低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量影響

朱華強(qiáng) 呂浩 楊中志

摘要：本文以低溫絕熱氣瓶傳熱機(jī)理作為研究對象，運(yùn)用數(shù)值分析以及有限元模型等多種手段，全面分析低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響，進(jìn)一步明確液位高度與漏熱量之間的關(guān)系，為后續(xù)相關(guān)實踐活動的開展提供理論支持。

關(guān)鍵詞：低溫絕熱氣瓶;液位高度;漏熱量;影響程度

前言

低溫絕熱氣瓶作為一種特種設(shè)備，是現(xiàn)階段液氧、液氮等低溫液化氣體存儲的主流設(shè)備，與其他存儲設(shè)備相比，其具有安全性、高效性以及容量大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。為進(jìn)一步確保低溫絕熱氣瓶作用的有效發(fā)揮，確保存儲設(shè)備的溫度保持能力，在完成低溫絕熱氣瓶全面梳理的基礎(chǔ)上，以數(shù)學(xué)分析為先導(dǎo)，系統(tǒng)探討低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響。

1.低溫絕熱氣瓶概述

對低溫絕熱氣瓶的全面梳理，有助于引導(dǎo)相關(guān)工作人員在思維層面形成一個系統(tǒng)化認(rèn)知，從多個角度，形成對低溫絕熱氣瓶的整體認(rèn)知，為后續(xù)相關(guān)研究工作的開展提供了方向性引導(dǎo)。

1.1低溫絕熱氣瓶漏熱的危害性

低溫絕熱氣瓶主要由內(nèi)壁、外殼、絕熱層以及輸液系統(tǒng)組成，低溫絕熱氣瓶主要用于存儲低溫液體，為保證保溫、存儲效果，當(dāng)內(nèi)壁外表面覆蓋一層具有良好隔熱性能的保溫材料，一般情況下，出于隔熱性以及實用性的考慮，低溫絕熱氣瓶主要使用不銹鋼材質(zhì)，通過系列化加工處理，確保整個氣瓶的隔熱效果，控制漏熱程度。并將氣瓶外部壁與內(nèi)壁之間的區(qū)域進(jìn)行真空處理以進(jìn)一步提升隔熱效果。低溫絕熱氣瓶作為現(xiàn)階段較為主流的低溫液體存儲設(shè)備，在化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛使用。由于存儲對象的特殊性，液氧、液氮等低溫液體在存儲過程中，低溫絕熱氣瓶外部的熱量通過低溫絕熱氣瓶絕熱層進(jìn)入到氣瓶內(nèi)部后，低溫液體吸收熱量，不斷發(fā)生氣化，持續(xù)的氣化，導(dǎo)致低溫絕熱氣瓶內(nèi)壓力的不斷上升，在這一環(huán)節(jié)，如果沒有采取有效措施，及時進(jìn)行氣體的排出，極有可能引發(fā)爆炸或火災(zāi)。

1.2低溫絕熱氣瓶漏熱研究的重要性

低溫絕熱氣瓶漏熱研究的有序進(jìn)行，在相關(guān)數(shù)學(xué)模型以及相關(guān)分析方法的支撐下，以液位高度為變量，有效分析、梳理低溫絕熱氣瓶使用過程中，由于液位高度的不同，漏熱量的變化，從而逐步掌握低溫絕熱氣瓶漏熱規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)計算低溫絕熱氣瓶低溫液體存儲的容量以及存儲時間，有針對地進(jìn)行存儲方案的優(yōu)化調(diào)整，大幅度提升低溫絕熱氣瓶存儲質(zhì)效，減少安全事故的發(fā)生機(jī)率，實現(xiàn)低溫液態(tài)氣體的合理高效存儲。

2.低溫絕熱氣瓶數(shù)學(xué)分析

在進(jìn)行相關(guān)探討之前，為確保相關(guān)研究的科學(xué)性與有效性，可以從數(shù)學(xué)模型的角度出發(fā)，對低溫絕熱氣瓶的導(dǎo)熱方式、散熱方式進(jìn)行客觀描述，以確保低溫絕熱氣瓶液位高度與漏熱量關(guān)系梳理的順利進(jìn)行。

低溫絕熱氣瓶數(shù)學(xué)分析，主要集中于導(dǎo)熱微分方程、邊界條件以及伽遼金加權(quán)等幾個研究，通過系統(tǒng)全面地梳理，在思維層面形成一個完備的認(rèn)知，進(jìn)而為相關(guān)漏熱量程度的分析提供了支持。導(dǎo)熱微分方程將導(dǎo)熱物體內(nèi)部溫度規(guī)律作為描述對象，實現(xiàn)了對熱體導(dǎo)熱流程的整體呈現(xiàn)，其數(shù)學(xué)模型具體表現(xiàn)形式為：

較為直觀地描述出物質(zhì)導(dǎo)熱情況，進(jìn)而明確物質(zhì)氣態(tài)、液態(tài)以及固態(tài)轉(zhuǎn)化極限，為后續(xù)低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響提供了便利。為更好地了解、解決傳熱問題，在研究環(huán)節(jié)，可以通過伽遼金加權(quán)法，從控制方程角度，對加權(quán)法進(jìn)行求解計算，使得整個傳熱過程更為明確，避免了研究漏洞的出現(xiàn)。

在現(xiàn)階段，低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱影響程度的分析，主要采取有限元法，這種計算方法，操作較為簡單，準(zhǔn)確率相對較高，實現(xiàn)了低溫絕熱氣瓶漏熱規(guī)律的全面梳理。

3.低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響

在低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量影響分析環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員在前期研究成效的基礎(chǔ)上，以數(shù)學(xué)模型的方式，完成對低溫絕熱瓶機(jī)理的分析，從多個層面出發(fā)，通過系統(tǒng)化的研究論證，明確低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響，為低溫絕熱氣瓶在實踐環(huán)節(jié)中的使用、維護(hù)以及管理提供了參考。

3.1研究假設(shè)

為更好地梳理低溫絕熱氣瓶液位高度與漏熱量之間的關(guān)系，在研究過程中，考慮到整個研究的復(fù)雜性，以及有限元模型構(gòu)建的需求，在整個研究之前，應(yīng)當(dāng)做好研究前提架設(shè)的梳理。具體來看，在整個有限元模型分析之前，應(yīng)當(dāng)忽略低溫絕熱氣瓶內(nèi)低溫液體與氣瓶內(nèi)壁之間的熱阻，這只由于現(xiàn)階段使用的低溫絕熱低溫氣瓶所使用的不銹鋼材質(zhì)，在多數(shù)情況下，熱阻較低，不會影響研究結(jié)果，因此在分析過程中，可以進(jìn)行忽略。同時在研究過程中，假定低溫絕熱氣瓶所處環(huán)境，對流方式以自然對流換熱為主，結(jié)合過往經(jīng)驗，空氣自然對流換熱系數(shù)取值一般處于3-15W·（m²·K）^-1，通過對空氣自然對流換熱參數(shù)的界定，在保證整個研究成果準(zhǔn)確性的同時，簡化了研究流程，控制了研究難度，縮短了研究周期，對于整個研究活動的有序開展有著極為深遠(yuǎn)的影響。從低溫絕熱氣瓶的構(gòu)成來看，由于其外部涂覆有多層絕熱材料，材料的特性使得低溫絕熱氣瓶在使用過程中，在氣體導(dǎo)熱以及固體導(dǎo)熱以及熱輻射等方面存在著一定的特點(diǎn)，而這種特點(diǎn)從過往研究成果來看，與多層隔熱材料有著密切的關(guān)系^[1] 。為了保證研究的有效性，正確表述低溫絕熱氣瓶液位高度與漏熱量之間的關(guān)系，在研究假設(shè)環(huán)節(jié)，以現(xiàn)階段較為常見的多層隔熱材料NRC-2鋁箔玻璃纖維紙多層材料，借助于這種方式，提升整個研究的簡潔性以及有效性，對于后續(xù)有限元模型構(gòu)建以及分析奠定了堅實基礎(chǔ)。

3.2有限元模型構(gòu)建

在有限元模型構(gòu)建的過程中，應(yīng)當(dāng)著眼于前期的前提假設(shè)，同時立足于低溫絕熱氣瓶的實際情況，吸收過往研究工作的有益經(jīng)驗，扎實進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建。例如，在模型構(gòu)建的環(huán)節(jié)，考慮到ANSYS有限元分析模型與熱載荷有著一定的對稱性，為降低工作量與難度，采取對稱性建立的方式，選用SOLID70單元，這一模塊單元具有八個節(jié)點(diǎn)，在每一節(jié)點(diǎn)之中，設(shè)置溫度自由度，并分別用x軸、y軸以及z軸進(jìn)行表現(xiàn)，構(gòu)建起有限元模型。

在有限元模型構(gòu)建后，為確保研究結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行邊界條件的施加，逐步構(gòu)建起完備、系統(tǒng)的有限元模型，實現(xiàn)對液位高度與漏熱量關(guān)系的探討。

3.3低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響

通過有限元分析，可以明確在容量一定的情況下，低溫絕熱氣瓶液位高度的升高，整個氣瓶的漏熱量也呈現(xiàn)出上升趨勢。當(dāng)液體接近滿液時，低溫絕熱氣瓶的漏熱量將會突然增加。低溫絕熱氣瓶容量不斷發(fā)生變化的情況，容量越小的氣瓶，其液位高度對漏熱量的影響越小。

結(jié)束語

通過系統(tǒng)化的梳理以及分析，進(jìn)一步明確低溫絕熱氣瓶液位高度對于漏熱量的影響程度。為后續(xù)低溫絕熱氣瓶日常使用、管理以及維護(hù)提供了必要的借鑒，切實發(fā)揮低溫絕熱氣瓶在低溫液體運(yùn)輸存儲環(huán)節(jié)中作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐穎強(qiáng)，翟亞鋒，許磻.低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量影響的研究[J].中國特種設(shè)備安全，2017（10）：119-121.

基金項目：

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研項目資助（2018PT03）《基于環(huán)境條件和充滿率對低溫絕熱氣瓶蒸發(fā)率修正方法的研究》;東莞市社會科技發(fā)展（一般）項目資助（20185071641134）《檢測時間對低溫絕熱氣瓶蒸發(fā)率影響的研究》

（作者單位：廣東省特種設(shè)備檢測研究院東莞檢測院）