LNG气瓶传热性能的实验研究及分析

LNG气瓶传热性能的实验研究及分析

潘文芹

烟台市特种设备检验研究院山东烟台265500

摘要：LNG气瓶根据特种设备安全法以及其他有关规定，必须定期对其进行检验。其是一种储存可燃性与危险性高的化学品的压力容器，LNG气瓶的绝热性与安全性要有高效可靠的使用保证，对其进行各部位的漏热量、无损储存的压力、绝热结构的研究有非常实用的的价值与意义。

关键词：LNG气瓶；传热性能；实验研究；分析

引言：LNG是液化天然气（LiquefiedNaturalGas）的缩写，是一种高效的清洁能源。燃烧后二氧化碳的排放比石油少百分之二十五，现在国家对环境保护的力度增强，液化天然气作为重要能源在各行各业以及人们的生活中变得更普及。液化天然气最大的优点是体积，只是同量气态天然气的六百二十五分之一，方便了天然气在储存于运输方面的缺陷，尤其在冬季用气高峰期的时候，可以将先前储存好备用的液化天然气用于调峰以及部分地区的储存供气。在运输方面无论是装在储运的卡车还是通过大型船只的运输都很方便。其易燃易爆的特殊性对其储运的特种容器，就要有较高的要求。一旦发生泄漏或爆炸，有可能发生火灾，会对我国的经济发展以及人民的生命财产带来损失，还会对社会的安全方面造成不利影响。加强对液化天然气容器的实验检验有着重要的意义。

1LNG气瓶实验研究的意义

近十几年来的我国空气质量污染严重，2013年我国空气污染值达到了顶峰。空气质量问题已经成为了环境保护的重要问题，人们对于空气污染带来的危害也日益关心。雾霾天气对人的呼吸系统会产生不良影响这是肯定的，长期接触，并在肺内积聚，必然会对肺造成损害，降低呼吸系统的防御功能。其中，包括长期刺激至慢性炎症改变、肺泡上皮化生导致癌变等。在这一大环境下，加速推广和发展天然气汽车为代表的新能源汽车势在必行。

当前已经投入应用的天然气汽车按照天然气使用形态的不同可分为压缩天然气（CNG）汽车与液化天然气（LNG）汽车。液化天然气汽车比压缩天然气汽车具有甲烷含量高燃烧更清洁、车用瓶布置更简单也安全、车辆续航里程长燃料加注时间短、加气站运营成本低的等优势，已经成为天然气汽车的主要形式。而随车安装的LNG气瓶已广泛应用于小轿车、客车、卡车等。

由于液化天然气储存时的温度极低，非常容易气化，环境中微小的热量通过低温绝热气瓶的绝热结构及各个部件进入气瓶时，气瓶中充装的低温液体受热不断气化。在气瓶密闭储存或运输过程中，低温液体的气化膨胀将导致气瓶内压力升高，所以为了安全起见，要对气相空间的气体进行定期排放。这就造成了资源的浪费，既不利于低温液体的无损储存，又缩短了低温液体储运周期，因此具有良好的绝热性能才能提高LNG气瓶的安全性与经济效益。

2LNG气瓶绝热性能的研究分析

LNG是一种低温液化气体，一般采用无损储存方式储存，这就要求储存罐具有优良的绝热性能。目前绝大多数的低温液体运输车、低温储罐、低温容器等都采用高真空多层绝热。

2.1高真空多层绝热影响因素

通过多层绝热的热流、简格物之间及与屏间的固体传导以及多层中残余气体的热传导。影响多层绝热性能的主要因素有采用的材料、真空度、层密度、总层数、多层绝热物承受的机械负荷、边界温度等。由于因素众多，在研究这类不连续介质中的复杂换热，可以运用热传导的普遍方程式来表示通过绝热层所传递的热量。

图中可以看出，绝热材料靠近内筒体部分存在较大温度梯度，由里到外温度梯度逐渐变小，靠近外表面部分温度梯度较小。且层数较小时对应的相应层位置的温度较高，这主要是冷热边界的温度没变，层数减少，每一层的温度梯度变大了。

2.2.1气瓶传热的特性

LNG的储存过程中，环境热量的漏入将对气瓶内压力的变化产生直接的影响，因此气瓶内压力的变化首先要研究气瓶的传热。气瓶的漏热主要由筒体的传热、颈管的传热、支撑与管道的传热三部分组成。

筒体（多层绝热体）的传热

热量通过绝热体是以辐射、气体导热和固体导热等几种方式进行传递的，而在热量的传递过程中这些因素之间又会产生相互影响。因此通过一个综合了各因素的当量热导率来解决这个问题。单位时间内通过筒体的漏热量可以用下式计算：

式中：λe为综合了各种因素的高真空多层绝热体的当量热导率，W/（m·K）；A1为计算传热面积；H为绝热层总厚度；T2为容器的外表面温度即环境温度；T1为容器的内表面温度即所储存液体的温度。

颈管的传热

因为颈管内、外的气流不稳定，且管壁材料的热导率和气体的比热容都是温度的函数，因为要准确计算通过低温容器颈管的漏热量非常难。通过颈管导入液体的热流主要有以下三个途径：

㈠两端温差引起的管壁的热传导，通过管子外面的绝热层与周围介质的换热以及管子内表面与逸出蒸汽之间的换热；

㈡逸出蒸汽的轴向热传导以及自由对流换热；

㈢颈管孔口的室温辐射。

对于颈管直径不是很大的低温绝热气瓶，在分析时通常只考虑第一种因素，而忽略后面两种因素。

支撑与管道传热

对于支撑与管道的传热可以分为两种情况：一种是有冷气冷却的构件；另一种是没有冷气冷却的构件。

2.2.2计算分析结论

通过对200LLNG气瓶在稳态导热情况下的整体温度场分布以及在不同充满率下的漏热量进行了计算，得出以下结论：

㈠LNG气瓶内容器和颈壁的温度都是上部高，下部低，横向温差可以忽略；绝热材料是外部高，内部低。在气瓶内容器上，颈管上的温差占主导地位。

㈡在不同充满率下，实验得出的漏热量随着充满率的上升而逐渐增大。

结束语

LNG作为一种清洁、高效、方便、安全的能源，以其热值高、污染少、储运方便等特点受到现代社会人们的青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，天然气在能源供应中的比例迅速增加。液化天然气正以每年约12%的高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。LNG气瓶的安全性能与质量是LNG储运中的重中之重。

参考文献：

[1]聂宇宏,刘晓超,夏莉,闫兴武.LNG气瓶传热性能的数值模拟[J].江苏科技大学学报（自然科学版）,2014

[2]魏蔚,汪荣顺.高真空多层绝热被的性能及其量热器的试验研究[J].低温与超导,2007

[3]李阳,王彩莉,汪荣顺,魏蔚.低温绝热气瓶的有限元热分析与试验研究[J].低温工程,2008

[4]李阳.低温绝热气瓶结构优化与进一步提高绝热性能的研究[D].上海交通大学,2012