立式焊接絕熱氣瓶結構設計要點的分析

黃銀剛(西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043)

1 立式焊接絕熱氣瓶結構簡介

立式焊接絕熱氣瓶作為一種低溫絕熱壓力容器，可以貯存并使用低溫液體(液氧、液氮、液氬、液態二氧化碳、液態氧化亞氮)，且其內部設置有汽化盤管，同時能夠自動提供連續穩定的氣體。如何保證低溫液體在瓶體內不被汽化，需要從物理學的熱傳導、熱輻射、熱對流[1]三方面進行考慮，與車用液化天然氣氣瓶相同的，立式焊接絕熱氣瓶也需設置雙層結構：

(1)夾套內被抽成高真空有效防止熱對流；

(2)內容器外壁纏有多層絕熱材料有效防止熱輻射；

(3)內容器與外殼之間相連的支撐部分設置有環氧玻璃鋼襯套有效阻止熱傳導。三者共同形成良好的絕熱系統[2]。

立式焊接絕熱氣瓶的各項技術指標中“維持時間”和“充裝率”是客戶最關注的指標，也是客戶評價產品“好與壞”的重要標準。

2 立式焊接絕熱氣瓶結構現狀

立式焊接絕熱氣瓶作為一種自主供氣系統，其結構主要分為三部分：支撐結構、夾層管路系統及外部閥門系統。常規立式焊接絕熱氣瓶容積多為175～210 L，其瓶體高度較低，瓶頭直接焊接閥門可滿足客戶操作要求，市場上各廠家外部閥門系統設計基本相同，以下主要從支撐結構及夾層管路系統進行介紹。

2.1 支撐結構

支撐結構[3]包括頂端支撐結構及底端支撐結構，內膽與外殼之間通過支撐結構相連，常規焊接絕熱氣瓶由于自重及加液量較少，多采用上端為固定端，下端為自由端的支撐結構。

2.2 夾層管路系統

與車用液化天然氣氣瓶及“快易冷”不同的是立式焊接絕熱氣瓶夾層內設置有汽化盤管與增壓盤管，增壓盤管及汽化盤管采用釬焊形式固定于外筒體之上，其銅管規格常見的有φ10*1 mm和φ8*1 mm，增壓盤管通常呈螺旋形纏繞與外筒體之上，而汽化盤管則有兩種不同分布形式：“雙U型”和螺旋型。

3 立式焊接絕熱氣瓶性能研究

常規焊接絕熱氣瓶(175～210 L)其充裝率通常介于90%～95%之間，但不同生產廠家氣瓶的維持時間差異卻較大，維持時間短的在4 d左右，維持時間長的可到達7 d以上。性能的差異決定于產品的結構設計，因而對產品結構設計中影響性能的因素進行研究就顯得尤為重要，下面以試制試驗進行研究。

3.1 充裝率對維持時間的影響

據徐烈等[4]可知：當容器無損貯存(憋壓)后，由于受其漏熱的影響。一方面由于系統內能的增加，溫度上升，而使其飽和壓力增加；另一方面，由于溫度上升，而使液體的體積膨脹，使氣相空間減少，因液體體積的不可壓縮性而使壓力急劇增大。充裝率大于90%以后，低溫液體介質溫度升高，飽和密度減小，體積膨脹而導致氣瓶壓力升高，充裝率的變化，都會導致維持時間急劇的變化。

圖1以DPL450-210-2.4型立式焊接絕熱氣瓶為例，采用同一支撐結構設計、同一絕熱系統設計，通過調整加液量，實現不同充裝率，完成不同充裝率下氣瓶維持時間隨充裝率的變化曲線圖。

由圖1可知，充裝率降低7%時，維持時間增長177%，可見維持時間隨著充裝率的減少呈明顯增長趨勢，這與美國MVE公司低溫容器不同充裝率時壓力與時間的關系曲線一致。

圖1 維持時間隨充裝率的變化曲線

3.2 NER對維持時間的影響

圖2以DPL450-195-2.4型立式焊接絕熱氣瓶為例，保證氣瓶充裝率(約91%)一致的前提下，通過改變氣瓶支撐結構設計及絕熱系統設計，實現不同靜態蒸發率，完成了不同NER下氣瓶維持時間隨NER的變化曲線圖。

圖2 維持時間隨NER的關系曲線

3.3 影響立式焊接絕熱氣瓶NER的因素

NER直接反應氣瓶的保溫性能，通過傳熱學理論的三種傳熱方式可知，影響NER的因素為熱對流(冷態真空度)、熱傳導(夾層空間，內、外膽壁厚，支撐結構)、熱輻射(絕熱材料)。

根據《低溫絕熱與貯運技術》可知，低溫真空度優于9.0×10-3Pa級時，熱導率的變化趨近于零，即真空度的變化對NER幾乎無影響，因而在產品制造過程需滿足出瓶真空度大于1.0×10-2Pa即可，此處不再對其進行研究。

3.3.1 夾層空間對NER的影響

同一支撐結構及絕熱系統設計下，NER隨夾層空間(去除銅管所占距離后的凈空間)的變化曲線，通常立式焊接絕熱氣瓶的絕熱材料纏繞厚度多介于8～10 mm之間。當夾層凈空間小于絕熱材料纏繞厚度時，絕熱材料與外殼銅管接觸形成新的導熱路徑，將會造成NER急劇增加。

3.3.2 支撐結構對NER的影響

表1以DPL450-195-2.4型立式焊接絕熱氣瓶為例，在保證絕熱系統及充裝率設計相同的情況下，通過試制試驗完成了不同支撐氣瓶NER和維持時間對比表。根據結果可知，在充裝量，夾層空間，絕熱材料相同的情況下，隨著支撐結構導熱減小，NER值明顯降低。

表1 不同支撐結構氣瓶NER和維持時間對比表

3.3.3 絕熱材料對NER 的影響

表2以DPL450-195-2.4型立式焊接絕熱氣瓶為例，在相同充裝率及結構設計情況下，采用2種性能不同絕熱紙，通過試制試驗對比得出性能優的氣瓶NER明顯提升。

表2 不同絕熱材料NER和維持時間對比表

4 立式焊接絕熱氣瓶設計要點

鑒于近年來氣體切割、焊接、低溫實驗室、醫療用氣的持續發展，立式焊接絕熱氣瓶憑借其投資成本低、更換方便及運輸便捷等一系列優點，在工業、學術、醫療等領域仍占據重要市場份額。基于以上立式焊接絕熱氣瓶結構特點及試制試驗，總結出以下設計要點：

(1)充裝率設計時，建議不要追求越大越好，需要結合法規要求及產品性能；

(2)產品支撐結構設計時，在滿足強度要求的前提下，頸管的壁厚可采用局部削薄結構，其長度盡可能較長。同時控制下端支撐板的厚度，增加其長度，也可采用環氧玻璃鋼軸套替代不銹鋼軸套。

(3)夾層空間設計時，無論汽化盤管采取何種纏繞方式，建議凈夾層空間(外殼內直徑-內膽外徑-銅管所占厚度)需大于絕熱材料纏繞厚度，保證絕熱材料不與外殼內壁上銅管接觸，形成新的導熱路徑。

(4)絕熱材料選取時，可經過測試對比選取表觀導熱系數更低的絕熱材料，能夠有效地降低氣瓶NER，提高產品維持時間。

5 結語

通過對杜瓦瓶的關鍵性能指標研究，對以后的產品開發提供了設計依據：

(1)新產品開發前期需結合客戶需求和對標競品技術參數，制定設計目標；

(2)后期產品試制及試驗過程中對重量、靜態蒸發率、維持時間等各項技術參數進行測試，核查試驗數據是否達到設計目標，作為產品定型技術參數依據。