ارائه طرحي جديد و تحليل حرارتي - مكانيكي براي تكيه‌گاه‌هاي داخلي مخازن ذخيره مايعات برودتيتي

A new design and thermo-mechanical coupled analysis for internal supports of the cryogenic fluids tanks

اختلاف زياد بين دماي محيط و مايعات برودتي در مخازن ذخيره اين مايعات موجب مي‌شود تا انتقال حرارت از طريق تكيه‌گاه‌هاي بين مخزن داخلي و خارجي از اهميت بالايي برخوردار باشد. در كنار انتقال حرارت پايين، استحكام بالا نيز از جمله پارامترهاي مهم در طراحي تكيه‌گاه‌هاي مخازن برودتي محسوب مي‌شود. مواد پليمري از لحاظ پايين بودن ضريب رسانايي شرايط مطلوبي دارند اما از نظر خواص مكانيكي داراي استحكام پايين‌تري نسبت به فولادها هستند. هدف اين تحقيق ارائه يك تكيه‌گاه جديد مركب جهت استفاده در مخازن برودتي است كه از نظر انتقال حرارت و استحكام بيشترين بازده را داشته باشد. در اين طرح، تكيه‌گاه از دو قسمت پليمري و فولادي چند لايه‌ ساخته شده است. مقاومت حرارتي بين لايه‌ها در قسمت فولادي، انتقال حرارت اين بخش از تكيه‌گاه را محدود مي‌كند. براي محاسبه ميزان دقيق مقاومت حرارت تماسي بين لايه‌ها در فشارها و دماهاي مختلف، يك مدل تحليلي توسعه يافته است. مدل المان محدود مكانيكي-حرارتي براي مطالعه انتقال حرارت تكيه‌گاه پيشنهادي توسعه يافته و به‌ كمك كد المان محدود ANSYS حل شده است. نتايج المان محدود شامل توزيع دما و شار حرارتي عبوري براي تكيه‌گاه پيشنهادي و يك تكيه‌گاه پليمري مقايسه شده‌اند. نتايج شار حرارتي عبوري كاهش ميزان شار حرارتي عبوري از تكيه‌گاه مركب پيشنهادي در بارگذاري استاتيك مخزن را در مقايسه با تكيه‌گاه ساخته شده از بلوك پليمري نشان مي‌دهد.

Heat transfer through the internal supports of the cryogenic fluid tanks is an important issue in the tank design and manufacture. On the other hand, the internal supports strength should be enough to stand safely against the forces applied to the internal tank. From the heat insulation point of view, most of the polymers are suitable materials to use in the internal supports. But the low mechanical strength of the most of the polymers limits the life of the supports made from polymers. In this paper, a new composite support made from steel and polymer is presented for the internal supports. Multilayered design of the steel part of the presented supports controls the heat transfer through this part by adding more thermal contact resistance (TCR) to the heat flow path. An analytical model is developed to calculate TCR between layers of the steel part at various pressure and temperature conditions. A thermo-mechanical coupled finite element (FE) model is developed for the proposed support and solved by ANSYS FE code. Temperature distribution and heat fluxof the presented support are investigated by FE analysis results. Heat flow through the new support design is compared with the heat flow of the supports constructed with polymer blocks. Comparison of the heat flow results shows that the amount of heat transferred to the cryogenic tank through the internal supports in the static loading condition decreases when usingproposed composite design instead of polymer blocks.