RU2027944C1

RU2027944C1 - Storage for low-boiling liquids

Info

Publication number: RU2027944C1
Authority: RU
Inventors: В.С. Войтешонок
Original assignee: Научно-исследовательский институт тепловых процессов им.М.В.Келдыша
Priority date: 1992-07-16
Filing date: 1992-07-16
Publication date: 1995-01-27

Abstract

FIELD: storage of liquids. SUBSTANCE: storage has reservoir in whose bottom portion additional reservoir with holes and pipe is mounted. Ascending jet of heated liquid is formed due to difference of hydrostatic pressures outside and inside the reservoir. Formation of such jet excludes chaotic overheating of bottom portion and consequently jumps of pressure. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

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. The invention relates to cryogenic technology, in particular to the storage of cryogenic liquids, such as oxygen, hydrogen, nitrogen or liquefied natural gases, filling large-sized stationary or transported storage facilities.

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.Storage of cryogenic liquids in tanks is accompanied by their heating by heat penetrating from the outside through thermal insulation. In the case of constant drainage of vapors from the storage, the liquid near the vertical wall, being heated, forms a boundary layer on this wall, giving a stream of superheated liquid to the interface. Evaporating on the surface, the liquid maintains a temperature that is in equilibrium with the pressure in the gas cavity of the storage. The liquid at the bottom of the storehouse, when heated, is formed in the form of heated masses, randomly floating up from the bottom towards the surface. Part of this superheated liquid also evaporates, but the rest of the liquid forms a core that is superheated relative to the pressure in the gas cavity, since the hydrostatic pressure grows deep into the liquid. When the pressure above the liquid changes due to fluctuations in atmospheric pressure or pressure in the pipelines leading to gas consumers, as well as during storage fluctuations due to earthquakes, a sharp boiling of the core of the stored liquid can occur, accompanied by a pressure surge. Due to the significant size of the storage facilities (there are storage facilities with volumes up to 10 ⁵ m ³ ) they cannot withstand even small excess pressures and are destroyed by these pressure surges.

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. Similar pressure surges can be observed in liquefied natural gas storages due to the spontaneous movement of liquefied gas layers in the storage. Immediately after filling the storage, the mixture of residual and newly charged liquefied gas forms a mechanically stable layer system when light fractions of the liquefied gas are located above the heavy ones. However, as gas is stored and produced, light fractions evaporate from the upper layer to consumers and the gas becomes heavier. The density of the lower layer due to heating from the bottom, on the contrary, decreases. As a result, the stability of the position of the liquid layers is violated and the layers roll over, in which the lower warmer layer is on the surface. This layer boils, which also leads to a pressure jump and possible destruction of the storage.

Известно хранилище низкокипящих жидкостей, содержащее резервуар и устройство, снимающее избыточный перегрев ядра жидкости отводом из него тепла в жидкость с более низкой температурой [1]. Known storage of low-boiling liquids containing a reservoir and a device that removes excessive overheating of the liquid core by removing heat from it into a liquid with a lower temperature [1].

Недостатком этого устройства является необходимость, помимо основного резервуара, иметь дополнительный сосуд с другой жидкостью и соответствующие питающие трубопроводы и теплообменники. The disadvantage of this device is the need, in addition to the main tank, to have an additional vessel with another liquid and the corresponding supply pipelines and heat exchangers.

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]. It is also known to store low-boiling liquids, in which the means for preventing pressure surges is made in the form of a pump mixing an array of stored liquid, the pump being turned on by a signal from temperature and density sensors of this liquid [2].

Недостатками такого хранилища являются его доpоговизна и сложность, вследствие которой уменьшается безопасность эксплуатации хранилищ. The disadvantages of such a storage are its cost and complexity, due to which the safety of storage operation is reduced.

Целью изобретения является повышение надежности эксплуатации, упрощение конструкции и снижение стоимости хранилищ. The aim of the invention is to increase the reliability of operation, simplifying the design and reducing the cost of storage.

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. The goal is achieved in that the means for preventing pressure surges is made in the form of at least one vessel located in the bottom region of the reservoir with stored fluid with openings connecting the cavity of the vessel with the cavity of the vessel and a pipe in the upper part of the vessel, the bottom of the vessel being part of the bottom of the vessel.

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. If a part of the liquid adjacent to the bottom is selected in the tank and isolated from the rest of the liquid by the wall, then this part of the liquid will overheat relative to the rest of the liquid due to heat being supplied to the bottom. This overheating can be used to create a free convective jet rising from the bottom. In addition, local overheating of cryogenic liquid even with moderate heat fluxes from the outside will lead to the formation of bubbles on the bottom, which will accumulate in the upper part of the vessel. If the vessel is equipped with a vertical pipe, then an upward flow from the liquid and bubbles occurs, which will mix the stored liquid and prevent excessive overheating of the core and the associated pressure surges.

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. In accordance with the indicated features of heat and mass transfer in the bottom regions of the reservoir, a storage is proposed in which at least one additional vessel is located in the bottom region of the reservoir to prevent excessive core overheating, having a common bottom with the bottom of the reservoir and separating part of the bottom liquid from its main volume. The presence of this vessel creates a local overheating, necessary for the emergence of a constantly existing upward current.

На чертеже изображено предлагаемое хранилище. The drawing shows the proposed storage.

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. The storage consists of a reservoir 1, in the bottom region of which there is at least one means for preventing pressure surges inside the reservoir, made in the form of a vessel 2 having openings 3 for inlet of cold liquid and a pipe 4 for discharging heated liquid. A vessel 2 is installed on the bottom 5. Valves 6 and 7 are designed to fill the tank 1 with low-boiling liquid and dispense it to consumers. The bottom of the vessel 2 is the bottom of the storage.

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. After filling the tank 1 with low-boiling liquid with open valves 6 and 7, it will be subjected to heat supply from the outside. The liquid located near the bottom outside the vessel 2 will be colder than inside it, since the heat exchange of the liquid inside the vessel with the surrounding liquid is weakened, and heating from the bottom occurs. Therefore, the difference in hydrostatic pressures will appear outside and inside the vessel 2, as a result of which the heated liquid will be pushed into the pipe 4 and after a while there will be a free-convection flow from the bottom 5 through the vessel 2 and the pipe 4. In addition, local bottom overheating inside the vessel 2 will lead to the formation of bubbles, which, floating to the surface through the pipe 4, also move the liquid. Thus, the heat supplied to the bottom 5 of the tank 1 will not be spent on overheating of the core, but will be largely intercepted by an upward jet, carried to the surface of the liquid and removed there by evaporation of a certain mass of liquid. The position of the upper cut of the pipe 4 is selected during the operation of the storage.

Технический эффект применения предлагаемого хранилища заключается в том, что предотвращение скачков давления достигается с помощью средства простейшей конструкции и без внешней энергии. The technical effect of the proposed storage is that the prevention of pressure surges is achieved by means of a simple design and without external energy.

Claims

STORAGE FOR LOW-BOILING LIQUIDS, containing a reservoir and a means for preventing pressure surges inside the storage tank, which is characterized in that the means for preventing pressure surges is made in the form of at least one vessel located in the bottom region of the vessel with openings connecting the cavity of the vessel with the cavity of the tank , and a pipe in the upper part of the vessel, the bottom of the vessel being part of the bottom of the storage.