低溫液體貯存容器升壓速度分析

中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司 付饒

體現(xiàn)低溫液體貯存在容器的低溫絕熱性能的重要指標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)日蒸發(fā)率（NER），GB18442-2001《低溫絕熱壓力容器》規(guī)定了各類(lèi)低溫絕熱壓力容的標(biāo)準(zhǔn)日蒸發(fā)率。而在使用環(huán)節(jié)，升壓速度則普遍受到關(guān)注，尤以低溫液體罐式集裝箱罐體，由于需要長(zhǎng)時(shí)間海上運(yùn)輸，要求較小的升壓速率以達(dá)到更長(zhǎng)的維持時(shí)間。《國(guó)際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》（IMDG）對(duì)第二類(lèi)冷凍液化氣體也提出維持時(shí)間的要求，并規(guī)定維持時(shí)間應(yīng)體現(xiàn)在產(chǎn)品標(biāo)牌上，IMDG（35-10）6.7.4.1條款定義“維持時(shí)間”為“從滿足充灌條件開(kāi)始到由于熱量匯集導(dǎo)致壓力上升到壓力限定裝置的最低設(shè)定壓力時(shí)所用的時(shí)間”。本文通過(guò)對(duì)一典型的小型低溫絕熱容器的低溫性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模擬計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析，以探明低溫液體貯存容器在不同壓力下的升壓速度，了解影響影響升壓速度的各因素，為低溫絕熱容器的相關(guān)技術(shù)提供參考。

一臺(tái)容積為1100升小型低溫液體貯存容器的靜態(tài)壓力維持試驗(yàn)，20天的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表1，該容器按GB18443.5-2001《低溫絕熱壓力容器試驗(yàn)方法——靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量》測(cè)定的靜態(tài)蒸發(fā)率是0.89%/day(液氮)。表中列出了在閉壓狀態(tài)下每隔24小時(shí)的壓力指示值。

該壓力維持試驗(yàn)是在下列條件下進(jìn)行的，將容器充裝液氮至90%容積，在打開(kāi)容器氣相閥門(mén)的情況下靜置72小時(shí)，使容器內(nèi)液氮達(dá)到大氣壓下的飽和狀態(tài)，經(jīng)充分靜置后關(guān)閉容器的所有外部閥門(mén)開(kāi)始記錄壓力變化。圖中示出了低溫絕熱容器的內(nèi)部壓力隨時(shí)間變化的曲線，并且容器的升壓速度隨著時(shí)間而變快，越到后來(lái)單位時(shí)間內(nèi)壓力增加值越大。

為方便分析，下面是以容積為5m3，最大工作壓力為2.5MPa的低溫液體貯罐絕熱性能模擬計(jì)算來(lái)進(jìn)一步分析這個(gè)問(wèn)題，計(jì)算條件是：在50%液位下，選擇飽和壓力分別為5bar、10bar和15bar（表壓力）三個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，分別計(jì)算24小時(shí)內(nèi)的壓力升高值，以液氧為計(jì)算介質(zhì)，其計(jì)算結(jié)果列于表2(基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源:ASHRAEHandbook)：

表1

表2

根據(jù)上述對(duì)5m3低溫液體貯罐絕熱性能的模擬計(jì)算，該計(jì)算過(guò)程是基于如下假設(shè)：1）以系統(tǒng)在0、5、10、15bar壓力（表壓）下的飽和狀態(tài)的液氧作為計(jì)算的初始狀態(tài)；2）為便于分析，假設(shè)容器的日蒸發(fā)率為0.5%/day(液氧)。計(jì)算結(jié)果顯示，在此假設(shè)條件下，在15bar壓力下，一天內(nèi)壓力上升3.10 bar是正常的。由于實(shí)際情況與上述假設(shè)之間存在一定的偏差，即實(shí)際情況下，由于低溫液體在容器內(nèi)長(zhǎng)期存放各部位吸熱和壓力的不均勻(比如液柱靜壓的存在等)，因而在液體內(nèi)部不可能達(dá)到完全飽和狀態(tài),表現(xiàn)為：其一，容器內(nèi)下部液體存在一定的過(guò)冷度,而上部靠近液面部位則存在一定的過(guò)熱度；其二，容器在使用過(guò)程中，這一點(diǎn)也與假設(shè)的純飽和狀態(tài)存在一定的偏差；其三，15bar壓力狀態(tài)時(shí)，由于液氧的實(shí)際溫度高于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)狀態(tài)下的液氧溫度，因此液體與外界環(huán)境之間的溫差與標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率測(cè)試狀態(tài)的溫差要小些，24小時(shí)內(nèi)系統(tǒng)從外界環(huán)境實(shí)際吸入的熱量也就相對(duì)較小。綜上所述，在實(shí)際情況下， 24小時(shí)內(nèi)的壓力升高值與理論計(jì)算值會(huì)存在一定的偏差。然而，該理論計(jì)算結(jié)果有一定的參考價(jià)值，實(shí)際上由于存在上述情況的影響，其壓力上升值會(huì)比理論計(jì)算值稍小，加之在運(yùn)輸工況下，由于液體在容器內(nèi)的翻動(dòng)，使得容器內(nèi)部的液體整體接近于均勻的類(lèi)似于“揚(yáng)湯止沸”的狀態(tài)，因而較之于靜止?fàn)顟B(tài)，運(yùn)輸工況下的升壓過(guò)程更接近于理論計(jì)算的假設(shè)狀態(tài)條件。

以上分析結(jié)果，對(duì)T75型可移動(dòng)罐柜的維持時(shí)間測(cè)試具有理論指導(dǎo)意義，對(duì)T75型可移動(dòng)罐柜運(yùn)行管理部門(mén)在核定罐柜在裝運(yùn)各類(lèi)冷并液化氣體的實(shí)際維持時(shí)間時(shí)也有一定的參考價(jià)值。

從表1的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該小型1100L低溫絕熱容器從常壓自然升壓到0.92MPa的實(shí)測(cè)維持時(shí)間是20天。從傳熱學(xué)的原理可知傳熱量與表面積成正比例關(guān)系，對(duì)容積較大的低溫絕熱容器而言，由于大型容器的比表面積（容器表面積與容積的比值）遠(yuǎn)小于小型容器，因而，通常罐式集裝箱能滿足長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損貯運(yùn)的要求。