激光淬火温度场及材料性能的数值模拟

　　1 引 言

　　低温绝热气瓶是一种小型低温压力容器,储存液氧、液氮、液氩、液化天然气等低温液化气体,主要用于工厂生产、实验、医疗、燃料等使用的低温液体 和气体的供应。其容积一般在60-1000L之间,最高工作压力在1.6-3.5MPa之间,结构型式以立式为主兼有卧式,放置在带有框架的滚轮小车上, 可方便室内移动使用,且框架对瓶体和阀门具有一定的保护作用。

　　低温绝热气瓶具有安全可靠、使用方便、装载率高和可反复充装等特点,已被广泛用来替代传统杜瓦和高压钢制气瓶,中国国内从1970年代开始研究此类型的容器^[1]。随着对低温绝热气瓶需求量的日益增大,对低温绝热气瓶绝热性能方面的要求也越来越高。日蒸发率低,加注速度快,储存时间长的低温绝热气瓶越来越受到市场的青睐。

　　2 低温绝热气瓶的结构与原理

　　低温绝热气瓶装配完整,可分为内容器、外壳、绝热层、支撑系统、输液系统和增压系统和汽化系统7个主要部分,实现储存,运输,供液和供气4大功 能。对于一般的立式低温绝热容器(如图1所示)所有的管路出口都通过顶部分配头组合起来。对于卧式的低温绝热容器,分配头基本位于前外封头处。典型的低温 绝热气瓶配置气体使用阀,放空阀,进出液阀,压力控制阀和组合压力调节器。

　　低温绝热气瓶的内容器和外壳均采用奥氏体不锈钢制作,内外筒体通过颈管焊接连接,起固定支撑作用。内外筒体间真空夹层内布置有吸附剂^[2],低温吸附剂通常采用活性炭、一氧化钯和分子筛的组合。但对于储存液氧的低温绝热气瓶,不建议使用活性炭。

　　3 立式175L低温绝热气瓶的有限元分析

　　有限元分析的方法是目前在工程领域内常用的数值模拟方法^[3],ANSYS作为有限元分析软件在热分析方面具有强大的功 能,利用ANSYS可以分析工程中普遍存在的热问题,其热分析的基本原理是将所处理的对象划分成有限个单元(包含节点),然后根据能量守恒的原理求解一定 边界条件和初始条件下的每个节点处的平衡方程,由此计算出各节点的温度值,进而进一步求解出其它相关量。本文主要通过稳态热分析对低温绝热气瓶进行传热分 析。

　　通过建立有限元模型对低温绝热气瓶充满低温液体状态下的温度场和局部漏热量进行计算,与蒸发率测试得到的总体漏热量进行比较和分析,是本文研究 的主要内容。本文研究的对象是175L立式低温绝热气瓶,充满液氮的条件下。边界条件中,内筒体内壁温度为液氮温度77K,外筒体外壁对流系数取 5W/(m².K),环境温度按常温293K考虑。该容器主体结构材料均为奥氏体不锈钢0Cr18Ni9,内外筒体壁厚为 2.5mm,内外封头壁厚为3mm。颈管壁厚0.925mm,直径57mm,颈管长度125mm。对175L的低温气瓶进行ANSYS有限元热分析建模, 模型和加载如图2所示,X轴为轴向,Y轴为垂向,Z轴为水平向。并且建立了局部柱坐标11,X为径向,Y为周向,Z为轴向。内外筒体和支撑件由so- lid70单元构成。下部支撑管与内筒体下封头之间连接以及与撑板之间连接用link34对流单元实现。有限元模型基本数据见表1。