Phénomène des geysers

Le phénomène de geyser désigne le phénomène d'éruption provoqué par le transport d'un liquide cryogénique le long d'un long tuyau vertical (le rapport longueur/diamètre atteignant une certaine valeur) en raison des bulles produites par la vaporisation du liquide, et la polymérisation entre les bulles se produit avec l'augmentation du nombre de bulles, et finalement le liquide cryogénique est refoulé hors de l'entrée du tuyau.

Des geysers peuvent se produire lorsque le débit dans la canalisation est faible, mais il faut les remarquer seulement lorsque le débit s'arrête.

Lorsqu'un liquide cryogénique s'écoule verticalement dans une conduite, le processus est similaire à un prérefroidissement. Le liquide cryogénique bout et se vaporise sous l'effet de la chaleur, contrairement au prérefroidissement. Cependant, cette chaleur provient principalement de la faible infiltration de chaleur ambiante, et non de la capacité thermique plus importante du système comme lors du prérefroidissement. Par conséquent, une couche limite liquide à température relativement élevée se forme près de la paroi du tube, au lieu d'un film de vapeur. Lorsque le liquide s'écoule dans la conduite verticale, l'infiltration de chaleur ambiante entraîne une diminution de la densité thermique de la couche limite près de la paroi. Sous l'effet de la poussée d'Archimède, le fluide remonte, formant une couche limite chaude, tandis que le fluide froid au centre s'écoule vers le bas, créant une convection entre les deux. La couche limite chaude s'épaissit progressivement dans le sens de l'écoulement jusqu'à bloquer complètement le fluide central et interrompre la convection. Dès lors, faute de convection pour évacuer la chaleur, la température du liquide dans la zone chaude augmente rapidement. Une fois que la température du liquide atteint la température de saturation, il commence à bouillir et à produire des bulles. La bombe à gaz Zingle ralentit la montée des bulles.

En raison de la présence de bulles dans la conduite verticale, la force de cisaillement visqueuse exercée par ces bulles réduit la pression statique à leur base, ce qui provoque une surchauffe du liquide restant et la production de vapeur. Cette vapeur, à son tour, diminue la pression statique, et ce processus d'amplification mutuelle engendre, dans une certaine mesure, une importante production de vapeur. Le phénomène de geyser, comparable à une explosion, se produit lorsqu'un liquide, chargé de vapeur, est refoulé dans la conduite. La vapeur ainsi générée, combinée au liquide refoulé dans la partie supérieure du réservoir, provoque des variations importantes de température et, par conséquent, de pression. Lors des fluctuations de pression, il est possible que le réservoir se retrouve en dépression. Cette différence de pression peut endommager la structure du système.

Après l'éruption de vapeur, la pression dans la conduite chute brutalement et le liquide cryogénique est réinjecté dans la conduite verticale sous l'effet de la gravité. Le liquide à grande vitesse produit un choc de pression comparable à un coup de bélier, qui a un impact considérable sur le système, notamment sur les équipements spatiaux.

Afin d'éliminer ou de réduire les dommages causés par le phénomène de geyser, il convient, d'une part, de veiller à l'isolation du réseau de canalisations, car l'infiltration de chaleur est la cause principale de ce phénomène ; d'autre part, plusieurs solutions peuvent être envisagées : l'injection de gaz inerte non condensable, l'injection complémentaire de liquide cryogénique et la mise en place d'une canalisation de recirculation. L'objectif principal de ces solutions est d'évacuer l'excès de chaleur du liquide cryogénique, d'éviter son accumulation et, ainsi, de prévenir l'apparition du phénomène de geyser.

Dans le système d'injection de gaz inerte, l'hélium est généralement utilisé et injecté à la base de la conduite. La différence de pression de vapeur entre le liquide et l'hélium permet le transfert de masse de la vapeur du produit du liquide vers l'hélium, vaporisant ainsi une partie du liquide cryogénique, absorbant sa chaleur et induisant un refroidissement excessif, ce qui empêche l'accumulation de chaleur. Ce système est employé dans certains systèmes de remplissage de propergol spatial. Le remplissage complémentaire consiste à abaisser la température du liquide cryogénique par ajout de liquide cryogénique surfondu, tandis que l'ajout d'une conduite de circulation vise à établir une circulation naturelle entre la conduite et le réservoir, permettant ainsi d'évacuer localement l'excès de chaleur et d'empêcher la formation de geysers.

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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.