一種新型低溫液體儲罐的研制

余巧生，張葆現，樊水平，馬靜，邱平

1.武警北京市總隊第二醫(yī)院，北京100037；2.河北思科德低溫設備有限公司，河北 霸州 065700

一種新型低溫液體儲罐的研制

余巧生1，張葆現1，樊水平1，馬靜1，邱平2

1.武警北京市總隊第二醫(yī)院，北京100037；2.河北思科德低溫設備有限公司，河北 霸州 065700

針對現有儲存液態(tài)氮氣、氬氣、氧氣和二氧化碳的壓力容器在向外輸氣時氣壓不穩(wěn)定的問題，本文研制了一種新型低溫液體儲罐，該裝置主要由低溫液體容器、管線、外汽化器、外增壓器和管閥等組成，具有能從周圍的空氣中提取熱量為液體加壓和汽化提供能量的功能，解決了壓力容器在向外輸氣時氣壓不穩(wěn)定的缺陷。實際應用結果表明，該低溫液體儲罐安裝、使用簡便，安全性、耐用性好，外輸氣壓穩(wěn)定。

低溫液體儲罐；外汽化器；外增壓器；輻射防護層；玻璃纖維保溫層

0 前言

現有用于儲存液態(tài)氮氣、氬氣、氧氣和二氧化碳的壓力容器，在向外輸氣時由于不能及時補充液體汽化所需的熱量，往往容易產生外輸氣壓不穩(wěn)定的問題。例如，在醫(yī)院普遍使用的液氧儲罐，在灌裝液氧時外輸壓力波動比較大，易造成中心供氧系統壓力不穩(wěn)定，引發(fā)呼吸機、麻醉機等主要用氣設備報警，在帶來不便的同時也容易造成安全隱患[1-2]。在醫(yī)用氧氣源供應中，液氧是一種主要的供氧方式，因此液氧罐的選用、使用、監(jiān)管和維護等都是不可忽視的重要環(huán)節(jié)，特別是設備運行的安全性、穩(wěn)定性尤為重要。為克服現有技術上的缺陷，筆者研制了一種能夠穩(wěn)定向外輸氣的新型FV1系列微型低溫液體儲罐，可以從周圍的空氣中提取熱量為液體加壓和汽化提供能量，報道如下。

1 設計思路

FV1系列低溫液體儲罐的正位模擬視圖、正位實物視圖及管線結構示意圖，見圖1～3。

圖1 低溫液體儲罐正位模擬視圖

圖2 低溫液體儲罐正位實物視圖

圖3 低溫液體儲罐管線流程結構示意圖

1.1 總體設計

低溫液體儲罐主體結構主要由低溫液體容器、管線、外汽化器和外增壓器組成。低溫液體容器是一個懸在夾套內的內壓力容器，在內壓力容器與外殼之間的夾套空間填充有隔熱材料。在外殼內壁與內壓力容器外壁分別裝有鋁箔輻射防護層，隔熱材料是指在兩個鋁箔輻射防護層之間的夾套空間填充的超細玻璃纖維保溫層。

1.2 結構設計

內壓力容器的底部增壓入口通過管閥聯通增壓器單元的底部入口，增壓器單元的上部出口通過管閥聯通內壓力容器的頂部增壓出口，外汽化器的入口通過管閥聯通從內壓力容器頂部伸入到底部的汽化管，即汽化管與外汽化器的入口通過管和汽化器入口閥與汽化器入口三通聯通，增壓器單元的上部出口通過管和增壓器出口三通及增壓器出口閥聯通內壓力容器的頂部增壓出口，汽化器入口三通聯通與增壓器出口三通通過管和節(jié)氣調節(jié)閥聯通。

內壓力容器的底部增壓入口通過增壓入口閥和管聯通增壓入口三通，增壓入口三通一出口通過管和增壓調節(jié)閥聯通增壓器單元的底部入口，增壓入口三通另一出口聯通減壓閥。

節(jié)氣調節(jié)閥前后的管上分別通過前后三通聯通前后減壓閥。后三通與汽化器入口三通之間通過提取液體三通聯通帶液體出口連接件的提取液體閥，汽化器出口通過汽化器出口閥連接汽化器出口連接件。

外殼頂部配裝有真空夾套爆破片。內壓力容器頂部分流安全口通過管聯通三通閥，三通閥的兩端出口分別通過安全三通聯通兩個內容器爆破片和安全閥。

內壓力容器頂部配裝伸入其內上部的溢流排空管，溢流排空管上端通過管聯通溢流排空閥及連接件。內壓力容器頂部配裝伸到底部的底部充裝管，底部充裝管上端通過管聯通底部充裝閥，內壓力容器頂部通過伸達內壓力容器內上部的頂部充裝管配裝充裝過量自動切斷執(zhí)行器，頂部充裝管上端通過管聯通頂部充裝閥，底部充裝閥通過管和充裝三通與頂部充裝閥相連，充裝三通的外口通過充裝排凈三通聯通充裝排凈閥和泵或頂部充裝連接件。溢流排空管下端高度大于或等于充裝過量時自動切斷執(zhí)行器上端高度。

內壓力容器的底部液相口通過管和液相截止閥聯通液位指示針和連接壓力表的壓力表三通，氣相截止閥聯通內壓力容器的頂部氣相口，其儀表包括壓力表和差壓液位計。壓力表可檢測容器壓力，差壓液位計可為容器內部提供精確的測量數據。FV1系列微型低溫液體儲罐可以通過控制系統使汽化的低溫液體自動保持壓力。

液相截止閥聯通液相四通，液相四通外側口聯通液相儀表接口，液相四通內側口通過管和液位指示針及連接壓力表的壓力表三通聯通氣相四通的內側口，液相四通的上口與氣相四通上口通過配裝平衡閥的管相連，氣相四通的外側口聯通氣相儀表接口，氣相四通的下口聯通氣相截止閥。

2 各回路功能及使用方法

2.1 溢流、排空回路

如圖4所示，溢流與排空閥連接到容器上部的立管，把管在容器內的開口端定位在相當于容器體積95％的液位。在灌注的過程中，打開排空閥門可降低容器內的壓力。排空閥還可以作為“溢流閥”，當液面超過95％時，從容器內排放液體。

圖4 用實線標示的溢流、排空回路示意圖（箭頭1所指為溢流與排空閥）。

2.2 充裝回路

如圖5所示，充裝回路可以通過適合于罐車壓差的方式進行充裝，或者通過罐車低溫泵進行充裝。充裝止回閥的作用是防止介質從容器中逸出。

圖5 用實線標示的充裝回路示意圖（箭頭1所指為頂部充裝閥，箭頭2所指為充裝止回閥）。

2.3 增壓回路

如圖6所示，增壓回路用于在液體充裝后為容器加壓，也可用于維持容器內的壓力來保證產品的正常抽取。調節(jié)增壓閥到設定壓力，打開增壓回路的出口閥門和增壓回路的入口閥門使回路接通。當容器內的壓力下降到低于增壓裝置設置的壓力時，增壓回路的壓力調節(jié)閥自動打開；當容器內的壓力超過增壓裝置設置的壓力時，壓力調節(jié)閥自動關閉。增壓回路的工作原理是：當閥門打開時，從液體所在的容器底部到氣體所在的頂部空間開通了一條路徑，由于流體從容器底部流向頂部，因此該通路還包含了外置增壓器以汽化液體，使液體膨脹為蒸汽再回到容器內部，從而提升容器內的壓力。

圖6 用實線標示的增壓回路示意圖

2.4 汽化器入口與節(jié)能器回路

用實線標示的低溫液體儲罐的汽化器入口與節(jié)能器回路示意圖，見圖7。

圖7 用實線標示的汽化器入口與節(jié)能器回路示意圖

2.4.1 汽化器入口

汽化器入口為汽化器提供加壓的低溫液體，打開汽化器入口閥門，通過容器內的壓力推動液體流入汽化器。汽化器的工作原理是：利用周圍環(huán)境空氣里的熱能，把液體轉化為氣體并使其升溫。

2.4.2 節(jié)能器回路

節(jié)能器回路的功能是降低因容器內液體正常蒸發(fā)而造成的產品損失。增壓器出口閥門必須打開增壓功能，當容器內壓力超過節(jié)能器設定值（節(jié)能器設定值一般大于增壓調節(jié)閥設定值0.1 Mpa）時，節(jié)氣調節(jié)閥自動打開，從而使氣體從容器頂部流入汽化器回路。

節(jié)能器回路是被隔離的，以便在維護時關閉增壓器出口閥門和節(jié)能器隔離閥門。當回路內有冷氣或液體時若閥門關閉，兩個減壓閥則可以防止回路過壓。

方法的選擇應遵循所選教材的特點和學習認知活動過程中的任務要求，考慮教師駕馭各種教學方法的能力及教學方法對學生學習認知活動開展的輔助效能等。

2.5 安全回路

如圖8所示，低溫液體儲罐的優(yōu)勢在于突出了安全閥以防止容器過壓。當壓力超過容器的最大工作壓力時，兩個安全閥門會自動降低壓力；當壓力低于該設定值時則閥門復位。另外安全裝置設計分為兩組，每組包括一個一級安全閥和一個爆破片。爆破片需要有備用件，以便在安全閥門發(fā)生故障時，允許壓力達到爆破壓力的額定值。雙向安全切換閥的功能在于當一組防護裝置工作時，隔離另一組防護裝置，并且在沒有排放罐壓力的需求時允許設備維護，以提高工作效率及便捷性。

圖8 用實線標示的安全回路示意圖

2.6 儀表回路

如圖9所示，儀表由壓力表和差壓液位指示計構成。容器內的液體在底部產生的壓力比在頂部高，而液位指示計可檢測容器頂部與底部的壓力差值。將液位指示計的讀數與貼在容器前面的液位換算表相比較，可以準確監(jiān)測容器內的液體量。在沒有清空容器與降低容器壓力時，隔離閥門允許回路維護。在關閉隔離閥門之前需打開平衡閥。

圖9 用實線標示的儀表回路示意圖

2.7 壓力傳送充裝原理及步驟

如圖10～11所示，通過降低低溫液體儲罐內的壓力，并使其低于液體來源容器內的壓力可完成壓力傳送充裝。液體源容器一般為車載式容器，通過排放閥門排放氣體減低低溫液體儲罐內的壓力，由壓力推動液體從車載式容器流入低溫液體儲罐內。對于配備有一個安全閥與傾泄閥的低溫傳送軟管，應該將其用于把低溫液體儲罐連接到液體源頭。

圖10 低溫液體儲罐管線結構正位視圖

圖11 低溫液體儲罐管線結構俯視圖

通過壓力傳送進行充裝的步驟如下：目測檢查液體儲罐、傳送軟管和大容量罐管線，此時若有任何的零部件損壞或遺失，則不允許進行充裝；從液體源容器連接傳送軟管到液體源頭，打開充裝閥門與溢流、排空閥門開始進行充裝。需要說明的是：通過底部充裝閥門進行充裝時，在蒸汽空間內的氣體被壓縮，可以提升罐的壓力；反之，通過頂部充裝閥門進行充裝時，氣體因被冷卻或被液化可導致空間氣體缺量，從而能夠降低罐的壓力。當液體從溢流閥內流出時，表明容器已滿，一個約5％的氣體頂空間將保存在液位上面，此時關閉充裝閥。當液體停止從溢流閥門流出時，關閉溢流閥門。隨后即關閉液體源供應并打開充裝清洗閥，斷開傳送軟管。

當使用泵驅動充裝容器時，必須運用泵與頂部連接件，打開充裝閥門并在充裝期間密切檢測容器壓力。當容器的壓力達到減壓閥的設定值或者泵的壓力額定值時，關閉泵，打開排放閥門以便于按要求降低壓力。當通過低溫供貨車在自動模式進行充裝時，須在一定水平上提供足夠的氣體頂空間。當使用傳統的泵系統進行充裝時，在充裝期間須使溢流閥保持在打開狀態(tài)。當液體從排放閥門流出時，立即停止泵并關閉兩個充裝閥門。當液體停止從溢流閥內流出時，關閉溢流閥。在把充裝軟管與充裝連接頭中斷前，打開充裝排凈閥門把液體從軟管中排放出來。在該操作結束后，關閉充裝排凈閥門，然后把軟管與連接件斷開。

2.9 氣體抽取

抽取氣體時，打開增壓回路的出口閥門和增壓回路的入口閥門使回路接通，監(jiān)控壓力計，當壓力超過預定的輸出壓力時，打開汽化器出口截止閥和汽化器入口截止閥，抽取氣體產品。

2.10 液體抽取

抽取液體時，通過接收容器把傳送軟管連接到儲罐的液體管線接頭，并打開相鄰的兩個液體閥門。只要容器內壓力大于接受容器的壓力，即可驅動液體通過閥門流出。

2.11 更換氣體

低溫液體儲罐還可用于氬氣、氮氣或二氧化碳等產品。當需要更換氣體時，要按如下步驟進行操作：首先安全地從容器內清空所有液體，打開增壓入口和出口處的兩個增壓閥以及排放閥，將殘存在容器底部的所有液體全部蒸發(fā)掉。為確保排凈，可使用合適的真空泵對液體儲罐抽取真空，最終的真空讀數應該至少為20 mmHg。氣體更換完畢，應粘貼新的氣體服務識別標貼。

3 設計標準和材料選擇

低溫液體儲罐主體結構由低溫液體容器、管線、外汽化器和外增壓器等構成。液體容器由一個懸在夾套內的壓力容器構成，把壓力容器與夾套之間的空間抽成真空并用超細玻璃纖維和鋁箔輻射防護層絕緣。內壓力容器與真空夾套由S30408型不銹鋼制成，滿足TSG R0004-2009、GB 150.1～150.4-2011和GB/T 18442-2011的設計及制造要求，管道線路允許容器排放、充裝、加壓，并提供加壓的氣體。管線采用304型和316L型不銹鋼制成，閥門采用銅制，配件由加工的鍛造黃銅與316型不銹鋼制成。

4 應用效果

低溫液體儲罐可儲存低溫液體并能夠對氣體進行升溫加壓后分配輸出。實際使用結果表明，該裝置具有操作簡單、安裝方便，安全性、耐用性、經濟性、穩(wěn)定性好等特點，且在一段時間內，其超強的絕熱性能可使液體損耗極少或零損耗，控制系統可使低溫液體自動保持壓力，保證了液體儲罐在充液時的壓力穩(wěn)定和用氣正常。

5 結語

壓力容器廣泛用于工農業(yè)、科研、國防、醫(yī)療衛(wèi)生和文教體育等領域[3-4]，要定期對設備進行維修保養(yǎng)，以降低事故發(fā)生率[5]。筆者研制的新型FV1系列低溫液體儲罐，具有能從周圍的空氣中提取熱量為液體加壓和汽化提供能量，進而穩(wěn)定外輸氣體壓力的優(yōu)點，其壓力表、液位計、調壓閥、安全閥等靈敏可靠[6-8]，符合國家在壓力容器安全管理方面的要求，且結構精巧、占地面積小、材料耐腐蝕及溫度變化，具有一定的應用前景。

[1]余巧生,胡梅芬,李世錄．醫(yī)用集中供氧技術的對比分析[J]．醫(yī)療裝備,2009,22（10）：43-44．

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[5]阮彬．醫(yī)用高壓氧艙的維護與保養(yǎng)[J]．醫(yī)療裝備,2014,（6）：91-92．

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Design and Development of a New Type Cryogenic Liquid Storing Tank

YU Qiao-sheng1, ZHANG Bao-xian1, FAN Shui-ping1, MA Jing1, QIU Ping2
1.The 2ndHospital of Beijing General Hospital of CPAPF, Beijing 100037, China；2.Hebei SQD Cryogenic Equipment Co., Ltd, Bazhou Hebei 065700, China

In order to solve the current problems of unstable pressure during outward gas transm ission from the pressure vessel containing liquid nitrogen, argon, oxygen and carbon dioxide to outside, a new type of cryogenic liquid storing tank was designed and developed in this paper. The tank main consisted of cryogenic liquid containers, pipelines, outside carburetor and external booster and valve connection. The novel cryogenic liquid storing tank could extract heat from the surrounding air and provide energy for pressurizing and vaporizing the liquid so as to make outward gas transm ission stable. The practical results showed that the cryogenic liquid storing tank could be installed and used easily w ith good safety, durability and stable external gas pressure.

cryogenic liquid storing tanks；external carburetor；external turbocharger；radiation protection layer；glass fiber insulation layer

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.10.011

1674-1633（2015）10-0041-05

2015-06-24

2015-07-28

專利：實用新型（ZL201420240092．6）。

張葆現，主任醫(yī)師。

作者郵箱：627672707@qq．com