ХРАНИЛИЩЕ ДЛЯ НИЗКОКИПЯЩИХ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1995 года по МПК F17C3/00 F17C13/12 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к хранению криогенных жидкостей, таких как кислород, водород, азот или сжиженные природные газы, заполняющих крупноразмерные стационарные или перевозимые хранилища.

Хранение криогенных жидкостей в емкостях сопровождается их нагревом теплом, проникающим извне через теплоизоляцию. В случае постоянного дренирования паров из хранилища жидкость у вертикальной стенки, подогреваясь, образует на этой стенке пограничный слой, дающий поток перегретой жидкости к поверхности раздела. Испарясь на поверхности, жидкость поддерживает температуру, равновесную с давлением в газовой полости хранилища. Жидкость у днища хранилища, нагреваясь, формируется в виде нагретых масс, хаотически всплывающих от днища по направлению к поверхности. Часть этой перегретой жидкости также испаряется, однако остальная жидкость формирует ядро, перегретое относительно давления в газовой полости, так как гидростатическое давление растет в глубь жидкости. При изменении давления над жидкостью из-за колебаний атмосферного давления или давления в магистралях, ведущих к потребителям газа, а также при колебаниях хранилища из-за землетрясений, может происходить резкое вскипание ядра хранящейся жидкости, сопровождаемое скачком давления. Из-за значительных размеров хранилищ (существуют хранилища с объемами до 10⁵ м³) они не могут выдерживать даже небольшие избыточные давления и разрушаются от этих скачков давления.

Аналогичные скачки давления могут наблюдаться в хранилищах сжиженных природных газов по причине спонтанного перемещения слоев сжиженных газов в хранилище. Сразу после заполнения хранилища смесь остаточного и вновь заправленного сжиженного газа образует механически устойчивую систему слоев, когда легкие фракции сжиженного газа располагаются над тяжелыми. Однако по мере хранения и выработки газа потребителям из верхнего слоя испаряются легкие фракции и газ становится тяжелее. Плотность нижнего слоя из-за подогрева от днища, наоборот, уменьшается. В результате устойчивость положения слоев жидкости нарушается и происходит перекатывание слоев, при котором нижний более нагретый слой оказывается на поверхности. Этот слой вскипает, что также приводит к скачку давления и возможному разрушению хранилища.

Известно хранилище низкокипящих жидкостей, содержащее резервуар и устройство, снимающее избыточный перегрев ядра жидкости отводом из него тепла в жидкость с более низкой температурой [1].

Недостатком этого устройства является необходимость, помимо основного резервуара, иметь дополнительный сосуд с другой жидкостью и соответствующие питающие трубопроводы и теплообменники.

Известно также хранилище низкокипящих жидкостей, в котором средство для предотвращения скачков давления выполнено в виде насоса, перемешивающего массив хранящейся жидкости, причем насос включается по сигналу от датчиков температуры и плотности этой жидкости [2].

Недостатками такого хранилища являются его доpоговизна и сложность, вследствие которой уменьшается безопасность эксплуатации хранилищ.

Целью изобретения является повышение надежности эксплуатации, упрощение конструкции и снижение стоимости хранилищ.

Цель достигается тем, что средство для предотвращения скачков давления выполнено в виде расположенного в донной области резервуара с хранящейся жидкостью по крайней мере одного сосуда с отверстиями, соединяющими полость сосуда с полостью резервуара и трубой в верхней части сосуда, причем днище сосуда является частью днища резервуара.

Если выделить в резервуаре часть жидкости, прилегающую к днищу, и изолировать ее от остальной жидкости стенкой, тогда эта часть жидкости вследствие подвода тепла к днищу будет перегреваться относительно остальной жидкости. Этот перегрев можно использовать для создания восходящей от дна свободноконвективной струи. Кроме того, локальный перегрев криогенной жидкости даже при умеренных потоках тепла извне приведет к образованию пузырей на днище, которые будут скапливаться в верхней части сосуда. Если сосуд снабдить вертикальной трубой, тогда возникает восходящее течение из жидкости и пузырей, которое будет перемешивать хранящуюся жидкость и не допускать избыточного перегрева ядра и связанных с ним скачков давления.

В соответствии с указанными особенностями тепломассообмена в придонных областях резервуара предлагается хранилище, в котором для предотвращения избыточного перегрева ядра в придонной области резервуара располагается хотя бы один дополнительный сосуд, имеющий общее днище с днищем резервуара и отделяющий часть придонной жидкости от основного ее объема. Наличие этого сосуда создает локальный перегрев, необходимый для возникновения постоянно существующего восходящего течения.

На чертеже изображено предлагаемое хранилище.

Хранилище состоит из резервуара 1, в придонной области которого располагается по крайней мере одно средство для предотвращения скачков давления внутри резервуара, выполненное в виде сосуда 2, имеющего отверстия 3 для впуска холодной жидкости и трубу 4 для выпуска подогретой жидкости. На днище 5 устанавливается сосуд 2. Вентили 6 и 7 предназначены для осуществления заправки резервуара 1 низкокипящей жидкостью и выдачи ее потребителям. Днищем сосуда 2 является днище хранилища.

После заполнения резервуара 1 низкокипящей жидкостью при открытых вентилях 6 и 7 она будет подвергаться теплоподводу извне. Жидкость, находящаяся около дна снаружи сосуда 2, будет холоднее, чем внутри него, так как теплообмен жидкости, находящейся внутри сосуда, с окружающей жидкостью ослаблен, а нагрев от днища происходит. Поэтому появится разность гидростатических давлений снаружи и внутри сосуда 2, вследствие которой будет происходить проталкивание подогретой жидкости в трубу 4 и через некоторое время возникнет свободноконвективное течение от днища 5 через сосуд 2 и трубу 4. Кроме этого, локальный донный перегрев внутри сосуда 2 будет приводит к образованию пузырей, которые, всплывая к поверхности по трубе 4, также перемещают жидкость. Таким образом, тепло, подводимое к днищу 5 резервуара 1, не будет расходоваться на перегрев ядра, а в значительной степени будет перехватываться восходящей струей, выноситься к поверхности жидкости и сниматься там испарением определенной массы жидкости. Положение верхнего среза трубы 4 подбирается в ходе эксплуатации хранилища.

Технический эффект применения предлагаемого хранилища заключается в том, что предотвращение скачков давления достигается с помощью средства простейшей конструкции и без внешней энергии.

Сущность изобретения: хранилище содержит резервуар, в донной части которого установлен дополнительный сосуд с отверстиями и трубой. Вследствие разности гидростатических давлений снаружи и внутри сосуда и трубы возникает восходящая струя нагретой жидкости. Существование струи исключает хаотический перегрев донной области и связанные с ним скачки давления. 1 ил.

ХРАНИЛИЩЕ ДЛЯ НИЗКОКИПЯЩИХ ЖИДКОСТЕЙ, содержащее резервуар и помещенное внутри него средство для предотвращения скачков давления внутри хранилища, отличающееся тем, что средство для предотвращения скачков давления выполнено в виде расположенного в донной области резервуара по крайней мере одного сосуда с отверстиями, соединяющими полость сосуда с полостью резервуара, и трубой в верхней части сосуда, причем днище сосуда является частью днища хранилища.