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        高真空多層絕熱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究

        2023-02-08 07:01:24李延娜鄧育軒匡春燕張艷麗

        李延娜,鄧育軒,匡春燕,徐 菁,張艷麗

        (蘭州城市學(xué)院 培黎石油工程學(xué)院,蘭州 730070)

        液化天然氣(Liquefied Natural Gas,簡(jiǎn)稱LNG)作為一種調(diào)節(jié)城市用氣季節(jié)不均勻性和日不均勻性的調(diào)峰方式,受到越來越多的關(guān)注[1].LNG沸點(diǎn)低,相對(duì)較小的漏熱量都會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐嚴(yán)重的蒸發(fā)損失.因此,良好的絕熱形式是保證LNG儲(chǔ)罐高效安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一.目前,由間隔層和輻射層逐層組成的高真空多層絕熱是LNG儲(chǔ)罐較為理想的絕熱形式.其中,輻射層大多為鋁箔,間隔層一般為導(dǎo)熱系數(shù)較小的尼龍網(wǎng)[2-3],高真空多層絕熱中的輻射層可良好抵抗輻射換熱,間隔層可有效降低固體導(dǎo)熱,同時(shí)通過對(duì)內(nèi)罐和外罐之間夾層抽真空可大大減小氣體導(dǎo)熱.因此,高真空多層絕熱可將LNG儲(chǔ)罐漏熱量降到最小,明顯降低LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)損失.

        研究表明,高真空多層絕熱相鄰輻射層之間主要存在著三種熱交換形式,分別是輻射換熱、剩余氣體的導(dǎo)熱、經(jīng)間隔物進(jìn)行的固體導(dǎo)熱[4-7].通過計(jì)算每一種熱交換形式傳熱量,就可以計(jì)算出總傳熱量,然后根據(jù)傅里葉定律可確定出高真空多層絕熱綜合導(dǎo)熱系數(shù),進(jìn)而基于此綜合導(dǎo)熱系數(shù),對(duì)高真空多層絕熱溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.

        1 高真空多層絕熱綜合導(dǎo)熱系數(shù)

        目前,用于計(jì)算高真空多層絕熱傳熱量的方法主要有兩種:Lockheed傳熱計(jì)算方法和逐層傳熱計(jì)算方法.這兩種傳熱計(jì)算方法均將高真空多層絕熱中的傳熱假設(shè)為一維傳熱,即認(rèn)為高真空多層絕熱中熱量只沿絕熱層厚度方向傳遞,并且這兩種傳熱計(jì)算方法都認(rèn)為高真空多層絕熱相鄰輻射層之間主要存在著三種形式的熱交換:(1)輻射換熱;(2)剩余氣體的導(dǎo)熱;(3)經(jīng)間隔物進(jìn)行的固體導(dǎo)熱.Lockheed傳熱計(jì)算方法基于絕熱層層密度及總厚度,對(duì)絕熱層傳熱量進(jìn)行計(jì)算[8];逐層傳熱計(jì)算方法通過分別計(jì)算相鄰輻射層之間每種傳熱形式傳熱量,最后得出總傳熱量[9-10].經(jīng)比較,逐層傳熱計(jì)算方法更方便得出相鄰輻射層之間每種傳熱形式傳熱量,所以最終選用逐層傳熱計(jì)算方法,計(jì)算高真空多層絕熱傳熱量,然后利用傅里葉定律,確定高真空多層絕熱綜合導(dǎo)熱系數(shù).

        1.1 高真空多層絕熱逐層傳熱計(jì)算方法

        如前所述,高真空多層絕熱逐層傳熱計(jì)算方法是基于相鄰兩輻射層建立的,且利用逐層傳熱計(jì)算方法計(jì)算高真空多層絕熱傳熱量時(shí),相鄰輻射層之間主要考慮:輻射換熱qrad、剩余氣體的導(dǎo)熱qgcond、經(jīng)間隔物進(jìn)行的固體導(dǎo)熱qscond.因此,高真空多層絕熱相鄰輻射層之間的傳熱量,也就是高真空多層絕熱的傳熱量為:

        qtot,i=qrad,i+qgcond,i+qscond,i

        (1)

        (1)輻射換熱qrad,i:

        (2)

        式中,qrad,i為相鄰輻射層之間的輻射換熱,W/m2;σ為玻爾茲曼常數(shù),5.675×10-8W/(m2·K4);Ti+1、Ti分別為相鄰兩輻射層的溫度,K;εi+1、εi分別為相鄰兩輻射層的發(fā)射率.

        (2)剩余氣體的導(dǎo)熱qgcond,i:

        (3)

        (3)經(jīng)間隔物進(jìn)行的固體導(dǎo)熱qscond,i:

        (4)

        式中,qscond,i為相鄰輻射層之間經(jīng)間隔物進(jìn)行的固體導(dǎo)熱,W/m2;C2為與間隔材料有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(對(duì)于滌綸間隔物,C2=0.008);f為間隔材料的稀松程度;Dx為兩輻射層之間間隔材料的厚度,m;k為兩輻射層之間間隔材料的熱導(dǎo)率,對(duì)于常用滌綸間隔物,

        (5)

        綜上所述,高真空多層絕熱相鄰輻射層之間的傳熱量,也就是高真空多層絕熱的傳熱量為:

        (6)

        采用數(shù)學(xué)編程軟件對(duì)高真空多層絕熱傳熱量進(jìn)行編程計(jì)算.計(jì)算時(shí),首先假定高真空多層絕熱第1層輻射層,也就是從冷端到熱端第1層輻射層的溫度為T1=TL+C1,TL為冷端溫度,即LNG儲(chǔ)罐外壁面溫度,C1為一常數(shù),與此同時(shí),將LNG儲(chǔ)罐外壁看作一層輻射層,于是根據(jù)TL和T1值以及式(6)就可以求出儲(chǔ)罐外壁面與其高真空多層絕熱第1層輻射層之間的傳熱量q1,由于之后相鄰兩輻射層之間傳熱量相等,即q1=q2=……=qn,n為輻射層層數(shù),所以根據(jù)式(6),可反算出之后每一層輻射層的溫度T2、T3、……、Tn,比較計(jì)算出的Tn與TH,TH為熱端溫度,即LNG儲(chǔ)罐所處外界環(huán)境溫度,若Tn與TH兩者差值小于等于要求值C2,則假設(shè)成立,即可得出高真空多層絕熱傳熱量,若Tn與TH兩者差值大于要求值C2,則假設(shè)不成立,需重新假設(shè)T1,直到Tn與TH兩者差值小于等于要求值C2,計(jì)算才結(jié)束.

        1.2 確定高真空多層絕熱綜合導(dǎo)熱系數(shù)

        據(jù)前可知,在冷熱端溫度已知情況下,根據(jù)逐層傳熱計(jì)算方法可以算出LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱傳熱量.然后基于傅里葉定律,就可以得到LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱綜合導(dǎo)熱系數(shù).計(jì)算時(shí),LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱輻射層選鋁箔,間隔層選尼龍網(wǎng),內(nèi)罐與外罐之間夾層真空度維持在10-3Pa,外界環(huán)境溫度分別取0℃(273 K)、10℃(283 K)、20℃(293 K)、30℃(303 K),絕熱層厚度30 mm,層密度14層/cm,最終計(jì)算結(jié)果如表1所示.

        表1 LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱傳熱量及綜合導(dǎo)熱系數(shù)

        從表1可以看出,在不同的外界環(huán)境溫度下,LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱傳熱量不同,綜合導(dǎo)熱系數(shù)也不同,且隨著外界環(huán)境溫度升高,傳熱量增大,綜合導(dǎo)熱系數(shù)也增大.這是因?yàn)楦哒婵斩鄬咏^熱傳熱量與熱端溫度和冷端溫度之差值成正比,從而導(dǎo)致在冷端溫度一定時(shí),隨著熱端溫度升高,傳熱量增大,綜合導(dǎo)熱系數(shù)也增大.

        另一方面,從表1還可以看出,即使外界環(huán)境溫度升高相同溫度,但傳熱量增加量不同,綜合導(dǎo)熱系數(shù)增加量也不同,且傳熱量的增加量是逐漸增大的,綜合導(dǎo)熱系數(shù)的增加量也是逐漸增大的.也就是說,隨著外界環(huán)境溫度升高,升高相同溫度,傳熱量增加量逐漸增大,綜合導(dǎo)熱系數(shù)增加量逐漸增大,即外界環(huán)境溫度越高,升高相同溫度,傳熱量增加的越多,綜合導(dǎo)熱系數(shù)增加的越多,具體如表2所示.這是因?yàn)?,高真空多層絕熱傳熱量主要由輻射換熱量、剩余氣體導(dǎo)熱量、經(jīng)間隔物進(jìn)行固體導(dǎo)熱量三部分組成,而輻射換熱量與冷熱端溫度平方和成正比,使得在冷端溫度一定情況下,隨著熱端溫度升高,高真空多層絕熱傳熱量增加越來越多;同理,高真空多層絕熱綜合導(dǎo)熱系數(shù)也主要由輻射換熱系數(shù)、剩余氣體導(dǎo)熱系數(shù)、經(jīng)間隔物進(jìn)行固體導(dǎo)熱系數(shù)三部分組成,輻射換熱系數(shù)也同樣與冷熱端溫度平方和成正比,最終也使得在冷端溫度一定情況下,隨著熱端溫度升高,高真空多層絕熱綜合導(dǎo)熱系數(shù)增加越來越多.

        表2 LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱傳熱量增加量及綜合導(dǎo)熱系數(shù)增加量

        2 高真空多層絕熱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

        基于以上確定出的LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱綜合導(dǎo)熱系數(shù),同時(shí)利用數(shù)值模擬軟件對(duì)LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.首先建立LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐包多層絕熱層后的三維幾何模型,已知LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐筒體內(nèi)徑800 mm,高度1 200 mm,厚度6 mm;橢圓形封頭內(nèi)徑800 mm,直邊段高度25 mm,曲面深度200 mm,總深度225 mm,厚度6 mm;筒體和封頭絕熱層厚度均為30 mm,根據(jù)以上參數(shù),選用相關(guān)三維建模軟件建立LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐包多層絕熱層后的三維幾何模型,如圖1所示.

        圖1 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐包多層絕熱層后的三維幾何模型

        接著,將建立的三維幾何模型導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算時(shí),定義外界環(huán)境溫度依次為273 K、283 K、293 K、303 K,以及相對(duì)應(yīng)的絕熱層綜合導(dǎo)熱系數(shù)依次為4.392×10-5、4.589×10-5、4.798×10-5、5.019×10-5,最終分析計(jì)算結(jié)果如圖2—圖5所示.

        圖2 外界環(huán)境溫度273 K時(shí)LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱層溫度云圖

        圖3 外界環(huán)境溫度283 K時(shí)LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱層溫度云圖

        圖4 外界環(huán)境溫度293 K時(shí)LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱層溫度云圖

        圖5 外界環(huán)境溫度303 K時(shí)LNG儲(chǔ)罐高真空多層絕熱層溫度云圖

        從圖2—圖5可以看出,對(duì)高真空多層絕熱來說,越靠近冷端,絕熱層中溫度變化越大,溫度降低越明顯;越靠近熱端,絕熱層中溫度變化越小,溫度升高越微弱,即沿絕熱層厚度方向,高真空多層絕熱中溫度變化越來越小,說明熱量在由外界環(huán)境傳到LNG儲(chǔ)罐過程中,靠近熱端絕熱層中溫度降低較慢,靠近冷端絕熱層中溫度降低較快.

        3 結(jié)論

        (1)隨著外界環(huán)境溫度升高,高真空多層絕熱傳熱量增大,綜合導(dǎo)熱系數(shù)增大.

        (2)隨著外界環(huán)境溫度升高,升高相同溫度,高真空多層絕熱傳熱量增加量增大,綜合導(dǎo)熱系數(shù)增加量增大.

        (3)沿絕熱層厚度方向,高真空多層絕熱中溫度變化越來越小.

        (4)熱量在由外界環(huán)境傳到LNG儲(chǔ)罐過程中,靠近熱端絕熱層中溫度降低較慢,靠近冷端絕熱層中溫度降低較快.

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