設計LNG氣瓶時降低靜態(tài)蒸發(fā)率理論計算與實際的試驗研究

夏園園 趙騰飛 段武 劉蓓蓓 余謙（西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043）

設計LNG氣瓶時降低靜態(tài)蒸發(fā)率理論計算與實際的試驗研究

夏園園 趙騰飛 段武 劉蓓蓓 余謙（西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043）

為研究車用液化天然氣（LNG）氣瓶設計時降低理論計算靜態(tài)蒸發(fā)率（NER），以我公司275L氣瓶試制試驗過程為例，采用液氮（LN2）為工作介質，對理論計算與試驗結果進行比較，繪制關系曲線，總結出設計LNG氣瓶時降低NER的方法，為后期設計者降低LNG氣瓶NER提供一定參考和借鑒。

LNG氣瓶；漏熱；靜態(tài)蒸發(fā)率；環(huán)境溫度

從2011年開始，LNG氣瓶企業(yè)數(shù)量逐年遞增，國內廠家生產的LNG氣瓶整體結構大同小異，制造工藝也不盡相同。作為供氣系統(tǒng)中的關鍵設備，LNG氣瓶既要保證液體約以-162℃的溫度存在，又要以恒定的壓力保證液體穩(wěn)定的流入氣化裝置。由于LNG的易爆特性，LNG汽車的燃料儲存需要使用無損存儲方式，而LNG必須存儲在約-162℃的低溫狀態(tài)，漏熱不可避免，因此如何從本質方面降低LNG氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率成為各大企業(yè)關注的主要問題。本文僅主要從理論計算的幾個方面研究如何降低LNG氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率。

1 LNG氣瓶的結構

LNG氣瓶是車載燃料系統(tǒng)的核心部件。氣瓶由內膽、外殼、絕熱層、保護圈和管路系統(tǒng)組成。

2 設計LNG氣瓶時理論靜態(tài)蒸發(fā)率的公式計算方法

式中：Q總為LNG氣瓶的總漏熱量，W；γ0為低溫液體的汽化潛熱，kJ/kg；ρ0為低溫液體的密度，kg/m3；V為LNG氣瓶的有效容積，L（一般取公稱容積的90%[1]）。

從公式（1）可以看出，影響LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的主要因素為Q總，而LNG氣瓶的漏熱一般可分為四個部分：第一，絕熱材料的漏熱Q1；第二，夾層管路的漏熱Q2；第三，前端支撐結構的漏熱Q3；第四，后端支撐結構的漏熱Q4。結合傳熱理論采用工程上漏熱的一般計算方法，分別計算出氣瓶各部分的漏熱量。

3 設計LNG氣瓶時實際靜態(tài)蒸發(fā)率的試驗方法

LNG氣瓶的蒸發(fā)率是指氣瓶在額定充滿率下，靜置達到熱平衡后，24小時內自然蒸發(fā)損失的深冷液體質量與內容器有效容積下深冷液體質量的百分比，單位為百分比每天（%/d）[1]。蒸發(fā)率能較為直觀地反映氣瓶使用時的保溫保冷性能。LNG氣瓶的日蒸發(fā)率公式為：

式中：Δm為24h內蒸發(fā)損耗的低溫液體的質量，kg/d。

目前測量低溫容器蒸發(fā)率的主要方法有兩種：稱重法和蒸氣流量測量法[2]。

稱重法比較簡單，適用于小型容器。容器裝好低溫液體后，置于重量計上，待達到熱平衡時，測出24h內液化氣體損耗的數(shù)量。本文即采用稱重法，對蒸氣流量測量法不做具體闡述。

4 設計LNG氣瓶時降低理論計算NER與實際平均NER的試驗研究過程

以我公司275L車用LNG氣瓶設計研發(fā)過程為依據，理論靜態(tài)蒸發(fā)率?2.225%/d[1]。

4.1 首次試制

4.1.1 理論計算過程

帶入各系統(tǒng)參數(shù)和物性參數(shù)，Q1為3.463（34.2%）W、Q2為1.196（11.8%）W，Q3為1.787（17.7%）W，Q4為3.67（36.3%）W，計算出結果Q總為10.117W。將Q總帶入公式（1）可得理論計算靜態(tài)蒸發(fā)率為2.19%/d。

4.1.2 實際試驗過程

4.1.2.1 試驗流程

表1 2 7 5 L車用氣瓶N E R平均值編號 時間/ 1．6 重量/ k g 時間/ 1．7 重量/ k g 時間/ 1．8 重量/ k g 平均N E R ( % / d ) 0 1 1 6：4 0 3 9 0．1 1 6：4 0 3 8 5．4 1 6：4 0 3 8 0．8 2．3 2 5 0 2 1 6：4 2 3 8 5．2 1 6：4 2 3 8 0．4 1 6：4 2 3 7 6．2 2．2 5 0 3 1 6：4 8 3 8 8．7 1 6：4 8 3 8 4．1 1 6：4 8 3 7 9．7 2．2

表2 2 7 5 L車用氣瓶N E R平均值編號 時間/ 3．1 重量/ k g 時間/ 3．2 重量/ k g 時間/ 3．3 重量/ k g 平均N E R ( % / d ) 0 1 9：0 0 3 9 1．2 9：0 0 3 8 7．4 9：0 0 3 8 3．8 1．8 5 0 0 2 9：0 2 3 8 8．6 9：0 2 3 8 4．6 9：0 2 3 8 0．7 1．9 7 5 0 3 9：0 5 3 9 0．8 9：0 5 3 8 6．8 9：0 5 3 8 3．0 1．9 5 0

試驗時，首先用熱氮氣對LNG氣瓶瓶體內部進行吹掃，保證氣瓶內部無空氣及水蒸氣存在；然后打開LNG氣瓶的放空閥，關閉其他閥門，將LN2充入LNG氣瓶內，每只氣瓶加液至放空閥噴液時停止加液，再用叉車將充好液氮的氣瓶鏟至通風良好，地勢平坦的空地靜置48h達到熱平衡后并進行稱重，記為m1；經過24h之后再次對氣瓶稱重，記為m2，則Δm=m1-m2；將稱量結果代入公式（7）即可求得靜態(tài)日蒸發(fā)率。注：整個氣瓶靜置過程中放空閥保持常開，稱重時關閉放空閥。

4.1.2.2 試驗結果與分析

本文試驗對首次試制的3只275L氣瓶連續(xù)3天進行靜態(tài)蒸發(fā)率試驗，得到的實際日蒸發(fā)率數(shù)及平均日蒸發(fā)率如表1所示。

結合表1數(shù)據可算出，首次試制的3只275L氣瓶的平均靜態(tài)蒸發(fā)率為2.258%/d，大于理論要求的2.225%/d，設計不合格。

4.2 二次試制

根據首次試制數(shù)據得出Q4＞Q1＞Q3＞Q2，而降低LNG氣瓶漏熱量的有效方法為：①采用熱流密度小的絕熱材料；②增長導熱路徑；③減薄壁管；④采用低導熱系數(shù)的支撐材料[3]。

我公司的絕熱工藝為成熟工藝，因此絕熱材料漏熱量不做更改。夾層管漏熱量僅占總漏熱的11.8%，因此對氣瓶前端支撐及后端支撐進行設計優(yōu)化，降低漏熱。

作者秦峰在專利[4]詳細說明了減薄支撐管壁厚可以有效降低氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率。

作者楊帆在專利[5]詳細說明了后端支撐軸與軸套之間增加導熱系數(shù)小的環(huán)氧玻璃鋼可以有效降低氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率。

4.2.1 理論計算過程

結構優(yōu)化后帶入各系統(tǒng)參數(shù)和物性參數(shù)，Q1、Q2不變，Q3為1.28W，Q4為2.931W，計算出結果Q總為8.87W。將Q總帶入公式（1）可得理論計算靜態(tài)蒸發(fā)率為1.88%/d。

4.2.2 實際試驗過程

（1）試驗流程

參見4.1.2.1條。

（2）試驗結果與分析

對二次試制的3只275L氣瓶連續(xù)3天進行靜態(tài)蒸發(fā)率試驗，得到的實際日蒸發(fā)率數(shù)及平均日蒸發(fā)率如表2所示。

結合表2數(shù)據可算出，二次試制的3只275L氣瓶的平均靜態(tài)蒸發(fā)率為1.925%/d，小于理論要求的2.225%/d，因此，設計合格。

4.3 兩次試制過程計算與實際NER分析

結合我公司企標規(guī)定的275L氣瓶NER與4.1、4.2條的理論計算NER與實際平均NER可以清楚地看出，計算的靜態(tài)蒸發(fā)率數(shù)值比實際測量值小，這主要是由于各項傳熱的復雜性以及傳熱計算中忽略了氣瓶其他構件的輻射及管道和閥門結霜等的影響；也未考慮環(huán)境溫度的改變對絕熱層有效導熱系數(shù)及低溫氣瓶內壓力變化的影響，兩者的誤差很小，兩次試制過程計算結果與試驗結果誤差僅為3.1%和2.4%，低于普遍可以接受的誤差范圍（5%）[5]。

5 結語

（1）實際平均NER均大于理論計算NER。

（2）我公司275L車用LNG氣瓶試制試驗過程中兩次時間間隔較近，因此未考慮環(huán)境溫度對日蒸發(fā)率的影響。若兩次試制時溫差大，則必須將實際平均NER換算成標準環(huán)境溫度下（20℃，101.325kPa）的NER。

（3）總結設計LNG氣瓶時降低理論計算NER的方法，為后期設計者降低LNG氣瓶NER提供一定參考和借鑒。

[1]Q/DS 001-2015，車用液化天然氣瓶[S].

[2]GB/T18443.5-2010低溫絕熱壓力容器試驗方法——靜態(tài)蒸發(fā)率測定[S].

[3]王貴仁.陳叔平.張春燕.等.低溫容器的漏熱分析與試驗研究[J].石油化工設備.2007(9):20～22.

[4]秦峰.楊帆.夏園園.車用液化天然氣氣瓶前端支撐裝置——ZL 2012 2 0306448.2.

[5]楊帆.唐永科.夏園園.車用液化天然氣氣瓶后端支撐結構——ZL 2013 2 0870022.4.

夏園園（1989-），女，2011.07畢業(yè)于大連大學機械工程學院機械設計制作及其自動化專業(yè)，職稱：助工。