高压液氧储罐的高效预冷方法研究

摘要

随着低温技术的发展，低温液体的应用日趋广泛。与常规流体相比，低温液体沸点低，汽化潜热小，制取成本高。为了能输送和存储单相低温液体，保证输送管道和低温储罐的安全，预冷过程不可或缺。目前，工程上对预冷过程的控制主要依赖于操作人员，处于经验与半经验状态，缺乏明确的理论指导。为了提高预冷过程经济性，对预冷时间与预冷介质消耗量控制提出了更高的要求。对预冷过程进行进一步研究有助于此类问题的解决。
　　高压液氧储罐筒体较厚，使用过程中对安全性能要求高，预冷方案的制定尤为重要。现有的预冷研究主要针对常压薄壁小管径管路及超大型LNG货舱，对厚壁高压低温储罐的预冷研究鲜有报道。为了能安全、经济、快速地对高压液氧储罐进行预冷，本文主要开展了以下工作：
　　1）从热力学基本理论出发，进行预冷时间及预冷介质消耗量预测。采用稳态与变热导率的热力学分析方法，建立储罐预冷时间与预冷介质消耗量数学模型，推导了储罐温度随时间的变化关系，探讨进口流量与预冷时间、介质消耗量之间的相互影响。并将不同的计算方法相结合，指导选取最佳预冷流量；
　　2）采用CFD模拟方法，模拟储罐在预冷过程中的降温过程。通过相变模型修正与时间步长验证，获得底部进液过程中不同进口流量下储罐的温度、压力、气液分布变化，获得罐内气体及罐壁的冷却规律；
　　3）为了缩短预冷时间及减小预冷过程中罐壁因温差产生的热应力，对储罐结构进行了优化。在罐内增设纵向喷孔，可有效改善罐壁因温差带来的应力集中现象；基于材料低温特性的壁厚设计计算方法，充分利用材料的低温物性，可明显缩短预冷时间。上述研究结果为高压液氧储罐的优化设计提供参考依据。

目录

声明

主要符号表

第1章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 低温预冷的物理机制

1.3 低温预冷的研究现状

1.4 存在的主要科学和技术问题

1.5 本文主要工作

第2章 高压液氧储罐预冷过程传热分析

2.1 基于稳态法的预冷时间与耗液量计算分析

2.2 基于变热导率法的预冷时间预测

2.3 储罐温度随预冷时间变化数学模型

2.4 计算结果分析

2.5本章小结

第3章高压液氧储罐预冷过程数值模拟分析

3.1数值模拟方法

3.2 模型建立与边界条件

3.3 模型验证

3.4 不同预冷流量数值模拟结果分析

3.5本章小结

第4章高压液氧储罐预冷及结构优化

4.1 储罐内部开设喷孔

4.2基于低温性能的储罐壁厚设计计算

4.3新型储罐结构

4.4本章小结

第5章总结与展望

5.1 全文小结

5.2 本文主要创新点

5.3展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢