駱明強，葉莉，安剛

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

1 概述

隨著我國國防科研及航天事業(yè)的大力發(fā)展，低溫液體的應用日益廣泛。低溫液體儲罐多采用真空粉末或者真空多層絕熱的方式，不論其絕熱性能多好，都會或多或少地存在漏熱，使液體蒸發(fā)，儲罐內壓力上升，達到一定壓力上限時需要定期放空，以保證儲罐安全，這樣就產生低溫液體損失，增加了使用成本。而要提高絕熱性能減少低溫液體蒸發(fā)損耗，就會增加儲罐成本。因此，如何安全經濟地貯存轉運低溫液體，一直是人們關心的問題。

針對航天方面以及民用氫能的應用，本文對某100m3液氫貯罐進行了試驗研究，在此基礎上分析了不放空儲存時間的各個影響因素，重點研究初始充液率、溫度場不均勻度等因素的影響，驗證了已有的不放空儲存無量綱關聯(lián)式的適用性，進而對液氫貯罐的優(yōu)化設計提出了改進建議。

2 低溫液體不放空儲存時間預測

為了預測低溫液體的不放空儲存時間和過程中的升壓速度，俄羅斯學者通過系列研究初始充滿率、壓力及漏熱熱流密度對自增壓的影響，得到了一個無量綱準則關系式，稱之為俄羅斯模型：

無量綱變量中各符號說明：

τ 為開始封閉以來的實際儲存時間；τs為開始封閉以來按熱力學平衡計算的貯存時間；p 為放空時的貯存壓力；p0為開始封閉貯存的壓力；pcr為臨界點壓力；F 為貯罐的表面積；q 為儲罐上單位面積的漏熱流密度；Q 為貯罐的總漏熱量，為低溫容器的三個主要途徑漏熱量總和；M0為初始貯存的液體量；T0為初始貯存溫度；c0為初始貯存溫度下液體的比熱容。

為分析漏熱熱流密度不均勻對容器升壓和不放空儲存時間的影響，魏蔚等引入了熱流不均勻系數(shù)來修正俄羅斯模型，稱之為熱流不均勻模型：

式中其他符號的意義與俄羅斯模型公式（1）相同。通過對液氮在真空粉末絕熱和高真空多層絕熱儲罐的試驗數(shù)據(jù)分析，得出=0.75～1.35。

由前面對低溫液體不放空儲存時間預測的發(fā)展過程可以看出，迄今為止，所有的試驗數(shù)據(jù)均來自液氬溫區(qū)以上，主要是針對液氧、液氮進行的。而隨著我國國防航天事業(yè)的發(fā)展，以及氫能汽車的大力發(fā)展，使得液氫得到越來越多的應用，因此，研究液氫儲罐的升壓性能及不放空儲存性能對于將來的液氫廣泛應用具有重要的意義。

3 液氫儲罐的不放空儲存試驗結果分析

本文液氫儲罐的不放空儲存試驗是針對某100m3臥式固定液氫儲罐進行的，主要測定其初始液位、初始壓力和放空壓力及不放空儲存時間。在儲罐的使用之初，就通過蒸發(fā)試驗確定了儲罐的總漏熱量，因此在試驗測得初始液位、初始壓力和放空壓力后，可以通過俄羅斯模型預測出其不放空儲存時間。俄羅斯模型不放空儲存時間和實際測量不放空儲存時間比較分析如下。

表1 為實際不放空儲存時間與俄羅斯模型不放空儲存時間的比較?？梢钥闯觯瑢嶋H測試的不放空儲存時間比俄羅斯模型計算出來的時間要短的多，分析主要原因如下。

（1）俄羅斯模型是由氧、氮、氬低溫儲罐的自增壓的試驗數(shù)據(jù)整理得出的，具有較廣的應用范圍，但俄羅斯模型并未測試統(tǒng)計液氫的數(shù)據(jù)，因而對預測液氫儲存時間數(shù)據(jù)有很大的偏差，這主要是因為液氫的飽和溫度相對于氧氮氬來說要低的多，其相應的物性特別是氣化潛熱相對于氧氮氬也要小的多。

表1 實際不放空儲存時間與俄羅斯模型不放空儲存時間的比較

（2）俄羅斯模型試驗數(shù)據(jù)是針對氧氮氬得出的，而氧氮氬的儲罐以珠光砂粉末真空絕熱容器為主。而液氫儲罐為高真空多層絕熱，其絕熱性能遠優(yōu)于粉末真空絕熱（即漏熱量顯著減小了）。貌似同一種低溫液體使用高真空多層絕熱儲罐比使用粉末真空絕熱儲罐不放空時間要長，實際上并非如此。

這主要是因為低溫容器的漏熱途徑主要有三方面：內筒體絕熱材料漏熱、內支撐結構漏熱和管路漏熱。

分析說明，雖然液氫儲罐采用高真空多層絕熱，總體漏熱量較小，但是其內支撐結構漏熱占很大比重，對容器內液氫溫度場的均勻性具有重要的不利影響，從而使其不放空儲存時間大為縮短（相對于漏熱均勻來說）。這一定性結論與熱流不均勻模型對液氮不放空儲存時間的分析結論是一致的。

表2 初始充液率對不放空儲存時間的影響

表2 為其他條件相同時初始充液率對不放空儲存時間的影響。初始充液率減小，其不放空儲存時間增長。這主要是因為，初始充液率減小，其氣相空間增大，對氣化氣體的容納量增大；另外，對于大容量低溫液體儲罐，其內支撐結構漏熱多在筒體中部，初始充液率減小，其內支撐結構高漏熱熱流密度的影響減小，因而，在不放空增加相同壓力時其不放空儲存時間增長。

表3 不放空升壓壓差對不放空儲存時間的影響

表3 為其他條件相同時不放空升壓壓差對不放空儲存時間的影響。貯罐不放空儲存升壓壓差越大，其測試試驗值與俄羅斯模型預估值偏差越小。這主要是因為，不放空儲存升壓壓差越高，其不放空儲存時間越長，因而儲存液體內的交換熱量越多，儲罐內溫度場越趨于均勻，越接近俄羅斯模型的試驗和擬合條件，因而偏差越小。

表4 初始壓力對不放空儲存時間的影響

表4 為其他條件相同時初始壓力對不放空儲存時間的影響。不放空初始壓力增大，無量綱時間基本不變，但實際儲存時間縮短，這主要是因為儲存壓力增大后，相同液位液氫的熱容量減小。

4 液氫儲罐不放空儲存關聯(lián)式

為能夠定量預測液氫儲罐的不放空儲存時間，綜合考慮漏熱熱流密度、熱流不均勻度（內支撐結構）、初始充液率、升壓壓差和初始壓力等的影響，采用式（2）所示的關聯(lián)式，用因來修正俄羅斯模型，稱之為液氫儲存模型。

在試驗測得初始液位、初始壓力和放空壓力后，可以通過俄羅斯模型預測出其無量綱時間。另一方面，通過測定不同條件下液氫儲罐不放空儲存時間可以確定其實際無量綱時間。表5 為俄羅斯模型無量綱時間和實際測量無量綱時間比較分析，可以看出在試驗范圍內，值可約取為1～3。

表5 實際無量綱時間與俄羅斯模型無量綱時間的比較

綜合分析，液氫貯罐的不放空儲存時間長短與貯罐的總漏熱量、初始充液率、支撐結構、貯罐工作壓力等多種因素緊密相關。

5 結語

本文對某100m3液氫貯罐進行了試驗研究，在此基礎上分析了不放空儲存時間的各個影響因素，重點研究熱流不均勻度（內支撐結構的影響）、初始充液率、升壓壓差等的影響，驗證了已有的不放空儲存無量綱關聯(lián)式的適用性，進而對液氫貯罐的優(yōu)化設計提出了改進建議，指出設計液氫儲罐在減小總漏熱量的同時，更應該注重促進液氫溫度場的均勻。這些分析對液氫容器的優(yōu)化設計和應用具有重要的指導意義。