液氫貯罐無損儲(chǔ)存時(shí)間影響因素分析

駱明強(qiáng)，葉莉，安剛

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

1 概述

隨著我國國防科研及航天事業(yè)的大力發(fā)展，低溫液體的應(yīng)用日益廣泛。低溫液體儲(chǔ)罐多采用真空粉末或者真空多層絕熱的方式，不論其絕熱性能多好，都會(huì)或多或少地存在漏熱，使液體蒸發(fā)，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力上升，達(dá)到一定壓力上限時(shí)需要定期放空，以保證儲(chǔ)罐安全，這樣就產(chǎn)生低溫液體損失，增加了使用成本。而要提高絕熱性能減少低溫液體蒸發(fā)損耗，就會(huì)增加儲(chǔ)罐成本。因此，如何安全經(jīng)濟(jì)地貯存轉(zhuǎn)運(yùn)低溫液體，一直是人們關(guān)心的問題。

針對航天方面以及民用氫能的應(yīng)用，本文對某100m3液氫貯罐進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上分析了不放空儲(chǔ)存時(shí)間的各個(gè)影響因素，重點(diǎn)研究初始充液率、溫度場不均勻度等因素的影響，驗(yàn)證了已有的不放空儲(chǔ)存無量綱關(guān)聯(lián)式的適用性，進(jìn)而對液氫貯罐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)建議。

2 低溫液體不放空儲(chǔ)存時(shí)間預(yù)測

為了預(yù)測低溫液體的不放空儲(chǔ)存時(shí)間和過程中的升壓速度，俄羅斯學(xué)者通過系列研究初始充滿率、壓力及漏熱熱流密度對自增壓的影響，得到了一個(gè)無量綱準(zhǔn)則關(guān)系式，稱之為俄羅斯模型：

無量綱變量中各符號說明：

τ 為開始封閉以來的實(shí)際儲(chǔ)存時(shí)間；τs為開始封閉以來按熱力學(xué)平衡計(jì)算的貯存時(shí)間；p 為放空時(shí)的貯存壓力；p0為開始封閉貯存的壓力；pcr為臨界點(diǎn)壓力；F 為貯罐的表面積；q 為儲(chǔ)罐上單位面積的漏熱流密度；Q 為貯罐的總漏熱量，為低溫容器的三個(gè)主要途徑漏熱量總和；M0為初始貯存的液體量；T0為初始貯存溫度；c0為初始貯存溫度下液體的比熱容。

為分析漏熱熱流密度不均勻?qū)θ萜魃龎汉筒环趴諆?chǔ)存時(shí)間的影響，魏蔚等引入了熱流不均勻系數(shù)來修正俄羅斯模型，稱之為熱流不均勻模型：

式中其他符號的意義與俄羅斯模型公式（1）相同。通過對液氮在真空粉末絕熱和高真空多層絕熱儲(chǔ)罐的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出=0.75～1.35。

由前面對低溫液體不放空儲(chǔ)存時(shí)間預(yù)測的發(fā)展過程可以看出，迄今為止，所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均來自液氬溫區(qū)以上，主要是針對液氧、液氮進(jìn)行的。而隨著我國國防航天事業(yè)的發(fā)展，以及氫能汽車的大力發(fā)展，使得液氫得到越來越多的應(yīng)用，因此，研究液氫儲(chǔ)罐的升壓性能及不放空儲(chǔ)存性能對于將來的液氫廣泛應(yīng)用具有重要的意義。

3 液氫儲(chǔ)罐的不放空儲(chǔ)存試驗(yàn)結(jié)果分析

本文液氫儲(chǔ)罐的不放空儲(chǔ)存試驗(yàn)是針對某100m3臥式固定液氫儲(chǔ)罐進(jìn)行的，主要測定其初始液位、初始壓力和放空壓力及不放空儲(chǔ)存時(shí)間。在儲(chǔ)罐的使用之初，就通過蒸發(fā)試驗(yàn)確定了儲(chǔ)罐的總漏熱量，因此在試驗(yàn)測得初始液位、初始壓力和放空壓力后，可以通過俄羅斯模型預(yù)測出其不放空儲(chǔ)存時(shí)間。俄羅斯模型不放空儲(chǔ)存時(shí)間和實(shí)際測量不放空儲(chǔ)存時(shí)間比較分析如下。

表1 為實(shí)際不放空儲(chǔ)存時(shí)間與俄羅斯模型不放空儲(chǔ)存時(shí)間的比較。可以看出，實(shí)際測試的不放空儲(chǔ)存時(shí)間比俄羅斯模型計(jì)算出來的時(shí)間要短的多，分析主要原因如下。

（1）俄羅斯模型是由氧、氮、氬低溫儲(chǔ)罐的自增壓的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得出的，具有較廣的應(yīng)用范圍，但俄羅斯模型并未測試統(tǒng)計(jì)液氫的數(shù)據(jù)，因而對預(yù)測液氫儲(chǔ)存時(shí)間數(shù)據(jù)有很大的偏差，這主要是因?yàn)橐簹涞娘柡蜏囟认鄬τ谘醯獨(dú)鍋碚f要低的多，其相應(yīng)的物性特別是氣化潛熱相對于氧氮?dú)逡惨〉亩唷?/p>

表1 實(shí)際不放空儲(chǔ)存時(shí)間與俄羅斯模型不放空儲(chǔ)存時(shí)間的比較

（2）俄羅斯模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)是針對氧氮?dú)宓贸龅模醯獨(dú)宓膬?chǔ)罐以珠光砂粉末真空絕熱容器為主。而液氫儲(chǔ)罐為高真空多層絕熱，其絕熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于粉末真空絕熱（即漏熱量顯著減小了）。貌似同一種低溫液體使用高真空多層絕熱儲(chǔ)罐比使用粉末真空絕熱儲(chǔ)罐不放空時(shí)間要長，實(shí)際上并非如此。

這主要是因?yàn)榈蜏厝萜鞯穆嵬緩街饕腥矫妫簝?nèi)筒體絕熱材料漏熱、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)漏熱和管路漏熱。

分析說明，雖然液氫儲(chǔ)罐采用高真空多層絕熱，總體漏熱量較小，但是其內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)漏熱占很大比重，對容器內(nèi)液氫溫度場的均勻性具有重要的不利影響，從而使其不放空儲(chǔ)存時(shí)間大為縮短（相對于漏熱均勻來說）。這一定性結(jié)論與熱流不均勻模型對液氮不放空儲(chǔ)存時(shí)間的分析結(jié)論是一致的。

表2 初始充液率對不放空儲(chǔ)存時(shí)間的影響

表2 為其他條件相同時(shí)初始充液率對不放空儲(chǔ)存時(shí)間的影響。初始充液率減小，其不放空儲(chǔ)存時(shí)間增長。這主要是因?yàn)椋跏汲湟郝蕼p小，其氣相空間增大，對氣化氣體的容納量增大；另外，對于大容量低溫液體儲(chǔ)罐，其內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)漏熱多在筒體中部，初始充液率減小，其內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)高漏熱熱流密度的影響減小，因而，在不放空增加相同壓力時(shí)其不放空儲(chǔ)存時(shí)間增長。

表3 不放空升壓壓差對不放空儲(chǔ)存時(shí)間的影響

表3 為其他條件相同時(shí)不放空升壓壓差對不放空儲(chǔ)存時(shí)間的影響。貯罐不放空儲(chǔ)存升壓壓差越大，其測試試驗(yàn)值與俄羅斯模型預(yù)估值偏差越小。這主要是因?yàn)椋环趴諆?chǔ)存升壓壓差越高，其不放空儲(chǔ)存時(shí)間越長，因而儲(chǔ)存液體內(nèi)的交換熱量越多，儲(chǔ)罐內(nèi)溫度場越趨于均勻，越接近俄羅斯模型的試驗(yàn)和擬合條件，因而偏差越小。

表4 初始壓力對不放空儲(chǔ)存時(shí)間的影響

表4 為其他條件相同時(shí)初始壓力對不放空儲(chǔ)存時(shí)間的影響。不放空初始壓力增大，無量綱時(shí)間基本不變，但實(shí)際儲(chǔ)存時(shí)間縮短，這主要是因?yàn)閮?chǔ)存壓力增大后，相同液位液氫的熱容量減小。

4 液氫儲(chǔ)罐不放空儲(chǔ)存關(guān)聯(lián)式

為能夠定量預(yù)測液氫儲(chǔ)罐的不放空儲(chǔ)存時(shí)間，綜合考慮漏熱熱流密度、熱流不均勻度（內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)）、初始充液率、升壓壓差和初始壓力等的影響，采用式（2）所示的關(guān)聯(lián)式，用因來修正俄羅斯模型，稱之為液氫儲(chǔ)存模型。

在試驗(yàn)測得初始液位、初始壓力和放空壓力后，可以通過俄羅斯模型預(yù)測出其無量綱時(shí)間。另一方面，通過測定不同條件下液氫儲(chǔ)罐不放空儲(chǔ)存時(shí)間可以確定其實(shí)際無量綱時(shí)間。表5 為俄羅斯模型無量綱時(shí)間和實(shí)際測量無量綱時(shí)間比較分析，可以看出在試驗(yàn)范圍內(nèi)，值可約取為1～3。

表5 實(shí)際無量綱時(shí)間與俄羅斯模型無量綱時(shí)間的比較

綜合分析，液氫貯罐的不放空儲(chǔ)存時(shí)間長短與貯罐的總漏熱量、初始充液率、支撐結(jié)構(gòu)、貯罐工作壓力等多種因素緊密相關(guān)。

5 結(jié)語

本文對某100m3液氫貯罐進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上分析了不放空儲(chǔ)存時(shí)間的各個(gè)影響因素，重點(diǎn)研究熱流不均勻度（內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的影響）、初始充液率、升壓壓差等的影響，驗(yàn)證了已有的不放空儲(chǔ)存無量綱關(guān)聯(lián)式的適用性，進(jìn)而對液氫貯罐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)建議，指出設(shè)計(jì)液氫儲(chǔ)罐在減小總漏熱量的同時(shí)，更應(yīng)該注重促進(jìn)液氫溫度場的均勻。這些分析對液氫容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。