低温液化气体储罐温度和热应力瞬态特性研究

摘要

随着我国经济的发展，能源结构的改革以及低温技术的普及，低温液化气体，特别是液氢（LH2）等能源气体，在我国的现代化进程中开始扮演越来越重要的角色。低温液化气体储罐（简称“低温储罐”）作为低温液化气体的主要储运设备，在能源、化工、石油、医疗、航天航空等领域应用广泛。低温液化气体的充注过程作为低温储罐工业使用中的重要环节，其充注方式直接关系到充注过程的经济性以及低温储罐的安全性两方面问题。不规范的充注操作会导致低温储罐在低温液化气体的充注过程中产生过大的降温速率和过高的温度梯度，从而在储罐内产生极大的热应力，并有可能对储罐结构造成损伤或者破坏。 然而目前关于立式低温储罐的充注过程研究很少，且研究的重点集中在通过理论方法或者数值模拟计算方法对储罐内温度、压力分布进行研究，而未进一步研究充注过程对储罐罐壁的温度和热应力变化规律的影响。考虑到立式低温储罐体积较大，现场实验研究存在着诸多困难，所以本文采用热固耦合数值模拟方法来研究低温液化气体的充注质量流量、储罐体积、长径比等不同参数对低温储罐温度和热应力的瞬态特性的影响，具体工作如下： （1）建立了能够模拟立式低温储罐充注过程的CFD数值模型，并通过文献中的实验数据验证CFD模型的合理性。结果表明：T3（下封头直边段附近温度监测点）、T9（筒体中心位置温度监测点）、T15（上封头处温度监测点）三个监测点处的罐壁温度平均相对误差为8.63%，最大相对误差为14.14%，满足工程精度要求。在CFD模型的基础上，通过ANSYS建立了单向热固耦合数值模型。 （2）通过CFD模型研究LH2充注过程中低温储罐的温降特性，发现50m3低温储罐（储罐直径为3200mm，工作压力为0.7MPa，充注质量流量为8kg·s-1）内部空间平均温度会在充注开始8s内从常温295K快速降至低温40K。通过沿储罐轴向布置的多个温度监测点，可以发现：储罐罐壁的温降速率沿轴向从下往上逐渐降低。 （3）根据所建立的50m3LH2低温储罐（储罐直径为3200mm，工作压力为0.7MPa）CFD和ANSYS数值模型，研究充注质量流量对储罐罐壁的温降特性和热应力的影响，发现充注质量流量越大，同一位置处的储罐罐壁温降速率越快，低温储罐所受的最大瞬态热应力也越大，热应力随时间的降低速率也越快。在自由约束条件下，当充注质量流量为10kg·s-1时，储罐会在充注刚开始阶段出现热应力峰值，达到243.45MPa。 （4）首次研究探讨了储罐体积、长径比对储罐温降特性和热应力分布的影响，发现虽然充注参数有所不同，但是储罐沿轴向具有相似的温降特性，并且储罐罐壁相同位置处的温降速率以及罐壁的最大瞬态热应力都与储罐体积、长径比成正比。因此对于大体积或者大长径比的低温储罐，建议降低充注质量流量。

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