Cryogene flowmeting uitgelegd

Als we het hebben over cryogene flowmetingen, dan gaat het eigenlijk altijd over het meten van een gas, wat op een zeer lage temperatuur is gebracht en daardoor vloeibaar is geworden. Een veelvoorkomende toepassing van dit fenomeen is het thermisch scheiden van luchtgassen. Lucht bestaat voor 80% uit stikstof, wat vloeibaar wordt bij -196 ºC. Een ander luchtgas is zuurstof waar lucht voor circa 20 % uit bestaat. Zuurstof condenseert onder atmosferische omstandigheden bij circa -183 ºC. Dit fenomeen staat het thermisch scheiden van deze 2 luchtgassen toe.

Voor het meten van cryogene vloeistofstromen kan niet elke flowmeter gebruikt worden. Een in te zetten instrument moet natuurlijk wel tegen die lage temperaturen kunnen. En niet alleen binnen in de leiding, maar ook erbuiten. Immers, een koud instrument leidt tot ijsvorming aan de buitenzijde door condensatie van waterdamp in de omgevingslucht.

Foto: IJsvorming op onderdelen in een cryogene flow applicatie.

Flowmeter keuze voor cryogene applicaties

De meest gebruikte flowmeters zijn verschildrukflowmeters, turbine flowmeters, ultrasone flowmeters en coriolis flowmeters.

Enkele typische cryogene applicaties zijn:

• Verladingsmetingen van cryogene vloeistoffen die door vrachtwagens vervoerd en afgeleverd worden
• De metingen tijdens het luchtscheidingsproces
• LNG (Liquified Natural Gas, ofwel vloeibaar gemaakt aardgas)
• Raket installaties voor vloeibare brandstof motoren

Omdat de levering van cryogene vloeistoffen valt onder de MID (want de MID is wettelijk van toepassing op de verrekeningsmetingen van vloeistoffen anders dan water, download hem hier) worden er bepaalde eisen gesteld aan de instrumenten die voor deze applicatie gebruikt worden. Deze staan beschreven in een OIML rapport, de R81-1. OIML staat voor Organisation Internationale de Métrologie Légale.

LNG: cryogene flowmeting

Op verschillende plaatsen op de wereld, met name waar aardgas geproduceerd wordt maar het afzetgebied beperkt is) worden LNG fabrieken gebouwd. Op andere plaatsen worden LNG-terminals gebouwd; dáár waar er een grote vraag is naar aardgas. In deze applicaties worden soms dP-metingen ingezet. De turbine flowmeter is een andere optie. Voor hele grote LNG-leidingen wordt steeds vaker naar ultrasone flowmeters gekeken.

Specifieke aandachtspunten bij cryogene applicaties zijn de risico's van flashing (plotselinge gasvorming in de vloeistof) en de noodzaak van koeling en (vacuüm)isolatie.

Foto: In LNG tankers worden ultrasoon flowmeters in grote doorlaat in RVS gebruikt.

Ruimtevaart: cryogene flowmeting

Sommige raketten hebben waterstof als brandstof, andere methaan of kerosine. En er is natuurlijk zuurstof nodig. In de raketmotor wordt de vloeibare waterstof (of een andere brandstof) en vloeibare zuurstof geïnjecteerd bij drukken van honderden bar. Een dergelijke test duurt maar een seconde of 15. Er worden natuurlijk speciale eisen gesteld aan de flowmeters die bij dergelijke hoge drukken en lage temperaturen moeten functioneren. Doorgaans worden voor dergelijke toepassingen speciale turbine flowmeters gebruikt.

Foto: Cryogene flowmeting bij vloeibare brandstof motoren van ruimtevaart motoren. Op deze foto: de motor van het door Teesing gesponsorde DARE studententeam van de TU Delft.