低溫杜瓦日蒸發率分析論文

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摘要：以充滿率為90％的175L低溫杜瓦為例，研究了日蒸發率隨壓力的變化規律。實驗記錄了5種不同飽和壓力下的氣體流量、環境溫度、環境壓力等。結果表明，杜瓦的日蒸發率隨著壓力的升高而增大，同時日蒸發率的波動也越大，且環境溫度對日蒸發率的影響出現延遲。

關鍵詞：低溫杜瓦儲存壓力日蒸發率環境溫度

0前言

杜瓦的日蒸發率是評價杜瓦絕熱性能最重要的技術參數，能夠較為直觀地反映杜瓦的保冷性能。國家標準[1]對盛裝液氮的高真空多層絕熱杜瓦靜態日蒸發率的上限值（工作壓力1.0－1.6Mpa）要求見表1：

表1高真空多層絕熱杜瓦靜態日蒸發率上限值公稱容積（L）102550100150175200300450

靜態日蒸發率（≤％/d）5.54.23.02.82.52.12.01.91.9

對于低溫杜瓦日蒸發率的研究，前人做了部分相關工作。文獻[2]測量了自然排放和憋壓排放兩種狀態下的蒸發率。憋壓狀態下壓力升高蒸發速度會降低。但未得出自然排放下的數據和結論。文獻[3]指出在實際應用過程中，杜瓦日蒸發率是會變化的。文獻[4]根據漏熱方程計算了不同充滿率下的儲存壓力和漏熱量之間的關系，指出容器的熱容量和熱耗隨著設計壓力的升高而增大，甚至會超過運輸設備的標準要求。文獻[5]分析了車載LNG燃料儲罐加注過程中熱量的漏入過程，提出可將蒸汽重新液化以降低儲罐壓力，防止天然氣的蒸發以降低運輸成本。

自然排放狀態時杜瓦儲存壓力下的日蒸發率值、其具體影響及變化規律還鮮有介紹。研究杜瓦內溫度和壓力的變化，并通過實驗確定工作壓力下杜瓦的日蒸發率對于杜瓦的設計和運行都有重要意義。本文探討了杜瓦壓力對日蒸發率的影響，并通過實驗研究定量揭示出日蒸發率隨壓力的變化規律。

1壓力對日蒸發率的影響

通常所說的低溫容器的蒸發率，是指在標準狀態下（，0℃），容器內盛有的適量低溫液體在達到熱平衡以后的蒸發速率。一般以計算，故又稱日蒸發率，亦即內蒸發的液體數量與容器的公稱容積的比值。

（1）

式中，為日蒸發率，單位％；為內蒸發的液體量；為杜瓦的有效容積。

引起杜瓦內液體蒸發的原因是由于從外界吸收了熱量。根據熱量平衡關系可得：

＝（2）

方程左側為通過杜瓦的絕熱材料和機械構件導入液體的總熱流，右側為總熱流所引起的杜瓦內液體的蒸發。式中，為有效導熱系數，為表面積，為環境溫度與杜瓦內飽和溫度的差值，為絕熱層厚度。為液體的蒸發量；為低溫液體的汽化潛熱。

壓力對日蒸發率的影響主要體現在溫差和汽化潛熱上。在穩定狀態下，杜瓦內飽和壓力與飽和溫度相對應。飽和壓力高，飽和溫度也越高，與環境的溫差縮小，傳熱量減小。但同時飽和壓力下的汽化潛熱也降低，而日蒸發率為傳熱量與汽化潛熱的比值。因此需要通過實驗對日蒸發率做出定性和定量分析，為實際的工程應用提供依據。

2實驗裝置及實驗流程

2.1實驗裝置簡介

本實驗用質量流量計測量了杜瓦在五種不同壓力下的質量流量，進而計算日蒸發率值。實驗所用杜瓦為國內某廠家生產的175L低溫高真空多層絕熱杜瓦，如圖1所示。

1－放空閥2－增壓閥，用氣閥（重疊）3－液體進出口閥4－頸管

5－吸附劑6－內容器7－外殼8－底部支座9－底部支承

圖1杜瓦實物及內部結構圖

杜瓦支承結構和內膽、外殼均采用奧氏體不銹鋼，采用高真空多層絕熱方式，絕熱材料使用鋁箔和玻璃纖維。杜瓦上部設有液體進出口閥、用氣閥、增壓閥和放空閥，內部設有自增壓器和汽化器。幾何容積175L，有效容積157L；內膽內徑450mm；外殼內徑500mm。實驗裝置簡圖如圖2所示。

1－低溫絕熱杜瓦2－調壓閥（常壓下不使用）3－氣體質量流量計

圖2杜瓦日蒸發率測量裝置

大氣壓力表和溫度計未顯示于圖2中；調壓閥和流量計間的軟管長度為5米，起到汽化和降壓的作用。另外，需要說明的是，實驗中用于計量流量的儀表是由美國AlicatScientific公司生產的型號為M-5SLPM-D的質量流量計，精度為±0.05SLPM（標準升/分鐘），且可以自動記錄數據，因此完全能滿足測量要求。

2.2測量程序

（1）測試介質選用液氮，充滿率為90%。打開杜瓦放空閥，關閉杜瓦上其他閥門，靜置48h；

（2）杜瓦內壓力穩定為常壓時，將軟管連接至放空閥，并連接質量流量計。注意連接的密封性；

（3）觀察液氮氣體流量穩定后，開始記錄數據；

（4）質量流量計連續記錄48h；

（5）常壓測量結束之后，關閉放空閥，將軟管與放空閥斷開，并將調壓閥連接至放空閥；

（6）放空閥關閉狀態時，打開杜瓦增壓閥。當杜瓦表壓顯示為0.3Mpa附近時，關閉增壓閥；

（7）調節調壓閥，將調壓閥開啟壓力調節至0.23Mpa，并靜置24h；

（8）穩定后將軟管連接至調壓閥，并連接質量流量計，開始記錄數據。

（9）記錄48h之后，關閉放空閥，重新增壓，再重復（6）到（8）步驟記錄杜瓦壓力為0.54MPa、1.08MPa、1.47Mpa下的質量流量。

3實驗結果及分析

3.1測試數據處理

根據標準，如采用質量流量計以及液氮作為測量介質，則日蒸發率的計算公式為[6]：

（3）

式中，為氣體質量流量；為流量計的校正系數；為1.013kPa下飽和液氮的密度；為杜瓦的有效容積；為1.013kPa下液氮的飽和溫度；為環境溫度；為杜瓦內液氮飽和溫度。

根據（2）式，＝，可以發現，對于相同的杜瓦，漏熱量與傳熱溫差成正比。在測得常壓下的日蒸發率后，根據漏熱量與溫差的正比關系，可算得其他高壓下日蒸發率的理論值[7]。

（4）

其中，下標0代表常壓，1代表其他高壓。

3.2實驗結果及分析

實驗中的五種壓力分別是：常壓、0.23MPa、0.54MPa、1.08Mpa和1.47Mpa，為使實驗結果更加準確，每個壓力都連續記錄48h。測得的蒸發率值如下圖：

圖3常壓下的蒸發率隨時間的變化

圖4高壓下蒸發率隨時間的變化

圖3為常壓下的蒸發率隨時間變化曲線，液氮的平均日蒸發率為1.90％。根據表1，175L儲罐的蒸發率上限值為2.1%。因此該杜瓦的絕熱指標已達國家標準。圖4為高壓下的蒸發率隨時間變化曲線，圖中出現間斷部分，是因為隨著液體的蒸發及氣體的排放，杜瓦內壓力會有所降低，以至達不到調壓閥的開啟壓力，氣體質量流量降低至零。之后杜瓦內液體吸收環境的熱量蒸發，使得壓力又有所回升，到達調壓閥開啟壓力后，氣體又重新開始排放。實驗測得的四種高壓下的平均日蒸發率見下表，結合公式（4）計算理論值，并得出相對誤差：

表2平均日蒸發率實驗平均值、理論值以及相對誤差壓力（Mpa）日蒸發率實驗值（％/d）日蒸發率理論值（％/d）相對誤差（％）

0.232.261.9615.17

0.542.282.079.88

1.082.332.282.28

1.472.522.472.31

根據表2可以看出，在靜態穩定的自然排放條件下，日蒸發率隨著杜瓦內壓力的增大而升高。這與文獻[5]中憋壓條件下的情況完全相反。簡單看來，由于壓力的升高，對應的飽和溫度升高，杜瓦內液體與環境的溫差減小，傳熱量降低。但同時汽化潛熱隨著飽和溫度的升高而降低。這導致出現與憋壓條件完全相反的結論。

圖4中，高壓下的蒸發率的波動隨著壓力的升高而增大。0.23Mpa下的日蒸發率較平穩，而1.47Mpa時日蒸發率明顯出現上下峰值。這是由于隨著壓力的升高，杜瓦內氣體和液體的流動狀態更加劇烈和復雜，平衡和穩定所需要的時間也越長。

此外，由表2中結果可以看出，計算的理論蒸發率值比實際測量值要小,這主要是由于各項傳熱的復雜性以及傳熱計算中忽略了杜瓦其他構件的輻射及管道和閥門結霜等的影響[8]。但由此產生的誤差值都在允許的誤差范圍內。

由曲線的變化趨勢我們還能得出一個重要結論：外界環境的變化對日蒸發率的影響隨著時間有所延遲。環境溫度在凌晨三點左右達到最低，理論上講此時蒸發率應最小，而圖4中的蒸發率在早晨七點達到最低值；同樣地，下午兩點時環境溫度最高，而圖4中在晚上十點時蒸發率達到最高值。這是由于實驗所用杜瓦的絕熱性能非常良好，環境溫度的變化需要一段時間之后才能對杜瓦的蒸發率產生明顯的影響。

5結論

本文對175L低溫絕熱杜瓦在五種不同壓力下的日蒸發率值進行了理論計算和實驗研究，得出以下結論：杜瓦在常壓下的日蒸發率值完全達到標準，絕熱性能良好；杜瓦內壓力越高，日蒸發率相對就越大，同時蒸發率的波動也越大；日蒸發率的計算值比實際測量值小；環境溫度對日蒸發率的影響隨著時間有所延遲。

參考文獻

[1]GB18842－2001，低溫絕熱壓力容器

[2]聶中山，李青，車載液氫杜瓦蒸發率理論與實驗研究，低溫工程，No.4200455－58

[3]汪榮順，高魯嘉，低溫容器無損貯存規律，低溫工程，No.41999132－135

[4]ZhaociLi,LieXu,HengSun,Investigationonperformanceofnon-lossstorageforcryogenicliquefiedgas,Cryogenics44(2004)357-362

[5]Q.-S.Chen,J.Wegrzyn,V.Prasad,Analysisoftemperatureandpressurechangesinliquefiednaturalgas(LNG)cryogenictanks,Cryogenics44(2004),701-709

[6]GB18843.5－2001，低溫絕熱壓力容器靜態蒸發率測量

[7]符錫理，真空多層絕熱液氫容器夾層真空度變化對蒸發率影響的計算，低溫與特氣，No.2，1994，14-16

[8]真空低溫技術與設備，徐成海等，冶金工業出版社，1998