低温液体储箱加压排液过程计算模型比较

    1 引 言

    许多工程上都涉及到了低温液体储箱加压排液,比如低温液体储存站、液氢加注站等。为了经济性的考虑,在低温液体储箱中可以通过加注同质气体增压排出体。但如果加压气体不纯,含有水蒸气等杂质,在低温高压的储箱环境内,就可能发生杂质气体凝结堵塞液体输送管道,造成严重后果。为了抑止或避免杂质气体凝结堵塞输送管,必须要了解工作过程中储箱内的温度、压力、速度场,然后分析杂质气体的凝结情况。由于杂质气体含量较少,它们对储箱内温度、压力、速度影响不大,因而,本文主要讨论加入纯同质气体系统的温度、压力、速度场的模拟计算问题。

    在工作时间内,液体储箱内会发生复杂的传热传质现象[1],可能发生的物理现象包括:气枕中气体与液体、气体与箱内壁的换热,高温进气与箱内低温气体的换热,箱壁上下温差引起的导热以及气液界面之间的相变等。如果气枕内压力达到安全阀门开启压力,则打开阀门排气(或者减少进气量)。

    由于工作环境恶劣(低温高压),不利于实际测量,这种复杂的传热传质问题很难获得精确的数据。这样对于理论研究和数值模拟也带来了很大的困难。国内缺乏相关的资料,国外的文献也很有限[2]。现有的文献大多是模拟定压系统,即通过调整进气量来维持气枕压力不变;而本文讨论的是定流量加压系统的模拟,即控制高温气体定流量加入储箱(见图1),排出下面的低温液体,当上部气枕空间的压力过大,超过某临界值,安全阀门自动打开,开始排气,直到压力下降,便关闭安全阀门。

    2 系统的初始条件和边界条件

    对该实际问题,已知的初始条件和边界条件如下:

    储箱几何参数:直径为1. 6 m,长度为7. 6 m,两端各有一段直径为1. 6 m的半球,中间筒段长6 m;

    储箱初始压力: 0. 35MPa(绝压,以下同);

    储箱初始温度: 104 K;

    气枕初始高度: 0. 8 m;

    进气入口温度: 373 K;

    进气质量流量: 0. 6 kg/s;

    储箱液位下降速度: 0. 05 m/s;

    工作时间: 120 s;

    安全阀门开启压力: 0. 45MPa。

    3 提出计算模型

    从已有的文献来看,该传热问题可以建立整体模型和分层模型[2~4]。

    3. 1 整体模型

    对于整体模型,提出如下假设:气枕内温度、压力均匀一致,忽略气液相变、传质[6~7],不考虑气体粘性。

    (1)气枕与液面和储箱的换热

    (2)储箱热平衡关系