車載LNG氣瓶在高溫下熱力學參數(shù)的變化研究*

楊 剛，黃 思，李 蔚，易天坤，譚 粵

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東佛山 528000；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641）

0 引言

液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源，以其低碳環(huán)保的特點用于汽車燃料[1]。汽車上的LNG燃料系統(tǒng)由氣瓶、汽化器、減壓閥等組件組成。LNG 在低溫氣瓶內(nèi)以液態(tài)形式儲存，隨著外界熱量的傳遞使得氣瓶內(nèi)LNG 產(chǎn)生蒸發(fā)，壓力也隨之增高。當氣瓶內(nèi)部壓力達到臨界壓力時，減壓閥將自動開啟降低壓力以保證氣瓶安全[2]。

近年來，國內(nèi)外學者相繼開展了LNG 儲罐內(nèi)部熱力學參數(shù)變化的研究。Miana 等[3]通過物理算法和“智能”模型研究了船用LNG 儲罐運輸?shù)侥康牡氐奈镄詤?shù)的改變；Chen 等[4]對常溫下車載LNG 氣瓶內(nèi)的漏熱和壓力變化進行了分析計算；Khemis 等[5]采用數(shù)值方法對盛裝LNG 的低溫儲罐，使用FLUENT 軟件進行了傳熱分析，得到低溫儲罐頸部氣體的溫度和速度；李玉星等[6]研究了LNG為介質(zhì)密閉儲罐，進行了儲罐內(nèi)物性參數(shù)測試實驗，證實了儲罐內(nèi)的溫度場是非均勻的；肖時雄等[7]對LNG船儲液罐在運輸過程中常溫狀態(tài)下的傳熱及升壓過程進行了研究；謝高鋒[8]和王貴仁[9]對LNG儲罐內(nèi)壓力變化進行了實驗研究，并編制了低溫儲罐無損儲存規(guī)律的程序來計算儲罐內(nèi)物性參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。

上述研究主要集中在LNG 儲罐內(nèi)在常溫下的熱力學參數(shù)研究，缺乏燃燒高溫下氣瓶內(nèi)部熱力學參數(shù)變化的研究。因此，本文選取一種常用的車載LNG氣瓶作為研究對象，在高溫環(huán)境下對該氣瓶進行傳熱學計算分析，得到LNG熱力學參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，為車載LNG氣瓶的安全問題提供技術(shù)支持。

1 計算模型和計算方法

1.1 物理模型

圖1 所示為365 L 型車載LNG 氣瓶的計算模型。該車載LNG氣瓶為多層保溫結(jié)構(gòu)；表1所示為氣瓶的操作參數(shù)；表2所示為各層材料的導熱系數(shù)，其中真空層的導熱系數(shù)λ3由實驗測得。

1.2 計算方法

由于所研究的LNG 氣瓶容積較小，介質(zhì)較快達到熱平衡，不容易形成溫度分層，因此采用飽和均質(zhì)模型對氣瓶進行傳熱計算。根據(jù)熱力學定律在Δt時間內(nèi)有如下關(guān)系[10]：

圖1 車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)簡圖

表1 365 L型車載LNG氣瓶基本參數(shù)

表2 365 L型車載LNG氣瓶物性參數(shù)

式中：Q為氣瓶吸收的熱量；cpl為液態(tài)比熱；cpg為氣態(tài)比熱；ml為液態(tài)質(zhì)量；mg為氣態(tài)質(zhì)量；ΔT為Δt時間間隔前后氣瓶內(nèi)溫差；Φ 為漏熱率。

LNG 的主要成分是甲烷，根據(jù)甲烷在飽和狀態(tài)下的熱力學關(guān)系[11]，在-165～-105 ℃溫度范圍內(nèi)擬合出液態(tài)比熱cpl、氣態(tài)比熱cpg、壓力p和汽化潛熱r與溫度T的關(guān)系為：

為計算氣瓶的漏熱率Φ 作出如下假設(shè)：（1）漏熱量只考慮以熱傳導的方式，且全部被氣相和液相主體所吸收；（2）整個氣瓶的傳熱方向為保溫層的法線方向，氣瓶總熱阻是多個保溫薄層熱阻的疊加。

該氣瓶漏熱主要有圓筒體Φ1和封頭Φ2[12]：

則總的漏熱率為：

其中：

式中：D1為圓筒內(nèi)徑；D2為圓筒外徑；D3為圓筒保溫層內(nèi)徑；D4為圓筒保溫層外徑；D5為外殼筒體內(nèi)徑；D6為外殼筒體外徑；為封頭內(nèi)徑；為封頭外徑；為封頭保溫層內(nèi)徑；為封頭保溫層外徑；為外殼封頭內(nèi)徑；為外殼封頭外徑；L為內(nèi)圓筒長度；l為外殼筒體長度；Ts為氣瓶外環(huán)境溫度，℃；

將式（5）代入式（1）得到如下關(guān)系式：

采用向前差分的方法將式（7）進行離散，對該式左邊溫度T采用初始溫度Ti和終了溫度Ti+1的平均值計算：

由式（8）可得氣瓶內(nèi)介質(zhì)終了溫度Ti+1的表達式為：

因此，終了的蒸發(fā)率αi+1、氣態(tài)介質(zhì)質(zhì)量和液態(tài)介質(zhì)質(zhì)量有如下關(guān)系[13]：

已知條件有氣瓶容積V，充裝率φ和環(huán)境溫度Ts等，初始條件為：

因為氣瓶安全閥的起跳壓力為1.6 MPa，因此當氣瓶內(nèi)壓力達到這個壓力值時計算終止，計算流程如圖2所示。該計算方法得到了液氮實驗數(shù)據(jù)[14-15]的驗證。

圖2 方法計算流程圖

2 計算結(jié)果分析

選取3個代表性的環(huán)境溫度Ts如夏天的室外高溫40 ℃[16]、天然氣著火的最低溫度270 ℃和城市煤氣燃燒的最高溫度600 ℃[17]，來研究車載LNG氣瓶內(nèi)物性參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。

2.1 LNG質(zhì)量和時間的關(guān)系

隨著外界熱量的傳遞，使得氣瓶內(nèi)LNG產(chǎn)生蒸發(fā)，所產(chǎn)生的蒸發(fā)氣（BOG）質(zhì)量不斷增加。圖3所示為計算得到的無量綱LNG 質(zhì)量隨時間t 的變化曲線。由圖可知，氣瓶內(nèi)LNG質(zhì)量ml隨著時間呈現(xiàn)下降趨勢。當環(huán)境溫度Ts增加時，LNG蒸發(fā)加快。在絕熱層未損壞時，LNG蒸發(fā)較慢。

圖3 LNG質(zhì)量和時間的關(guān)系

圖4 BOG質(zhì)量和時間的關(guān)系

2.2 氣瓶內(nèi)介質(zhì)溫度和時間的關(guān)系

圖5 所示為計算得到的氣瓶內(nèi)介質(zhì)溫度T 隨時間t 的變化曲線。由圖可知，從初始狀態(tài)到氣瓶最大工作壓力這一過程，介質(zhì)溫度T從-161 ℃上升到了-113.15 ℃左右。介質(zhì)溫度T在初始階段上升較慢，隨著LNG的不斷蒸發(fā)，溫度T上升的速度增快。當環(huán)境溫度Ts增加時，介質(zhì)溫度T 上升速率增快。在絕熱層未損壞時，介質(zhì)溫度T上升速率較慢。

圖5 氣瓶內(nèi)介質(zhì)溫度和時間的關(guān)系

圖6 介質(zhì)壓力和時間的關(guān)系

2.3 氣瓶內(nèi)介質(zhì)壓力和時間的關(guān)系

圖6 所示為計算得到的氣瓶內(nèi)介質(zhì)壓力p 隨時間t 的變化曲線。由圖可知，介質(zhì)壓力p 在初始階段上升速度較慢，隨LNG 的不斷蒸發(fā)，介質(zhì)壓力p 上升速度增快。當環(huán)境溫度Ts增加時，瓶內(nèi)的升壓更快。此外，在絕熱層完好、40 ℃的環(huán)境溫度下，氣瓶內(nèi)介質(zhì)壓力需要224 h達到起跳壓力；在絕熱層損壞、40 ℃環(huán)境溫度下，氣瓶內(nèi)介質(zhì)壓力需要11.1 h 達到起跳壓力；在270 ℃環(huán)境溫度下，氣瓶內(nèi)介質(zhì)壓力需要2.1 h達到起跳壓力；在600 ℃環(huán)境溫度下，氣瓶內(nèi)介質(zhì)壓力需要1.1 h達到起跳壓力。

3 結(jié)束語

本文以LNG為工質(zhì)，選取常用的365 L規(guī)格的氣瓶進行傳熱計算，采用飽和均質(zhì)模型得到了如下結(jié)論。

（1）隨著外界熱量的傳遞，使得氣瓶內(nèi)LNG產(chǎn)生蒸發(fā)，所產(chǎn)生的蒸發(fā)氣（BOG）質(zhì)量將不斷增加，最終達到氣瓶內(nèi)介質(zhì)總質(zhì)量的0.59%。氣瓶內(nèi)LNG質(zhì)量隨著時間逐漸減少。當環(huán)境溫度增加時，LNG蒸發(fā)得更快；在絕熱層未損壞時，LNG蒸發(fā)較慢。

（2）從初始狀態(tài)到氣瓶最大工作壓力這一時間段內(nèi)，氣瓶內(nèi)介質(zhì)溫度從-161 ℃上升到了-113.15 ℃左右。介質(zhì)溫度在初始階段上升較慢，隨著LNG 的快速蒸發(fā)，其溫度上升的速度增快。當環(huán)境溫度增加時，介質(zhì)溫度上升速率增快。在絕熱層未損壞時，介質(zhì)溫度上升速率較慢。

（3）氣瓶內(nèi)介質(zhì)壓力在初始階段上升速度較慢，隨LNG的不斷蒸發(fā)，上升速度增快。當環(huán)境溫度增加時，瓶內(nèi)的介質(zhì)升壓更快。在絕熱層完好時、40 ℃的環(huán)境溫度下，介質(zhì)壓力達到起跳壓力需要224 h；在絕熱層損壞的情況下，當環(huán)境溫度為40 ℃、270 ℃和600 ℃時，介質(zhì)壓力達到起跳壓力的時間分別為11.1 h、2.1 h和1.1 h。