1
УДК 536.246:532.517.2
Тепловая конвекция в замкнутой емкости,
заполненной компонентом в трехфазовых состояниях
© Г.Н. Товарных
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
Предложена математическая модель расчета давления в замкнутой вертикаль-
ной цилиндрической емкости, частично заполненной криогенным компонентом в
трех фазовых состояниях при бездренажном хранении. Рассмотрена сопряжен-
ная задача о нахождении температурных и гидродинамических полей
в
области
пара
и
жидкости с учетом тепловых потоков по стенкам при наличии подвижной
границы раздела между жидкостью и шугой и неподвижной границы раздела
между паром и жидкостью, на которой происходит испарение жидкой фазы.
Принято, что пар подчиняется уравнению состояния идеального газа, область
шуги изотермична и имеет температуру плавления твердой фазы, в начальный
момент времени пар и жидкость неподвижны и имеют температуру и давление
тройной точки. Поле температур и скоростей в области пара и чистой жидко-
сти определено из уравнений Навье — Стокса, записанных в приближении Бус-
синеска с использованием переменных вихрь — функция тока. Задача решена чис-
ленно с применением метода сеток по явной схеме расчета
.
Ключевые слова:
криогенная жидкость, криопродукт, бездренажное хранение, пар,
жидкость, шуга, плавление, испарение, вихрь, функция тока.
Криогенные жидкости находят широкое применение в различных
областях науки и техники. Особый интерес представляет собой крио-
генная техника, работающая в области водородных и гелиевых тем-
ператур. При этом очень важными становятся вопросы охлаждения,
хранения и транспортировки криопродуктов в неустановившихся ре-
жимах при наличии внешних теплопритоков, фазовых переходов и
вибрационных нагрузок [1].
Одним из перспективных способов уменьшения потерь криопро-
дуктов является их хранение в предварительно охлажденном [2] или
шугообразном состоянии, т. е. в виде смеси твердой и жидкой фаз [3].
Выигрыш в этом случае получается в увеличении запаса холода и
плотности криопродукта, а также в уменьшении давления насыщен-
ных паров. Нагрев шугообразного продукта при его постоянном пе-
ремешивании вызывает в основном плавление твердой фазы и незна-
чительное повышение давления паров над жидкостью. Управляя при-
током теплоты к емкости, можно своевременно перевести шугу в
жидкое состояние.
При длительном хранении криогенной жидкости возникает ее
температурное расслоение, а при наличии на дне емкости шуги рас-
слоение может стать значительным. Образуется верхний нагретый
слой вблизи свободной поверхности, в котором температура и давле-
