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        立式焊接絕熱氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析

        2021-04-25 13:54:54黃銀剛西安德森新能源裝備有限公司陜西西安710043
        化工管理 2021年10期
        關(guān)鍵詞:絕熱材料盤(pán)管汽化

        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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tài)二氧化碳、液態(tài)氧化亞氮),且其內(nèi)部設(shè)置有汽化盤(pán)管,同時(shí)能夠自動(dòng)提供連續(xù)穩(wěn)定的氣體。如何保證低溫液體在瓶體內(nèi)不被汽化,需要從物理學(xué)的熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流[1]三方面進(jìn)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(shè)置雙層結(jié)構(gòu):

        (1)夾套內(nèi)被抽成高真空有效防止熱對(duì)流;

        (2)內(nèi)容器外壁纏有多層絕熱材料有效防止熱輻射;

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

        立式焊接絕熱氣瓶的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中“維持時(shí)間”和“充裝率”是客戶最關(guān)注的指標(biāo),也是客戶評(píng)價(jià)產(chǎn)品“好與壞”的重要標(biāo)準(zhǔn)。

        2 立式焊接絕熱氣瓶結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

        立式焊接絕熱氣瓶作為一種自主供氣系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)主要分為三部分:支撐結(jié)構(gòu)、夾層管路系統(tǒng)及外部閥門(mén)系統(tǒng)。常規(guī)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(mén)可滿足客戶操作要求,市場(chǎng)上各廠家外部閥門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本相同,以下主要從支撐結(jié)構(gòu)及夾層管路系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

        2.1 支撐結(jié)構(gòu)

        支撐結(jié)構(gòu)[3]包括頂端支撐結(jié)構(gòu)及底端支撐結(jié)構(gòu),內(nèi)膽與外殼之間通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)相連,常規(guī)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(jié)構(gòu)。

        2.2 夾層管路系統(tǒng)

        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(nèi)設(shè)置有汽化盤(pán)管與增壓盤(pán)管,增壓盤(pán)管及汽化盤(pán)管采用釬焊形式固定于外筒體之上,其銅管規(guī)格常見(jiàn)的有φ10*1 mm和φ8*1 mm,增壓盤(pán)管通常呈螺旋形纏繞與外筒體之上,而汽化盤(pán)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(guī)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(chǎn)廠家氣瓶的維持時(shí)間差異卻較大,維持時(shí)間短的在4 d左右,維持時(shí)間長(zhǎng)的可到達(dá)7 d以上。性能的差異決定于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),因而對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中影響性能的因素進(jìn)行研究就顯得尤為重要,下面以試制試驗(yàn)進(jìn)行研究。

        3.1 充裝率對(duì)維持時(shí)間的影響

        據(jù)徐烈等[4]可知:當(dāng)容器無(wú)損貯存(憋壓)后,由于受其漏熱的影響。一方面由于系統(tǒng)內(nèi)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(zhì)溫度升高,飽和密度減小,體積膨脹而導(dǎo)致氣瓶壓力升高,充裝率的變化,都會(huì)導(dǎo)致維持時(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、同一絕熱系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過(guò)調(diào)整加液量,實(shí)現(xiàn)不同充裝率,完成不同充裝率下氣瓶維持時(shí)間隨充裝率的變化曲線圖。

        由圖1可知,充裝率降低7%時(shí),維持時(shí)間增長(zhǎng)177%,可見(jiàn)維持時(shí)間隨著充裝率的減少呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì),這與美國(guó)MVE公司低溫容器不同充裝率時(shí)壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線一致。

        圖1 維持時(shí)間隨充裝率的變化曲線

        3.2 NER對(duì)維持時(shí)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(guò)改變氣瓶支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及絕熱系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)不同靜態(tài)蒸發(fā)率,完成了不同NER下氣瓶維持時(shí)間隨NER的變化曲線圖。

        圖2 維持時(shí)間隨NER的關(guān)系曲線

        3.3 影響立式焊接絕熱氣瓶NER的因素

        NER直接反應(yīng)氣瓶的保溫性能,通過(guò)傳熱學(xué)理論的三種傳熱方式可知,影響NER的因素為熱對(duì)流(冷態(tài)真空度)、熱傳導(dǎo)(夾層空間,內(nèi)、外膽壁厚,支撐結(jié)構(gòu))、熱輻射(絕熱材料)。

        根據(jù)《低溫絕熱與貯運(yùn)技術(shù)》可知,低溫真空度優(yōu)于9.0×10-3Pa級(jí)時(shí),熱導(dǎo)率的變化趨近于零,即真空度的變化對(duì)NER幾乎無(wú)影響,因而在產(chǎn)品制造過(guò)程需滿足出瓶真空度大于1.0×10-2Pa即可,此處不再對(duì)其進(jìn)行研究。

        3.3.1 夾層空間對(duì)NER的影響

        同一支撐結(jié)構(gòu)及絕熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)夾層凈空間小于絕熱材料纏繞厚度時(shí),絕熱材料與外殼銅管接觸形成新的導(dǎo)熱路徑,將會(huì)造成NER急劇增加。

        3.3.2 支撐結(jié)構(gòu)對(duì)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(tǒng)及充裝率設(shè)計(jì)相同的情況下,通過(guò)試制試驗(yàn)完成了不同支撐氣瓶NER和維持時(shí)間對(duì)比表。根據(jù)結(jié)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(jié)構(gòu)導(dǎo)熱減小,NER值明顯降低。

        表1 不同支撐結(jié)構(gòu)氣瓶NER和維持時(shí)間對(duì)比表

        3.3.3 絕熱材料對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況下,采用2種性能不同絕熱紙,通過(guò)試制試驗(yàn)對(duì)比得出性能優(yōu)的氣瓶NER明顯提升。

        表2 不同絕熱材料NER和維持時(shí)間對(duì)比表

        4 立式焊接絕熱氣瓶設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        鑒于近年來(lái)氣體切割、焊接、低溫實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)療用氣的持續(xù)發(fā)展,立式焊接絕熱氣瓶憑借其投資成本低、更換方便及運(yùn)輸便捷等一系列優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)、學(xué)術(shù)、醫(yī)療等領(lǐng)域仍占據(jù)重要市場(chǎng)份額?;谝陨狭⑹胶附咏^熱氣瓶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及試制試驗(yàn),總結(jié)出以下設(shè)計(jì)要點(diǎn):

        (1)充裝率設(shè)計(jì)時(shí),建議不要追求越大越好,需要結(jié)合法規(guī)要求及產(chǎn)品性能;

        (2)產(chǎn)品支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),在滿足強(qiáng)度要求的前提下,頸管的壁厚可采用局部削薄結(jié)構(gòu),其長(zhǎng)度盡可能較長(zhǎng)。同時(shí)控制下端支撐板的厚度,增加其長(zhǎng)度,也可采用環(huán)氧玻璃鋼軸套替代不銹鋼軸套。

        (3)夾層空間設(shè)計(jì)時(shí),無(wú)論汽化盤(pán)管采取何種纏繞方式,建議凈夾層空間(外殼內(nèi)直徑-內(nèi)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(nèi)壁上銅管接觸,形成新的導(dǎo)熱路徑。

        (4)絕熱材料選取時(shí),可經(jīng)過(guò)測(cè)試對(duì)比選取表觀導(dǎo)熱系數(shù)更低的絕熱材料,能夠有效地降低氣瓶NER,提高產(chǎn)品維持時(shí)間。

        5 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)杜瓦瓶的關(guān)鍵性能指標(biāo)研究,對(duì)以后的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了設(shè)計(jì)依據(jù):

        (1)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期需結(jié)合客戶需求和對(duì)標(biāo)競(jìng)品技術(shù)參數(shù),制定設(shè)計(jì)目標(biāo);

        (2)后期產(chǎn)品試制及試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)重量、靜態(tài)蒸發(fā)率、維持時(shí)間等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,核查試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),作為產(chǎn)品定型技術(shù)參數(shù)依據(jù)。

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