基于ZBO存储的低温储箱漏热分析

　　1引 言

　　低温液体在存储过程中，由于和环境温度存在较大的温差，热量从环境进入低温储箱，造成低温液体的蒸发，从而引起容器内的压力上升，当压力升高到 一定值，需要放空，从而造成低温液体的损耗加大。对于太空中使用的低温液体，首先，在太空微重力环境中，低温液体的气液界面不确定，气液混合在一起。若无 气液分离器，放空排放的不仅仅是气体，还包含大量的液体。其次，放空会使气体弥漫在空间航天器周围，特别是对于低温推进剂液氢液氧来说，易燃易爆，严重威 胁着航天器和宇航员的安全。最后，蒸发气体放空后，在额定需液量时需要增大储箱的质量，以增加低温液体的额定充注量，这样就减小了火箭有效载荷的能力，使 单位有效低温液体进入太空的费用大大增加^[1]。

　　为适应空间燃料补给站发展的需求，美国NASA的低温研究者提出了低温液体零蒸发损耗(zero boil-off，简称ZBO)储存技术。ZBO存储技术是将主动制冷技术和被动绝热技术相结合的低温液体存储技术，即采用高可靠性的小型制冷机冷却低温 液体和蒸发的气体，同时采用高性能多层绝热系统以减小漏热量，从而达到零蒸发储存的目的。

　　由于液氢，液氮，液氧等低温液体的温度和环境温度相差很大，即使被动绝热技术再好，漏热依然存在，因此对于地面上的低温液体，必须借助被动绝热技术和主动制冷技术，才能够达到ZBO存储的要求。

　　本文通过对ZBO存储储箱的漏热量进行分析计算，通过分析计算各部位漏热量的大小，为减小储箱的漏热量及ZBO存储试验提供理论依据。

　　2研究对象

　　图1为低温储箱的结构图，内筒直径200mm，长1176mm，外筒直径284mm，长1291mm，内外壁厚1mm，上下法兰厚12mm，法 兰直径380mm，在法兰上增加8cm厚的泡沫塞。内外筒壁间包裹40层多层绝热材料，总厚度为20mm，筒体为不锈钢材料，低温液体为液氮，有效容积 0.037m³，设计压力为0.3MPa。

　　3漏热分析

　　对于ZBO存储的低温储箱，从外部环境到储箱内部的漏热主要有以下3部分:(1)筒体的漏热;(2)颈管的漏热;(3)连接管路的漏热。

　　3.1筒体的漏热

　　对于采用高真空多层绝热方式的低温储箱，通过筒体的漏热主要有储箱真空夹层内的残余气体导热、反射屏的辐射换热和间隔材料的固体导热。因此控制筒体的漏热，主要是减小此3部分的漏热量，高真空多层绝热低温储箱的传热原理如图2所示。

　　对于高真空多层绝热储箱，由于安装的需要，在储箱外壁和多层绝热材料间一般会有一定的间隙，此处的热量传递方式主要有真空夹层的残余气体导热、 外筒筒壁与反射屏的辐射换热。在多层绝热体内，热量主要通过绝热层内部残余气体导热、反射屏之间的辐射换热和多层绝热材料的导热进行传递。