基于斷橋結(jié)構(gòu)LNG罐式集裝箱內(nèi)接管傳熱分析

方 旭，謝禹鈞，常佩琛，李云鵬

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

隨著我國(guó)節(jié)能減排工作的有序推進(jìn)，大力發(fā)展清潔能源已成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求之一。在日常生產(chǎn)生活中對(duì)液化天然氣的消費(fèi)量與日俱增，為解決液化天然氣分布不均的現(xiàn)狀，大力發(fā)展深冷液化天然氣（LNG）罐式集裝箱行業(yè)是提升公路運(yùn)輸液化天然氣能力最有效的方式之一，其結(jié)構(gòu)可視為將一個(gè)有高真空絕熱夾套的低溫液體儲(chǔ)罐固定在集裝箱框架內(nèi)的裝備[1?3]，集裝箱儲(chǔ)罐內(nèi)外筒間的接管是輸送液化天然氣的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。由于儲(chǔ)罐內(nèi)外筒間的溫差較大，內(nèi)部?jī)?chǔ)存的液化天然氣會(huì)隨著外界環(huán)境熱量的傳入而不斷汽化，導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力逐漸升高，當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，安全閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行排氣泄壓[4]。移動(dòng)儲(chǔ)罐漏熱量的大小對(duì)裝備整體的安全性和經(jīng)濟(jì)性有著最直接的影響，所以需要對(duì)裝備漏熱量進(jìn)行必要的研究。

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的LNG罐式集裝箱儲(chǔ)罐其絕熱性能通常優(yōu)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的儲(chǔ)罐[5]。本文對(duì)某LNG罐式集裝箱儲(chǔ)罐及其頂部進(jìn)液管結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行熱力學(xué)模擬，獲得溫度分布和熱流密度分布規(guī)律，與進(jìn)行斷橋結(jié)構(gòu)改進(jìn)的裝備模型進(jìn)行熱工分析結(jié)果對(duì)比，檢驗(yàn)管路優(yōu)化改進(jìn)的效果。

1 LNG罐式集裝箱儲(chǔ)罐接管模型

1.1 儲(chǔ)罐接管物理模型

我國(guó)公路運(yùn)輸普遍使用的LNG罐式集裝箱需符合GB150-2011《壓力容器》或ASME規(guī)范、JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、中國(guó)船級(jí)社《集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范-2016》、JB/T 4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。LNG罐式集裝箱內(nèi)部?jī)?chǔ)罐一般采用雙層筒體結(jié)構(gòu)，將內(nèi)外筒之間的夾層抽高真空實(shí)現(xiàn)絕熱[6]，外筒外表面無(wú)需保溫層，內(nèi)外筒間由固定端支撐、移動(dòng)端支撐，保持裝備穩(wěn)定，移動(dòng)儲(chǔ)罐外部由框架、角件等結(jié)構(gòu)固定。

以IMO7型12.192 m（40英尺）罐式集裝箱為例，分析的主要對(duì)象是移動(dòng)儲(chǔ)罐內(nèi)外筒以及兩筒體夾層間的頂部進(jìn)液管結(jié)構(gòu)，裝備采用的金屬材料是304不銹鋼（0Cr18Ni9）。LNG集裝箱儲(chǔ)罐外筒直徑為2 522 mm，內(nèi)筒直徑為2 356 mm，兩筒體的壁厚均為6 mm。LNG罐式集裝箱移動(dòng)儲(chǔ)罐及頂部進(jìn)液管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 模型材料性能

LNG罐式集裝箱移動(dòng)儲(chǔ)罐模型所涉及的材料熱物理性能參數(shù)如表1所示[7]。裝備所用金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的具體數(shù)據(jù)如表2所示[8]。

圖1 LNG移動(dòng)儲(chǔ)罐接管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of LNG mobile storage tank

表1 材料的熱物理性能Table 1 Thermo physical properties of mater ials

表2 0Cr18Ni9導(dǎo)熱系數(shù)Table 2 Thermal conductivity of 0Cr18Ni9

2 頂部進(jìn)液管穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算

ANSYS軟件是目前工程中普遍使用的大型有限元分析軟件，該軟件在熱分析方面具有豐富的功能，可以對(duì)實(shí)體模型或單元模型進(jìn)行熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱、輻射傳熱及接觸熱阻等方面的分析、計(jì)算、求解[9]。在分析溫度場(chǎng)分布方面以及應(yīng)力強(qiáng)度方面具有廣泛的應(yīng)用[10]。

2.1 三維有限元模型的建立

在實(shí)際運(yùn)輸中，LNG罐式集裝箱的儲(chǔ)罐尺寸較大且內(nèi)外筒夾層內(nèi)的頂部進(jìn)液管空間走向復(fù)雜。為方便軟件模擬運(yùn)算，現(xiàn)將頂部進(jìn)液管管路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，將其近似為關(guān)于移動(dòng)儲(chǔ)罐筒體中垂面對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，三維實(shí)體模型以1/2頂部進(jìn)液管和1/4移動(dòng)儲(chǔ)罐罐體為研究對(duì)象，利用ANSYS中Material Model定義三維模型的材料屬性，所得到的實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 LNG移動(dòng)儲(chǔ)罐實(shí)體模型Fig.2 LNG mobile stor age tank entity model

2.2 三維熱分析單元及網(wǎng)格劃分

常用的三維熱分析單元有SOLID70、SOLID87和SOLID90，這三種單元均可應(yīng)用在三維穩(wěn)態(tài)和三維瞬態(tài)的熱分析問(wèn)題中[11]。模擬選用SOLID70單元，該單元為三維8節(jié)點(diǎn)熱實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)溫度自由度[12]，并且該單元既能夠滿足LNG罐式集裝箱儲(chǔ)罐實(shí)體模型勻速熱流傳遞的要求，又可以與目標(biāo)模型的網(wǎng)格劃分有較好的匹配度。根據(jù)所選單元，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因管路尺寸較小將該部分單元密度設(shè)置為0.01，又因移動(dòng)儲(chǔ)罐筒體尺寸較大將其單元密度設(shè)置為0.1，故得到網(wǎng)格數(shù)為68 713個(gè)，模型網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格Fig.3 Modeling partition

2.3 初始狀態(tài)邊界條件

在公路運(yùn)輸環(huán)境下，LNG罐式集裝箱儲(chǔ)罐的整個(gè)熱響應(yīng)大致可分為以下三個(gè)部分：

（1）外界環(huán)境與罐體外壁之間的對(duì)流傳熱和輻射傳熱；

（2）接管暴露在外部環(huán)境中的部分與環(huán)境間的對(duì)流傳熱；

（3）內(nèi)外筒體與接管接觸部分的熱傳導(dǎo)。

對(duì)LNG罐式集裝箱模型進(jìn)行分析計(jì)算主要基于以下假設(shè)：①儲(chǔ)罐內(nèi)外筒真空夾層間的壓力為-0.1 MPa，夾層內(nèi)部介質(zhì)傳熱率近似為零；②儲(chǔ)罐內(nèi)液化天然氣充裝率為90%，頂部進(jìn)液管內(nèi)的液化天然氣在彎管處存在液封結(jié)構(gòu)；③管路材料具有各向同性的特點(diǎn)，儲(chǔ)罐內(nèi)外筒材料層與層之間接觸良好，不考慮接觸熱阻[9]；④忽略外界環(huán)境與LNG罐式集裝箱暴露在外部環(huán)境中各部分間的輻射傳熱。

將LNG罐式集裝箱實(shí)體模型的分析類型定義為穩(wěn)態(tài)分析，當(dāng)罐式集裝箱在運(yùn)輸中所處位置不相同時(shí)，空氣的強(qiáng)制對(duì)流也不盡相同，本文選取移動(dòng)槽車處于靜止的狀態(tài)，空氣對(duì)流系數(shù)暫取為5 W/(m2·K)；由于內(nèi)外筒金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)高，熱傳導(dǎo)速度快，所以假定內(nèi)筒筒壁溫度為其內(nèi)部存儲(chǔ)的液化天然氣溫度111 K（-162℃）；外界環(huán)境溫度取293 K（20℃）。

根據(jù)以上條件模擬時(shí)對(duì)實(shí)體模型的內(nèi)筒表面施加111 K的溫度載荷，對(duì)模型暴露在外界環(huán)境中的部分施加293 K的溫度載荷和5 W/(m2·K)的對(duì)流載荷，而后對(duì)此穩(wěn)態(tài)三維實(shí)體模型進(jìn)行熱工計(jì)算分析，所得到的LNG罐式集裝箱儲(chǔ)罐模型的溫度場(chǎng)分布等值線圖和熱流密度等值線圖，如圖4、5所示。

圖4 初始溫度場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of initial temperature field

圖5 初始熱流密度Fig.5 Initial heat flux density diagram

2.4 初始狀態(tài)熱工分析結(jié)果

由圖4可知，管道最高溫度為293 K，最低溫度為111 K,與實(shí)際情況相符。管道的溫度梯度主要分布在內(nèi)外筒夾層間的部分管段，且上部管段的溫度一直維持在111 K，下部管段溫度均高于頂部進(jìn)液管內(nèi)LNG臨界溫度數(shù)值，這種情況造成管道內(nèi)部分液化天然氣因發(fā)生汽化而吸收熱量，致使管道外部有結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，管路熱量損耗變化明顯，最大熱流密度為1 499.34 W/m2，大部分管路熱流密度為666.37 W/m2。說(shuō)明外界環(huán)境熱量通過(guò)頂部進(jìn)液管傳入罐內(nèi)，該熱橋是儲(chǔ)罐發(fā)生熱損的重要途徑之一。

3 斷橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算

3.1 頂部進(jìn)液管斷橋結(jié)構(gòu)改進(jìn)

所選用的頂部進(jìn)液管管材為304不銹鋼，此材料導(dǎo)熱系數(shù)較大，具有較好的導(dǎo)熱性，致使外界環(huán)境的熱量極易沿儲(chǔ)罐內(nèi)外筒間接管的軸向傳入罐式集裝箱儲(chǔ)罐的內(nèi)部。而在實(shí)際建筑工程領(lǐng)域中，通常采用優(yōu)化目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成斷橋結(jié)構(gòu)的方法來(lái)達(dá)到減小裝置熱橋熱量損失的目的[13?14]，現(xiàn)將此方法應(yīng)用到LNG罐式集裝箱儲(chǔ)罐頂部進(jìn)液管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)中。

在深冷環(huán)境下，為滿足頂部進(jìn)液管強(qiáng)度和剛度要求，并確保LNG罐式集裝箱儲(chǔ)罐能安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，根據(jù)給定的管路設(shè)計(jì)尺寸和設(shè)計(jì)條件，以耐低溫且機(jī)械性能良好的聚四氟乙烯管材為例進(jìn)行斷橋結(jié)構(gòu)改進(jìn)。此斷橋結(jié)構(gòu)應(yīng)確保選用的聚四氟乙烯管材與原頂部進(jìn)液管管材橫截面尺寸相同，進(jìn)而代替原處于內(nèi)外筒夾層間水平位置的部分管路，該斷橋結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 管路斷橋結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic diagram of pipeline broken bridge structur e

3.2 頂部進(jìn)液管改進(jìn)后熱工分析

利用ANSYS軟件將LNG罐式集裝箱儲(chǔ)罐實(shí)體模型進(jìn)行斷橋結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并確保對(duì)該模型進(jìn)行的網(wǎng)格劃分，施加的邊界載荷均與初始狀態(tài)相同，經(jīng)穩(wěn)態(tài)傳熱分析計(jì)算獲得的熱工分析結(jié)果如表3所示。

表3 不同長(zhǎng)度斷橋結(jié)構(gòu)熱工分析Table.3 Ther mal analysis table of broken bridge structure with different lengths

由表3結(jié)果可知，頂部進(jìn)液管管路沿軸向的最大熱流密度隨著聚四氟乙烯斷橋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的增加而減小，當(dāng)斷橋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度由600 mm延長(zhǎng)至680 mm時(shí)，聚四氟乙烯管材兩截面間溫差由161.78 K增大到182.00 K（即為L(zhǎng)NG罐式集裝箱儲(chǔ)罐內(nèi)外筒表面的溫差）。

以熱工分析結(jié)果發(fā)生明顯變化的680 mm聚四氟乙烯管路為例，得到的熱工分析云圖如圖7、8所示。

圖7 改進(jìn)后溫度場(chǎng)分布Fig.7 Impr oved distr ibution map of temper ature field

圖8 改進(jìn)后熱流密度Fig.8 Heat flux density diagram

由圖7、8可知，頂部進(jìn)液管的溫度梯度集中在聚四氟乙烯斷橋結(jié)構(gòu)處，并且此時(shí)外界環(huán)境熱量沿頂部進(jìn)液管管路軸向傳導(dǎo)的熱流密度大大減小，最大熱流密度減小至211.747 W/m2，傳熱速率顯著減慢。

4 結(jié) 論

根據(jù)國(guó)內(nèi)LNG罐式集裝箱普遍采用的IMO7型12.192 m罐式集裝箱的實(shí)際工程參數(shù)，基于有限元數(shù)值分析理論和傳熱學(xué)原理利用ANSYS軟件建立LNG罐式集裝箱的三維計(jì)算模型。針對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行熱工分析，提出了以聚四氟乙烯管材為例的斷橋結(jié)構(gòu)改進(jìn)理論，并對(duì)裝備改進(jìn)前后的熱工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，證明該斷橋結(jié)構(gòu)可以在很大程度上降低頂部進(jìn)液管管路的熱量損失、縮小熱傳導(dǎo)距離，以達(dá)到降低LNG罐式集裝箱漏熱量的目的，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的效果顯著，為其他深冷存儲(chǔ)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和研發(fā)提供參考。