소개유도

극저온 기술의 발전으로 극저온 액체 제품은 국가 경제, 국방, 과학 연구 등 여러 분야에서 중요한 역할을 해왔습니다. 극저온 액체의 적용은 극저온 액체 제품의 효과적이고 안전한 저장 및 운송에 기반하며, 극저온 액체의 파이프라인 이송은 저장 및 운송의 전 과정을 거쳐 이루어집니다. 따라서 극저온 액체 파이프라인 이송의 안전성과 효율성을 확보하는 것은 매우 중요합니다. 극저온 액체 이송을 위해서는 이송 전 파이프라인 내 가스를 교체해야 하며, 그렇지 않으면 작동 불량을 초래할 수 있습니다. 예냉 과정은 극저온 액체 제품 이송 과정에서 필수적인 과정입니다. 이 과정은 파이프라인에 강한 압력 충격 및 기타 부정적인 영향을 미칩니다. 또한, 수직 파이프라인의 가이저 현상과 블라인드 분지관 충진, 간헐 배수 후 충진, 밸브 개방 후 공기실 충진과 같은 시스템 작동 불안정 현상은 장비 및 파이프라인에 여러 가지 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 점을 고려하여 본 논문에서는 이러한 문제들을 심층적으로 분석하고, 분석을 통해 해결책을 모색하고자 합니다.

전송 전 라인 내 가스 변위

극저온 기술의 발전으로 극저온 액체 제품은 국가 경제, 국방, 과학 연구 등 여러 분야에서 중요한 역할을 해왔습니다. 극저온 액체의 적용은 극저온 액체 제품의 효과적이고 안전한 저장 및 운송에 기반하며, 극저온 액체의 파이프라인 이송은 저장 및 운송의 전 과정을 거쳐 이루어집니다. 따라서 극저온 액체 파이프라인 이송의 안전성과 효율성을 확보하는 것은 매우 중요합니다. 극저온 액체 이송을 위해서는 이송 전 파이프라인 내 가스를 교체해야 하며, 그렇지 않으면 작동 불량을 초래할 수 있습니다. 예냉 과정은 극저온 액체 제품 이송 과정에서 필수적인 과정입니다. 이 과정은 파이프라인에 강한 압력 충격 및 기타 부정적인 영향을 미칩니다. 또한, 수직 파이프라인의 가이저 현상과 블라인드 분지관 충진, 간헐 배수 후 충진, 밸브 개방 후 공기실 충진과 같은 시스템 작동 불안정 현상은 장비 및 파이프라인에 여러 가지 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 점을 고려하여 본 논문에서는 이러한 문제들을 심층적으로 분석하고, 분석을 통해 해결책을 모색하고자 합니다.

파이프라인의 예냉 과정

극저온 액체 파이프라인 전송의 전체 과정에서 안정적인 전송 상태를 구축하기 전에 예냉 및 고온 배관 시스템과 수용 장비 공정, 즉 예냉 과정이 필요합니다. 이 과정에서 파이프라인과 수용 장비는 상당한 수축 응력과 충격 압력을 견뎌야 하므로 제어가 필수적입니다.

먼저 프로세스 분석부터 시작해 보겠습니다.

전체 예냉 과정은 격렬한 기화 과정으로 시작하여 2상 유동이 나타납니다. 마지막으로 시스템이 완전히 냉각된 후 단상 유동이 나타납니다. 예냉 과정 초기에는 벽 온도가 극저온 액체의 포화 온도를 명백히 초과하고, 심지어 극저온 액체의 상한 온도, 즉 최종 과열 온도를 초과합니다. 열전달로 인해 관 벽 근처의 액체가 가열되고 순간적으로 기화되어 증기막을 형성하고, 이 증기막이 관 벽을 완전히 둘러싸는 막비등이 발생합니다. 이후 예냉 과정에서 관 벽의 온도는 점차 한계 과열 온도 아래로 떨어지면서 천이 비등 및 기포 비등에 유리한 조건이 형성됩니다. 이 과정에서 큰 압력 변동이 발생합니다. 예냉이 특정 단계까지 진행되면 파이프라인의 열용량과 주변 환경의 열 침투로 인해 극저온 액체가 포화 온도까지 가열되지 않아 단상 유동 상태가 나타납니다.

강렬한 기화 과정에서는 급격한 유량 및 압력 변동이 발생합니다. 압력 변동의 전체 과정에서 극저온 액체가 고온관에 직접 유입된 후 처음으로 형성되는 최대 압력이 전체 압력 변동 과정의 최대 진폭이며, 압력파는 시스템의 압력 용량을 검증할 수 있습니다. 따라서 일반적으로 첫 번째 압력파만 연구합니다.

밸브가 열린 후, 극저온 액체는 압력차의 작용으로 빠르게 파이프라인으로 유입되고, 증발에 의해 생성된 증기막은 액체를 파이프 벽에서 분리하여 동심원 축류를 형성합니다.증기의 저항계수가 매우 작기 때문에 극저온 액체의 유량이 매우 크지만, 전진함에 따라 액체의 온도가 열 흡수로 인해 점차 상승하여 파이프라인 압력이 증가하고 충전 속도가 느려집니다.파이프가 충분히 길면 액체 온도가 어느 시점에서 포화에 도달해야 하며, 이때 액체는 전진을 멈춥니다.파이프 벽에서 극저온 액체로 유입되는 열은 모두 증발에 사용되며, 이때 증발 속도가 크게 증가하고 파이프라인의 압력도 증가하여 입구 압력의 1.5~2배에 도달할 수 있습니다. 압력차의 작용으로 액체의 일부가 극저온 액체 저장 탱크로 다시 유입되어 증기 발생 속도가 느려지고, 배관 출구에서 배출되는 증기의 일부가 배관 압력 강하를 일으키며, 일정 시간 후 배관은 액체를 압력차 조건으로 다시 되돌려 이 현상이 반복됩니다. 그러나 이후 과정에서는 배관 내 일부 액체에 일정 압력이 가해지기 때문에 새로운 액체로 인한 압력 상승이 미미하여 압력 피크가 처음 피크보다 작아집니다.

예냉 과정 전체에서 시스템은 큰 압력파 충격뿐만 아니라 저온으로 인한 큰 수축 응력도 감당해야 합니다. 이 두 가지 작용이 복합적으로 작용하면 시스템에 구조적 손상을 초래할 수 있으므로, 이를 제어하기 위한 필요한 조치를 취해야 합니다.

예냉 유량은 예냉 과정과 냉간 수축 응력의 크기에 직접적인 영향을 미치므로, 예냉 유량을 제어하여 예냉 과정을 제어할 수 있습니다. 예냉 유량의 합리적인 선택 원칙은 압력 변동과 냉간 수축 응력이 장비 및 파이프라인의 허용 범위를 초과하지 않도록 하는 전제 하에 더 큰 예냉 유량을 사용하여 예냉 시간을 단축하는 것입니다. 예냉 유량이 너무 적으면 파이프라인의 단열 성능이 저하되어 냉각 상태에 도달하지 못할 수 있습니다.

예냉 과정에서는 2상 유동이 발생하기 때문에 일반적인 유량계로는 실제 유량을 측정할 수 없으므로 예냉 유량 제어에 사용할 수 없습니다. 그러나 수취 용기의 배압을 모니터링하여 유량의 크기를 간접적으로 판단할 수 있습니다. 특정 조건에서 수취 용기의 배압과 예냉 유량 간의 관계는 분석적인 방법으로 결정할 수 있습니다. 예냉 과정이 단상 유동 상태로 진행되면 유량계로 측정된 실제 유량을 사용하여 예냉 유량을 제어할 수 있습니다. 이 방법은 로켓용 극저온 액체 추진제의 충전을 제어하는 데 자주 사용됩니다.

수용 용기의 배압 변화는 예냉 과정과 다음과 같이 일치하며, 이를 통해 예냉 단계를 정성적으로 판단할 수 있습니다. 수용 용기의 배기 용량이 일정할 때, 처음에는 극저온 액체의 급격한 기화로 인해 배압이 급격히 증가하다가 수용 용기와 파이프라인의 온도가 감소함에 따라 점차 감소합니다. 이때 예냉 용량이 증가합니다.

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HL 극저온 장비

1992년에 설립된 HL Cryogenic Equipment는 HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co.,Ltd의 계열사입니다. HL Cryogenic Equipment는 고객의 다양한 요구를 충족하기 위해 고진공 단열 초저온 배관 시스템 및 관련 지원 장비의 설계 및 제조에 전념하고 있습니다. 진공 단열 파이프와 플렉시블 호스는 고진공 및 다층 다층 스크린 특수 단열 재료로 제작되며, 일련의 매우 엄격한 기술 처리 및 고진공 처리를 거쳐 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤, 액체 수소, 액체 헬륨, 액화 에틸렌 가스(LEG) 및 액화 천연 가스(LNG)의 이송에 사용됩니다.

HL 극저온 장비 회사의 진공 재킷 파이프, 진공 재킷 호스, 진공 재킷 밸브, 상 분리기 제품군은 일련의 매우 엄격한 기술 처리를 거쳐 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤, 액체 수소, 액체 헬륨, LEG 및 LNG를 이송하는 데 사용되며, 이러한 제품은 공기 분리, 가스, 항공, 전자, 초전도체, 칩, 자동화 조립, 식음료, 약국, 병원, 바이오뱅크, 고무, 신소재 제조, 화학 공학, 철강 및 과학 연구 등의 산업에서 극저온 장비(예: 극저온 탱크, 듀어 및 콜드박스 등)에 서비스됩니다.