Introductioninduction

Avec le développement des technologies cryogéniques, les produits liquides cryogéniques jouent un rôle important dans de nombreux domaines tels que l'économie nationale, la défense nationale et la recherche scientifique. L'utilisation des liquides cryogéniques repose sur leur stockage et leur transport efficaces et sûrs. Le transport par pipeline de ces produits englobe l'ensemble du processus, du stockage au transport. Il est donc primordial d'assurer la sécurité et l'efficacité de ce transport. Avant le transport, il est nécessaire de remplacer le gaz présent dans le pipeline, sous peine de dysfonctionnement. Le prérefroidissement est une étape incontournable du transport des produits liquides cryogéniques. Ce processus engendre de fortes variations de pression et d'autres effets néfastes sur le pipeline. De plus, le phénomène de geyser dans les conduites verticales et les instabilités de fonctionnement du système, telles que le remplissage des dérivations, le remplissage après des vidanges et le remplissage des chambres à air après l'ouverture des vannes, peuvent avoir des conséquences néfastes plus ou moins importantes sur les équipements et le pipeline. Compte tenu de ce qui précède, cet article propose une analyse approfondie des problèmes susmentionnés et espère trouver une solution grâce à cette analyse.

Déplacement du gaz dans la conduite avant transmission

Avec le développement des technologies cryogéniques, les produits liquides cryogéniques jouent un rôle important dans de nombreux domaines tels que l'économie nationale, la défense nationale et la recherche scientifique. L'utilisation des liquides cryogéniques repose sur leur stockage et leur transport efficaces et sûrs. Le transport par pipeline de ces produits englobe l'ensemble du processus, du stockage au transport. Il est donc primordial d'assurer la sécurité et l'efficacité de ce transport. Avant le transport, il est nécessaire de remplacer le gaz présent dans le pipeline, sous peine de dysfonctionnement. Le prérefroidissement est une étape incontournable du transport des produits liquides cryogéniques. Ce processus engendre de fortes variations de pression et d'autres effets néfastes sur le pipeline. De plus, le phénomène de geyser dans les conduites verticales et les instabilités de fonctionnement du système, telles que le remplissage des dérivations, le remplissage après des vidanges et le remplissage des chambres à air après l'ouverture des vannes, peuvent avoir des conséquences néfastes plus ou moins importantes sur les équipements et le pipeline. Compte tenu de ce qui précède, cet article propose une analyse approfondie des problèmes susmentionnés et espère trouver une solution grâce à cette analyse.

Le processus de prérefroidissement du pipeline

Dans le processus de transport de liquides cryogéniques par pipeline, avant l'établissement d'un régime de transport stable, une étape de pré-refroidissement est nécessaire, impliquant le système de tuyauterie chaude et les équipements de réception. Durant cette étape, la tuyauterie et les équipements de réception subissent des contraintes de retrait et des pressions d'impact considérables, qui doivent donc être maîtrisées.

Commençons par une analyse du processus.

L'ensemble du processus de prérefroidissement débute par une vaporisation rapide, suivie de l'apparition d'un écoulement diphasique. Finalement, un écoulement monophasique apparaît une fois le système complètement refroidi. Au début du prérefroidissement, la température de la paroi dépasse largement la température de saturation du fluide cryogénique, voire sa température limite supérieure de surchauffe. Sous l'effet des transferts thermiques, le liquide au contact de la paroi du tube s'échauffe et se vaporise instantanément, formant un film de vapeur qui l'enveloppe complètement : c'est l'ébullition pelliculaire. Ensuite, au fur et à mesure du prérefroidissement, la température de la paroi du tube chute progressivement en dessous de la température limite de surchauffe, créant ainsi les conditions favorables à l'ébullition de transition et à l'ébullition à bulles. De fortes fluctuations de pression se produisent durant ce processus. Lorsque le prérefroidissement atteint un certain stade, la capacité thermique de la canalisation et l'apport de chaleur de l'environnement ne suffisent plus à porter le fluide cryogénique à la température de saturation, et l'écoulement monophasique s'établit.

Lors d'une vaporisation intense, des fluctuations importantes de débit et de pression se produisent. Parmi ces fluctuations, la pression maximale atteinte lors de l'entrée du liquide cryogénique dans le tube chaud correspond à l'amplitude maximale de l'ensemble des variations de pression. Cette onde de pression permet de vérifier la capacité de pression du système. C'est pourquoi, généralement, seule la première onde de pression est étudiée.

Après l'ouverture de la vanne, le liquide cryogénique pénètre rapidement dans la conduite sous l'effet de la différence de pression. Le film de vapeur généré par vaporisation sépare le liquide de la paroi du tuyau, créant un flux axial concentrique. Le coefficient de résistance de la vapeur étant très faible, le débit du liquide cryogénique est très élevé. Au fur et à mesure de sa progression, la température du liquide augmente progressivement par absorption de chaleur, ce qui accroît la pression dans la conduite et ralentit le remplissage. Si la conduite est suffisamment longue, la température du liquide atteint un certain point de saturation, interrompant ainsi sa progression. La chaleur transférée de la paroi du tuyau au liquide cryogénique est alors entièrement utilisée pour l'évaporation. La vitesse d'évaporation augmente considérablement, de même que la pression dans la conduite, qui peut atteindre 1,5 à 2 fois la pression d'entrée. Sous l'effet de la différence de pression, une partie du liquide est refoulée vers le réservoir de stockage cryogénique, ce qui ralentit la production de vapeur. Cette vapeur, évacuée par la sortie de la conduite, provoque une chute de pression. Après un certain temps, la conduite retrouve les conditions de différence de pression initiales, et le phénomène se répète. Cependant, lors de ce processus, la présence d'une certaine pression et d'une partie du liquide dans la conduite limite l'augmentation de pression due à l'introduction de nouveau liquide. Par conséquent, le pic de pression est inférieur au premier.

Durant toute la phase de prérefroidissement, le système doit non seulement supporter une forte onde de pression, mais aussi une importante contrainte de retrait due au froid. L'action combinée de ces deux phénomènes peut engendrer des dommages structurels ; des mesures de contrôle doivent donc être mises en œuvre.

Le débit de prérefroidissement influençant directement le processus de prérefroidissement et l'importance des contraintes de retrait à froid, il est possible de le contrôler en agissant sur ce débit. Le principe de choix judicieux du débit de prérefroidissement consiste à réduire la durée du prérefroidissement en augmentant ce débit, tout en veillant à ce que les fluctuations de pression et les contraintes de retrait à froid restent dans les limites admissibles des équipements et des canalisations. Un débit de prérefroidissement insuffisant compromet l'isolation de la canalisation et peut empêcher l'atteinte du refroidissement complet.

Lors du prérefroidissement, la présence d'un écoulement diphasique empêche la mesure précise du débit avec un débitmètre classique, ce qui rend ce dernier inutilisable pour le contrôle du débit de prérefroidissement. Cependant, il est possible d'estimer indirectement le débit en surveillant la contre-pression dans le réservoir récepteur. Sous certaines conditions, la relation entre la contre-pression et le débit de prérefroidissement peut être déterminée par une méthode analytique. Lorsque le prérefroidissement atteint un régime monophasique, le débit mesuré par le débitmètre permet alors de contrôler le débit de prérefroidissement. Cette méthode est fréquemment employée pour le remplissage des réservoirs de propergol liquide cryogénique destinés aux fusées.

La variation de la contre-pression dans le réservoir récepteur correspond au processus de prérefroidissement et permet d'évaluer qualitativement la phase de prérefroidissement : lorsque le débit du réservoir récepteur est constant, la contre-pression augmente d'abord rapidement en raison de la vaporisation intense du liquide cryogénique, puis diminue progressivement avec la baisse de température du réservoir et de la canalisation. À ce stade, l'efficacité du prérefroidissement augmente.

Rendez-vous dans le prochain article pour répondre à d'autres questions !

Équipement cryogénique HL

HL Cryogenic Equipment, fondée en 1992, est une marque affiliée à la société HL Cryogenic Equipment Co., Ltd. Spécialisée dans la conception et la fabrication de systèmes de tuyauterie cryogénique à isolation sous vide poussé et d'équipements associés, HL Cryogenic Equipment répond aux besoins variés de ses clients. Les tuyaux et flexibles à isolation sous vide sont fabriqués à partir de matériaux isolants spéciaux multicouches à écrans multiples et sous vide poussé. Ils subissent une série de traitements techniques rigoureux, notamment un traitement sous vide poussé, et sont utilisés pour le transport d'oxygène liquide, d'azote liquide, d'argon liquide, d'hydrogène liquide, d'hélium liquide, d'éthylène gazeux liquéfié (LEG) et de gaz naturel liquéfié (GNL).

La gamme de produits de HL Cryogenic Equipment Company, composée de tuyaux, flexibles, vannes et séparateurs de phases à double enveloppe sous vide, a subi une série de traitements techniques extrêmement rigoureux. Ces produits sont utilisés pour le transfert d'oxygène liquide, d'azote liquide, d'argon liquide, d'hydrogène liquide, d'hélium liquide, de GNL et de LEG. Ils sont destinés aux équipements cryogéniques (réservoirs cryogéniques, dewars, boîtes froides, etc.) dans les secteurs de la séparation de l'air, des gaz, de l'aéronautique, de l'électronique, des supraconducteurs, des semi-conducteurs, de l'assemblage automatisé, de l'agroalimentaire, de la pharmacie, des hôpitaux, des biobanques, du caoutchouc, de la fabrication de nouveaux matériaux, du génie chimique, de la sidérurgie et de la recherche scientifique, etc.