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东北大学项士学位论文 摘要 1 3 m 3 液氩储罐的热工性能研究 摘要 所有低温的产生、低温的应用与研究，都离不开低温液体的贮藏与运输。许多重要 的科研项目酃需要在低温环境下进行。由于低温液体的沸点低、汽化潜热小，获得和保 存低温液化气体需要付出较大的代价，因此对低温液体的有效贮存与运输的研究具有科 学意义和重要的经济价值。本文对1 3 m 3 液氲储罐的热工性缝进行了定性分析和定量研 究。 本文针对1 3 m 3 液氩储罐。分析了液氩自然增压过程和排放过程各热力参数的变化 规律，探讨了初装率对各热力参数的影响，提出了计算最佳充装率的方法。在此基础上， 通过定性分析和公式推导得出了1 3 矗液氩储罐无损贮藏过程中所涉及到的各热力学参 数的变化规律适用计算方法，并定量得出1 3 m 3 液氩储罐无损贮藏过程中的各参数变化 结果，同时绘制了液氩罐各热力参数的变化曲线。如液氩无损贮存自然增压过程的压容 图、容时图、排放周期图等曲线。这些曲线从不同侧面反映了液氩罐中液氩在自然增压 和排放过程中的热力学参数的变化规律。应用这些曲线，可以预测和分析液氩罐的整体 性能及无损贮存时问等相关信息。 本文通过对液氩罐自然增压过程的分析发现： ( 1 ) 不同初始充装率对应的排放周期不同。当初始压力一定时，存在个最佳初 装率，其值可由式( 3 1 8 ) 计算得到，其对应的无损贮存时间最长，针对本台设备，8 7 2 9 k 初装状态下最佳初装率为7 7 1 。当初装率大于此值时，随着初装率的增大无损贮存时 间变得越来越短；当初装率小于此值时，随着初装率酶减小无损贮存时间变缛越来越短； 对于本文研究的设备，由于其工作压力较低，在工作范围内，无损贮存时间随初装率的 增大而越来越长造成不同充装率时无损贮存住能发生变化的不仅是热容量的大小，还与 低温液体体积膨胀等因素有关。 ( 2 ) 不同初始充装率对应的排放方式不同。对于本台设备，初始内压为o 1 m p a 时， 当初装率大于7 7 1 肘，排放属于第一类排放( 胀罐排放) ：当初装率小于7 7 ，1 时，排 放属于第二类排放( 超压排放) 。 - i i 东北大擘硕士学位论文 摘要 三、通过对液氩排放过程的分析发现： ( 1 ) 排放作业以损失罐内存氩为代价，来换取剩余氩平衡温度和压力的降低。 ( 2 ) 计算中必须考虑罐体的蓄热。实际作业过程中，仅有一部分罐体蓄热即时参与降 温，所占全部蓄热的比例受具体排放工况控制。但在排放作业结束后，罐体剩余蓄热的 放出会导致罐内存氩的温度压力反弹现象。 本文进行的研究具有通用性，通过对其局部进行修改可以计算液氦、液氢、液氮等 低温液体贮罐的性能曲线，用来预测整体性能及无损贮存时间，并根据自己的实际需要 及时调整储罐的充满率和贮存时间，在保证安全的同时又保证有最佳的经济性。 关键词：低温容器；液氩；自然增压；排放；初装率 i i i 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h et h e r m o d v r n a m i cp e r f o r m a n c e so fs t o r a g ef o rs t o r i n g 13s t e r el i q u i d - a r g o n a b s t r a c t ti se s s e n t i a t os t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o no fc r y o g e n i cl i q u i dw h e nc r y o g e n i c si s p r o d u c e d , a p p l i e da n ds t u d i e d m a n yi m p o r t a n tb a c k g r o u n d r e s e a r c h e sn e e dc r y o g e n i c s b e c a u s eo f t h e i rl o wb o i l i n gp o i n t sa n ds m a l lv a p o r i z i n gl a t e n th e a t , t h es t u d yf o rs t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o no fc r y o g e n i cl i q u i d si si m p o r t a n t t h ep a p e rd i s c u s s e st h et h e r m o d y n a m i c p e r f o r m a n c eo fs t o r a g ef o rs t o r i n g1 3c u b em e t e r sl a fi nq u a n t i t ya n dq u a l i t y t h er e s e a r c h r e s u l t so f t h ep a p e ra r ef o l l o w e d t h ep a p e ra n a l y z e dt h er u l eo fv a r i a t i o no fd i f f e r e n tt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so fl 缸 i nt h ep r o c e s si nw h i c hp r e s si sn a t u r ei n c r e a s i n ga n di nt h ep r o c e s so f d i s c h a r g i n g , d i s c u s s e d t h ei n f l u e n c e so fo r i g i n a lf u l l n e s s - r a t et od i f f e r e n tt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sa n dc a f n eo u t t h ew a yo fc a l c u l a t i n go p t i m u mf u l l n e s s - r a t e d e p e n do l la b o v er e s e a r c h ，t h ep a p e rp o r t r a i t c u r v e so f v a r i a t i o no f d i f f e r e n tt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so f l 吣s u c ha s ，p r e s s u r e c a p a c i t y c u r v 铭，c a p a c i t y - d a y sc u r v e sa n dd i s c h a r g i n gp e r i o dc l | 1 v e si nt h ep r o c e s so f l o s e l e s ss t o r ei n w h i c hp r e s si sn a t u r a li n c r e a s i n g t h o s ec u r v e sr e f l e c tt h el a wo fv a r i a t i o no fd i f f e r e n t t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so fl a ri nt h ep r o c e s si nw h i c hp r e s si sn a t u r a li n c r e a s i n ga n di n t h ep r o c e s so f d i s c h a r g i n g t h o s ec u n f c sc a nf o r e c a s ta n da n a l y z ec o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o no f l i q u i d - a r g o ns t o r a g eu s i n 晷a tt h es a l n et i m e ，w ee a r lc o n c l u d et h a tt h et a c t i ct i m e o fd i s c h a r g e m o r ea n dq u a n t i t yo fd i s c h a r g el e s s , m a yo f t e nk e e pm o r es u r p l u sa r g o ni nt h es t o r a g ef o r u s i n gi nt h ef u t u r e t h er e s e a r c hr e s u l t sc a l lb eu s e di no t h e rc r y o g e n i cl i q u i d s ，s u c h 鹳l h el 1 2a n dl n 2 咖w ec a r lf o r e c a s tt o t a lp e r f o r m a n c ea n dt h et i m eo fl o s e - l e s ss t o r e u s e rm a y 甜j l l s t f u l l n e s s - r a t eo fs t o r a g ea n ds t o r e dt i m eb ya c t u a le x p e c t a t i o n t h u su s e rc a l la s s u l eb o t h s e c u r i t ya n de c o n o m y k e yw o r d s ：c r y o g e n i cl i q u i d s ；l a rp r e s s u r en a t u r a li n c r e a s i n g ；d i s c h a r g i n g ； o r i 画n a lf u l l n e s s - r a t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 日期： 1 ，参叶 产j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名： 日期： 口 另外，如维者和导师不周意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： - i - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 i 低温容器的使用现状 随着国民经济的快速发展，低温技术的普及和应用，低温液体的应用日趋广泛，如 液氢、液氧、液氮、液氩、液氦、液化天然气等，低温液体的产生、低温液体的应用与 研究，都需要低温液体的贮存与输送。许多重要的科研项目都需要在低温环境下迸行。 各行各业对贮存和输送低温液体的低温容器的需求不断增长，尤其在工业、农业、国防 科研和医疗方面更为明显i l 】。 由于低温液体的沸点低、汽化潜热小，获得低温液化气体需要付出较大的代价，因 此低温液体的有效贮存与运输具有重要的经济价值2 1 。在低温技术的应用中，往往存在 下面所述情况： ( 1 ) 集中生产，然后分配到各用户，例如液氧、液氮、液氩、液化天然气、液化 石油气及液氦的集中生产与分配； ( 2 ) 短期生产的产品供较长时间使用，例如许多试验单位和医疗单位自备液氧机 生产液氧的情况； ( 3 ) 较长时间的生产，供短期大量集中使用，例如大型低温试验或进行火箭发射 时，均是采用这种方法提供液氦、液氢、液氧、液氮的。 为了适应以上的情况，必须进行低温液体的有效贮运，就是对于使用气体的部门， 如果采用液体运输，也是比较经济的。例如一台3 6 5 0 l 的液氧槽所贮存的液氧。其总重 量不超过1 2 5 0 k g ，若气体贮运，需5 0 0 只钢瓶，重量3 s s 0 0 k g 。又如一只1 7 5 l 的带汽 化器的液氧贮槽，装在一辆小车上，携带方便，可代替2 0 只氧气钢瓶供焊接使用。总 之，几乎所有使用低温的场合，都离不开低温液体的贮运，自然也离不开贮存低温液体 的设备。因此，低温液体的贮运是低温工程中一项最基本的工作，也是低温技术中近3 0 年来发展最快的一项技术。 伴随低温液体贮运的发展，低温容器的绝热技术日趋完善。要保持低温液体的贮运 以及低温制冷的温度等，都必须对低温环境采取绝热措施，只有在绝热条件下才能够保 持低温。通过绝燕，可以减少气化损失，或为长时间及远距离运送低温液体创造条件。 低温绝热方法可以分为普通绝热和真空绝热两大类： 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 ( 1 ) 普通绝热是一种使用较早的传统的绝热方法，它是在设备、容器、管道的外 侧敷设固体多孔性绝热材料，在绝热材料的空隙中充满着大气压力下的空气或其他气 体r ( 2 ) 真空绝热有三种基本类型：高真空绝热，真空粉末绝热及真空多层绝热。 自1 8 9 0 年杜瓦发明了杜瓦容器以来，低温容器的绝热性能有了很大的提高，从那 以后所有的改进都是在杜瓦原先的概念上进行的，通常都是采用高反射率的表面或一个 可以反射和遮挡辐射能量的中间屏来减少辐射传热的。真空粉末绝热是1 9 1 0 年以后出 现的，而多层绝热的发展是最近三十年来的事情。现在低温绝热技术的发展已达到相当 完善的程度，例如多层绝热的发展使液氦的输送发生了根本性变化，已可以实现三十天 无损耗的陆上和海上运输。绝热结构的绝热性能可用其有效导热系数( 或称表观导热系 数，包括对流及辐射在内) 来评定，它的数值越小，则绝热性能越好，图1 1 示出各种 绝热方式有效导热系数的变化范卧”。可以看出，真空多层绝热的效果最好。目前各种 低温绝热技术已很成熟地应用于大、中、小型低温液体贮槽上。 1 0 - 51 0 。1 0 。31 0 吨1 0 叫 图1 1 各种绝热方式有效导热系数的变化范围 f i g 1 1v a r i a t i o nr a n g e so f e f f e c t i v eh e a tc o n d u c t i o nc o e f f i c i e n t s f o rd i f f e r e n tt h e r m a li n s e l a t i o nm e t h o d s 随着低温液体的贮运迅猛发展，对低温容器的使用技术要求也越来越高。短短的几 年时间，国内发展了许多生产厂家，但产品的使用情况尚不尽人意。国外同类产品说明 书都配有储槽性能资料，例如关于贮存时间的升压曲线和升温充满率和贮存时间，在保 证安全的同时又保证最佳的经济性。而我国的生产企业和产品都未能做到这一点 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 课题来源及项目简介 1 2 1 课题来源 本文研究的课题“1 3 m 3 液氩储罐”是辽化机械厂特钢车间改选配套项目，原生产用氩 气是由辽化动力厂空分车间通过管道提供，由于该空分设备不是连续生产，氩气提供时 断时续，无法满足生产每日用氩，故此需要能够长期贮存，并且快速使用的液氩储罐。 该设备需进行静强度校核、抗冲击性能计算及校核和热应力、热工性能计算及校核。对 该设备提出如下具体要求： 1 、保证足够的静强度和抗冲击强度。需要对整体和各部件分别进行计算和校核以 保证正常使用。 2 、保证严格的绝热性能。要求日蒸发率为o 4 。 3 、能够长期储存，随时准备快速使用。 本文主要研究后两个问题。 1 2 2 储罐的结构 储罐为双层结构，由内、外两个罐体组成。内、外罐体之间为真空状态，夹层内充 填珠光砂，组成高真空粉末绝热结构，如图1 2 液氩储罐结构示意图。 液氩储罐具备物质充装管路，具备规定容量的储存空间，利用外部管路可以实现液 氩的顺利充装；具备向外提供液氩的通道，利用外部管路可以实现输出液氩；具备紧急 排放通道，允许和能实现将罐内液氩通过外部功能通道管路紧急排出罐外；具备上、下 液位测量通道，利用该通道可以实现液氩的液位、压力、体积、重量的测量：具备标定 充满率的溢流装置，通过外部功能管道可以实现在罐外观察液氩达到充满率的时刻；具 备真空度测量传感器和仪表。具备内罐压力安全爆破装置，一旦内罐压力达到，装置将 自动爆破，将气相空间与超压排放通道连通。详见表1 1 液氩储罐管路接1 2 1 表 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 。 莳 糙竺) 、u 叫卞。 行 h 津适 仑 1 4 天。 4 ) 工作状态监测 为了及时了解液氩储罐的工作状态，需要对其状态进行监测。监测的参数为压力、 液位、液量、温度，前三个参数均可从仪表上读出，而温度是推算的，记录数值表应与 理论表对照，以便及时发现异常。理论图表包括：初始充装率、压力增长- 温度曲线 和数值表；排放后的压力液量温度曲线和数值表。 初始充装率- 首次排放压力- 日 蒸发率- 首次排放时间对照表等。 5 ) 排放压力 液氩在储罐内存放一段时间后，由于外界环境向罐内的漏热，使罐内液氩的温度升 高，罐内压力也随之上升。当压力上升到一定值时，为保证罐体的安全，需要对液氩进 行排放，此时罐内的压力称为排放压力。氩的工作压力是1 5 4 m p a ，但并不是1 5 4 m p a 时才进行排放，这和初始充装率、罐内液量、温度等有关。 6 ) 排放周期 从液氩储罐首次或再次注入液氩，或者经过一次排放降温降压之后开始，直至下一 次需要排放，或需要自增压使用之前，这一阶段内，罐内存氩所经历的过程称为无损贮 藏自然增压过程，即俗称的“憨压”过程。相邻二次排放中间的时阋间隔，称为排放周期。 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 7 ) 自增压和自然增压 排放，输出气氩等均需使用自增压。自增压是利用汽化器将罐内液体汽化引回罐内 上部气相空筒，使罐内压力升高的操作。在罐处于水平位置时，自增压只在液面高于 l o o m m 时有效。自然增压是由于罐体存在漏热使罐内压力不断升高造成的。 1 2 4 研究现状 现有文献表明f 2 ，观1 0 1 ，在目前的低温研究领域中，美国、德国、日本、法国、英国、 意大利等一些发达国家的世界著名低温设备公司在低温容器的设计和研究处于世界领 先水平。俄罗斯、印度等国也具有较高的研究水平。同国外相比，我国在低温设备制造 领域不够景气，投资太少，设备太差，与国际上的差距正在迸一步拉大。国内主要的研 究单位有上海交通大学、浙江大学、西安交通大学、中科院低温中心等高等院校和科研 院所。 2 0 世纪9 0 年代以来，国内主要开展了以下方面的研究： 1 低温容器绝热性能及影响因素的研究1 0 , 1 1 a 2 1 3 , 1 4 , 1 5 ； 2 低温容器固体界面间接触热阻的研究n6 1 7 , 1 8 , 1 印2 2 l ； 3 特殊低温储罐内支承结构传热分析研究【2 0 】： 4 低温容器无损贮存规律及其影响因素的研究1 2 1 , 2 3 , 2 4 , 2 5 2 6 , 2 7 1 ； 5 低温容器热冲击应力的研究嘲； 以上研究中虽已有无损贮存规律研究，但其计算精度不高，与实际情况相比有较大 误差。而其他方面的研究多侧重基础理论研究或实验研究，直接应用尚有一定困难。 1 3 研究的内容与意义 1 3 1 研究的内容 在本课题的研究中，需要解决以下几个方面的问题； 1 对液氩自然增压过程熟力状态参数进行分析，探讨蒸发率、充装率等对无损贮存 时间的影响。 2 液氩排放过程各热力参数的分析。 - 舡 东北大学项士学位论文 第一章 绪论 1 3 2 研究的意义 本文的研究工作对1 3 m 3 液氩储罐无损贮藏过程中的热力学参数进行定性分析和定 量研究。可以提高辽化机械厂特钢分厂液氩贮藏和使用中的效率，及时准确的预测液氩 罐内剩余液氩量、罐内压力及温度等重要指标，提高生产稳定性。同时，本文所进行的 研究具有通用性，通过对其局部进行修改可以计算液氮、液氢、液氮等低温液体储罐的 性能曲线，用来预测整体性能及无损贮存时间，使用户可以根据自己的实际需要及时调 整储罐的充满率和贮存时间，在保证安全的同时又保证有最佳的经济性，真正达到无损 储存的目的。 查苎查兰堡主堂竺垒查墨三主叁竺垫查兰兰堕兰丛塑盐墨 第二章氩的热力学性质与参数的计算 因为在以后的氩的热力学性能研究中，要大量用到氩的热力学参数，如饱和蒸汽压、 密度、比热、比焓等。这些参数的准确性。直接会影响到以后的热力学计算的结果因 此，本章进行必要的氩的热力学性质参数准备。 2 1 氩的基本物理参数 氩的基本物理参数见表2 1 表2 i 氩的主要物理参数表 t a b l e2 1m a i np h y s i c a lp a r a m e t e r so f a r g o n 参数类型分谴墨藿鉴瑟兹篙r 常压下沸点璀 k = c p c v 数值 4 0 参数类型p c 衅a 1 7 9 2 0 8 1 临界状态参数 謦m ，懑湖 z c km ，釉o l “ 8 7 2 9 l ，6 6 7 比热容 c p c v r d ( k g - k ) i o ( k g k 、 数值 4 8 6 1 5 11 2 00 2 9 1 0 5 2 0 0 31 2 2 2 氩的基于温度的主要物理参数 论文中所使用的氩( 汽氩、液氩) 的热力参数，包括不同温度下的氩的饱和蒸汽压 p v ( m p a ) 、汽氩密度p g ( g g m 3 ) 、液氩密度p l ( k g m 3 ) 、饱和氩的定压比热c p ( k j k g k ) 、汽化潜热丫( k j k g ) 等。液氩在储存过程中温度会发生变化，随着温度的变化， 液氩的热力学参数亦随之改变。因此，在进行热力分析计算之前，要确定基于温度变化 的氩的热力学参数值。 查文献p 哪，可得氩的基于温度的饱和蒸汽压、氨的密度、氩的汽化潜热等主要热力 学参数值，见表2 2 、表2 3 、表2 4 。 1 0 表2 2 氩的汽化潜热 t a b l e2 2l a t e n th e a to f v a p o r i z a t i o no f a r g o n 温度k 9 09 51 0 01 0 5 1 1 01 1 5 汽化热c a l m o l 汽化热k c a l k g 汽化热k j ，l 【g 温度k 汽化热c a l m o l 汽化热k c a l k g 1 5 2 4 3 8 1 1 4 8 2 3 7 0 5 】4 3 7 3 5 9 2 5 1 3 9 0 3 4 7 5 1 3 3 7 3 3 4 2 5 1 2 7 8 3 1 9 5 1 5 9 5 1 71 5 5 1 2 1 1 5 0 4 1 11 4 5 4 9 11 3 9 9 4 4 1 3 3 7 6 8 1 2 0 1 2 1 2 3 0 3 1 2 5 1 1 3 7 2 8 4 2 5 1 3 0 1 0 5 0 2 6 2 5 1 3 5 9 4 0 2 3 5 1 4 0 7 9 5 1 9 8 7 5 1 4 5 6 3 5 1 5 s 7 5 汽化热k j k g 1 2 6 8 6 01 1 9 0 1 01 0 9 9 0 4 9 8 3 9 08 3 2 1 36 6 4 6 5 表2 3 氩的饱和蒸汽压 t a b l e2 3s a t u r a t i o np r e s s u r eo f a r g o n 温度k 饱和a 蒸r m 汽压 温度k 饱和a 蒸r m 汽压 温度k 饱+ 霪压 8 7 2 91 01 0 96 3 9 1 1 3 12 1 7 2 3 1 1 2 4 1 2 4 6 1 3 7 6 1 5 1 7 1 的9 1 8 3 2 2 0 0 7 2 1 9 4 2 3 9 3 2 6 0 6 2 8 3 3 3 0 7 4 3 3 3 0 3 l 3 8 8 8 4 1 9 1 6 8 2 6 7 ，2 8 2 7 7 6 0 8 2 6 9 8 7 8 2 9 3 2 8 9 8 9 8 1 0 4 9 2 1 1 1 1 2 1 1 7 5 7 1 2 4 2 8 1 3 1 2 7 1 3 8 5 3 1 4 6 0 7 1 5 ，3 8 9 1 6 2 0 1 1 3 2 1 3 3 1 3 4 1 3 5 1 3 6 1 3 7 1 3 8 1 3 9 1 4 0 1 4 1 1 4 2 1 4 3 1 4 4 1 4 5 1 4 6 1 4 7 2 2 7 5 8 2 3 8 2 8 2 4 9 3 3 2 6 0 7 4 2 7 2 5 2 2 8 4 6 9 2 9 7 2 4 3 1 0 2 0 3 2 3 5 7 3 3 7 3 7 3 5 1 6 l 3 6 6 3 0 3 8 1 4 7 3 9 7 1 2 4 1 3 2 9 4 2 9 9 9 1 0 44 5 1 21 2 61 7 0 4 3 1 4 84 4 7 2 4 1 1 m m m m ；呈m m m m m m m 仍讲伪 踮盼射s!够舛够粥卯鳄啪m m m 东北大学硕士学位论文第二章氨的热力学性质与参数的计算 续表2 3 表2 4 汽、液氩的密度 t a b l e2 4d e n s i t yo f v a p o ra r g o na n dl i q u i da r g o n 汽、液氩的比焓值l l g 、l l l ( k j k g ) 可由图2 i “氩的t - s 图”查取。 1 2 圈2 1 氩的t - s 图 f i g 2 1t - sm a po f a r g o n 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章氩的热力学性质与参数的计算 2 3 氩的主要热力学参数值的插值 由于数据是不连续的，当温度t 不能在表中准确查得时，需要对其进行线性插值， 以获得对应的热力参数值，对于饱和蒸汽压，按下述方法进行插值可提高插值精度。步 骤如下： ( 1 ) 根据已知的两个状态点( 置，五) ，( 丑，五) ，可计算出 口：互堡墨二互垫墨 五一五 扣等半谒 ， ( 2 ) 则处于该_ - - 点之间的另一状态点( p 3 ，1 3 ) 的值可由下式精确计算 k b 副音 ( 2 2 ) 本文所用到的氩的热力参数值，即是根据表2 2 、2 3 、2 4 ，采用线性插值及式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 所示插值方法得到的。见下表2 5 表2 5 氩的热力学参数表 t a b l e2 5t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so f a r g o n 竺鲨兰簦兰拦鳖墨燮燮 9 01 3 7 61 3 7 9 9 60 0 0 5 01 5 9 5 1 72 1 2 46 9 8 0 02 2 9 3 1 1 5 1 7 1 6 6 9 1 8 3 2 2 0 0 7 2 1 9 4 2 3 9 3 2 ，6 0 6 2 8 3 3 3 。0 7 4 3 3 3 0 1 3 6 9 i 3 6 1 1 3 5 4 i 3 4 9 1 3 4 2 1 3 3 6 1 3 2 9 1 3 1 9 1 3 1 1 1 3 0 7 0 0 0 6 31 5 8 。6 4 22 1 2 3 7 0 0 0 7 21 5 7 7 5 9 2 1 2 3 4 0 0 0 8 31 5 6 8 7 9 2 1 2 3 1 0 0 0 9 41 5 6 0 2 12 1 2 2 s 0 0 1 0 5 1 5 5 1 2 12 1 2 2 5 0 0 1 1 61 5 4 1 8 32 1 2 2 2 0 0 1 2 81 5 3 2 3 52 1 2 1 9 0 0 1 3 11 5 2 2 9 6 2 1 2 1 6 o 0 1 4 31 5 1 3 5 32 1 2 1 3 0 0 1 5 61 5 0 4 1 12 1 2 1 7 0 3 312 2 8 9 7 3 7 0 9 6 22 2 8 ，6 2 1 7 1 3 9 32 2 8 2 7 2 7 1 9 2 32 2 7 9 4 4 7 2 4 5 42 2 7 5 7 5 7 2 9 8 42 2 7 1 6 7 7 3 5 1 52 2 6 7 5 0 7 4 0 4 52 2 6 3 4 1 7 4 5 7 62 2 5 9 2 9 7 5 1 0 62 2 5 3 1 7 1 4 虬 s ! 粥 舛 鳄 卯 眵 东北大学硕士学位论文j g - 章氲的热力学性质与参数的计算 续表2 5 1 5 东北大学硕士学位论文第二幸氢的热力学性质与参数的计算 续表2 5 1 6 东北大学硕士擘住论文 第三章液氢罐无损贮藏自然增压规律 第三章液氩罐无损贮藏自然增压规律 当液氩罐中充入液氢后，需要对其工作参数进行监测，监测的参数为压力、液位、 液量、温度，前三个参数均可从仪表上读出，而温度是推算的，记录数值应和理论图表 对照，以便发现异常。下面计算出了基于温度、压力、初始充装率、捧放时问等的一系 列曲线。液氩罐的工作压力为1 5 4 m p a ，但并不是到1 5 4 m p a 时才进行排放，这和初始 充装率、罐内液量、温度等有关。 从液氩罐首次或再次注入液氩，或者经过一次排放降温降压之后开始，直至下一次 需要排放，或需要自增压使用之前，由于存在罐体的漏热，罐内液氩和汽氩的温度不断 上升，其对应的氩的饱和蒸汽压也随之上升，所以罐内压力不断上升，这一阶段内，罐 内存氩所经历的压力不断上升的过程称为无损贮藏自然增压过程，即俗称的“憋压”过 程。这阶段的主要特征是：罐内存氩不断吸收罐体漏入的热萤，自身温度缓慢升高， 同时对应该温度下的饱和蒸汽压也随之不断增大，汽氩密度减小而液氩密度增大，一直 持续到需要再次紧急排放降温降压为止。相邻二次排放中间的时间间隔，称为排放周期。 3 1 自然增压过程的热力参数变化规律 3 1 1 基本假设 由于罐体的漏热量相对很小，因此罐内存氩的升温升压速率是很低的，整个无损贮 藏自然增压过程周期也很长。对比之下罐内存氩各部分之间的传热速率相对很高，汽 液氩间达到平衡所需的时间很短。 因此可以做以下基本假设：在所研究的无损贮藏自然增压过程中，罐内存氩始终处 于准平衡状态。升温升压过程为准平衡过程，即在所经历的任时刻下，罐内各处的汽、 液氩温度、压力都相同，且平衡压力始终等于对应当时温度下的饱和蒸汽压。 汽、液氢的其他物理性能参数( 如密度、比焓等) 也完全对应当肘温度下的取值。 1 7 - 东北大学硕士学位论文 第三章液氲罐无损贮藏自然增压规律 3 1 2 自然增压过程的质量衡算 假设初始，= o 时刻，罐内平衡温度为磊，液氩的容积为，汽、液氩的密度分别 为& ( 兀) 、岛( 写) 。则液、汽氩质量及总质量分别为： 啊o = 岛儡) o = p , ( r o ) ( v o 一) m o = ( 向( 磊) 一b ( 写) ) 巧o + 以( 瓦) k ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 到达f = 时刻，罐内平衡温度为写，汽、液氩的密度分别为岛( 五) 、岛( 五) 。则液、 汽氩的体积分别为： k ，：堡二鱼堕堡 “ 岛( 互) 一& ( 互) = 篇”端 ， 局( 五) 一& ( 互) 局( 五) 一& ( 五) ” 、7 铲- 2 淼 = 篇一篇 s ， 岛( 五) 一以( 五) ”厅( 巧) 一p ；( 五) ” 、7 液、汽氩质量及总质量分别为： = 辟( z ) - = b ( 五x 一巧) 啊= ( 岛何) 一& ( z ) ) k - + & q ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 依上述关系，可计算任意温度下的& 、岛、k 、巧、圻，考察卜r f + 西时刻 各参量的变化规律： 在t 时刻，各参量为：t 、& 、岛，匕、巧，珊= 岛巧，= 岛； 在，+ 西时刻，各参量变为，= r + 刀，4 = & + d & ，；岛+ d 岛，名= + 哌， 1 8 查些苎兰壁主兰堡笙查苎三主壅叁苎垄塑苎苎垒竺堡堡鳖 k = 巧+ d 巧，畦= m g + 西l g ，叫= 码+ 西吩。 其中刀 0 ，d & 0 ，d r , = 一d r , 。 = 毋；o 默 = ( 岛+ d 岛) ( 巧+ d 巧) + ( 以+ d & ) ( k + d ) = p 、v l + p t d v + d p y t 斗d p 租v t p g 七p 手圣v s + d p y , d p 辑i = p y t 七p | p , d v , + d p y l 七d p 、a v t 七p 亡静| + a l p , v , 七d p y s = 0 ( 岛一取) d 巧+ d p y f + c v o v t t ) d p g + ( d p t d p g ) d v t = 0 盟+ l + 坚旦堑 d v , d ? , - d p , 一o y l p t p g y i p t p s v t p t p g 塑坠+ d v 叫d p l - d p , + l1 ：o p l p gv ty | , o l p |1 液体容积变大的条件： 巧- 巧o ，d 巧= 巧l 一巧o 0 即( 岛。一攻o ) + ( 展。一& 1 ) k ( 舟- 一& 1 ) 巧o ( 岛广岛。) 一( 岛，一p g 。) & 。砌 岛i 因为随着温度的升高岛增大，日减小 _ ( 岛。一届。) 一( 岛。一& 。) ( & 。一依。) 监 一坐塑一一：_ 竖- ( 砌一岛) + ( & l 一& o ) d & 一d 户 d n 胂o ，即咖l = 啊i 一珊o o 反而p l o - - & 0 酗砌篱协粥。 ( 岛岛。一向- 岛o ) + ( 研i p 如一岛i 岛1 ) 砌( 力l 一反1 ) ( p i i p 。o 一向o & l d p o g i ) 巧o ( p , p g o 一向o & i ) k p 他p 啦七p 母d p t p 幡p 辞一p 礤p s p 啦d p i d p d p g ) v o ( 岛o & o + d p l , o g o 一所。舔。一岛o d 岛) 巧o 3 i 3 自然增压过程的能量衡算 ( 3 1 3 ) 根据能量守恒定律，对罐内液氩进行能量衡算，可以求解温升、压升等随吸热量( 时 间) 变化的规律。 设已知；( 1 ) 瓦温度下，液氩和汽氩的比焓分别为( 材堙) 及( k j k g ) ；液氩 和汽氩的内能伫明( 根据焓的定义) 分别为奶o = 啊。啊。一风、以。= 。一p o 名。；系 统总内能为= 奶。+ 哝。；( 2 ) 在五温度下，液氩和汽氩的比焓分别为h , l ( 幺，七g ) 及 以，( 材姆) ；液氩和汽氩的内能分别为u ，= 。一a 、。= 。k ，一a 匕。；系统总内 能为q = 珥。+ 。 此过程系统总吸热量为： q = u 一= ( 矶t + 哝t ) 一( 珥o + o ) = ( m ，t 一a + 0 - t a 匕。) 一( 珊o 一p o + o k o 一岛k o ) = 啊i + 厅一码o j j i o 一o 乓。一( a 一岛) 由罐的蒸发率判断其最大漏热量： 2 0 0 1 4 ) 翕讹 一 丝锄堕监 东北大学项士学位论文 第三章液氢罐无损贮藏自然增压规律 在标准沸点下：p o = l a t i n ，r o = 8 7 2 9 k 氩的汽化潜热：y o = 1 6 2 6 k j k g 罐的总充装量为：g = 1 8 0 9 6 k g 额定蒸发率：口0 4 i 天 罐的漏热率：q - - - - 6 y o g ：o 4 l 1 6 2 6 1 0 0 0 1 8 i 1 0 0 0 ：1 3 6 2 6 w 3 2 两类排放的判别 3 2 1 排放标准 首先讨论自然增压过程的最后结果和终止条件。当罐内存氩自然增压至一定的温度 及压力时，如果继续进行升温升压过程，就可能有破坏性现象发生，因此必须及时终止 自然增压过程的持续进行，采取紧急安全排放措施。而正确规定和准确判别达到需要排 放的条件，是保证无损贮藏自然增压过程正常安全进行的首要任务。 通过分析自然增压过程中罐内存氩的热力状态发现，可能导致罐体破坏性危险发生 的情况有两种： 第一，当罐内存氩量较多时，有可能伴随着温度升高，液氩容积膨胀，汽氩容积减 小而被迫液化直至完全消失，此时罐内容积全部为液氩所充满。由于液氩具有不可压缩 性，温度的进一步升高将导致罐内液氩压力急剧上升趋于无穷大，从而引发罐体的破坏， 俗称“胀罐”或“满液”。为避免此现象的发生，必须在罐内容积完全被液氩充满之前( 虽 然此时罐内的平衡压力并不是很高) 采取紧急排放措施，本文将其定义为第一类排放条 件，并规定液氩容积达到罐体总容积的9 5 和9 8 时，分别为第一类排放警戒标准和第 一类排放强制标准。 第二，当罐内存氩量较少时，随着不断吸热，平衡温度升高，对应的饱和蒸汽压也 不断增大。当罐内平衡压力达到或超过罐体设计压力时，也会引发罐体的破坏，俗称“超 压”。为避免此现象的发生，必须在罐内压力超过安全耐压之前采取紧急排放措旅，本 文将其定义为第二类排放条件，并规定当罐内压力达到时，分别为第二类排放警戒标准 2 1 东北大学硕士学位论文 第三章液氲罐无损筘藏自然增压规律 和第二类排放强制标准。 3 2 2 排放判据公式的推导 设为罐容积，岛o 岛。( k g m 3 ) 分别为当前状态( 温度t 已知) 下罐内存氩的液 态和气态密度，为当前状态下的液氩容积，n 为充装率的警戒标准，岛，攻为排放状 态的饱和液氩和汽氩密度。 由于是无损贮藏( 初、终状态氩的总质量相等) a 坍= m 一= 0 而= 岛。巧o + & o ( v o 一巧o ) ；所= 岛口+ p , v o ( 1 一 岛。巧o + 破o ( v o k o ) = 岛口+ & ( 1 一口) ( 岛。一& 。) + 以。p , o - 口) v o ( 局。一岛。) = l ( n 一岛) + & 一& 。 丘；竺竺二生丝二2 巴 ( 3 1 5 ) v o p l o p 曲 式( 3 1 5 ) 即为两类排放的i 临界曲线表达式，其中密度可与饱和蒸汽压及对应温度 相联系，即p = f ( p ) 或p = f ( d 根据相应温度或饱和蒸汽压查表得出。 3 2 3 两类排放的判别 对于处于某一初始状态( 存氲量，温度) 下的罐内存氩，经过足够长时闯的自然增 压过程之后，将究竟达到哪一种排放条件( 胀罐或超压) ，可从图3 1 中加以判别：图中 横坐标为氩的平衡压力0 ，纵坐标为充满率，即液氩容积占储罐总容积的百分比a 。对 于任意时刻的罐内存氩，都可以由此二参数在图中找出唯一确定的状态点( 即两座标值 在图中的交点) 。图中曲线为根据( 3 1 5 ) 式绘出的两种排放警戒标准的划分线。当罐内 存氩的状态点处于曲线的左上方时，最终将达到第一类排放条件；反之，当状态点处于 曲线的右下方时，最终将达到第二类排放条件。可以看出，在罐内压力为l a t m 的初始 条件下，只要充装率大于7 7 1 ，则将首先达到第一类排放条件。 针对1 3 m 3 液氩储罐，由式3 1 5 可得两类排放条件的判别数值，并列表3 1 ，根据表 2 2 东北大学硕士学位论文 第三章液氲罐无损贮藏自然增压规律 3 1 可绘制两类排放条件的判别曲线，见图3 1 表3 i 两类排放条件的判别数值表 t a b l e3 1j u d 百n gn u m e r i c a lc h a r to f t w od i f f e r e n td i s c h a r g es i t u a t i o n s 竺!竺! 辇竺翌登望鍪奎塑 1 0 1 3 7 6 1 5 1 7 1 6 6 9 1 8 3 2 2 0 0 7 2 1 9 4 2 3 9 3 2 6 0 6 2 s 3 3 3 0 7 4 3 3 3 0 3 6 0 l 3 8 8 8 4 1 9 1 4 5 1 2 4 8 5 0 5 2 0 7 5 5 8 2 5 9 7 7 6 3 9 1 6 8 2 6 1 3 9 2 1 3 7 9 9 6 1 3 6 9 1 3 6 1 1 3 5 4 1 3 4 9 1 3 4 2 1 3 3 6 1 3 2 8 1 3 1 9 1