Bảo tồn Heli bằng cách khuếch tán giới hạn làm sạch các bình chứa Hydro lỏng
Trung tâm Kỹ thuật và An toàn của NASA (NESC) đã phát triển một mô hình phân tích dự đoán sự khuếch tán giữa hai loại khí trong quá trình thanh lọc piston của các bình hydro lỏng (LH2). Mô hình này giúp giải thích lượng heli tiết kiệm đáng kể được thấy trong quá trình thanh lọc gần đây của Trung tâm Vũ trụ Kennedy (KSC), cho thấy sự pha trộn hỗn loạn không mong muốn đã xảy ra trong quá trình thanh lọc Bình chứa ngoài của Tàu con thoi và có thể áp dụng cho quá trình thanh lọc heli trong tương lai của các bình chứa LH2 của Tầng lõi Hệ thống Phóng Không gian.
Lý lịch
Năm 2023, công việc đã hoàn thành trên một bồn chứa hydro lỏng 1,3 triệu gallon (174.000 feet khối chuẩn (scf)) mới tại KSC để hỗ trợ Hệ thống phóng không gian[1], xem Hình 1. Theo hợp đồng, nhà cung cấp đã giao bồn chứa này chứa đầy nitơ khí, giao cho bộ phận hoạt động mặt đất của KSC nhiệm vụ thay thế nitơ bằng heli: một bước cần thiết trước khi đưa hydro lỏng vào, giúp đóng băng nitơ. Các lần thanh lọc heli/nitơ trước đây trong kỷ nguyên Apollo/Tàu con thoi Các bồn chứa LH2 850.000 gallon (114000 scf) đã được thực hiện bằng cách bơm
loại bỏ nitơ, đưa heli vào, lấy mẫu, rồi lặp lại nếu cần. Tuy nhiên, bể mới không có cổng chân không, vì vậy, thay vào đó, người ta quyết định đưa heli vào từ phía trên bể và đẩy nitơ ra khỏi đáy. Hai triệu scf heli đã thu được và chuẩn bị sẵn sàng vì sợ hai loại khí này sẽ trộn lẫn với nhau, dẫn đến quá trình thanh lọc lâu và tốn kém. Đáng ngạc nhiên là quá trình thanh lọc từ trên xuống hoặc piston này đã dẫn đến việc thay thế nitơ bằng heli nhanh chóng, chỉ sử dụng 406.000 scf heli, ít hơn khoảng 1,6 triệu scf so với kế hoạch (với mức giá 1 đô la/scf, đây là khoản tiết kiệm 1,6 triệu đô la). Để hiểu rõ hơn về kết quả đáng chú ý này, NESC đã được yêu cầu giải quyết các câu hỏi; tại sao điều này lại hiệu quả đến vậy và liệu nó có thể được cải thiện hơn nữa không?
Khi nhận ra rằng quá trình thanh lọc bị giới hạn bởi sự khuếch tán và có thể được mô hình hóa, các biến thể đã được nghiên cứu, dẫn đến ba kết luận quan trọng. Tốc độ dòng chảy nên được tăng lên cho đến khi bắt đầu trộn hỗn loạn; một khi đã bắt đầu, quá trình thanh lọc không nên dừng lại vì điều này cho phép khuếch tán bổ sung xảy ra; và cố gắng cải thiện quá trình thanh lọc bằng cách thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất thì không có nhiều lợi ích. Việc thanh lọc các quả cầu LH2 khổng lồ là rất hiếm, nhưng việc thanh lọc các thùng chứa bay thì lại phổ biến. Năm 2008, dữ liệu thanh lọc từ ba Thùng chứa bên ngoài của Tàu con thoi đã được đo bằng máy quang phổ khối và NESC được yêu cầu áp dụng mô hình khuếch tán cho dữ liệu này. Việc thực hiện điều này cho thấy bằng chứng cho thấy đã xảy ra sự trộn hỗn loạn, cho thấy cần phải giảm tốc độ dòng chảy. Việc có một mô hình như vậy đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc sử dụng quá trình thanh lọc heli kiểu piston tại KSC, với mục tiêu tiết kiệm heli và nhân lực. Công trình này hiện có thể áp dụng trực tiếp để thanh lọc thùng chứa LH2 trên Tầng lõi Hệ thống phóng không gian.
Cảm biến khí nhị phân
Trong quá trình thanh lọc trước đây, các mẫu khí được đưa đến phòng thí nghiệm để chỉ ra trạng thái thanh lọc nhưng việc làm như vậy đối với thanh lọc piston sẽ gây ra sự chậm trễ về thời gian, cho phép sự khuếch tán không mong muốn diễn ra. May mắn thay, một đánh giá độc lập của NESC[4] đã đánh giá một cảm biến khí nhị phân, với sự kết hợp tuyệt vời giữa chi phí, kích thước, công suất và trọng lượng để triển khai tại hiện trường, cung cấp khả năng giám sát nhanh chóng theo thời gian thực về tỷ lệ khí thanh lọc. Sử dụng cảm biến này đã giúp thanh lọc piston của bình LH2 mới thành công.
Bảo tồn Heli bằng cách khuếch tán giới hạn làm sạch các bình chứa Hydro lỏng
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
