低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量影響

朱華強 呂浩 楊中志

摘要：本文以低溫絕熱氣瓶傳熱機理作為研究對象，運用數值分析以及有限元模型等多種手段，全面分析低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響，進一步明確液位高度與漏熱量之間的關系，為后續相關實踐活動的開展提供理論支持。

關鍵詞：低溫絕熱氣瓶;液位高度;漏熱量;影響程度

前言

低溫絕熱氣瓶作為一種特種設備，是現階段液氧、液氮等低溫液化氣體存儲的主流設備，與其他存儲設備相比，其具有安全性、高效性以及容量大等特點，被廣泛應用于社會生產的各個領域。為進一步確保低溫絕熱氣瓶作用的有效發揮，確保存儲設備的溫度保持能力，在完成低溫絕熱氣瓶全面梳理的基礎上，以數學分析為先導，系統探討低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響。

1.低溫絕熱氣瓶概述

對低溫絕熱氣瓶的全面梳理，有助于引導相關工作人員在思維層面形成一個系統化認知，從多個角度，形成對低溫絕熱氣瓶的整體認知，為后續相關研究工作的開展提供了方向性引導。

1.1低溫絕熱氣瓶漏熱的危害性

低溫絕熱氣瓶主要由內壁、外殼、絕熱層以及輸液系統組成，低溫絕熱氣瓶主要用于存儲低溫液體，為保證保溫、存儲效果，當內壁外表面覆蓋一層具有良好隔熱性能的保溫材料，一般情況下，出于隔熱性以及實用性的考慮，低溫絕熱氣瓶主要使用不銹鋼材質，通過系列化加工處理，確保整個氣瓶的隔熱效果，控制漏熱程度。并將氣瓶外部壁與內壁之間的區域進行真空處理以進一步提升隔熱效果。低溫絕熱氣瓶作為現階段較為主流的低溫液體存儲設備，在化學工業等領域得到了廣泛使用。由于存儲對象的特殊性，液氧、液氮等低溫液體在存儲過程中，低溫絕熱氣瓶外部的熱量通過低溫絕熱氣瓶絕熱層進入到氣瓶內部后，低溫液體吸收熱量，不斷發生氣化，持續的氣化，導致低溫絕熱氣瓶內壓力的不斷上升，在這一環節，如果沒有采取有效措施，及時進行氣體的排出，極有可能引發爆炸或火災。

1.2低溫絕熱氣瓶漏熱研究的重要性

低溫絕熱氣瓶漏熱研究的有序進行，在相關數學模型以及相關分析方法的支撐下，以液位高度為變量，有效分析、梳理低溫絕熱氣瓶使用過程中，由于液位高度的不同，漏熱量的變化，從而逐步掌握低溫絕熱氣瓶漏熱規律。在此基礎上，科學計算低溫絕熱氣瓶低溫液體存儲的容量以及存儲時間，有針對地進行存儲方案的優化調整，大幅度提升低溫絕熱氣瓶存儲質效，減少安全事故的發生機率，實現低溫液態氣體的合理高效存儲。

2.低溫絕熱氣瓶數學分析

在進行相關探討之前，為確保相關研究的科學性與有效性，可以從數學模型的角度出發，對低溫絕熱氣瓶的導熱方式、散熱方式進行客觀描述，以確保低溫絕熱氣瓶液位高度與漏熱量關系梳理的順利進行。

低溫絕熱氣瓶數學分析，主要集中于導熱微分方程、邊界條件以及伽遼金加權等幾個研究，通過系統全面地梳理，在思維層面形成一個完備的認知，進而為相關漏熱量程度的分析提供了支持。導熱微分方程將導熱物體內部溫度規律作為描述對象，實現了對熱體導熱流程的整體呈現，其數學模型具體表現形式為：

較為直觀地描述出物質導熱情況，進而明確物質氣態、液態以及固態轉化極限，為后續低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響提供了便利。為更好地了解、解決傳熱問題，在研究環節，可以通過伽遼金加權法，從控制方程角度，對加權法進行求解計算，使得整個傳熱過程更為明確，避免了研究漏洞的出現。

在現階段，低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱影響程度的分析，主要采取有限元法，這種計算方法，操作較為簡單，準確率相對較高，實現了低溫絕熱氣瓶漏熱規律的全面梳理。

3.低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響

在低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量影響分析環節，相關工作人員在前期研究成效的基礎上，以數學模型的方式，完成對低溫絕熱瓶機理的分析，從多個層面出發，通過系統化的研究論證，明確低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響，為低溫絕熱氣瓶在實踐環節中的使用、維護以及管理提供了參考。

3.1研究假設

為更好地梳理低溫絕熱氣瓶液位高度與漏熱量之間的關系，在研究過程中，考慮到整個研究的復雜性，以及有限元模型構建的需求，在整個研究之前，應當做好研究前提架設的梳理。具體來看，在整個有限元模型分析之前，應當忽略低溫絕熱氣瓶內低溫液體與氣瓶內壁之間的熱阻，這只由于現階段使用的低溫絕熱低溫氣瓶所使用的不銹鋼材質，在多數情況下，熱阻較低，不會影響研究結果，因此在分析過程中，可以進行忽略。同時在研究過程中，假定低溫絕熱氣瓶所處環境，對流方式以自然對流換熱為主，結合過往經驗，空氣自然對流換熱系數取值一般處于3-15W·（m²·K）^-1，通過對空氣自然對流換熱參數的界定，在保證整個研究成果準確性的同時，簡化了研究流程，控制了研究難度，縮短了研究周期，對于整個研究活動的有序開展有著極為深遠的影響。從低溫絕熱氣瓶的構成來看，由于其外部涂覆有多層絕熱材料，材料的特性使得低溫絕熱氣瓶在使用過程中，在氣體導熱以及固體導熱以及熱輻射等方面存在著一定的特點，而這種特點從過往研究成果來看，與多層隔熱材料有著密切的關系^[1] 。為了保證研究的有效性，正確表述低溫絕熱氣瓶液位高度與漏熱量之間的關系，在研究假設環節，以現階段較為常見的多層隔熱材料NRC-2鋁箔玻璃纖維紙多層材料，借助于這種方式，提升整個研究的簡潔性以及有效性，對于后續有限元模型構建以及分析奠定了堅實基礎。

3.2有限元模型構建

在有限元模型構建的過程中，應當著眼于前期的前提假設，同時立足于低溫絕熱氣瓶的實際情況，吸收過往研究工作的有益經驗，扎實進行有限元模型的構建。例如，在模型構建的環節，考慮到ANSYS有限元分析模型與熱載荷有著一定的對稱性，為降低工作量與難度，采取對稱性建立的方式，選用SOLID70單元，這一模塊單元具有八個節點，在每一節點之中，設置溫度自由度，并分別用x軸、y軸以及z軸進行表現，構建起有限元模型。

在有限元模型構建后，為確保研究結構的準確性，還應當進行邊界條件的施加，逐步構建起完備、系統的有限元模型，實現對液位高度與漏熱量關系的探討。

3.3低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量的影響

通過有限元分析，可以明確在容量一定的情況下，低溫絕熱氣瓶液位高度的升高，整個氣瓶的漏熱量也呈現出上升趨勢。當液體接近滿液時，低溫絕熱氣瓶的漏熱量將會突然增加。低溫絕熱氣瓶容量不斷發生變化的情況，容量越小的氣瓶，其液位高度對漏熱量的影響越小。

結束語

通過系統化的梳理以及分析，進一步明確低溫絕熱氣瓶液位高度對于漏熱量的影響程度。為后續低溫絕熱氣瓶日常使用、管理以及維護提供了必要的借鑒，切實發揮低溫絕熱氣瓶在低溫液體運輸存儲環節中作用。

參考文獻：

[1] 徐穎強，翟亞鋒，許磻.低溫絕熱氣瓶液位高度對漏熱量影響的研究[J].中國特種設備安全，2017（10）：119-121.

基金項目：

廣東省質量技術監督局科研項目資助（2018PT03）《基于環境條件和充滿率對低溫絕熱氣瓶蒸發率修正方法的研究》;東莞市社會科技發展（一般）項目資助（20185071641134）《檢測時間對低溫絕熱氣瓶蒸發率影響的研究》

（作者單位：廣東省特種設備檢測研究院東莞檢測院）