の全過程を網羅しています。したがって、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、そうしないと運転上の不具合が発生する可能性があります。予冷プロセスは、極低温液体製品の輸送プロセスにおいて不可欠なステップです。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噴出現象や、盲分岐管充填、間隔排水後の充填、バルブ開放後の空気室充填などの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程度の悪影響を及ぼします。本稿では、これらの問題点について詳細な分析を行い、分析を通じて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輸送の全過程において、安定した輸送状態を確立する前に、予冷および加熱配管システムと受入機器のプロセス、すなわち予冷プロセスが行われます。このプロセスでは、パイプラインと受入機器は相当な収縮応力と衝撃圧力に耐える必要があるため、これを制御する必要があります。

まずはそのプロセスを分析することから始めましょう。

予冷プロセス全体は激しい蒸発プロセスから始まり、その後二相流が現れます。最終的に、システムが完全に冷却された後に単相流が現れます。予冷プロセスの開始時、壁面温度は明らかに極低温液体の飽和温度を超え、極低温液体の上限温度、すなわち最終過熱温度さえも超えます。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、管壁を完全に覆います。つまり、膜沸騰が発生します。その後、予冷プロセスによって管壁の温度は徐々に限界過熱温度以下に低下し、遷移沸騰および泡沸騰に好ましい条件が形成されます。このプロセス中に大きな圧力変動が発生します。予冷が一定の段階まで行われると、配管の熱容量と環境からの熱侵入によって極低温液体が飽和温度まで加熱されず、単相流の状態が現れます。

激しい蒸発過程において、劇的な流量と圧力の変動が生じる。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入った後に最初に発生する最大圧力は、圧力変動の全過程における最大振幅であり、この圧力波によってシステムの耐圧性能を検証することができる。したがって、一般的には最初の圧力波のみが研究対象となる。

バルブが開くと、圧力差の作用により極低温液体がパイプラインに急速に流入し、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、同心円状の軸方向の流れを形成します。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なり、前進するにつれて、液体の温度は熱吸収により徐々に上昇し、それに伴いパイプライン圧力が上昇し、充填速度が低下します。パイプが十分に長ければ、液体の温度はある時点で飽和に達し、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 倍に達することがあります。圧力差の作用により、液体の一部が極低温液体貯蔵タンクに押し戻され、蒸気発生速度が低下します。また、発生した蒸気の一部が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、一定時間後にパイプライン内の液体が再び圧力差の状態になり、この現象が再び発生します。このようにして、このプロセスが繰り返されます。ただし、後続のプロセスでは、パイプ内に一定の圧力と液体の一部が存在するため、新しい液体によって引き起こされ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に耐えるだけでなく、低温による大きな収縮応力にも耐えなければなりません。これら二つの複合的な作用は、システムに構造的な損傷を与える可能性があるため、適切な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できます。予冷流量の適切な選択原則は、圧力変動と冷収縮応力が機器や配管の許容範囲を超えないことを前提として、より大きな予冷流量を使用することで予冷時間を短縮することです。予冷流量が小さすぎると、配管の断熱性能が悪くなり、冷却状態に達しない可能性があります。

予冷工程では、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、予冷流量の制御に用いることができません。しかし、受容器の背圧を監視することで、流量の大きさを間接的に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。予冷工程が単相流状態になると、流量計で測定した実際の流量を用いて予冷流量の制御を行うことができます。この方法は、ロケット用極低温液体推進剤の充填制御によく用いられます。

受容器の背圧の変化は、予冷プロセスに対応しており、予冷段階を定性的に判断するために使用できます。受容器の排気容量が一定の場合、最初は極低温液体の激しい蒸発により背圧が急速に上昇し、その後、受容器と配管の温度低下に伴って徐々に低下します。このとき、予冷能力が増加します。

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HL極低温機器

1992年に設立されたHL Cryogenic Equipmentは、HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co.,Ltd.傘下のブランドです。HL Cryogenic Equipmentは、お客様の多様なニーズに応えるため、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・製造に取り組んでいます。真空断熱パイプとフレキシブルホースは、高真空・多層・多層構造の特殊断熱材で製造され、一連の非常に厳格な技術処理と高真空処理を経て、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）の移送に使用されます。

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、および相分離器の製品シリーズは、一連の非常に厳格な技術処理を経ており、液体酸素、液体窒素、液体アルゴン、液体水素、液体ヘリウム、LEG、LNGの移送に使用され、これらの製品は、空気分離、ガス、航空、電子機器、超伝導体、チップ、自動化組立、食品・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、科学研究などの産業における極低温機器（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。