中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司 付饒

目前，以低溫液體貯運(yùn)設(shè)備取代瓶裝氣體的運(yùn)輸方式是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而大型移動(dòng)式低溫液體容器所生產(chǎn)的效益則更加明顯，移動(dòng)式容器的大型化發(fā)展，使得該領(lǐng)域的移動(dòng)式低溫液體容器單罐容積不斷突破極限，40尺LNG罐式集裝箱容積已經(jīng)從過(guò)去的40立方米擴(kuò)大到了46立方米，而國(guó)內(nèi)LNG公路汽車(chē)罐車(chē)的容器也已做到接近53立方米，而且還有進(jìn)一步突破的要求。移動(dòng)式低溫液體容器的一個(gè)主要性能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是日蒸發(fā)率，本文探討液體膨脹對(duì)移動(dòng)式低溫液體容器日蒸發(fā)率的影響，并提出了避免產(chǎn)生這種影響的相應(yīng)措施，為T(mén)75型可移動(dòng)罐柜設(shè)計(jì)審查及檢驗(yàn)工作提供技術(shù)參考。

背景

移動(dòng)式低溫液體容器，由于其以液態(tài)形式貯運(yùn)冷凍液化氣體，主要包括臨界溫度低于-50℃的氮、氧、氬、天然氣等介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)通常采用高真空多層絕熱的高效絕熱形式，較之傳統(tǒng)的高壓氣瓶貯運(yùn)方式在經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面有無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。乙烯、二氧化碳的臨界溫度雖然高于-50℃，由于其結(jié)構(gòu)也采用該結(jié)構(gòu)形式，估且也將其運(yùn)輸設(shè)備歸入為移動(dòng)式低溫液體容器。

移動(dòng)式低溫液體容器的一個(gè)主要性能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是日蒸發(fā)率，其數(shù)值越小則產(chǎn)品的使用效率越高、靜態(tài)維持時(shí)間就越長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損貯運(yùn)，這對(duì)參與海洋運(yùn)輸?shù)墓奘郊b箱而言是非常重要的。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)高真空多層絕熱技術(shù)在移動(dòng)式深冷容器中已得到普遍應(yīng)用，4000 L 低溫貯運(yùn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)日蒸發(fā)率已控制在≤0.3%/day（液氧）。

結(jié)構(gòu)和流程

典型的低溫絕熱容器，其貯槽部分為真空絕熱結(jié)構(gòu)，雙層容器的內(nèi)容器懸掛于外殼體的內(nèi)部并形成絕熱夾層，夾層抽成空真空以減少氣體對(duì)流傳熱。內(nèi)外罐之間的連接采用高強(qiáng)度低熱導(dǎo)率的專(zhuān)門(mén)材料，一方面保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，另一方面保證較低的熱傳遞，同時(shí)在結(jié)構(gòu)安排上使得其內(nèi)罐能夠可靠地懸掛于外殼內(nèi)部，又能夠充分吸收由于設(shè)備運(yùn)行中的大溫差變化而引起的過(guò)分的溫差應(yīng)力。為了減少內(nèi)容器與外殼體之間的固體傳熱，以提高其絕熱性能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量減少連通于內(nèi)容器和外殼體之間的管道數(shù)量和支撐構(gòu)件數(shù)量。設(shè)計(jì)中參考國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常采用一根氣相管從內(nèi)容器引出，穿越過(guò)外殼體后再由四通接頭分別連接貯槽安全閥、氣體放空管和增壓汽化器的回氣管。

增壓汽化器通常為鋁制星形翅片管或不銹鋼繞片式蒸發(fā)器，置于容器的一側(cè)的下方用于低溫槽車(chē)卸液時(shí)起自增壓作用。增壓汽化器的一端通過(guò)增壓截止閥與低溫液體貯槽底部連通；另一端直接與氣相管相連，返回貯槽底部。打開(kāi)增壓截止閥，低溫液體即依靠其自身的重量進(jìn)入增壓汽化器，并在其內(nèi)迅速汽化，介質(zhì)吸收環(huán)境空氣的熱量而汽化后經(jīng)氣相管返回貯槽使貯槽內(nèi)的壓力上升，達(dá)到快速卸液的目的。在運(yùn)輸過(guò)程中，增壓截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

理論研究和分析

研究表明，低溫液體（液氧、液氮、液氬），隨著溫度的升高，其飽和蒸汽壓增大，液體比容也隨之增大。為了便于分析，以4000 L 移動(dòng)式低溫容器為例。有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力0.1MPa，設(shè)計(jì)容積4000L ，充裝系數(shù)為0.95，容器的幾何容積為4210L ，設(shè)計(jì)氣相空間為210 L ，安全閥整定壓力為0.85MPa。

在理想平衡狀態(tài)，根據(jù)參考文獻(xiàn)西安交通大學(xué)鄭德馨等編《低溫工質(zhì)熱物理性質(zhì)表和圖》（機(jī)械工業(yè)出版社）中的數(shù)據(jù),表1列出了4000 L 低溫液體容器裝運(yùn)液氧時(shí)液體的容積隨溫度和飽和蒸汽壓力的變化關(guān)系。從表1 可發(fā)看出，壓力為1bar 時(shí)4000 L的液體氧，當(dāng)壓力上升到3.002bar 時(shí)其容積膨脹至4222 L，也就是說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)溫度上升到其對(duì)應(yīng)飽和壓力為0.3MPa時(shí)，液氧已充滿(mǎn)整個(gè)容器的幾何容積。此時(shí)氣相管口已浸于液氧之中，若打開(kāi)放空閥，則在內(nèi)壓作用下液氧必然會(huì)從放空管流出，同時(shí)由于增壓汽化器的回氣管與放空管并聯(lián)，且增壓汽化器所處位置較低，部分液體在其自重作用下從回氣管反向進(jìn)入增壓汽化器。運(yùn)輸過(guò)程中，部分液體不時(shí)地進(jìn)入汽化器內(nèi)，汽化成氣體使貯槽內(nèi)壓力呈上升的趨勢(shì)，從而使液體放空量增加，表現(xiàn)出實(shí)際蒸發(fā)率變大。在公路爬坡或在船舶傾斜狀態(tài)，當(dāng)坡角或傾角超過(guò)某一角度值時(shí)，由于氣相管設(shè)置于貯槽的后上部，也可能使液面達(dá)到氣相管口，發(fā)生上述類(lèi)似的情況。

需要指出的是，上述研究結(jié)果對(duì)于液氮或液氬介質(zhì)也有相似于液氧介質(zhì)的情況。根據(jù)參考文獻(xiàn)，液氮在68～69k 時(shí)的平均容積膨脹系數(shù)為βLN2=5.88×10-3(1/k);而液氬在84～90k 時(shí)的平均容積膨脹系數(shù)為βLAr=4.54×10-3 (1/k)。

表1

應(yīng)對(duì)措施

經(jīng)過(guò)研究和分析，筆者認(rèn)為低溫液體容積膨脹引起少量液體放空而導(dǎo)致日蒸發(fā)率偏大的現(xiàn)象是可以避免的，并提出如下方案。

方案一：對(duì)于低溫液體槽車(chē)在爬坡較為頻繁的路面上行駛的情況，當(dāng)壓力較低時(shí)，可關(guān)閉放空閥行駛，這樣即使液面達(dá)到氣相管口，由于氣封作用，液體也不會(huì)進(jìn)入增壓汽化器；當(dāng)壓力較高時(shí)，可以在平直路面上進(jìn)行放空，壓力下降后液面隨之下降，不會(huì)出現(xiàn)液體流出現(xiàn)象，或在運(yùn)輸過(guò)程中開(kāi)啟放空閥，保持常壓運(yùn)輸。

方案二：在增壓汽化器的回氣管上設(shè)置一止回閥。這種情況下在增壓汽化器兩端的增壓截止閥和止回閥之間形成了封閉空間，必須增加安全閥以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

從優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，對(duì)移動(dòng)式低溫絕熱容器，將氣相管的接管位置安排于內(nèi)容器頂部縱向中心部位也能得到較好的效果。