간헐천 현상

게이저 현상이란 극저온 액체가 수직의 긴 관(길이-직경 비율이 특정 값에 도달하는 것을 말함)을 따라 이송될 때 발생하는 분출 현상을 말하며, 이는 액체의 기화로 인해 생성된 기포에 의해 발생하고, 기포의 증가에 따라 기포 간의 중합이 일어나 최종적으로 극저온 액체가 관 입구로 역류하게 됩니다.

간헐천은 파이프라인의 흐름 속도가 느릴 때 발생할 수 있지만, 흐름이 멈췄을 때만 주의해야 합니다.

극저온 액체가 수직 파이프라인을 따라 아래로 흐를 때, 이는 예냉 과정과 유사합니다. 극저온 액체는 열로 인해 끓고 기화되는데, 이는 예냉 과정과는 다릅니다! 그러나 열은 주로 예냉 과정에서 발생하는 큰 시스템 열용량보다는 주변 열의 작은 침투에서 발생합니다. 따라서 증기막보다는 튜브 벽 근처에 비교적 높은 온도의 액체 경계층이 형성됩니다. 액체가 수직 파이프라인을 따라 흐를 때, 주변 환경의 열 침투로 인해 파이프 벽 근처 유체 경계층의 열 밀도가 감소합니다. 부력의 작용으로 유체는 위쪽으로 역류하여 뜨거운 유체 경계층을 형성하는 반면, 중앙의 차가운 유체는 아래쪽으로 흐르면서 두 경계층 사이에 대류 효과가 발생합니다. 뜨거운 유체의 경계층은 주류 방향을 따라 점차 두꺼워져 중앙 유체를 완전히 차단하고 대류를 멈춥니다. 그 후에는 열을 빼앗아갈 대류가 없기 때문에 뜨거운 영역의 액체 온도가 빠르게 상승합니다. 액체의 온도가 포화 온도에 도달하면 끓기 시작하여 거품이 발생합니다. 징글 가스 폭탄은 거품의 상승을 늦춥니다.

수직 파이프에 기포가 존재하기 때문에 기포의 점성 전단력에 대한 반응으로 기포 바닥의 정압이 감소하고, 이로 인해 남아 있는 액체가 과열되어 더 많은 증기가 생성되고, 이는 다시 정압을 낮추어 어느 정도 상호 촉진을 통해 많은 증기가 생성됩니다. 폭발과 다소 유사한 간헐천 현상은 증기를 머금은 액체가 파이프라인으로 다시 분출될 때 발생합니다. 일정량의 증기가 발생하고 액체가 탱크 상부 공간으로 분출되면 탱크 공간의 전체 온도가 급격히 변하여 압력이 급격히 변합니다. 압력 변동이 압력의 최고점과 최저점에 있을 때 탱크는 음압 상태가 될 수 있습니다. 압력 차이의 영향은 시스템의 구조적 손상으로 이어질 수 있습니다.

증기 분출 후, 배관 내 압력이 급격히 떨어지고, 극저온 액체는 중력의 영향으로 수직 배관으로 재주입됩니다. 고속 액체는 수격 현상과 유사한 압력 충격을 발생시켜 시스템, 특히 우주 장비에 큰 영향을 미칩니다.

간헐천 현상으로 인한 피해를 제거하거나 줄이기 위해서는, 열 침투가 간헐천 현상의 근본 원인이기 때문에 배관 시스템의 단열에 주의를 기울여야 합니다. 또한, 불활성 비응축 가스 주입, 극저온 액체 보충 주입, 순환 배관 등 여러 가지 방안을 검토할 수 있습니다. 이러한 방안의 핵심은 극저온 액체의 과열을 전달하여 과열 축적을 방지하고 간헐천 현상 발생을 예방하는 것입니다.

불활성 가스 주입 방식에서는 일반적으로 헬륨을 불활성 가스로 사용하고, 헬륨을 파이프라인 바닥에 주입합니다. 액체와 헬륨 사이의 증기압 차이를 이용하여 생성 증기를 액체에서 헬륨으로 질량 전달하여 극저온 액체의 일부를 기화시키고, 극저온 액체의 열을 흡수하여 과냉각 효과를 발생시켜 과도한 열 축적을 방지합니다. 이 방식은 일부 우주 추진제 충전 시스템에서 사용됩니다. 보충 충전은 과냉각된 극저온 액체를 추가하여 극저온 액체의 온도를 낮추는 반면, 순환 파이프라인 추가 방식은 파이프라인을 추가하여 파이프라인과 탱크 사이에 자연 순환 조건을 구축하여 과도한 열을 국부적으로 전달하고 간헐천 생성 조건을 파괴하는 것입니다.

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HL 극저온 장비

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