液體膨脹對移動式低溫液體容器日蒸發(fā)率的影響

中國船級社質(zhì)量認證公司 付饒

目前，以低溫液體貯運設備取代瓶裝氣體的運輸方式是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而大型移動式低溫液體容器所生產(chǎn)的效益則更加明顯，移動式容器的大型化發(fā)展，使得該領域的移動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)從過去的40立方米擴大到了46立方米，而國內(nèi)LNG公路汽車罐車的容器也已做到接近53立方米，而且還有進一步突破的要求。移動式低溫液體容器的一個主要性能經(jīng)濟指標是日蒸發(fā)率，本文探討液體膨脹對移動式低溫液體容器日蒸發(fā)率的影響，并提出了避免產(chǎn)生這種影響的相應措施，為T75型可移動罐柜設計審查及檢驗工作提供技術參考。

背景

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

移動式低溫液體容器的一個主要性能經(jīng)濟指標是日蒸發(fā)率，其數(shù)值越小則產(chǎn)品的使用效率越高、靜態(tài)維持時間就越長，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間無損貯運，這對參與海洋運輸?shù)墓奘郊b箱而言是非常重要的。隨著技術的不斷發(fā)展，近年來高真空多層絕熱技術在移動式深冷容器中已得到普遍應用，4000 L 低溫貯運設備的標準日蒸發(fā)率已控制在≤0.3%/day（液氧）。

結構和流程

典型的低溫絕熱容器，其貯槽部分為真空絕熱結構，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流傳熱。內(nèi)外罐之間的連接采用高強度低熱導率的專門材料，一方面保證結構的強度，另一方面保證較低的熱傳遞，同時在結構安排上使得其內(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備運行中的大溫差變化而引起的過分的溫差應力。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，在結構設計中盡量減少連通于內(nèi)容器和外殼體之間的管道數(shù)量和支撐構件數(shù)量。設計中參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的設計經(jīng)驗，通常采用一根氣相管從內(nèi)容器引出，穿越過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卸液時起自增壓作用。增壓汽化器的一端通過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。打開增壓截止閥，低溫液體即依靠其自身的重量進入增壓汽化器，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，達到快速卸液的目的。在運輸過程中，增壓截止閥處于關閉狀態(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 移動式低溫容器為例。有關的設計參數(shù)如下：設計壓力0.1MPa，設計容積4000L ，充裝系數(shù)為0.95，容器的幾何容積為4210L ，設計氣相空間為210 L ，安全閥整定壓力為0.85MPa。

在理想平衡狀態(tài)，根據(jù)參考文獻西安交通大學鄭德馨等編《低溫工質(zhì)熱物理性質(zhì)表和圖》（機械工業(yè)出版社）中的數(shù)據(jù),表1列出了4000 L 低溫液體容器裝運液氧時液體的容積隨溫度和飽和蒸汽壓力的變化關系。從表1 可發(fā)看出，壓力為1bar 時4000 L的液體氧，當壓力上升到3.002bar 時其容積膨脹至4222 L，也就是說，當系統(tǒng)溫度上升到其對應飽和壓力為0.3MPa時，液氧已充滿整個容器的幾何容積。此時氣相管口已浸于液氧之中，若打開放空閥，則在內(nèi)壓作用下液氧必然會從放空管流出，同時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入增壓汽化器。運輸過程中，部分液體不時地進入汽化器內(nèi)，汽化成氣體使貯槽內(nèi)壓力呈上升的趨勢，從而使液體放空量增加，表現(xiàn)出實際蒸發(fā)率變大。在公路爬坡或在船舶傾斜狀態(tài)，當坡角或傾角超過某一角度值時，由于氣相管設置于貯槽的后上部，也可能使液面達到氣相管口，發(fā)生上述類似的情況。

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

表1

應對措施

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

方案一：對于低溫液體槽車在爬坡較為頻繁的路面上行駛的情況，當壓力較低時，可關閉放空閥行駛，這樣即使液面達到氣相管口，由于氣封作用，液體也不會進入增壓汽化器；當壓力較高時，可以在平直路面上進行放空，壓力下降后液面隨之下降，不會出現(xiàn)液體流出現(xiàn)象，或在運輸過程中開啟放空閥，保持常壓運輸。

方案二：在增壓汽化器的回氣管上設置一止回閥。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備的安全運行。

從優(yōu)化結構設計的角度，對移動式低溫絕熱容器，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。