伝達における不安定なプロセス

極低温液体パイプラインの伝送過程において、極低温液体の特殊な性質とプロセス操作により、安定状態が確立される前の遷移状態において、常温流体とは異なる一連の不安定過程が発生します。この不安定過程は機器に大きな動的衝撃をもたらし、構造損傷を引き起こす可能性があります。例えば、米国のサターンV輸送ロケットの液体酸素充填システムでは、バルブ開放時に不安定過程の衝撃により注入ラインが破裂した事例があります。また、不安定過程が他の補助機器（バルブ、ベローズなど）の損傷を引き起こすケースもより多く見られます。極低温液体パイプラインの伝送過程における不安定過程には、主に、閉塞分岐管への充填、ドレン管内の液体の断続的な排出後の充填、そしてバルブ開放時に前部に空気室が形成される不安定過程が含まれます。これらの不安定過程に共通するのは、その本質は極低温液体による蒸気空洞への充填であり、二相界面で激しい熱と物質移動を引き起こし、システムパラメータの急激な変動を引き起こすことです。排水管から液体が断続的に排出された後の充填過程は、前方に空気室を形成したバルブを開いたときの不安定過程と類似しているため、以下では、盲分岐管が充填されるときと開放バルブが開かれたときの不安定過程のみを解析する。

不安定な盲管充填プロセス

システムの安全性と制御性を考慮すると、主輸送管に加えて、パイプラインシステムにはいくつかの補助分岐管を設置する必要があります。さらに、システム内の安全弁、排出弁、その他のバルブは、対応する分岐管を導入します。これらの分岐が機能していない場合、配管システムには盲管が形成されます。周囲環境からのパイプラインへの熱侵入は、必然的に盲管内に蒸気空洞の存在につながります（場合によっては、蒸気空洞は極低温液体への外界からの熱侵入を低減するために特別に使用されます）。遷移状態では、バルブの調整などによりパイプライン内の圧力が上昇します。圧力差の作用により、液体は蒸気室に充填されます。ガス室への充填プロセスにおいて、極低温液体の熱による蒸発によって生成された蒸気が液体を逆流させるのに十分でない場合、液体は常にガス室に充填されます。最終的に、空気空洞が充填された後、盲管シールで急激なブレーキ状態が形成され、シール付近に急激な圧力が発生します。

ブラインドチューブの充填プロセスは3段階に分かれています。第1段階では、液体は圧力差の作用により最大充填速度に達し、圧力が均衡するまで駆動されます。第2段階では、慣性により液体は前方に充填され続けます。このとき、逆方向の圧力差（充填プロセスに伴いガス室内の圧力が上昇する）により、液体の速度が低下します。第3段階は急速ブレーキ段階で、圧力の影響が最も大きくなります。

充填速度を低下させ、エアキャビティのサイズを縮小することで、盲管への充填時に発生する動的負荷を除去または制限することができます。長い配管システムの場合、液体の流量源を事前にスムーズに調整することで流速を低下させ、バルブを長時間閉じておくことができます。

構造面では、異なるガイド部品を使用して、盲枝管内の液体循環を強化し、空気キャビティのサイズを縮小し、盲枝管の入口に局所抵抗を導入するか、盲枝管の直径を大きくして充填速度を下げることができます。 また、点字管の長さと設置位置は二次水衝撃に影響を与えるため、設計とレイアウトに注意する必要があります。 パイプの直径を大きくすると動的負荷が軽減される理由は、次のように定性的に説明できます。盲枝管の充填では、枝管の流量は主管の流量によって制限され、定性分析では固定値と見なすことができます。 枝管の直径を大きくすることは、断面積を増やすことと等しく、充填速度を低下させることに相当し、負荷の軽減につながります。

バルブ開放の不安定なプロセス

バルブが閉じている状態では、周囲からの熱の侵入、特に熱橋を介した熱の侵入により、バルブ前面に急速に気室が形成されます。バルブが開くと、蒸気と液体が移動を開始します。ガス流量が液体流量よりもはるかに高いため、バルブ内の蒸気は排出後すぐには完全に開かず、急激な圧力低下を引き起こします。液体は圧力差の作用で前方に押し出されます。液体がバルブを完全に開かない状態で閉じると、ブレーキ状態が形成されます。このとき、水衝撃が発生し、強い動荷重が発生します。

バルブ開放時の不安定過程によって発生する動荷重を除去または低減する最も効果的な方法は、遷移状態における作動圧力を低減し、ガス室への充填速度を低減することです。また、制御性の高いバルブの使用、配管断面の方向変更、小径専用バイパス配管の導入（ガス室のサイズ縮小）も動荷重低減に効果があります。特に、盲枝管の径を大きくすることで盲枝管が充填される際の動荷重低減とは異なり、バルブ開放時の不安定過程においては、主管径を大きくすることは均一管抵抗の低減に相当し、充填された空気室の流量を増加させ、水衝値を高めることに留意する必要があります。

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。

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