hydrogen transfer line

8/7/2019 hydrogen transfer line

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I n t . J , H y d r o g e n E n e r g y , Vol . 10 , No. 2 , pp . 125--130, 1985.P r i n t e d i n G r e a t B r i t a i n . 0360--3199/85 $3.00 + 0.00P e r g a m o n P r e s s L i d1 9 8 5 I n t e r n a t i o n a l A s s o c i a t i o n f o r H y d r o g e n E n e r g y

THE DESIGN AND CONSTRUCTION OF A LIQUID HYDROGENTRANSFER LINED . Z . C H E N a n d H . J . L I u

De par tm ent o f Ene rgy Sources and Pow er Engineering, Xian Jiaotong University , Xian, China(Received 6 Aug ust 1984)

A bstr act- -Th is pape r deals with the design me thod and construction considerat ions o f l iquid hydrog en transferl ines. Th e design a nd calculat ions are ba sed on a s ingle phase flo w regime of LH2 with a certain degre e ofsupercooling. A sample num erical ca lculation fo r a 200 -m long transfer line of LH2 service is presented.

1 . I N T R O D U C T I O NW i t h t h e d e v e l o p m e n t o f s c i en c e a n d t e c h n o l o g y i n t h ef ie l d s o f c r y o g e n i c a p p l i c a t i o n s , a i r a n d r o a d t r a n s p o r -t a t i o n s y s t e m s , a s w e l l a s e n e r g y c o n v e r s i o n s y s t e m s ,t h e u s e o f L H 2 h a s b e e n f o r e c a s t e d t o i n c r e a s e s t e a d il y .H y d r o g e n c a n b e s t o r e d a n d t r a n s p o r t e d a s a g a s ,l iq u i d o r h y d r i d e . I t m a y b e u s e d e i t h e r i n g a s e o u s o ri n l i q u i d f o r m , b u t i n m o s t c a s e s t h e L H : i s p r e f e r r e d ,f o r i t h a s a l a r g e r h i g h e r h e a t i n g v a l u e p e r u n i t m a s so f fu e l a n d a n e a s e o f h a n d li n g . H o w e v e r , L H ~ is ac r y o g e n i c f u e l a n d v a p o r i z e s q u i c k l y , b e c a u s e o f it s lo wb o i l i n g p o i n t a n d s m a l l h e a t o f v a p o r i z a t i o n . O n c e i tis m i x e d w i th a i r it m a y b u r n o r e x p l o d e r a p i d l y . H e n c e ,i t i s n e c e s s a r y t o h a v e s o p h i s t i c a t e d t h e r m a l l y i n s u l a t e ds t o r a g e a n d p i p e l i n e s y s t e m s f o r it s t r a n s p o r t . F o re x p a n d e d u s e o f L H ~ , s t o r a g e , e f f e c ti v e tr a n s p o r t a t i o na n d s a f e t y in a p i p el i n e s y s t e m a r e i m p o r t a n t p r o b l e m st o b e s tu d i e d . F r o m t h e t r a n s p o r t a t i o n p o i n t o f v i e w ,i t i s e s s e n t i a l t o k e e p a c e r t a i n d i s t a n c e b e t w e e n t h eL H : p r o d u c t i o n p l a n t ( o r s t o r a g e v e s se l ) a n d t h e p la c eo f u s e ( o r t h e c h a r g i n g p l a c e o f L H 2 ) , t h u s t h e d e s i g no f a t r a n s f e r l i n e o f a f e w h u n d r e d m e t e r s l o n g i s at e c h n i c al p r o b l e m o f t e n e n c o u n t e r e d i n p r a c t ic e . T h i sp a p e r d e a l s w i t h t h e d e s i g n m e t h o d s a n d c o n s t r u c t i o nc o n s i d e r a t i o n s o f L H : tr a n s f e r l in e . A s a m p l e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n o f a 2 0 0 - m l o n g t r a n s f e r p i p e f o r L H 2 s e r v ic ei s a l s o i n t r o d u c e d h e r e .

2 . D E S I G N R E Q U I R E M E N T SI n t h e d e s i g n o f a L H 2 t r a n s f e r p i p e , t h e f o l l o w i n gr e q u i r e m e n t s s h o u l d b e c o n s i d e r e d : ( 1 ) t h e l e n g t h o ft h e p i p e s h o u l d b e k e p t a s s h o r t a s p o s s i b l e . T h e l e n g t ho f a t ra n s f e r l i n e m u s t f i rs t m e e t t h e r e q u i r e m e n t o f t h eu s e r ' s c o n d i t i o n a s w e ll a s t h e m i n i m u m s a f e t y d is t a n c e ;i t i s n o t o n l y r e l a t e d t o t h e h e a t l o s s a n d e n e r g y c o n -s u m p t i o n o f t h e t r a n s f e r p r o c e s s , b u t i t a ls o a f f e c ts th ef lo w p a t t e r n s i n t h e p i p e a n d t h e c o m p l i c a t i o n o f th et r a n s m i s s io n t e c h n o l o g y . ( 2 ) T h e t r a n s f e r o f L H 2 i n ap i p e s h o u l d b e m a i n t a i n e d a s s i n gl e p h a s e f lo w . T h e

s o u n d v e l o c i t y o f L H : i n a s i n g l e p h a s e f l o w i s f a i r l yl a rg e , a = 1 1 0 0 m s -1 , a n d i n s uc h a p i p e i t i s d i f f ic u l tt o r e a c h a s u p e r s o n i c f l o w r e g i m e ; b u t if t h e f l o w c o n -

t a i n s li q u i d a n d g a s p h a s e , t h e v e l o c i t y o f s o u n d w i llr e d u c e q u i c k l y . I n t h i s c a s e t h e c r i t i c a l o r s u p e r c r i t i c a lf l o w r e g i m e m a y b e e a s i l y r e a c h e d w h i c h m a y c a u s el a r g e i n c r e a s e i n f lo w re s i s t a n c e s a n d d e c r e a s e t h e t r a n s -f e r q u a n t i ty o f L H 2 . A t t h e s a m e t i m e i t m a y l e a d t os t r o n g v i b r a t i o n o f a t r a n s f e r l i n e [ 1] . I n o r d e r t o m a i n -t a i n a s in g l e p h a s e f l o w , t h e L H 2 m u s t h a v e a c e r t a i nd e g r e e o f su p e r c o o l i n g . ( 3 ) T h e h e a t l e a k a g e o f t h et r a n s f e r l i n e s h o u l d b e a s s m a l l a s p o s s i b l e . T h u s t h et r a n s f e r p i p e s h o u l d h a v e e x c e l le n t i n s u la t i on f r o m t h ee n v i r o n m e n t , s u c h a s u s i ng a h ig h v a c u u m j a c k e t o rm u l t i l a y e r in s u l a ti o n . ( 4) M o s t o f n o r m a l h y d r o g e ns h o u l d b e c o n v e r t e d i n t o par a- hy d r o g e n b e f o r e t h e L H 2c a n b e t r a n s f e r e d i n t h e p i p e . U s u a l l y w e u s e t w o o rm o r e s t ag e s o f c a ta l y ti c c o n v e r s i o n t o tr a n s f o r m n o r m a lh y d r o g e n t o par a- hy d r o g e n . A s f o r t h e d e s i g n c o n d i -t i o n s o f a L H 2 t r a n s f e r s y s t e m , t h e f o l l o w i n g d a t a a r eo f t e n g i v e n , n a m e l y : L H 2 fl o w ra t e , t r a n s f e r d i s ta n c e ,i n le t p r e s s u r e , a n d d e g r e e o f s u p e r c o o l i n g , t h e e n v i -r o n m e n t a l c o n d i t i o n s , t h e v o l u m e o f c o n t a i n e r o r L H :t a n k , e t c . I n g e n e r a l , t h e L H : fl o w r a t e d e p e n d s o n t h ed e m a n d o f t h e u s e r a n d t h e p r o d u c t i o n c a p a c i t y o f t h eL H : - p r o d u c i n g p la n t . T h e t r a n s f e r d i s t a n c e is d e t e r -m i n e d b y t h e s p e c i f ic a t io n o f s a fe t y r e q u i r e m e n t a n dt h e r e a s o n a b l e a r r a n g e m e n t o f i n s ta l la t io n . T h e i n le tp r e s s u r e , t e m p e r a t u r e a n d s u p e r c o o l i n g d e g r e e o f L H 2c a n b e d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t o t h e t y p e a n d c h a r a c -t e r is t ic o f t h e i n s u l a t i o n , t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n dt h e m e t h o d o f s u p e r c o o l i n g . O f c o u r s e , th e r e e x i s ts ap r o b l e m o f o p t i m i z a t i o n . U s u a l l y , t h e e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s a n d t h e v o l u m e o f L H : s to r a g e t a n k s m a ya l s o b e r e g a r d e d a s k n o w n p a r a m e t e r s .

3. T H E C O N S T R U C T I V E D E S I G N O F A L H2T R A N S F E R L I N EI n t h e d e s ig n o f a t ra n s f e r p i p e , t h e m a i n d i m e n s i o n so f t h e p i p e m a y b e d e t e r m i n e d f ir st , t h e n t h e d e t a il e dc o n s t r u c t i o n d e s i g n m u s t b e g i v e n t o t h e w h o l e p i p e li n es y s t e m a c c o r d i n g to t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s a n d d e s i gn

c o n d i t i o n s m e n t i o n e d a b o v e .U s u a l l y , a L H : t r a n s f e r p i p e i s a h o r i z o n t a l c i r c u l a rp i p e w i t h u n i f o r m c r o s s - s e c t i o n . I n g e n e r a l , w e u s e t h e125


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126 D . Z . C H E N A N D H . J . L I UI 5 8 2

6

Fig. 1. A structural schem e of a LH2 transfer line with high vacuum jack et insulation (1, 2- -jo ints .3---flange, 4---vacuum pum p connectio n, 5---bellow, 6-- ou ter tube , 7--i nn er tube, 8---adsorbent basket .9----spacer).

s m a l l d i a m e t e r w i t h l o w f l o w v e l o c i t y t o t r a n s f e r L H ~f r o m p r o d u c t i o n p l a n t t o a s t o r a g e v e s s e l o r t a n k ,b e c a u s e i n t h i s c a s e , h i g h e f f i c ie n c y c a n b e o b t a i n e d .F r o m t h e s t o r a g e v e s s e l o r ta n k t o t h e p l a c e o f u s e r ,L H 2 l iq u i d h y d r o g e n c a n b e t r a n s f e r r e d b y a l iq u i dp u m p o r a p r e s s u r i z e d g a s w i t h a f a s t i n j e c t i o n v e l o c i t y .T h e v e l o c i ty o f c r y o g e n i c li q u id s c a n b e c h o s e n f o r aw i d e r a n g e o f d a ta . F o r L H 2 w i th l o w t r a n s f e r r a te s ,t h e v e l o c i t y o f W L = 2 m s - 1 m a y b e s e l e c t e d [ 2 , 3 ] . I nt h e c a s e o f f a s t p r e s s u r i z e d i n j e c t i o n , t h e L H 2 v e l o c i t yi n a p i p e m a y b e t a k e n h i g h e r [ 4 ] , s i n c e t h e v i s c o s i t yo f L H 2 is v e r y s m a l l . A c c o r d i n g t o t h e i n l e t p r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r e i n a t r a n s f e r p i p e , t h e L H 2 d e n s i ty)'L ( N / m 3 ) c a n b e f o u n d f r o m t h e t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s t a b l es o f L H ~ [5 ] o r f r o m L H 2 T -S d i a g r a m s .T h e n , o n t h e b a s i s o f v o l u m e t r i c f l o w r a t e V L ( m 3 h - ~ ),o r m a s s f l o w r a t e G L (k g h - ~ ) , t h e i n n e r d i a m e t e r d~ c a nb e c a l c u l a t e d :( 4V i IV2 { 4G t. "~t/2d, = I ~ / = \3600~rWLyL/ ( m ) . ( 1 )

T h e o u t e r d i a m e t e r o f a t r a n s f e r li n e m a y b e d e t e r -m i n e d i n a c c o r d a n c e w i t h th e r e q u i r e m e n t s o f h e a ti n s u la t io n a n d c o n s t r u c t i o n o f c o n n e c t i o n s . C o n s i d e r -a t i o n m u s t b e g i v e n t o th e t o l e r a b l e a m o u n t o f h e a tl e a k a g e w h i c h i n t u r n i s d e p e n d e n t u p o n t h e s t a t e o fL H 2 e n t e r in g t h e p i p e a n d t h e r e s i d e n c e t i m e o f t h ef l u id i n t h e l i n e. T h e t o l e r a b l e h e a t l e a k a g e d e t e r m i n e st h e t y p e o f i n s u l a t i o n t o b e u s e d a n d a f f e c t s t h e d e t a i l e d

i 2 3

d e s i g n o f s p a c e r s , j o i n t s a n d l in e p e n e t r a t i o n s f o r v a lv e sa n d i n s t r u m e n t a t i o n s a s d e s c r i b e d b y F. J . E d e s k u t y[6 ]. F o r a L H 2 t r a n s f e r l in e , p a r t i c u l a r l y u s e d f o r l o n gd i s t a n c e a n d l o n g - t e r m t r a n s f e r r i n g s e r v i c e , i t i s c o m -m o n t o u s e a hi g h v a c u u m j a c k e t o r m u l t il a y e r v a c u u mi n s u l a t i o n . T h e r e q u i r e v a c u u m b e t w e e n t h e i n n e r a n do u t e r t u b e s i s a b o u t P = 1 0 - 6 t o r r . T h e r a t i o o f o u t e rd i a m e t e r D o t o i n n e r d i a m e t e r D i m a y b e c h o s e n a sDo /Di = 1 - 2 . 5 . H e r e , t h e f i t ti n g a n d i n s t a l la t i o n o f b e l -l o w s , s p a c e r s a n d a d s o r b e n t b a s k e t s s h o u l d b e c o n -s i d e r e d . A s t r u c t u r a l s c h e m e o f a L H 2 t r a n s f e r l i n e iss h o w n i n F i g . 1 . T h e l i n e c o n s i s ts o f t w o c o n c e n t r a t i o nt u b e s w i th h i g h - v a c u u m j a c k e t i n s u la t io n b e t w e e n t h e m .T h e s t r u c t u r a l m a t e r i a l c o m m o n l y u s e d is C r ls N i g T i,w h i l e t h e m a t e r i a l w i d e l y u s e d f o r s p a c e r s a n d s u p p o r t si s T e f l o n , b u t t h e f i b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c a n d p o l y m i d ec a n a l s o b e u s e d .D u r i n g t h e s t r u c t u r a l d e s i g n , t h e t h e r m a l c o n t a c tb e t w e e n t h e o u t e r j a c k e t a n d t h e i n n e r p i p e w a l l m u s tb e m i n i m i z e d t o r e d u c e h e a t c o n d u c t i o n t o t h e m i n i -m u m . W h e r e s u c h c o n t a c t s a r e u n a v o i d a b l e , t h e p a t hl e n g t h f o r h e a t l e a k a g e i s m a x i m i z e d a n d m a t e r i a l s w i t ht h e l o w e s t th e r m a l c o n d u c t i v it y a re u s e d . H e a t t r a n s f e rb y r a d i a t i o n , c o n v e c t i o n a n d g a s c o n d u c t i o n b e t w e e nt h e i n n e r a n d o u t e r t u b e s c a n b e m a d e n e g l i g i b l e b ys e l e c t i n g p i p e w a l l m a t e r i a l w i t h l o w e m i s s i v i t y a n d b ya t t a i n i n g a s u f f i c ie n t l y h i g h v a c u u m i n t h e a n n u l a r s p a c e .I n o r d e r t o m a x i m i z e t h e e f f e c t o f i n s u l a t i o n , a l o wt e m p e r a t u r e a d s o r p t i o n b a s k e t i s u s e d . T h e l a t t e r f i l l e dw i t h s u f fi c i e n t a c t i v a t e d c a r b o n i s i n s t a l le d i n t h e a n n u l a rv a c u u m s p a c e t o a d s o r b t h e r e s i d u a l g a s . A v a c u u mp i p in g c o n n e c t i o n i s p r o v i d e d o n t h e o u t e r p i p e f o r t h ee v a c u a t i o n o f r e s id u a l g a s . T h e p u m p i n g a n d c l o s e -o f fo f t h e v a c u u m s h o u l d b e d o n e a t a h i g h e r te m p e r a t u r e .

Fig. 2. Flange construction with cold and warm seals (1---coldseal , 2---g lass fiber reinforced plastic support , 3-- thin walltube, 4---inner tube, 5---warm flange, 6---warm seal, 7---coldflange, 8---outer tube).

OFig. 3 . The thin wa ll insert type of connection (1--flang e,2,3----c onne ctions, 4---inn er pipe, 5---o uter pipe, 6-----cushionr ing , 7- -supp or t ) .


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D E S I G N A N D C O N S T R U C T I O N O F A N L H T R A N S F E R L I N Em .

/ / // // / ,, 6_

Fig . 4 . Cons t ru c t i on o f t h e space r .

I//~ 7

127

B y m e a n s o f c r y o g e n i c p u m p i n g a n d l o w t e m p e r a t u r ea d s o r p t i o n , t h e d e s i r e d v a c u u m i n t h e a n n u l a r s p a c eh a s b e e n a t t a i n e d f o r t h e l o n g - r u n r e q u i r e m e n t .T h e w h o l e t r a n s f e r l i n e is d i v i d e d i n to s e v e r a l s e c t i o n sf o r th e e a s e o f i n s p e c t io n a n d v a c u u m p u m p i n g . E a c hs e c t i o n is c o n n e c t e d b y fl a n g e s w i t h w a r m a n d c o l d s e a lt o t h e o t h e r s e c t i o n a s s h o w n i n F i g . 2 .S o m e t i m e t h e c o n s t r u c t i o n o f t h in w a l l i n s e r t t y p e o fc o n n e c t i o n i s a l s o u s ed ( F i g . 3 ) . A c e r t a i n a m o u n t o fs p a c e r s , a s s h o w n i n F i g . 4 a r e i n s t a l l e d in t h e a n n u l a rs p a c e t o k e e p t h e a l i g n m e n t o f t w o c o n c e n t r a t i n g t u b e sa n d p r e v e n t t h e p i p e l in e f ro m d e f o r m a t i o n c a u s in g t h es h o r t p a s s i n g o f h e a t l e a k a g e .B e t w e e n t h e t r a n s f e r l i n e a n d L H 2 c a r r y i n g t a n k o rs t o r a g e v e s s e l , a f l e x i b le i n s u l a t i n g h o s e c o n n e c t i o n i sr e q u i r e d , b e c a u s e t h e r e e x i s t s a d i r e c t i o n a n d l o c a t i o nd i f f e r e n c e in t h e a r r a n g e m e n t . T h i s t y p e o f c o n n e c t i o ni s s c h e m a t i c a l l y s h o w n i n t h e F i g . 5 . T h e w h o l e c o n -n e c t i o n c o n s i s t s o f t w o c o n c e n t r i c w a v e t u b e s ( b e l l o w ) .T h e a n n u l a r s p a c e b e t w e e n t h e s e t u b e s is e v a c u a t e dw i t h h i g h v a c u u m ( P = 10 -6 t o r r ) . A d e n s e w a v e t u b ew i t h s m a l l a m p l i t u d e i s s e l e c t e d a s i n n e r t u b e . S p a c e r sa r e p r o v i d e d b e t w e e n t h e t w o w a v e t u b e s t o a v o i d th es h o r t c u t o f h e a t l e a k a g e . T h e h o s e i s w r a p p e d w i t hw e a v e d s c r e e n m a d e o f s ta i n l e s s s t e e l . F o r a L H 2 t r a n s -f e r l in e , t h e b e n d i n g t u b e w i t h l a r g e r a d i u s o f c u r v a t u r e( R > /1 0 D ) i s p r e f e r r e d , b u t t h e r a d i u s o f c u r v a t u r e o f

a b e n d i n g t u b e m a y b e s e l e c t e d a c c o r d i n g t o t h e c o n -c r e t e c o n d i ti o n o f t h e a r r a n g e m e n t .4 . H E A T T R A N S F E R A N D H Y D R A U L I CC A L C U L A T I O N S U N D E R S T E A D Y - S T A T ET R A N S F E R C O N D I T I O N S

T h e h e a t r a d i a t i o n b e t w e e n t h e t w o c o n c e n t r a t i n gt u b e s o f a tr a n s f e r p i p e m a y b e c a l c u l a t e d a c c o r d i n g tot h e S t e f a n - B o l t z m a n n e q u a t i o n :

q a = ~ + -~ z - 1 a . F ( T ~ - T ~ ) ( W / m ) , ( 2 )

w h e r e o = 5 . 7 7 x 1 0 - 8 W m - 1 K - l ; E 1 a n d E 2 c o r r e s p o n dt o t h e e m i s s i v i ti e s o f lo w t e m p e r a t u r e a n d h i g h t e m -p e r a t u r e s u r f a c e s . F1 a n d F 2 d e n o t e t h e i n n e r a n d o u t e rs u r f a c e a r e a p e r u n i t l e n g t h o f t u b e ( m 2 / m ) ; F i s h e a tt r a n s f e r a r e a p e r u n i t l e n g t h o f t u b e ( m 2 / m ) , c a l c u l a te df r o m l o w - t e m p e r a t u r e s u r f a c e ; T~ a n d T2 c o r r e s p o n d t oi n n e r w a ll t e m p e r a t u r e a n d o u t e r w a l l t e m p e r a t u r e ,r e s p e c t i v e l y .A t h i g h v a c u u m c o n d i t i o n ( P = 10 -6 t o r r ) , t h e s p a c eo f a v a c u u m j a c k e t b is f a ir l y s m a l l a s c o m p a r e d w i t ht h e m o l e c u l a r m e a n f r e e p a t h S , t h a t i s b -> S , t hu s t h eh e a t t r a n s f e r o f r e s i d u a l g a s i n t h e a n n u l a r s p a c e i s

I 2 3 4 5 6 7 8'" " , / "" / " .... I I " \ \: J . . . " / / i \

""i ~ ~ I 0 I I / / I ~ / i " I ~ ._ _ . /' 1 4 ' ~ 1 6 ,F i g . 5. C o n s t r u c t i o n o f a f l e x i b le i n s u l a t e d h o s e c o n n e c t i o n ( i - - r i n g f o r f it t in g o f p o s i t io n . 2 - - v a l v eh ead , . ' ~ -we ld ing r i ng , 4 - - -ou t e r t u b e , 5 - -m e ta l sc reen . 6 - - - su ppor t , 7 - - jo in t s , 8 - -we ld ing r i ng , 9 - - f i xr ing . lO-- -- fl ange , 11 - -ou t e r b e l l ow , 1 2 - - inn e r b e l l ow, 13 -- -i nne r t u b e . 14 - - -adso rb en t . 15 - -~u te r j a ck e ttube. 16---flange, 17----connection).


4/6

1287"

p ~ ~ PeOe02E/ o, / ~,t

o $Fig. 6 . A LH2 transfer process in the T - S diagram.

D . Z . C H E N A N D H . J . L I U

p r o p o r t i o n a l t o t h e g a s p r e s s u r e , b u t d o e s n o t d e p e n do n t h e v a c u u m j a c k e t s p a c e . I n s u c h a c a s e , th e h e a tt r a n s f e r o f g a s c a n b e e s t i m a t e d f r o m t h e f o l l o w i n ge x p r e s s i o n :3 K + l Pq 2 = 2 .42 5 x 10 ~ x

x a o . F ( T 2 - T ~ ) ( W / m ) . ( 3 )W h e r e a 0 c a l le d t h e a c c o m m o d a t i o n c o e f f i ci e n t w h i c hc a n b e o b t a i n e d f r o m t h e l i t e r a t u r e ; T i s t h e v a c u u mt e m p e r a t u r e ; P is t h e p r e s su r e m e a s u r e d a t a b s o l u tet e m p e r a t u r e T ; C p / C o i s t he r a t i o o f s p e c i f i c he a t s ; Mi s m o l e c u l a r w e i g h t o f t h e r e s i d u a l g a s .H e a t f lu x t h r o u g h t h e s t r u c t u r a l c o n n e c t i n g p i e ce sa n d s u p p o r t s m a y b e e x p r e s s e d b y :

/t ,. F . ( / ~ (T 2 - T , ) ( W / m ) , ( 4 )qa(,)-~- xw h e r e q ~, q 4 c o r r e s p o n d t o t h e m e a n h e a t f l ux t h r o u g ht h e c o n n e c t i n g p i e c e s a n d s u p p o r t s p e r u n i t le n g t h o fp i p e , r e s p e c t i v e l y . ) ., , is t h e m e a n v a l u e o f t h e r m a lc o n d u c t i v i t y o f t h e m a t e r ia l i n t h e t e m p e r a t u r e r a n g eTz--T~ ( W i n -~ K - l ) ; b is t h e l e n g t h o f h e a t t r a n s f e r p a t h ,m ; N d e n o t e s t h e n u m b e r o f s u p p o r t s ; F ,. is t h e a v e r a g eh e a t t r a n s f e r a r e a o f c o n n e c t i n g p i e c e s o r s u p p o r t s , m 2.B e c a u s e t h e h e a t t r a n s f e r a r e a o f a f l ex i b le w a v eh o s e is m u c h g r e a t e r t h a n t h a t o f a st r a ig h t p i p e , m o r e -o v e r i ts n u m b e r o f s u p p o r t s is a ls o m o r e t h a n t h e l a t t e rc a s e , t h u s t h e r a d i a t i o n h e a t f lu x o f t h e f o r m e r is m u c hg r e a t e r t h e l a t te r . D u e t o t h e c o m p l e x i t y o f c a l c u l at i o n ,i ts r a d i a t i o n h e a t f lu x m a y b e t a k e n a s q5 = 3. 5 W / mt h a t i s t w i c e t h e v a l u e o f s tr a i g h t t u b e .T h e r e f o r e , t h e a v e r a g e c o o l lo s s o f a w h o l e t r a n s fe rl ine is :

q , ( q l + q E + q 3 + q 4 ) ' L l + q s " L z ( w / m ) ,= L I + L 2 ( 5 )w h e r e L l i s t o t a l l e n g t h o f a L H : t r a n s f e r l i n e , m ; L 2is th e l e n g t h o f a f le x i b le c o n n e c t i n g h o s e , m .

C o n s i d e r i n g t h e h e a t l o s s i n f l a n g e c o n n e c t i o n a n dh e a t l o s s i n t h e n o r m a l a n d t o p a r a - h y d r o g e n c o n v e r -s i o n , e t c . , t h e c a l c u l a t e d v a l u e o f h e a t f l u x q ' m a yi n c r e a s e t o a b o u t 1 0 - 3 0 % i n t h e e n g i n e e r i n g d e s i g n .t h u s a c o n s e r v a t i v e v a l u e f o r t h e o v e r a l l h e a t f l u x o f at r a n s f e r p i p e m a y b e o b t a i n e d :q = ( 1. 1 - 1 . 3 ) q ' ( W / m ) .

T h e p r e s s u r e d r o p d u e t o f r i c t i o n i n t h e t r a n s f e r p i p eisA P I = f . YL W-----~[ . L~ x 1 0 ~ ( k g / c m - 2 ) , ( 6)2 g . D e

w h e r e D , i s t h e e q u i v a l e n t d i a m e t e r o f t h e p i p e , m ,w h i c h m a y b e t a k e n f r o m i n n e r d i a m e t e r ; yL i s t h es p e c if i c w e i g h t o f L H 2 , k g m - 3 ; f i s f r i c t i o n c o e f f i c i e n tw h i c h d e p e n d s o n t h e R e y n o l d s n u m b e r , R e . In a t u r -b u l e n t f l o w r e g i m e , f m a y b e w r i t t e n a sf 0.2625= R- - - ~ . ( 7 )

T h e l o c a l p r e s s u r e d r o p o f t h e p i p e m a y b e e x p r e s s e db y :A p{ = ~ I: I 'LW-....~2Lx 1 0 ' , ( k g f c m - 2 ) , ( 8 )7, 2g

w h e r e ~ i s l o c a l f r i c t i o n c o e f f i c i e n t . T h e t o t a l p r e s s u r ed r o p o f t h e w h o l e l i n e is t h e nA p = A p l + A p l + A p 2 - A p ~, ( k g f c m - 2 ) , (9 )

w h e r e A p 2 a n d A p ~ c o r r e s p o n d t o f r i c t io n p r e s s u r e d r o pi n t h e f l e x i b l e c o n n e c t i n g h o s e a n d l o c a l p r e s s u r e d r o p ,r e s p e c t i v e l y .T h e h e a t f l u x d u e t o f r i c t i o n e q u a l sV L " A p ( W / m ) . ( 1 0 )q r = ( L l + L 2 )

T h e h e a t a b s o r b e d b y L H 2 f r o m s u p e r c o o l i n g s ta t e t ot h e s a t u r a t i o n s t a t e i sQ o = G L " C p m " A T , ( W ) . ( 1 1 )

T h e t o t a l h e a t l o s s d u r i n g t h e t r a n s f e r p r o c e s s o f L H ,,isq , = q + q / ( W / m ) . ( 1 2 )

H e n c e , t h e l e n g t h o f a si n g le p h a s e f l ow r e g i o n i n t h eL H z t r a n s f e r p i p e i sL ,p = Q__._2,( m ) . ( 1 3 )q ,

W h e n L , p ~ ( L l + L 2 ) , s in g le p h a s e f lo w c a n b er e a l i z e d i n t h e p i p e u n d e r t h e g i v e n i n l e t p r e s s u r e a n dd e g r e e o f s u p e r c o o l in g . I f L s p < ( L t + L 2 ) , t h e L H 2m a y b e v a p o r i z e d i n t h e t r a n s f e r l i n e , t h u s t h e t w o -p h a s e f l o w m a y h a p p e n . I n th i s c a s e , t h e l e n g t h o f t h es i ng l e p h a s e f l o w m u s t b e r e a d j u s t e d . F o r t h e m a i n -t e n a n c e o f t h e s i n g l e p h a s e f l o w i n t h e p i p e , t h e d e g r e eo f s u p e r c o o l i n g f o r L H 2 m u s t b e a l s o r e a d j u s te d .


5/6

D E S IG N A N D C O N S T R U C T IO NI n o r d e r t o g u a r a n t e e t h e t r a n s f e r o f L H : in a si n gl ep h a s e f l o w , w e a s s u m e a r e s e r v e d f a c t o r K L :

Kt_ - L sp t> 1, (14 )L 1 + L 2w h i c h s h o u l d b e s a t i s f i e d a f t e r c o m p l e t i n g t h e d e s i g no f t h e w h o l e s y s te m . T h e e n t h a l p y i n c r e m e n t i n th eL H : t r a n s f e r p r o c e s s i s

L 1 + L 2Ah = q , GL ( 1 5 )A L H 2 t r a n s f e r p r o c e s s i n th e T - S d i a g r a m i s s h o w ni n F i g . 6 . A c c o r d i n g t o t h e i n it i al e n t h a l p y o f L H 2 , h ia n d t h e e n t h a l p y i n c r e a s e c a u s e d b y t h e t o t a l c o o l lo s sA h , t h e v a l u e o f e n t h a l p y o f L H : a t t h e p ip e e x i t c a nb e c a l c u l a t e d , h e = h i + A h . U s i n g t h e i n l e t p r e s s u r e p io f L H : a n d t h e t o t a l p re s s u r e d r o p i n t he t r a n s f e r p i p e ,t h e o u t l e t p r e s s u r e o f L H z a t t h e t r a n s f e r e x i t c a n b e

a l so d e t e r m i n e d : p ~ = p , - A p . F r o m t h e e x it st a te(pc, he) a n d t h e b a c k - p r e s s u r e o f L H 2 t r a il e r o r s t o r a g eve s s e l p b , t h e t h r o t t l e d v a p o r i z a t i o n r a t e a t t h e e x i t X ,c a n b e f o u n d f r o m t h e p a r a -h y d r o g e n T - S d i a g r a m ,h e n c e t h e t h r o t t l e d v a p o r i z e d m a s s f lo w ra t e a t t h e e x i to f a t r a n s f e r p i p e G ,, c a n b e o b t a i n e d :G, , = G L. Xe. (16)

T h e e f f e c ti v e t ra n s f e r q u a n t i t y o f L H 2 in t h e p i p e G ,i s thenG, = GL - Go . ( 1 7 )

F i n a l l y , t h e t r a n s f e r e f f i c ie n c y r / o f a L H 2 t r a n s f e r l i n ec a n b e c a l c u l a t e d

G~, = ~ . ( 1 8 )

5 , E S T I M A T I O N O F A C O O L D O W N P R O C E S SI n p r a c t ic e , t h e c o o l d o w n p r o c e s s o f a L H 2 tr a n s f e rl i n e i s a n u n s t e a d y h e a t t r a n s f e r p r o c e s s . D u r i n g t h ec o o l d o w n p e r i o d , t h e r e e x is ts d i f f e r e n t f lo w r e g im e s i nt h e p i p e w i t h s i n g l e g a s p h a s e , s i n g l e l i q u i d p h a s e a sw e ll a s tw o p h a s e r e g i o n s w h i c h a r e c h a n g e d w i th t i m ea n d l o c a t i o n o f t h e p i p e . I n t h e t r a n s f e r l i n e , t h e r e a l s o

e x i s ts n o t o n l y t h e a x ia l t e m p e r a t u r e g r a d i e n t , b u t a l s ot h e ra d i a l t e m p e r a t u r e g r a d i e n t . S t r i c t ly s p e a k i n g , a te a c h p o i n t in th e p i p e , t h e t e m p e r a t u r e , h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t , f l o w s t a t e , e t c . a r e a l l va r i e d w i t h l o c a t i o na n d t i m e . H e n c e , t h e p r o c e s s is v e r y c o m p l i c a t e d .A s s u m e t h a t o n l y t he h e a t o f v a p o r i z a ti o n c a n b eu s e d t o c a r r y a w a y t h e h e a t o f m e t a l p i p e a t t h e a m b i e n tt e m p e r a t u r e . T h u s , t h e m a x i m u m c r y o g e n c o n s u m p t i o nm a y b e e s t i m a t e d f r o m t h e e x p r e s s i o n [ 7 ] a s b e l o w :M m a x = M c o m ~ = M c h . - h i (kg) , (19)r/g

where Crma~d e n o t e s th e m a x i m u m d e m a n d o f c r y o g e n( k g p e r k g m e t a l ) f o r c o o l d o w n t h e u n i t m a s s o f p i p em e t a l f r o m a m b i e n t t e m p e r a t u r e t o t h e o p e r a t i n g te r n -

O F A N L H T R A N S F E R L IN E 129p e r a t u r e ; M c r e p r e s e n t s t h e m a s s o f t r a n s f e r l i n e b e i n gc o o l e d , k g ; h , , h i c o r r e s p o n d t o t h e e n t h a l p y o f th e p i p em e t a l ( k J k g - j K - 1 ) a t a m b i e n t a n d o p e r a t i n g t e m p e r -a t u r e , r e s p e c t i v e l y ; rig i s v a p o r i z a t i o n h e a t o f c r y o g e n( k J k g - 1 ) a t s a t u r a t e d s t a te c o r r e s p o n d i n g t o t h e o p e r -a t i n g p r e s s u r e .D u r i n g t h e c o o l d o w n p r o c e s s , i f w e c a n n o t o n l y u set h e v a p o r i z a t i o n h e a t o f c r y o g e n , b u t a l so u s e t h ee n t h a l p y i n c r e m e n t o f th e v a p o r i z e d c r y o g e n g a s s o t h a ti ts o u t l e t t e m p e r a t u r e f r o m t h e t r a n s f e r p i p e m a y b ee q u a l t o t h e i n n e r w a l l t e m p e r a t u r e o f th a t p i p e a t t h ee x i t , t h u s w e c a n s u f f i c i e n t l y u t i l i z e t h e m a x i m u m c o o l -i n g c a p a b i l i t y o f th e c r y o g e n . I n s u c h c a s e , i ts p e r f o r m -a n c e i s c lo s e r t o t h a t o f t h e t r a n s f e r p r o c e s s o f L H : w i ths l o w v e l o c i t y fl o w i n g in a s m a l l p i p e . U s u a l l y , d u r i n gt h e o p e r a t i o n , w e o f t e n u s e t h e n i t r o g e n g a s f i r s t t oc o o l d o w n t h e p ip e , t h e n s u b s t it u t e n i t r o g e n w i t h h y d r o -g e n g a s. F i n a l ly , a f t e r t h e d e s i r e d p e r f o r m a n c e h a s b e e nr e a c h e d , t h e L H 2 w i ll b e b l o w n i n t o t h a t c o o l e d t r a n s f e rp i p e . T h e m i n i m u m r e q u i r e d q u a n t i t y o f c r y o g e n t oc o o l d o w n a p i p e i s

dmMmin = M e " om i, = M e ~-~,~

H e r e O mi, d e n o t e s t h e m i n i m u m r e q u i r e d m a s s o f c r y -o g e n t o c o o l d o w n a u n i t m a s s o f p i p e m e t a l t o t h eo p e r a t i n g t e m p e r a t u r e ; C pg i s t h e a v e r a g e s p e c if i c h e a to f c r y o g e n g a s a t c o n s t a n t p r e s s u r e , o = ,~ a n d a ~ i. m a yb e o b t a i n e d f r o m c a l c u l a t i o n o r e x p e r i m e n t s , u s u a l l yi t m a y b e p l o t t e d i n c u r v e s a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r ea n d c r y o g e n i c c a p a c it y . D u r i n g t h e e s t i m a t i o n o f c o o l -d o w n t i m e , t h e f o l l o w i n g a s s u m p t i o n s h a v e b e e n m a d e :( 1 ) f o r a t r a n s f e r l i n e i n s u l a t e d w i t h h i g h v a c u u mj a c k e t , t h e h e a t l e a k a g e f r o m c i r c u m s t a n c e a n d t h e h e a tf lu x d u e t o f r i c t i o n a r e r e l a t i v e s m a l l c o m p a r e d w i t h t h ec o o l d o w n e n e r g y c o n s u m e d f o r t h e s t r u c t u r a l m a t e r i a lo f th e p i p e , t h u s t h e y m a y b e i g n o r e d ;( 2) t h e c o o l d o w n e n e r g y c o n s u m e d i n t h e i n si d e v o l-u m e o f a p i p e i s v e r y s m a l l t h a t i t c a n b e n e g l e c t e d ;( 3 ) t h e m a s s o f t h e t r a n s f e r p i p e a l o n g t u b e - a x i s isu n i f o r m l y d i s t r i b u t e d , n o c o n c e n t r a t i n g m a s s a c t s o nt h e p i p e .F r o m t h e a b o v e s im p l i fi c a ti o n s, a n a p p r o x i m a t e e q u a -t i on c a n b e o b t a i n e d t o e st i m a t e t h e r e q u i r e d c o o l d o w nt im e f o r c o o l i n g th e L H z t r a n s f e r p i p e t o t h e o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e [ 7 ]

M c C , , (T , , - T , ) (s) , (21)

w h e r e W d e n o t e s t h e t i m e - a v e r a g e d m a s s f lo w r a t e o fa c r y o g e n g a s . B e c a u s e o f th e c o m p l e x i ty o f c o o l d o w np r o c e s s a n d t h e d e v i a t i o n b e t w e e n t h e a b o v e a s s u m p -t i o n s a n d t h e r e a l p r o c e s s , t h e a c t u a l c o o l d o w n t i m e i sm u c h l o n g e r t h a n t h e c a l c u l a t e d v a l u e , T h u s , i t c a n b eu s e d o n l y f o r r e f e r e n c e .


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1 30 D . Z . C H E N A N D6 . E X A M P L E

A p r a c t i c a l e x a m p l e i s i n t r o d u c e d h e r e t o i l l u s tr a t et h e a b o v e d e s i g n m e t h o d f o r t h e c a l c u l a t i o n o f a L H :t r a n s f e r p i p e l in e w i t h 2 0 0 - m l o n g l e n g t h.(1 ) D e s i g n c o n d i t i o n sO L i q u i d h y d r o g e n m a s s f lo w r a te : G t = 1 00 k g h - l ;O T o t a l l e n g t h o f t h e t r a n s f e r l i n e : L 1 -- 2 0 0 m ;@ T h e l e n g t h o f f l e x i b l e i n s u l a t i n g h o s e : L 2 = 5 m ;O P a r a - h y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n i n t h e L H 2 : p H 2 =9 9 . 0 % ;o A m b i e n t t e m p e r a t u r e : 7". = 3 00 K .(2 ) D e s i g n p a r a m e t e r sO D i a m e t e r o f i n n e r t u b e : D i = 0 . 0 2 m ; d i a m e t e r o ft h e o u t e r t u b e ; D o = 0 . 0 5 m ;o T h e v e l o c i t y o f L H 2 ( s e l e c t e d ) : W L = 2 m s - l ;o B a c k p r e s s u r e o f t h e t r a n s f e r p i p e : p b = 3 9 P a i n le tp r e s s u r e : p ~ = 2 9 4 P a ;O T h e L H 2 i n l e t t e m p e r a t u r e : T , = 2 4 . 2 K ; D e g r e e o f

s u p e r c o o l i n g : T = 2 K ;O S p e c i f i c w e i g h t o f L H 2 : 7L = 6 4 . 5 k g m - 3 ;O V a c u u m i n t h e a n n u l a r i n s u l a ti n g j a c k e t : p =1 0 - 6 t o r r ;(3 ) S tea d y -sta te h ea t t ran s fer ca lcula ti o n o f th e t ra n s ferp i p eO R a d i a t i o n h e a t f lu x : q l = 2 . 9 1 k J m - 1 h - l ;O H e a t f l ux o f r e s i d u a l g a s : q= = 0 . 8 0 k J m -~ h - ~ ;O H e a t f lu x t h r o u g h t h e c o n n e c t i n g p i e c e s : q3 =1 .21 k J m -~ h -~ ;O H e a t f lu x t h r o u g h t h e s t r u c t u r a l s u p p o r t s : q4 =1 . 0 6 k J P a - ~ ;O H e a t l e a k a g e t h r o u g h t h e f l e xi b le i n s u l a ti n g h o s e :q s = 1 0 k J m - ~ h - l ;@ F r i c t io n a l p r e s s u r e d r o p o f s t r a i g h t p i p e : A p = =7 . 6 k P a ;O L o c a l p r e s s u r e d r o p o f s t ra i g h t p i p e : A p l =0 . 4 k P a ;O T o t a l p r e s s u r e d r o p o f i n s u l a ti n g h o s e : A p = =1 . 0 k P a ;O T o t a l p r e s s u r e i n t h e t r a n s f e r p r o c e s s : A p =9 . 0 k P a ;O O u t l e t p r e s s u r e a t p i p e e x i t : p ~ = 2 8 5 k P a ;O H e a t f l u x d u e t o f r i c t i o n i n t h e t r a n s f e r p r o c e s s :q / = 0 .0 5 k J m - ' h - l ;O A v e r a g e c o o l l o s s in t h e t r a n s f e r p r o c e s s : q =6 . 1 5 k J m -1 h - l ;O T o t a l c o o l l o ss o f t h e t r a n s f e r l i n e: q , = 8 k J m - 'h - ' ;

H . J . L IUO T h e l e n g t h o f t h e L H 2 s i n g le p h a s e r e g i o n : L , p =2 9 3 m ;O L , p > ( L t + L z ) , t h u s t h e c o n d i t i o n o f s i n gl e p h a s ef l o w i s s a t i s f i e d ;O T h e r e s e r v e d f a c t o r f o r h e a t lo s s : K c = 1 .4 3 ;O T h e t h r o t t l e d v a p o r i z a t i o n r a t e a t p i p e e x it : X e =0 . 0 8 ;O E f f e c t i v e m a s s f l ow r a t e o f L H 2 i n p i p e : G~_ =9 2 k g h - ~ ;O T h e t r a n s f e r e f f i c i e n c y : r / = 9 2 % .( 4 ) E s t i m a t i o n o f c o o l d o w n p r o c e s sO T h e r e q u i r e d c o o l i n g m a s s o f c r y o g e n : M ,~ =550 k g ;@ M a x i m u m d e m a n d o f c r y o g e n : M m ~ = 1 0 4 k g ;o M i n i m u m r e q u i r e d m a s s o f c r y o g e n : M in i, = 2 0 k g :O T h e c a l c u l a t e d c o o l d o w n t i m e : r - 5 r a in ;@ T h e d e s i g n e d s t r u c t u r e o f t h e p i p e m a y b e s e e nf r o m t h e F i g s 1 t o 5 .

7 . C O N C L U D I N G R E M A R K SI t is r e a s o n a b l e a n d p r a c t i c a b l e t o d e s i g n a L H 2 t r a n s -f e r l i n e w i t h s m a l l d i a m e t e r a n d l o w t r a n s f e r v e l o c i t yw h i c h c a n r e a l i z e t h e s i n g l e p h a s e f l o w i n t h e p i p e a n ds a t is f y t h e r e q u i r e m e n t o f m i n i m u m s a f e t y d i s t a n c e . A ta g i v e n m a s s t r a n s f e r r a t e , t h e g r e a t e r t h e t r a n s f e rd i s t a n c e , t h e l o n g e r t h e r e s i d e n c e t i m e o f L H 2 i n t h ep i p e , a n d t h u s t h e m o r e s t r i c t i n s u l a t i o n m u s t b er e q u i r e d . H o w e v e r , b y m e a n s o f s o p h i s t i c a t e d i n s u la -t i o n , t h e t r a n s f e r p r o c e s s w i t h s i n g l e p h a s e f l o w c a n b ea c h i e v e d i n a w i d e r a n g e o f p a r a m e t e r s .

R E F E R E N C E S1. R. B. Jacobs, Ad va n ces i n C ryo g e n i c En g i n eer i n g , Vol . 1(1960).2 . J . D . Roge r s , A I C h E J . , Vol . 6 , No. 4 (1956).3 . G . J . Hu m m er , A E C R e p o r t , BN L 7 64 , (1962).4 . B. H. Bai ley, H a n d b o o k fo r H y d r o g e n H a n d l i n g E q u i p-m e n t , PB-161835, (1960).5 . R . D. McC ar ty , H y d r o g e n P r o p e r t ie s , H y d r o g e n S e r ie s .Vol . I I I . (ed. K. E . Cox) (1975).6 . F . J . E desk u ty an d K. D. Wi l l i am son , LH2 S to rage andTransm iss ion , H y d r o g e n S e r ie s , Vol . I I . (ed. K. E . Cox)(1977).7 . R. B. Jacobs, Ad va n ces i n C ryo g e n i c En g i n eer i n g , Vol . 8(1963).

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