БАК-АККУМУЛЯТОР ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ
HOT-WATER STORAGE TANK

Изобретение относится к конструкциям баков-аккумуляторов горячей воды (БАГВ), в частности к устройствам, позволяющим повысить надежность и безопасность эксплуатации БАГВ и предотвратить их лавинообразное разрушение.
Известны резервуары с защитной стенкой для нефти и нефтепродуктов (ГОСТ 31385-2008. Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Общие технические условия. - М., 2008), состоящие из внутреннего резервуара, предназначенного для хранения продукта, и наружного резервуара, предназначенного для удержания продукта в случае аварии или нарушения герметичности основного резервуара. Днище основного резервуара опирается непосредственно на днище защитного резервуара. Защитный резервуар выполняется в виде открытого «стакана», в котором установлен основной резервуар. Высота стенки защитного резервуара должна составлять не менее 80% от высоты стенки основного резервуара. Диаметр защитного резервуара должен выполняться таким образом, чтобы в случае повреждения внутреннего резервуара и перетекания части продукта в защитный резервуар, уровень продукта был на 1 м ниже верха стенки защитного резервуара, но ширина межстенного пространства должна быть не менее 1,5 м. При этом следует предусматривать конструктивные мероприятия (например, обматывание резервуара металлическим канатом) для предотвращения лавинообразного разрушения и раскрытия стенки рабочего резервуара.
Недостатками описанных резервуаров является то, что
- защитная стенка не предотвращает лавинообразного разрушения стенки рабочего резервуара и раскрытия его стенок, а также защиту обслуживающего персонала;
- утепление резервуара производят по стенке основного резервуара, при этом точка росы находится в теплоизоляции или на стенке бака, снижая срок службы теплоизоляции;
- периодические осмотры стенки резервуара затруднены, из-за наличия теплоизоляции, требуют опорожнения резервуара или снятия теплоизоляции;
- резервуар занимает большую площадь.
Известны стальные двустенные резервуары для наземного и подземного хранения нефтепродуктов, обладающие большой эксплуатационной надежностью (Правила технической эксплуатации резервуаров, утвержд. ОАО «НК «Роснефть» 28.01.2004 г. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: 16.pdf. Дата обращения: 27.02.2012). Межстенное пространство резервуара заполняется инертным газом - азотом или специальной жидкостью - этиленгликолем. Конструкция резервуаров предусматривает установку системы постоянного контроля герметичности межстенного пространства. Межстенное пространство должно оснащаться системой откачки из него жидкости закрытым способом. Возможность образования воздушного пространства при увеличении плотности жидкости за счет снижения температуры окружающего воздуха должна быть исключена (например, за счет устройства расширительного бака).
Недостатками двустенных резервуаров является то, что
- защитная стенка не предотвращает лавинообразного разрушения стенки рабочего резервуара и раскрытия его стенок;
- точка росы при теплоизоляции наружной емкости не может находиться в межстенном пространстве, так как появление посторонней жидкости в нем приведет к возникновению аварийной ситуации и срабатыванию автоматики;
- изготовление емкостей является сложным и трудоемким;
- затруднено обследование стенок при периодическом обследовании, требуется опорожнение или развакуумирование внутренней межстенной полости.
Известны баки-аккумуляторы (прототип) (РД 34.40.601-97. Методические указания по обследованию баков-аккумуляторов горячей воды. - М., 1998) с конструкцией усиления по проекту ГПИ "Ленстальконструкция", оснащенные наружными конструкциями защиты, состоящими из горизонтальных поясов кругового очертания, - бандажей и вертикальных стоек. Расстояние между бандажами по высоте бака принимается переменным и зависит от величины растягивающих усилий и от расположения люков и вводов трубопроводов. Между бандажами и стенкой бака предусмотрены зазоры 15±5 мм, компенсирующие расширения бака от повышения температуры и давления воды. На конструкцию бака, с выполненным усилением, устанавливается теплоизоляция с покрывным слоем.
Недостатками данных баков-аккумуляторов являются:
- для безопасной эксплуатации усиленных баков необходимо дополнительно предусмотреть вокруг бака охранную зону повышенной опасности на расстоянии равном высоте бака, так как бандажи не предотвращают выброс горячей воды после аварийного раскрытия на прилегающую к баку территорию, обслуживающий персонал и подмыв фундамента бака;
- ступенчатая форма усиления бака с зазорами усложняет расчет теплоизоляции, ее снятие и повторный монтаж при обследовании и эксплуатации бака;
- точка росы находится внутри теплоизоляции или на поверхности бака, что сопровождается замачиванием теплоизоляции и сокращением срока ее службы либо намоканием наружной поверхности бака и требует устройства пароизоляции.
Целью изобретения является повышение надежности и безопасности эксплуатации БАГВ и предотвращение их лавинообразного разрушения, при одновременном упрощении изготовления защитной конструкции.
Поставленная задача решается тем, что бак-аккумулятор горячей воды содержит цилиндрическую емкость, изготовленную из металлических листов, днище, кровлю, трубопроводы подвода и отвода воды, опорожняющий патрубок, наружную защитную конструкцию с вертикальными стойками и опоясывающим элементом, теплокомпенсирующий зазор, образованный стенкой цилиндрической емкости и наружной защитной конструкцией, причем опоясывающий элемент выполнен в виде обечайки, имеет общие с цилиндрической емкостью днище и кровлю, снабжен снаружи в нижней части диаметральными ребрами и сливным патрубком, диаметр которого равен диаметру опорожняющего патрубка, образует со стенкой цилиндрической емкости технологический зазор, а теплокомпенсирующий зазор образован вертикальными стойками, размещенными в технологическом зазоре.
Внутренний радиус опоясывающего элемента определяется соотношением
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>10</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mrow><mi>Re</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>λ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>ы</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mi>я</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow></msqrt><mo>⋅</mo><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
где
раскрытия
L - длина вертикального сварного шва, м;
r - наружный радиус цилиндрической емкости, м;
R - внутренний радиус опоясывающего элемента, м;
d - диаметр сливного патрубка, м;
кр
Re - критическая величина числа Рейнольдса, определяющая переход ламинарного режима истечения воды в турбулентный;
2
λ - кинематическая вязкость воды при рабочей температуре, м/с;
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
На фиг.1 схематично изображен бак-аккумулятор; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Бак-аккумулятор горячей воды содержит сварную цилиндрическую емкость 1 (см. фиг.1), трубопроводы 2 и 3 (см. фиг.2) подвода и отвода воды соответственно, опорожняющий патрубок 4 (см. фиг.1), коаксиально расположенную наружную защитную конструкцию 5 с вертикальными стойками 6 и опоясывающим элементом 7.
Цилиндрическая емкость 1 изготовлена из металлических листов 8 посредством вертикальных и горизонтальных сварных соединений.
Диаметр опорожняющего патрубка 4 определяют в зависимости от рабочего объема цилиндрической емкости 1.
Опоясывающий элемент 7 выполнен в виде сварной обечайки и имеет общие с цилиндрической емкостью 1 днище 9, кровлю 10 и образует со стенкой цилиндрической емкости 1 технологический зазор 11 (см. фиг.2). Высота опоясывающего элемента 7 равна высоте стенки цилиндрической емкости 1.
В технологическом зазоре 11 на всю высоту внутренней стенки опоясывающего элемента 7 с шагом по периметру, зависящим от наружного радиуса цилиндрической емкости 1, установлены вертикальные стойки 6, выполненные в виде продольных ребер. Вертикальные стойки 6 позволяют технологически просто сцентрировать и собрать листы опоясывающего элемента 7. Вертикальные стойки 6 образуют со стенкой цилиндрической емкости 1 теплокомпенсирующий зазор 12, обеспечивающий ограничение напряжения в стенке цилиндрической емкости 1 при ее расширении до численных величин, не превышающих напряжения пластического деформирования.
На наружной стенке опоясывающего элемента 7 в нижней его части выполнены диаметральные ребра 13 (см. фиг.1), количество которых определяют в зависимости от рабочего объема цилиндрической емкости 1. Диаметральные ребра 13 позволяют при аварийном раскрытии цилиндрической емкости 1 снизить напряжение в стенке опоясывающего элемента 7 до допустимого значения.
В самой нижней точке опоясывающего элемента 7 расположен сливной патрубок 14. Диаметр сливного патрубка 14 равен диаметру опорожняющего патрубка 4.
При аварийном раскрытии вертикального сварного шва цилиндрической емкости 1 горячая вода истекает через образовавшееся сечение в технологический зазор 11, заполняя его и равномерно истекая через сливной патрубок 14, исключая разлитие горячей воды на прилегающую территорию. Тем самым снимаются задачи обваловки бака-аккумулятора и организации водоотведения.
Внутренний радиус опоясывающего элемента 7 должен обеспечивать размер технологического зазора 11, удовлетворяющий условию ограничения площади раскрытия вертикального сварного шва при аварийном раскрытии цилиндрической емкости 1, тем самым уменьшать силу давления струи на стенку опоясывающего элемента 7 и обеспечивать равномерное истечение горячей воды через сливной патрубок 14.
Внутренний радиус опоясывающего элемента 7 определяют в зависимости от геометрических и физико-технических характеристик бака и рабочей среды из соотношения:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>б</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>v</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>ч</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>я</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mtext>d</mtext><mrow><mtext>отв</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><mn>10</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>v</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>ы</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mi>я</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                                                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
После преобразований формула (1) принимает следующий вид:
<mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow></msqrt><mo>⋅</mo><msub><mtext>d</mtext><mrow><mtext>отв</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><mn>10</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mi>Re</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>λ</mi><mo>/</mo><msub><mtext>d</mtext><mrow><mtext>отв</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>ы</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mi>я</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                           </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow></msqrt><mo>⋅</mo><msubsup><mtext>d</mtext><mrow><msub><mrow /><mrow><mtext>отв</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub></mrow><mtext>2</mtext></msubsup></mrow><mrow><mn>10</mn><mo>⋅</mo><msub><mrow><mi>Re</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>λ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>ы</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mi>я</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                                                   </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
бака
3
V - объем воды в цилиндрической емкости 1, м;
зазора
3
V - объем технологического зазора 11, м;
истечения
v - скорость истечения воды после раскрытия сварного шва, м/с;
критическая
v - критическая скорость, определяющая переход истечения воды из ламинарного режима в турбулентный, м/с;
раскрыти.
L - длина вертикального сварного шва, м;
отв.
d - диаметр сливного патрубка 14, м;
r - наружный радиус цилиндрической емкости 1, м;
R - внутренний радиус опоясывающего элемента 7, м;
Н - высота заполнения цилиндрической емкости 1 водой, м;
кр
Re - критическая величина числа Рейнольдса, определяющая переход ламинарного режима истечения воды в турбулентный;
2
λ - кинематическая вязкость воды при рабочей температуре, м/с;
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
Исходя из формулы (3), внутренний радиус опоясывающего элемента 7 равен:
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>10</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mrow><mi>Re</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>λ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>ы</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mi>я</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow></msqrt><mo>⋅</mo><msubsup><mi>d</mi><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>+</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mtext>                                                 </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
раскрыти.
L - высота вертикального сварного шва, м;
r - наружный радиус цилиндрической емкости 1, м;
R - внутренний радиус опоясывающего элемента 7, м;
отв.
d - диаметр сливного патрубка 14, м;
кр
Re - критическая величина числа Рейнольдса, определяющая переход ламинарного режима истечения воды в турбулентный;
2
λ - кинематическая вязкость воды при рабочей температуре, м/с;
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
Опоясывающий элемент 7 с радиусом, рассчитанным по формуле (4), позволяет при аварийном раскрытии цилиндрической емкости 1 ограничить площадь раскрытия сварного шва, тем самым уменьшить силу давления струи на стенку опоясывающего элемента, при этом напряжения, возникающие на стенке опоясывающего элемента, не превышают напряжения пластического деформирования.
Наличие опоясывающего элемента, выполненного в виде обечайки, позволяет просто и быстро производить теплоизоляцию цилиндрической емкости, уменьшить толщину теплоизоляции благодаря наличию воздушного технологического зазора, обеспечить нахождение точки росы в этом зазоре и непрерывный отвод конденсата из технологического зазора в сливной патрубок.
Через технологический зазор можно проводить эндоскопический инструментальный контроль состояния стенки как цилиндрической емкости, так и опоясывающего элемента без снятия теплоизоляции и слива горячей воды при периодических ежегодных обследованиях.