Процессы в емкостях при хранении криогенных продуктов

Исследования с помощью шлиренфотографий, визуализирующих тепловые явления за счет оптической неоднородности среды, позволили выявить физическую картину возникновения температурного расслоения.

Установлено, что при боковом подводе тепла около стенок сосуда формируется свободно конвективный слой, толщина которого увеличивается по высоте. Значительная доля бокового теплопритока аккумулируется этим слоем и выносится в виде прогретой жидкости к поверхности раздела фаз. Температурному расслоению способствует также верхний теплоприток, поскольку он, вызывая прогрев верхнего слоя жидкости, не создает условий для ее конвективного перемешивания.

В реальных конструкциях ре­зервуаров на формирование температурных полей в криогенных продуктах влияют равномерность теплоподвода по поверхности сосуда, величина теплопритока, степень заполнения сосуда, фазовые переходы на поверхности жидкости, теплофизические свойства продукта. В нижней части объема жидкости формируется зона с практически однородной температурой (так называемое ядро); верхний слой жидкости, носящий название стратифицированного, более прогретый по сравнению с ядром, причем температура жидкости растет по мере приближения к поверхности раздела фаз.

Разница температур на поверхности жидкости и в ядре ΔT называется величиной температурного расслоения. Толщина стратифицированного слоя при увеличении плотности теплового потока к продукту уменьшается, а температурное расслоение возрастает. Температурное расслоение с течением времени возрастает, причем темп его роста постепенно уменьшается. При малых степенях заполнения температурное расслоение незначительно из-за конвективного перемешивания под действием донного теплопритока; кроме того, испарение жидкости с поверхности способствует выравниванию температур.

Температурное расслоение криогенных продуктов не только затрудняет расчет параметров, но и ухудшает эксплуатационные характеристики резервуаров, так как вызывает более быстрый рост давления по сравнению с равномерным прогревом.

Методы борьбы с температурным расслоением основаны на перемешивании жидкости в процессе хранения. Для перемешивания жидкости предложен ряд устройств, основные конструктивные схемы которых представлены на рис. 2.10. В струйных смесителях (рис. 2.10 а и 2.10 б)перемешивание достигается восходящими струями жидкости, образующимися либо механическими средствами, либо с помощью специальных нагревателей. На рис. 2.10, в представлена конструктивная схема устройства, в котором температурное расслоение снижается благодаря перераспределению теплопритока в донную часть сосуда. Перераспределение достигается посредством установки в изоляционном пространстве резервуара теплопроводного экрана с тепловым контактом в нижней части внутреннего сосудах. Работа устройства, представленного на рис. 2.10, г, основана на конденсации паровой фазы в объеме специального сосуда, помещенного в нижние слои жидкости, благодаря чему существенно уменьшается величина температурного расслоения.

Реальной физической природе формирования полей температуры в наибольшей мере соответствует модель с пограничным слоем. Согласно этой модели около боковых стенок сосуда образуется пограничный слой, выносящий теплую жидкость к поверхности раздела фаз. Теплоприток от купола сосуда также способствует прогреву верхнего слоя.