Экспериментальное исследование температуры стенки стального резервуара с горячим нефтепродуктом в зимнее время

Abstract

This article presents the results of an experimental study of the temperature variation of the inner wall of a steel tank under different operating conditions. The authors provide the scheme of the experimental setup and the results of measurements of the wall temperature of the reservoir in the gas and liquid regions. The setup includes a cryocamera, a model of a vertical steel tank, soil temperature sensors and a system for heating and pumping oil. It has been shown that the temperature of the reservoir wall in the region of the gas space near the surface of the liquid, after filling with the coolant of the reservoir by 60% and standing for 25 minutes, is close to the value of the gas space temperature; at a distance from the surface of the liquid the wall temperature is lower. It has been established that natural convection of the gas-air mixture is observed in the free space of the reservoir. For this reason, the internal surface of the tank wall is unevenly heated, which implies that the assumption of the equality of temperature of the inner wall of the reservoir and the temperature of the gas space is incorrect. To describe the thermal operating conditions of the reservoir, a physical-mathematical model has been developed and a computer program has been created to simulate the heat exchange between the reservoir and the environment numerically. Within the framework of the model, the following assumptions are made: a boundary condition of the first kind is given at the point of contact between the soil and the metal; for the interaction of the environment with the wall there correspond boundary conditions of the 2nd and 3rd kinds; the temperature of the outer wall of the reservoir varies according to the cosine law. Based on the results of the performed research, the comparison of the experimental and calculated data is within 0.7 °C or 2%, which indicates a correct formulation of the numerical solution.

В статье изложены результаты экспериментального исследования изменения температуры внутренней стенки стального резервуара при разных режимах эксплуатации. Приведена схема экспериментальной установки и результаты измерений температуры стенки резервуара в области газового пространства и в области жидкости. Установка включает криокамеру, модель вертикального стального резервуара, датчики температуры, грунт и систему нагрева и перекачивания нефти. Показано, что температура стенки резервуара в области газового пространства вблизи поверхности жидкости, после заполнения теплоносителем резервуара на 60% и выстаивания в течение 25 минут, близка к значению температуры газового пространства; на удалении от поверхности жидкости температура стенки ниже. Установлено, что в свободном пространстве резервуара наблюдается естественная конвекция газовоздушной смеси. По этой причине происходит неравномерное прогревание внутренней поверхности стенки резервуара, из чего следует некорректность предположения о равенстве температуры внутренней стенки резервуара и температуры газового пространства. Для описания тепловых режимов работы резервуара разработана физико-математическая модель и создана компьютерная программа для численного моделирования теплообмена между резервуаром и окружающей средой. В рамках модели приняты следующие допущения: в месте контакта грунта и металла задается граничное условие 1-го рода; за взаимодействие окружающей среды со стенкой отвечают граничные условия 2-го и 3-го рода; температура внешней стенки резервуара изменяется по косинусоидальному закону. Экспериментальные данные и результаты расчетов совпадают в пределах 0,7 °С, или 2%, что говорит о корректной постановке численного решения.