Спосіб активної дестратифікації рідини

Изобретение относится к области криогенной техники и может быть использовано в системах длительного бездренажного хранения криогенной жидкости. Наиболее близким по технической сущности является способ активной дестратификации криогенной жидкости при хранении ее с периодическим газосбросом в некотором интервале избыточных давлений [1]. Верхний предел давления, соответствующий началу газосброса, ограничен рабочим давлением резервуара (его прочностью), а нижний предел, соответствующий началу гаэосброса - удобством контроля давления. Газосброс осуществляется при помощи вентиля. Во избежание подсоса воздуха при газосбросе хранение криоагента производится под некоторым избыточным давлением, которое возникает в результате самонаддува криогенной емкости за счет подвода тепла из окружающей среды к боковым стенкам резервуара. При достижении верхнего предела давления вентиль открывается и происходит сброс избыточного давления в дренажную систему. При этом тепло отбирается из газовой подушки наддува за счет превращения потенциальной энергии сжатого газа в кинетическую энергию истекающей струи через вентиль. Вследствие этого, температура поверхностного стратифицированного слоя жидкости уменьшается, что в конечном счете приводит к выравниванию температуры во всем объеме криогенной жидкости. Недостатками такого способа является: ограниченность времени бездренажного хранения криогенной жидкости: уменьшение полезного объема сосуда, так как паровое пространство над зеркалом жидкости должно быть достаточным для компенсации теплового расширения жидкости длительность процесса дестратификации Цель изобретения - усовершенствование способа активной дестратификации путем многократного сброса давления за малый промежуток времени, которое обеспечивает увеличение срока бездренажного хранения криогенной жидкости и уменьшение времени протекания процесса дестратификации. Цель достигается тем, что в известном способе, включающем выравнивание температуры слоев жидкости сбросом давления в дренажную систему осуществляют импульсный сброс давления через клапан в течение времени, равного где Т - время срабатывания клапана; Н - высота резервуара; а - скорость звука в криожидкости. На фиг.1 показана зависимость давления в поверхностном слое жидкости от времени; на фиг.2 - схема роста давления в зависимости от количества теплоты, подведенного к единице объема сосуда. При хранении криогенной жидкости в резервуаре в его боковые стенки поступает тепловой поток, обусловленный разностью температур окружающей среды и стенок емкости. Под влиянием поступающего в емкость теплового потока на внутренней поверхности стенок образуется кольцевой пограничный слой криоагента, который под действием архимедовой силы, возникающей вследствие разности температур пограничного слоя и холодного ядра жидкости, поднимается к зеркалу жидкости и отражаясь от него, образует область, высота которой увеличивается с течением времени. Так как давление насыщенных паров криоагента в газовой подушке резервуара определяется температурой свободной поверхности жидкости, то оно возрастает по мере развития расслоения. Повышение давления паров влечет за собой или необходимое утолщение стенок резервуара (а следовательно утяжеление всей конструкции), или потерю компонента в паровой фазе через дренажно-предохранительный клапан. В предложенном способе активной дестратификации криогенной жидкости используется предохранительный клапан с импульсным сбросом давления. При проведении эксперимента было установлено, что в момент начала сброса давления в емкость со скоростью звука в чистой жидкости уходит волна разрежения, которая состоит из упругого предвестника "зуба вскипания" - 1 и зоны релаксации. После прохождения переднего фронта волны разрежения в емкости образуется метастабильная двухфазная смесь, давление в которой интенсивно нарастает. Вместе с ростом давления увеличивается удельный объем смеси (зона 2 - "зуб вскипания"). После этого давление начинает медленно уменьшаться, что сопровождается расширением двухфазной смеси (зона релаксации - 3) Понижение давления приводит к интенсивной генерации пара на имеющихся в жидкости центрах зародышеобразования и увеличению межфазной поверхности. В результате чего вновь увеличивается давление и вслед за волной разрежения в емкость уходит волна сжатия (зона - 4). После этого в емкость уходит вторая волна разрежения, которая постепенно вырождается в "медленную" волну (зона - 5). Эта волна переводит двухфазную смесь в равновесное состояние, тем самым жидкость дестратифицируется. Наибольшая неравномерность температурного поля наблюдается в начальный период развития процесса. Это связано с тем, что верхние слои жидкости, имеющие максимальную температур у, при сбросе давления из емкости теряют скрытую теплоту парообразования и охлаждаются интенсивнее, чем глубинные. При этом вблизи свободной поверхности образуется двухфазная смесь. Увеличение объемного содержания пара в смеси приводит к ее расширению, что сопровождается падением давления и ускорением массовых потоков пара и жидкости. Скорость движения относительно стенок емкости "медленной" волны разрежения примерно на два порядка меньше, чем скорость движения "быстрой волны". Время срабатывания клапана обусловлено временем прохождения волн разрежения и сжатия в емкости, которое можно определить зная высоту резервуара и скорость звука в криожидкости. При возрастании температуры жидкости рост давления происходит по участку кривой 6. При достижении критической температуры дальнейшее возрастание температуры сопровождается резким увеличением темпа роста давления (участок кривой 7). Частота срабатывания клапана уменьшается с убыванием темпа изменения давления в емкости. В течение промежутка времени, когда нарастание давления происходит по пологому участку кривой 6, клапан закрыт. При импульсном открывании клапана происходит опрокидывание контура естественной циркуляции, ответственного за формирование стратифицированного слоя жидкости. При этом на перемещение нагретых слоев жидкости вглубь резервуара, против силы тяжести, затрачивается работа, вследствие чего жидкость дополнительно охлаждается. Таким образом, в предложенном способе реализуется двойной механизм выравнивания температуры по толщине первоначально стратифицированной жидкости - за счет перемешивания слоев жидкости при прохождении волн и за счет охлаждения жидкости при совершении ею работы по перемещению нагретых слоев против силы тяжести. В результате применения предложенного способа активной дестратификации жидкости достигается больший эффект дестратификации жидкости по сравнению с прототипом. Экспериментально было получено подтверждение преимущества данного способа дестратификации жидкости.