低溫液體貯存容器升壓速度分析

中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司 付饒

體現(xiàn)低溫液體貯存在容器的低溫絕熱性能的重要指標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)日蒸發(fā)率（NER），GB18442-2001《低溫絕熱壓力容器》規(guī)定了各類低溫絕熱壓力容的標(biāo)準(zhǔn)日蒸發(fā)率。而在使用環(huán)節(jié)，升壓速度則普遍受到關(guān)注，尤以低溫液體罐式集裝箱罐體，由于需要長時間海上運輸，要求較小的升壓速率以達(dá)到更長的維持時間。《國際海運危險貨物規(guī)則》（IMDG）對第二類冷凍液化氣體也提出維持時間的要求，并規(guī)定維持時間應(yīng)體現(xiàn)在產(chǎn)品標(biāo)牌上，IMDG（35-10）6.7.4.1條款定義“維持時間”為“從滿足充灌條件開始到由于熱量匯集導(dǎo)致壓力上升到壓力限定裝置的最低設(shè)定壓力時所用的時間”。本文通過對一典型的小型低溫絕熱容器的低溫性能試驗數(shù)據(jù)和理論模擬計算進(jìn)行對比分析，以探明低溫液體貯存容器在不同壓力下的升壓速度，了解影響影響升壓速度的各因素，為低溫絕熱容器的相關(guān)技術(shù)提供參考。

一臺容積為1100升小型低溫液體貯存容器的靜態(tài)壓力維持試驗，20天的試驗數(shù)據(jù)記錄于表1，該容器按GB18443.5-2001《低溫絕熱壓力容器試驗方法——靜態(tài)蒸發(fā)率測量》測定的靜態(tài)蒸發(fā)率是0.89%/day(液氮)。表中列出了在閉壓狀態(tài)下每隔24小時的壓力指示值。

該壓力維持試驗是在下列條件下進(jìn)行的，將容器充裝液氮至90%容積，在打開容器氣相閥門的情況下靜置72小時，使容器內(nèi)液氮達(dá)到大氣壓下的飽和狀態(tài)，經(jīng)充分靜置后關(guān)閉容器的所有外部閥門開始記錄壓力變化。圖中示出了低溫絕熱容器的內(nèi)部壓力隨時間變化的曲線，并且容器的升壓速度隨著時間而變快，越到后來單位時間內(nèi)壓力增加值越大。

為方便分析，下面是以容積為5m3，最大工作壓力為2.5MPa的低溫液體貯罐絕熱性能模擬計算來進(jìn)一步分析這個問題，計算條件是：在50%液位下，選擇飽和壓力分別為5bar、10bar和15bar（表壓力）三個狀態(tài)點，分別計算24小時內(nèi)的壓力升高值，以液氧為計算介質(zhì)，其計算結(jié)果列于表2(基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源:ASHRAEHandbook)：

表1

表2

根據(jù)上述對5m3低溫液體貯罐絕熱性能的模擬計算，該計算過程是基于如下假設(shè)：1）以系統(tǒng)在0、5、10、15bar壓力（表壓）下的飽和狀態(tài)的液氧作為計算的初始狀態(tài)；2）為便于分析，假設(shè)容器的日蒸發(fā)率為0.5%/day(液氧)。計算結(jié)果顯示，在此假設(shè)條件下，在15bar壓力下，一天內(nèi)壓力上升3.10 bar是正常的。由于實際情況與上述假設(shè)之間存在一定的偏差，即實際情況下，由于低溫液體在容器內(nèi)長期存放各部位吸熱和壓力的不均勻(比如液柱靜壓的存在等)，因而在液體內(nèi)部不可能達(dá)到完全飽和狀態(tài),表現(xiàn)為：其一，容器內(nèi)下部液體存在一定的過冷度,而上部靠近液面部位則存在一定的過熱度；其二，容器在使用過程中，這一點也與假設(shè)的純飽和狀態(tài)存在一定的偏差；其三，15bar壓力狀態(tài)時，由于液氧的實際溫度高于標(biāo)準(zhǔn)沸點狀態(tài)下的液氧溫度，因此液體與外界環(huán)境之間的溫差與標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率測試狀態(tài)的溫差要小些，24小時內(nèi)系統(tǒng)從外界環(huán)境實際吸入的熱量也就相對較小。綜上所述，在實際情況下， 24小時內(nèi)的壓力升高值與理論計算值會存在一定的偏差。然而，該理論計算結(jié)果有一定的參考價值，實際上由于存在上述情況的影響，其壓力上升值會比理論計算值稍小，加之在運輸工況下，由于液體在容器內(nèi)的翻動，使得容器內(nèi)部的液體整體接近于均勻的類似于“揚湯止沸”的狀態(tài)，因而較之于靜止?fàn)顟B(tài)，運輸工況下的升壓過程更接近于理論計算的假設(shè)狀態(tài)條件。

以上分析結(jié)果，對T75型可移動罐柜的維持時間測試具有理論指導(dǎo)意義，對T75型可移動罐柜運行管理部門在核定罐柜在裝運各類冷并液化氣體的實際維持時間時也有一定的參考價值。

從表1的試驗結(jié)果來看，該小型1100L低溫絕熱容器從常壓自然升壓到0.92MPa的實測維持時間是20天。從傳熱學(xué)的原理可知傳熱量與表面積成正比例關(guān)系，對容積較大的低溫絕熱容器而言，由于大型容器的比表面積（容器表面積與容積的比值）遠(yuǎn)小于小型容器，因而，通常罐式集裝箱能滿足長時間無損貯運的要求。