低溫液體貯存容器升壓速度分析

中國船級社質量認證公司 付饒

體現低溫液體貯存在容器的低溫絕熱性能的重要指標是標準日蒸發率（NER），GB18442-2001《低溫絕熱壓力容器》規定了各類低溫絕熱壓力容的標準日蒸發率。而在使用環節，升壓速度則普遍受到關注，尤以低溫液體罐式集裝箱罐體，由于需要長時間海上運輸，要求較小的升壓速率以達到更長的維持時間。《國際海運危險貨物規則》（IMDG）對第二類冷凍液化氣體也提出維持時間的要求，并規定維持時間應體現在產品標牌上，IMDG（35-10）6.7.4.1條款定義“維持時間”為“從滿足充灌條件開始到由于熱量匯集導致壓力上升到壓力限定裝置的最低設定壓力時所用的時間”。本文通過對一典型的小型低溫絕熱容器的低溫性能試驗數據和理論模擬計算進行對比分析，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技術提供參考。

一臺容積為1100升小型低溫液體貯存容器的靜態壓力維持試驗，20天的試驗數據記錄于表1，該容器按GB18443.5-2001《低溫絕熱壓力容器試驗方法——靜態蒸發率測量》測定的靜態蒸發率是0.89%/day(液氮)。表中列出了在閉壓狀態下每隔24小時的壓力指示值。

該壓力維持試驗是在下列條件下進行的，將容器充裝液氮至90%容積，在打開容器氣相閥門的情況下靜置72小時，使容器內液氮達到大氣壓下的飽和狀態，經充分靜置后關閉容器的所有外部閥門開始記錄壓力變化。圖中示出了低溫絕熱容器的內部壓力隨時間變化的曲線，并且容器的升壓速度隨著時間而變快，越到后來單位時間內壓力增加值越大。

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算來進一步分析這個問題，計算條件是：在50%液位下，選擇飽和壓力分別為5bar、10bar和15bar（表壓力）三個狀態點，分別計算24小時內的壓力升高值，以液氧為計算介質，其計算結果列于表2(基礎數據來源:ASHRAEHandbook)：

表1

表2

根據上述對5m3低溫液體貯罐絕熱性能的模擬計算，該計算過程是基于如下假設：1）以系統在0、5、10、15bar壓力（表壓）下的飽和狀態的液氧作為計算的初始狀態；2）為便于分析，假設容器的日蒸發率為0.5%/day(液氧)。計算結果顯示，在此假設條件下，在15bar壓力下，一天內壓力上升3.10 bar是正常的。由于實際情況與上述假設之間存在一定的偏差，即實際情況下，由于低溫液體在容器內長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)，因而在液體內部不可能達到完全飽和狀態,表現為：其一，容器內下部液體存在一定的過冷度,而上部靠近液面部位則存在一定的過熱度；其二，容器在使用過程中，這一點也與假設的純飽和狀態存在一定的偏差；其三，15bar壓力狀態時，由于液氧的實際溫度高于標準沸點狀態下的液氧溫度，因此液體與外界環境之間的溫差與標準蒸發率測試狀態的溫差要小些，24小時內系統從外界環境實際吸入的熱量也就相對較小。綜上所述，在實際情況下， 24小時內的壓力升高值與理論計算值會存在一定的偏差。然而，該理論計算結果有一定的參考價值，實際上由于存在上述情況的影響，其壓力上升值會比理論計算值稍小，加之在運輸工況下，由于液體在容器內的翻動，使得容器內部的液體整體接近于均勻的類似于“揚湯止沸”的狀態，因而較之于靜止狀態，運輸工況下的升壓過程更接近于理論計算的假設狀態條件。

以上分析結果，對T75型可移動罐柜的維持時間測試具有理論指導意義，對T75型可移動罐柜運行管理部門在核定罐柜在裝運各類冷并液化氣體的實際維持時間時也有一定的參考價值。

從表1的試驗結果來看，該小型1100L低溫絕熱容器從常壓自然升壓到0.92MPa的實測維持時間是20天。從傳熱學的原理可知傳熱量與表面積成正比例關系，對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）遠小于小型容器，因而，通常罐式集裝箱能滿足長時間無損貯運的要求。