低溫液體無(wú)損儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展

于曉朋

摘要：經(jīng)濟(jì)與科技的進(jìn)步發(fā)展使得低溫技術(shù)和低溫液體在眾多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。而鑒于低溫液體的自身特點(diǎn)，如何最大限度的對(duì)其進(jìn)行利用，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)過(guò)程中的低損耗乃至零損耗一直都是低溫液體應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要研究命題。本文通過(guò)相關(guān)概念的基本介紹入手，著重說(shuō)明了低溫液體無(wú)損存儲(chǔ)技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)，并簡(jiǎn)單介紹了當(dāng)前無(wú)損儲(chǔ)存的主要研究進(jìn)展，幫助讀者對(duì)相關(guān)問(wèn)題建立基本的概念體系。

關(guān)鍵詞：低溫液體 液態(tài)氧氮?dú)?無(wú)損儲(chǔ)存 發(fā)展

【分類(lèi)號(hào)】：TF76

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，低溫液體也在焊接、制造乃至航天航空、醫(yī)療工程等很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，在應(yīng)用過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，由于低溫液體的飽和溫度一般來(lái)說(shuō)都比常見(jiàn)的液體要低很多的特點(diǎn)，因此對(duì)于溫度的變化非常的敏感，不論使用何種絕熱的環(huán)境，總會(huì)或多或少的產(chǎn)生一些蒸發(fā)，進(jìn)而給存儲(chǔ)空間帶來(lái)壓力，而損耗大多出現(xiàn)在為了減緩壓力狀況而進(jìn)行放空的過(guò)程。因此，隨著應(yīng)用的深入，如何有效地減少其存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中的損耗率也逐漸的成為了一個(gè)重要的問(wèn)題。文本即針對(duì)于低溫液體無(wú)損存儲(chǔ)這一問(wèn)題入手，簡(jiǎn)單的介紹一下當(dāng)前主要使用到的存儲(chǔ)技術(shù)以及其相關(guān)的發(fā)展情況。

一 低溫液體無(wú)損存儲(chǔ)概念綜述

1 低溫技術(shù)及低溫液體

隨著科技的進(jìn)步，很多領(lǐng)域都有了新的突破，大量的研究和實(shí)踐證明相同的物質(zhì)在不同的溫度下會(huì)表現(xiàn)出不同的特性變化，而新的特性又可以幫助我們?cè)谀承╊I(lǐng)域有更加深入的應(yīng)用和突破，因此低溫技術(shù)及其相衍生的低溫液體，成為了一個(gè)目前被廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域。

（1）低溫技術(shù)

所謂低溫技術(shù)就是當(dāng)控制溫度進(jìn)行變化時(shí)，物質(zhì)特性隨著溫度的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而產(chǎn)生新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方向的技術(shù)手段。例如，在溫度變化時(shí)，氣態(tài)物質(zhì)可能發(fā)生液化或固化，絕緣物體可能產(chǎn)生強(qiáng)導(dǎo)電性等都可以看做低溫技術(shù)對(duì)于物質(zhì)特性轉(zhuǎn)化的一個(gè)應(yīng)用。

（2）低溫液體

而本文要探討的所謂低溫液體，主要是針對(duì)于氧氮?dú)逡后w。對(duì)于低溫液體，主要有幾個(gè)相同的特性：

a.一般來(lái)說(shuō)，低溫液體多為某些氣體的液體形式，其沸點(diǎn)一般在–238°F（即–150°C）以下。

b.低溫液體以惰性特質(zhì)為多，但是對(duì)于環(huán)境中溫差的變化極其敏感，易于吸熱蒸發(fā)。

c.低溫液體的溫度較低，多數(shù)會(huì)在與皮膚接觸時(shí)造成凍傷，需要特殊的低溫液體儲(chǔ)罐或儲(chǔ)槽進(jìn)行專(zhuān)門(mén)儲(chǔ)存。

2 無(wú)損存儲(chǔ)技術(shù)綜述

本文中所指的無(wú)損存儲(chǔ)技術(shù)，主要是針對(duì)于低溫液體的儲(chǔ)存技術(shù)而言。

（1）損耗的原因

一般來(lái)說(shuō)，低溫液體產(chǎn)生損耗主要由于其對(duì)于溫度的變化極為敏感，很容易在存儲(chǔ)過(guò)程中出現(xiàn)蒸發(fā)，而隨著蒸發(fā)量的增加，存儲(chǔ)容器中的壓強(qiáng)就會(huì)不斷的增大，在達(dá)到一定的臨界值之后，就必須打開(kāi)存儲(chǔ)容器排出存儲(chǔ)容器內(nèi)的氣體，確保壓強(qiáng)維持在一個(gè)安全的范圍之內(nèi)，這種做法稱(chēng)為放空。而在放空過(guò)程中，蒸發(fā)的低溫液體也隨之逸出，進(jìn)而造成了損耗的發(fā)生。

（2）無(wú)損技術(shù)的基本原理

實(shí)際的無(wú)損技術(shù)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的技術(shù)，需要綜合對(duì)于實(shí)際存儲(chǔ)條件下的環(huán)境、壓強(qiáng)、低溫液體特性、飽和壓力、導(dǎo)熱系數(shù)、逸度等多個(gè)相關(guān)條件進(jìn)行綜合的考慮、建模及計(jì)算。

但是從基本原理來(lái)說(shuō)，所謂的無(wú)損技術(shù)又非常簡(jiǎn)單，可以理解為通過(guò)特定的技術(shù)手段，從兩方面考慮防止低溫液體的損耗：一是做好存儲(chǔ)容器的絕熱，減少低溫液體的蒸發(fā)率；二是通過(guò)技術(shù)手段對(duì)于已蒸發(fā)的低溫液體進(jìn)行回收或者轉(zhuǎn)換，進(jìn)而減少乃至杜絕總體低溫液體的損耗。

二 低溫液體無(wú)損存儲(chǔ)技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

1 無(wú)損存儲(chǔ)的主要技術(shù)要點(diǎn)

前文對(duì)于無(wú)損技術(shù)的基本原理的介紹中已經(jīng)提及，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)低溫液體的無(wú)損存儲(chǔ)主要依靠?jī)蓚€(gè)方面，專(zhuān)業(yè)上我們分別將其稱(chēng)為被動(dòng)技術(shù)和主動(dòng)技術(shù)。

（1）被動(dòng)技術(shù)

所謂被動(dòng)技術(shù)，就是指將主要的關(guān)注點(diǎn)集中于存儲(chǔ)容器的絕熱技術(shù)的改善上，通過(guò)不斷的改進(jìn)存儲(chǔ)罐或存儲(chǔ)槽的絕熱方法及措施，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大幅降低低溫液體蒸發(fā)率的目的，在一些應(yīng)用中，甚至可以達(dá)到短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)率為零最佳狀態(tài)。

被動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用手段主要集中于絕熱材料的改進(jìn)、絕熱方式的改進(jìn)、低溫儲(chǔ)槽空間的排列甚至輻射器的使用等，但是，依據(jù)目前的存儲(chǔ)條件和可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段來(lái)看，長(zhǎng)時(shí)間的控制低溫液體蒸發(fā)率很難做到，因此必須要結(jié)合主動(dòng)技術(shù)來(lái)共同實(shí)現(xiàn)無(wú)損存儲(chǔ)這一目標(biāo)。

（2）主動(dòng)技術(shù)

所謂主動(dòng)技術(shù)，前文也已經(jīng)大概的提及，主要的原則就是通過(guò)技術(shù)手段對(duì)于汽化的低溫液體進(jìn)行液化回收，從而降低乃至杜絕液體的損耗率，目前主要的方法還是在于低溫制冷設(shè)備的新應(yīng)用和性能提升。

一般來(lái)說(shuō)，目前對(duì)于主動(dòng)技術(shù)手段的研究和發(fā)展主要集中于以下兩個(gè)方面：

a.改進(jìn)低溫儲(chǔ)槽儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)

該種方法的應(yīng)用主要基于兩點(diǎn)，一是建立在環(huán)狀或圓狀低溫儲(chǔ)槽的基礎(chǔ)之上；二是建立于低溫制冷機(jī)的應(yīng)用。在這個(gè)應(yīng)用中主要涉及到了兩級(jí)冷熱交換的過(guò)程，如下圖所示，中心端是所使用的制冷系統(tǒng)，而環(huán)狀儲(chǔ)槽被一個(gè)熱力夾套所纏繞，形成第二級(jí)冷熱交換系統(tǒng)；進(jìn)而使用真空構(gòu)建絕熱層，而在絕熱層的外圍，再次使用熱力夾套進(jìn)行纏繞，以形成第一級(jí)冷熱交換系統(tǒng)。

在實(shí)際工作中，外部熱量先受到第一級(jí)冷熱交換系統(tǒng)的影響，大幅度的降低熱輻射；進(jìn)而穿過(guò)真空絕熱層后，再次受到第二級(jí)冷熱交換系統(tǒng)的影響，進(jìn)一步的受到冷卻。而我們?cè)趯?shí)際使用中，可以根據(jù)實(shí)際存儲(chǔ)的低溫液體的類(lèi)型，通過(guò)計(jì)算調(diào)整冷卻劑和冷卻機(jī)的實(shí)際情況和輸出，確保儲(chǔ)槽內(nèi)溫度維持在低溫液體的合適溫區(qū)，從而達(dá)到長(zhǎng)期儲(chǔ)存的效果。

值得一提的是，該種方法在液氫的儲(chǔ)存中使用較多，但是結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜。

b.低溫制冷機(jī)的應(yīng)用endprint

此外，還可以通過(guò)使用低溫制冷機(jī)直接針對(duì)于所存儲(chǔ)的低溫液體進(jìn)行冷卻控制。一般而言，可以分為以下兩種情況

a）低溫制冷機(jī)直接冷卻低溫液體

該項(xiàng)方法的基本原理主要是將低溫制冷機(jī)和循環(huán)泵管道結(jié)合起來(lái)使用，通過(guò)循環(huán)泵管道將存儲(chǔ)容器內(nèi)的低溫液體引出，經(jīng)過(guò)低溫冷卻機(jī)的作用之后，達(dá)到控制低溫液體溫度的目的，進(jìn)而再經(jīng)由循環(huán)泵管道將低溫液體送入存儲(chǔ)容器中。

b）低溫制冷機(jī)冷凝低溫液體蒸發(fā)后產(chǎn)生的氣體

低溫冷卻機(jī)的另一種有效的冷卻方法是將冷卻過(guò)程作用于存儲(chǔ)容器中已產(chǎn)生的氣體上，通過(guò)將其冷凝之后，再送回到存儲(chǔ)容器中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低溫液體無(wú)損耗的目的。

2 無(wú)損儲(chǔ)存的主要研究進(jìn)展

目前為止，針對(duì)于無(wú)損儲(chǔ)存技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了許多專(zhuān)業(yè)的探索，也基于大量的試驗(yàn)提出了很多相關(guān)的理論和改進(jìn)，而這些研究進(jìn)程又進(jìn)一步的幫助提升和改進(jìn)低溫液體的無(wú)損儲(chǔ)存。

下表收錄了主要的無(wú)損儲(chǔ)存的研究進(jìn)程。

工質(zhì) 存儲(chǔ)容器尺寸 主要理論

LH2 2.23m3 液體表面液體易于受到界面溫度影響

2m3 邊界層的吸熱主要來(lái)源于儲(chǔ)罐的吸熱

0.9m3 加壓系統(tǒng)氣相區(qū)溫度有層次變化，而液相區(qū)溫度一致

41L 液體熱傳遞方法與熱流方式有關(guān)

低熱流：導(dǎo)熱

高熱流：對(duì)流

73.5m3 液體溫度分布于儲(chǔ)罐尺寸關(guān)聯(lián)不大，通過(guò)加熱小儲(chǔ)罐底部可以模擬出大儲(chǔ)罐的溫度分布狀況

2.1m3 儲(chǔ)罐底部熱量可以顯著減少熱分層

LN2/LO2 直徑1.8m圓柱體 熱流密度與熱分層成正比關(guān)系

直徑1.8m圓柱體 熱分層在球形和圓柱形儲(chǔ)罐中的分布規(guī)律類(lèi)似

低溫液體 - 探討低溫液體不穩(wěn)定狀況與液體過(guò)熱之間的關(guān)聯(lián)

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LNG 底部加熱量與側(cè)邊加熱量對(duì)于翻滾模式與強(qiáng)度的影響

結(jié)束語(yǔ)

低溫液體的應(yīng)用領(lǐng)域有及其廣闊的前景，而相關(guān)的無(wú)損儲(chǔ)存研究目前還正處于一個(gè)相對(duì)初步的階段，未來(lái)還需要更進(jìn)一步的技術(shù)更新來(lái)保障低溫液體的無(wú)損儲(chǔ)存，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低溫液體在更多、更廣泛的領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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