低温液体容器无损存储传热模型

    符号说明

    D储罐内径,m     V´储罐内液体体积,m³

    L圆柱形容器直管段长,m     V"储罐内蒸气体积,m³

    δ绝热层厚度,m      φ充满率

    Fx绝热层x处的薄层面积,m2     ρa储罐内流体的平均密度,kg/m³

    Fi储罐内胆表面积,m2    ρ c储罐内液体的密度,kg/m³

    Fo储罐外胆表面积,m2      ρd储罐内蒸气的密度,kg/m³

    Fs储罐支撑构件总横截面积,m2    u´储罐内液体的比内能,J/kg

    λ绝热材料导热系数,W/(m•K)    u"储罐内蒸气的比内能,J/kg

    λs支撑构件导热系数,W/(m•K)    h´储罐内液体的比焓,J/kg

    ρ绝热材料密度,kg/m3    h"储罐内蒸气的比焓,J/kg

    ρs支撑构件密度,kg/m3    r汽化潜热,J/kg

    c绝热材料比热,J/(kg•K)    p储罐内的压力,Pa

    cs支撑构件比热,J/(kg•K)    U储罐内流体的总内能,J

    α储罐外壁与大气的对流换热系数,     x坐标轴,mW/(m2•K)S时间,s

    M储罐内液体和蒸气的总质量,kg    T温度,K

    M´储罐内液体质量,kg    Tf大气温度,K

    M"储罐内蒸气质量,kg    Q热量,J

    V储罐几何容积,m3    q热流密度,W/m²

    1 引 言

    对于贵重、高纯度液化气体、易燃易爆液化气体以及罐车输运液化气体,必须采用无损(无排放)存储,因此储罐绝热性能的好坏决定了低温液化气体静态封闭存储时间的长短。如何从理论上计算通过储罐绝热层的热流以及储罐内流体的温度和压力的上升曲线,目前还没有精确的算法,通常的做法是采用绝热层的有效导热系数或表观热流密度进行粗略的计算,并通过试验来验证和修正。本文在结合前人的研究基础上,再分析了储罐绝热层的传热规律,并建立了绝热层传热模型,通过解传热微分方程式可推出储罐内流体的温度和压力变化规律。

    2 传热模型

    低温液体容器由内胆、外壳、绝热夹层和支撑构件组成。由于通过绝热层的热流近似垂直于壳壁,平行于壳壁的热流很小,因而可以忽略绝热层的侧向导热,认为只有绝热层的垂直方向上存在温度梯度。同时假设支撑构件内部以及支撑构件与绝热材料间也不存在侧向导热,即认为绝热夹层由无数个温度相同的薄层叠合而成,视为一维温度场。其次,内胆和外壳的壁厚相对于绝热夹层厚度而言极薄,且其导热系数相对于夹层绝热材料而言又很大,因此可以忽略内胆和外壳的热阻。最后,假设储罐内流体处于饱和均质状态,即储罐内温度处处相等,并且等于对应于储罐压力下的饱和温度,同时忽略储罐内流体与内胆间的对流换热热阻,即认为储罐内的温度等于内胆壁温。传热模型基于以上三步分析与假设,下面取一储罐截面进一步进行传热分析。传热模型图如图1所示,其中涂黑部分表示支撑构件,是将所有支撑构件综合起来,以截面积Fs表示。