（油气储运工程专业论文）液化天然气储罐温度场的数值模拟.pdf

n u m e r i c a ls i m u l a t i o no n t e m p e r a t u r e f i e l do f l n g s t o r a g e t a n k a b s t r a c t l n gs t o r a g e t a n k ，ak i n d o fm e t a l a b o v e g r o u n dv e r t i c a l c y l i n d e rs t o r a g e t a n kw h o s ei n t e r l a y e rf i l l e dw i t hp e a r ls m o o t h s a n da n dv a c u u m ，i st h ed o m i n a n ts t o r a g ee q u i p m e n to f l i q u e f i e d n a t u r a lg a sa th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r , s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fl n g s t o r a g et a n k ， f a c t o r sa f f e c tt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t y c o e f n c i e n to ft h e r m a l i n s u l a t i o nl a y e r , s t a t ea n dd e l a m i n a t i n g p r i n c i p l eo f l n gi ns t o r a g e t a n k ，c a u s ea n dp r e v e n t i o no f d e l a m i n a t i o na n d l e a k a g e a r es t u d i e d f i n a l l y , e m p h a s i si sp l a y e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d so f t e m p e r a t u r e f i e l do ft h e r m a lb l a n k e ti n s u l a t i o n ，a l s om o d e li s e s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d n u m e r i c a l l yu s i n g a n s y sa n d d e s i g n s p a c es o f t w a r e ，b yu s i n g s e r i a la n s y s s o f t w a r e ， t e m p e r a t u r ef i e l do fl n gs t o r a g e t a n ki ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l y , c r u c i a lf a c t o r sa f f e c tt h et e m p e r a t u r ef i e l da r ef o u n d ，a n dp r o b l e m s s h o u l db en o t i c e dd u r i n gm a n u f a c t u r ea n di n s t a l l a t i o np r o c e s so f e q u i p m e n ta r ep o i n t e d o u t t h r o u g hi n v e s t i g a t i o n ，i tc a nb ei n f e r r e dt h a ti na c c u m u l a t i o n h e a ti n s u l a t i o n ，c o n d u c t i o na r em a i n l yr e f e r r e dt ot h ec o n d u c t i o no f s o l i da n dg a s ；i nv a c u u mt h e r m a li n s u l a t i o n ，q u a n t i t yo fh e a tl e a k i n t o1 0 wt e m p e r a t u r ea r e ai sm a i n l yr a d i a n th e a t ；t h e r ea r em u c h m o r ef a c t o r sa f f e c tt h ei n s u l a t i n gp r o p e r t yo f p o r o u sv a c u u m ；h e a t t r a n s f e ri nm u l t i p l a y e rh e a ti n s u l a t i o ni sc o m p l e xa n di t sa f f e c t i n g f a c t o ra r er e l a t i v e l ym o r e d e l a m i n a t i o nb r o u g h tb yi n j e c t i o na n d s p o n t a n e o u s d e l a m i n a t i o n b r o u g h tb y s e l e c t i v e e v a p o r a t i o n o f n i t r o g e na r ei n d u c e dd u et ot h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ef i e l da n d d e n s i t yv a r i e t yw h e nl n g i ss t o r e di ns t o r a g et a n k t or e d u c et h e i n f l u e n c eo fl n g l e a k a g e ，t h ed i s t a n c eb e t w e e n l n g s t o r a g et a n k ， c o n t r o lp r e s s u r eo fs t o r a g et a n k ，a l l o w a b l ei n j e c t i o ni n f l u e n c eo f 3 l n gs t o r a g et a n ka n d p u r i f i c a t i o n o fl n gs t o r a g et a n ka n d p i p e l i n es y s t e ms h o u l db ec o n s i d e r e d b yd i s c u s s i n gt h ee f f e c t so f t h ec o n v e c t i o nc o e f 6 c i e n to fa i r a n dl n g t h et e m p e r a t u r eo fo u t s i d ea m b i e n ta n dt h ec o e f 珏c i e n to f t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h e r m a li n s u l a t i o nl a y e ro nt e m l 把m t u m f i e l d ，i tc a nb ei n f e r r e dt h a tt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no f 躺 s t o r a g et a n ks k i n i si n s e n s i t i v et ot h ec o n v e c t i o nc o e f f i c l e n t f l n g ，w h i l ei s s e n s i t i v et ot h ec o n v e c t i o nt o e m c i e n t 。醴滗i ：r ： v a r i e t yo fa m b i e n ta i rt e m p e r a t u r eh a v e1 e s se f f e c to nt e m p l e o fi n t e r n a lt a n kw a l l ；t h eo d e 伍c i e n to ft h e r m a lc o n d u c t i v i l y 甜 t h e r m a li n s u l a t i o nl a y e rh a sl a r g ee f f e c t so nt e m p e r a t u r e 。毹 d i s t r i b u t i o n ；i fc e r t a i na i r a r ci n t e r f u s e di n t ot h e r m a li n s u l a i i o 矗 l a y e r ，c o n v e c t i o nc o e f f i c i e n tw o u l dc h a n g eg r e a t l ya n dh a sl 缸套瞬 e f f e c t so n t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n i th a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c e o i lo p e r a t i o n a lm a n a g e m e n ta n dm a n u f a c t u r eo fl n g s t o r a g e 燃 k e y w o r d s ：s t o r a g et a n k ，c o n f i g u r a t i o no ft h e r m a li n s u l a t i o n l a y er ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n s y s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：抛饵 月9 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交沦文的复印件及电子版，允许论文被查 阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 忸 老秽守龙礴 p 删年g 月9 日 上oo 牛年譬月i 口日 石油大学( 华东) 硕士论文 第一章前言 第1 章前言 液化天然气作为一种新的能源供应方式使用的愈来愈普 遍。广东与澳大利亚合资的l n g 项目、日照的城镇燃气工程、 江苏、浙江的一些城镇燃气项目都使用l n g , 。l n g 在澳大利亚、 日本等国都得到了广泛应用。由于天然气的环保、高效等特点， 将来会得到更广泛的应用。 液化天然气的储存是目前存在的主要问题。由于液化天然 气的温度较低( 约1 6 0 ) ，远远低于外界环境温度。降低液化 天然气的蒸发量是储存容器要解决的关键技术。本文使用数值 模拟方法，找到了影响储存容器温度场的关键因素，为储存容 器的设计和使用提供了依据。 目前大型液化天然气的储存设备主要依赖进口。市场基本 被日本、丹麦等国垄断。国产设备也得到了应用，质量须进一 步提高。国产设备在不久的将来，会在国内液化天然气的市场 上占据主要位置。 1 1l n g 的概念 天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，其主要成分为甲烷， 也包括一定量的乙烷、丙烷和重质碳氢化合物。还有少量的氮 气、氧气、二氧化碳和硫化物。另外，在天然气管线中还发现 有水分。甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原予组成， 燃烧产物主要是二氧化碳和水。 c h 4 + 2 0 2 一c 0 2 + 2 h 2 0 与其它化石燃料相比，天然气燃烧时仅排放少量的二氧化 碳粉尘和极微量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物，因此， 石油人学( 华东) 硕士论文 第一章前言 天然气是一种清洁的能源。 l n g 是l i q u e f i e dn a t u r a lg a s 的缩写，是将天然气净化冷却 而成的深冷液体，因此也可称为液化天然气。l n g 的主要参数 如下： 常压沸点；一1 6 2 1 5 热值：9 2 0 0 k c a l n m 3 液体密度：0 4 2 k g l 辛烷值：1 3 0 ( 研究法) 气化潜热：1 2 1 8 7 k e a l k g 气液体积比：6 2 5 ：l 甲烷含量：9 0 9 9 天然气从气田开采出来，要经过处理、液化、运输、接收 和再气化等几个环节，最终送至终端用户。液化过程能净化天 然气，除去其中的氮气、二氧化碳、硫化物和水。这个处理过 程能够使天然气中甲烷的纯度接近9 0 9 9 。液化天然气链如图 1 1 所示： 图1 一】l n g 液化工艺流程图 l n g 主要可用于发电，以天然气为燃料的燃气轮机电厂的 废物排放水平大大低于燃煤与燃油电厂，而且发电效率高，建 设成本低，建设速度快：另外，燃气轮机启停速度快，调峰能 力强，耗水量少，占地省。 l n g 也是重要的化工原料。以天然气为原料的次加工产 石油大学( 华东) 硕士论文 第一章前言 品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近2 0 个品种，经二次或三次加 工后的重要化工产品则包括甲醛、醋酸、碳酸二甲酯等5 0 个品 种以上。以天然气为原料的化工生产装置投资省、能耗低、占 地少、人员少、环保性好、运营成本低。 天然气广泛用于民用及商业燃气灶具、热水器、采暖及制 冷，也用于造纸、冶金、采石、陶瓷、玻璃等行业，还可用于 废料焚烧及干燥脱水处理。 l n g 也可用于汽车代用燃料。天然气汽车的一氧化碳、氮 氧化物与碳氢化合物排放水平都大大低于汽油、柴油发动机汽 车，不积碳，不磨损，运营费用很低，是一种环保型汽车。 天然气是一种储量丰富的清洁的碳氢化台物燃料，己成为 近年世界上增长速度最快的矿物燃料。将天然气从产地运往市 场的方法有两种：一种是用长距离输气管道将天然气输送往用 户，但管道长度在1 6 5 0 3 3 0 0 公里范围内才有经济效益：另一 种方法是将天然气在常压、1 6 0 的低温下使其变成液态，成为 l n g ，然后，将l n g 运往使用地区，为此，需要使用地区建设 接收终端站，将l n g 再度气化使其重返气体状态，然后通过管 道将气态的天然气送往发电厂和其它用户。用这种方法可将天 然气产地与遥远的市场连接起来。 l n g 的运输常用的方法也有两种：即用l n g 船进行长距 离、大量的运输；用l n g 储运罐小量的、陆上输送。 1 2 课题提出的意义与目的 自1 9 6 4 年英国与阿尔及利亚实现首次l n g 贸易以来【1 ， l n g t , _ i k n 应了市场需求，得到高速发展，并在亚洲取得了特 权地位。从1 9 7 5 年l n g 贸易量占世界天然气贸易总量的1 0 石油大学( 华东) 硕士论文 第一章前言 起，1 9 9 5 年达9 0 1 0 9 m 3 ，已占总量的2 5 左右。1 9 9 5 年后 年增长率保持在7 以上。 但是，由于运输费用限制，l n g 贸易集中在两大独立地区： 大西洋市场( 非洲到欧洲和美国) 和太平洋市场( 美国、中东、 亚洲到日本、韩国和中国台湾) 。太平洋市场已占总量的7 5 ， 世界l n g 贸易的增长基本由该地区实现。太平洋市场的核心是 于1 9 6 9 年开始进口l n g 的日本，它现在占太平洋贸易的7 7 和世界贸易的5 8 。韩国于1 9 8 6 年，中国台湾于1 9 9 0 年分别 开始进口l n g 。 在能源消费结构中，国外天然气消费占能源消费总量的 2 0 以上，而我国天然气仅占能源消费总量的2 。随着我国经 济的快速发展及人们环保意识的增强，天然气以其清洁、经济、 高效等优点受到青睐。 但是天然气资源和大型用户分布很不平衡，天然气用量较 大的地方往往是天然气资源相对贫乏的地方。比如，世界上已 探明的天然气储量约有7 0 位于俄罗斯境内的西伯利亚西部与 波斯湾地区，它们分别占全世界总探明储量的3 7 8 2 与3 2 1 ， 而天然气大型用户市场( 如东亚、欧洲等) 的天然气资源却非 常缺乏。同样，我国的天然气资源也远离能源消耗区，使得天 然气资源往往不能得到有效利用。因此，天然气的运输显得尤 为重要。管道输送是一种好的输送方法。但是，对于远距离或 越洋输送，一方面还没有技术可以建造深海长距离输送管线， 另一方面建造成本太高；对于大量的中小城镇和小规模分散用 户，铺设输气管线在经济上不一定可行；另外，天然气管道输 送适用于长期、固定的用户，机动性比较差。所以，这些都制 约了天然气的推广应用。 石油大学( 华东) 硕士论文 第一章前言 目前，鉴于我国大部分地区天然气管网尚未形成，以l n g ( l i q u e f i e dn a r u r a lg a s 的简写) 陆上运输代替中近距离管道输 送，不仅可以节省风险性管线建设，有效回收远海、荒漠地区 的天然气资源；而且可以满足部分工业和居民对高品质燃料的 需求。另外，用户为了保证能源消费的可靠性，逐步要求能源 供应渠道多元化。所以，在城市附近建造l n g 储存库，既可以 解决城市燃气的调峰问题，也可以实现能源供应多元化。因此， l n g 输送既是一个越洋大量输送天然气的商业化技术，也是一 种解决中小城镇及分散天然气用户和城市燃气调峰的手段。作 为管道输送的重要补充手段，l n g 陆上输送具有巨大的潜在市 场。 当然l n g 是一个系统工程，制约其发展的一个关键问题就 是l n g 的储运问题。国外对l n g 储运罐的研究已开展了大量 的工作，但相关文献很少。国内l n g 工业还处于刚起步阶段。 在l n g 储运过程中还存在很多急需解决的问题。例如，l n g 储 运罐在行走的过程中罐内压力缓慢上升，但一旦l n g 储运罐停 下来，罐内压力就很快升高。为了解决这样的问题，就必须研 究l n g 在储运罐内的气化规律、研究影响l n g 气化的因素以 及储运罐隔热层动态和静态漏热等问题，进而找出更好的隔热 保冷措施，优化l n g 储运容器隔热结构。 优化l n g 储运容器隔热结构，就是为了提高其隔热效率、 延长l n g 储存时间。这一方面可以减少l n g 的汽化损失，提 高运转经济性，减少对环境的污染；另一方面又可以为长时间 储存及较远距离输送l n g 创造条件。鉴于我国液化天然气工业 处于刚起步阶段，具有巨大的潜在市场。液化天然气的储存和 运输理应属于石油与天然气储运工程专业的研究范围。尽管我 石油大学( 华东) 硕士论文 第一章前言 们的研究起点较低，但必需参与对液化天然气工业的发展，开 展对l n g 储运容器罐热结构的研究，是我们参与对液化天然气 工业的切入点。为此就需要对l i n g 储运技术进行广泛调研、总 结，以便为研究工作提供有益的指导。 1 3 数值模拟方法简介 许多工程分析问题，如流体力学中的流体分析、传热学中 的温度场分析，都可归结为给定边界条件下求解其控制方程( 常 微分方程或偏微分方程) 的问题。但能用解析方法求出其精确 解的只是方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问题。 对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状较复杂或者 问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。这类阔题的解 决通常有两种途径：一是引入简化假设，将方程和边界条件简 化为能够处理的阔题，从而得到它在简化状态的解。这种方法 只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化将导致不正确甚 至是错误的解。因此，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的 基础上，借助于现代科学技术的产物，计算机来获得满足工程 要求的数值解。这就是数值模拟技术。 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元 法，边界元法，有限差分法等。但究其实用性和使用的广泛性而 言，主要还是有限单元法。有限单元法是随着电子计算机的发展 而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是5 0 年代首先在连续 体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的种有效的数 值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体 力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如 下： 石油大学( 华东) 硕士论文 第一章前言 1 ) 物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一 步称作单元剖分。离散后单元于单元之间利用单元的节点相互连 接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述 变形形态的需要和计算进度而定( 一般情况单元划分越细则描述 变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大) 。所以有 限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料 的出众多单元以定方式连接成的离散物体。这榉，用有限元分 析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又 合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 2 ) 单元特性分析 a 、选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为节能位置粮食成为唯一 法；选择节点力作为基本未知量对称为力法；取一部分节点力 和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实 现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。当 采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些 物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单 元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。 通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种 函数称为位移模式或位移函数，如y = a 其中a 是待定系数，y 是 与坐标有关的某种函数。 b 、分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含 义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的 关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建 石油大学( 华东) 硕士论文 第一章前言 立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法 的基本步骤之一。 c 、计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一 个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到 另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体 积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点 力来代替所有作用在单元上得力。 3 ) 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结 构重新连接起来，形成整体的有限元方程式中，k 是整体结构的 刚度矩阵：q 是节点位移列阵；f 是载荷列阵。 4 ) 求解未知节点位移 解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具体特 点来选择合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单 元法的基本思想是“一分一合”，分是为了就进行单元分析，合 则为了对整体结构进行综合分析。 数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛应用。到上 世纪8 0 年代初期，国际上出现了许多有名的大型的面向工程的 通用有限元程序。其中著名的有：a n s y s 、n a s t r a n 、a s k a 、 a d i n a 、s a p 等。它们多采用f o r t r a n 语言编写，功能越来 越完善，不仅包含多种条件下的有限元分析程序而且带有功能强 大的前处理和后处理程序。本文使用a n s y s 软件对储气槽的温 度场进行数值模拟。 1 4 论文研究内容 石油大学( 华东) 硕士论文第一章前言 本文重点研究了l n g 储罐的结构特性、影响因素隔热层 效果的因素、储罐内液化天然气的存在状态、分层原理以及预防 分层和泄漏的原因，最好论文重点研究了储罐隔热层的传热温度 场数值模拟计算方法，建立了模型并采用a n s y s 和d e s i g n s p a c e 进行了数值模拟。通过使用a n s y s 系列软件，对液化天然气储气 槽的温度场进行数值模拟，找出影响温度场分布的关键因素。指 出了该设备在制作及安装中应注意的问题。 9 石油大学( 华东) 硕士论文第二章l n g 储运容器结构类型及隔热性能比较 第二章l n g 储运容器结构类型及隔热性能比较 隔热技术与人工制冷同时发展起来的，其中较早使用的是普 通堆积隔热( 即非真空隔热) 。1 8 9 8 年杜瓦证明了将两个表面涂 银的夹层中抽真空即形成能防辐射的隔热结构以后，真空隔热 才逐步发展起来。真空粉末隔热是1 9 1 0 年以后出现的，而多层 隔热的发展是近三四十年来的事情。2 0 世纪8 0 年代，多层隔热 技术得到进一步改进，出现了隔热性能更好的多屏隔热技术。 2 1 l n g 储运容器结构类型 对l n g 储运容器来说，其隔热结构分为普通隔热和真空隔 热两大类型。 一、普通隔热 普通隔热又称为普通堆积隔热，是一种使用 蒜鬟诫微兰黧多麟囊 填或包覆一定厚度的隔热材料，以达到隔热的目i j 2 赢l髭 的。如图2 1 所示。这一类隔热主要用于大型液 热| 慧睁空气 化天然气储存装置。 一_ 9 。 常用的堆积隔热材料有固体泡沫型、粉末型 及纤维型等。普通堆积隔热中的热传导主要是指固体传导和气 体传导。他们的热流量约占这类隔热结构中总热流量的9 0 左 右。 为了减少固体导热，普通堆积隔热结构应选用密度较小的隔 热材料，如常用膨胀珍珠岩( 珠光砂) 、气凝胶、超细玻璃棉、 聚苯乙烯、泡沫塑料等。 1 0 石油大学( 华东) 硕士论文第二章l n g 储运容器缔构类型壁璺热链旦兰! 堕 为了防止隔热材料空间的气体冷凝或固化，从而使隔热性能 恶化，可在堆积隔热材料的空隙中充填冷凝温度低于冷表面温 度的气体，同时这种气体本身的热导率要尽可能小。一般地， 冷表面温度在7 7 k 以上的充填氮气，在7 7 k 以下的充填氩气， 氩气的热导率比氮气还小，且冷凝温度低，但这种气体的价格 偏高。 为了减少辐射传热，目前还在堆积隔热材料中安置金属屏， 使其成为复合材料，或者在粉末或泡沫材料中添加阻光金属粉 末，从而提高这类隔热的性能。 普通堆积结构通常由单壳和双壳两种结构。对于单壳结构， 一旦发生l n g 泄漏，将造成很大的危害。所以，目前在大型 l n g 储运装置中，大多采用双壳结构。 普通堆积隔热结构的特点：隔热性能差，但其结构简单、造 价低廉，故在隔热要求不高的情况下使用。 二、真空隔热 真空隔热是将隔热结构做成密闭的夹层，内部空间抽至一定 的真空度，以减少热量的传递。真空隔热有四种基本类型：高 真空隔热、真空多孔隔热、多层隔热及由多层隔 热演变而来的多屏隔热。反射面 l i l 、高真空隔热 热1 玲 高真空隔热也称单纯真空隔热，它只是单纯 l卜 地将隔热夹层抽至绝对压力抽至低于1 3 3 m p a 的 真空，消除气体的对流传热和绝大部分的残余气 图2 2 高真空隔热 体导热，从而达到良好的隔热效果。如图2 2 。 石油大学( 华东) 硕士论文 第二章l n g 储运容器结构类型及隔热性能比较 在这类隔热结构中，漏入低温区的热量主要是辐射热，其次 是小量的剩余气体导热以及固体构件的导热。为了改善较高的 隔热效果，通常采取以下措旋： 为了减少辐射传热，高真空的壁面可采用低发射率的材 料制作，例如铜、铝等，也可以在其他材料表面涂低发射率的 材料，如银、铜、铝、金等。并在表面进行清洁和光洁处理， 尽可能地降低材料表面的发射率。降低该类辐射传热的另一措 施就是降低器壁的温度。因此常在此类隔热结构中安置蒸气冷 却屏或传导屏，或采取液氮冷却屏； 为了提高这类隔热结构的性能，还必须尽可能减少残余 气体的导热。由于残余气体的导热流与气体转类、压力、温度 等因素有关，当环境条件定、气体种类一定时，残余气体热 导率主要正比于真空度。除真空度严重影响残余气体导热量之 外，器壁的表面状态同样也会影响残余气体的导热量。因气体 与器壁碰撞，产生能量交换，如果表面光洁，气体碰撞到器壁 后马上返回( 类似弹性碰撞) ，能量交换不充分。 为了保持高真空隔热空间具有较低的压强( 即较高的真 空度) ，常采用放置吸气剂的方法。 篇淼嚣雾二熹篓举热麟空 获得隔热空间的高真空度。一般在大型装置中热l 降 很少应用。f 擎麓i 2 、真空多孔隔热 图2 3 真空多孔隔热 真空多孔隔热是在隔热空间中充填多孔性隔热材料，然后抽 1 2 石油大学( 华东) 硕士论文 第二章l n g 储运窖器结构类型及隔热性能比较 至一定的真空度。如图2 3 。一般都是充填粉末材料或者纤维材 料，故这种隔热方式也称为真空粉末隔热或真空纤维隔热。 据文献介绍，只要在不高的真空度下( 绝对压力约1 0 p a ) ， 就可以消除多孔介质问的气体对流传热，从而大大减少获得高 真空与保持高真空的困难。在隔热材料颗粒的微孔与颗粒的空 隙中，气体的导熟是主要的途径。将隔热空间中的气体抽走， 是减少这类隔热结构漏热的主要途径。 真空多孔隔热中，辐射传热是其主要途径，通常采用向粉末 或者纤维材料中加入一定比例的反射性强的金属粉末一阻光 剂，例如铝粉或铜粉，以减小材料内粉粒或纤维间辐射换热， 从而大大提高隔热性能。 真空多孔隔热的热导率只有堆积隔热的几十分之一，且真空 度要求不高( 内部绝对压力约为l 1 0 p a 左右) ，所以隔热性能 比堆积隔热优两个数量级，比高真空隔热优一个数量级，广泛 应用于大、中型低温液体容器中。其最大的缺点是要求夹层的 间距大，结构复杂而笨重。 3 、多层隔热 多层隔热又称为高真空多层隔热，是一种 在隔热空间中安置许多平行于冷壁的辐射屏 来大幅度减少辐射热而达到高效隔热目的一 种结构。多层隔热有两种基本形式，如图2 - 4 、 2 5 所示。一种使用金属泊作辐射屏，屏间填 入导热性能低的间隔材料，一种使用单面喷 铝的涤纶薄膜作辐射屏，且压制成波纹形或凹 金展治辑射屏 右油大学( 华东) 硕士论文第二章l n g 储运容器结构类型及隔热性能比较 问的接触传热。真空多层隔热要求真空达15 m p a 左右即可。真 空多层隔热是目前隔热性能最好的隔热方 式之一，被称为“超级隔热”。主要用于中、 小型l n g 储运容器。 高真 真空多层隔热是一种性能优良的隔热形 波纹状或起挎的 健金属塑料傅膜 降 式，但施工比较麻烦、造价较高、且隔热性圈2 5 无蚵隔物的多层隔热 能随施工质量而变化。 4 、多屏隔热 多屏隔热是一种多层防辐射屏与 蒸气冷却屏相结合的隔热结构。如图 2 - 6 所示。用不多的金属屏与冷蒸发 气体逸出管相连接，利用冷蒸气吸收 的显热来冷却辐射屏、降低热屏的温 度，抑制辐射热流，提高隔热效果。图2 6 多屏隔热结构 这些为数不多的金属屏蔽层，既是多 1 - 隔热单元骨胡曾一事辟嘲热4 一 照 层隔热的防辐射屏，又可作为蒸汽冷却屏，而且还有助于消除 多层隔热的纵向导热( 沿传导屏的导热) 。因此，多屏隔热是多 层隔热的一大改进，它具有隔热效率高、热容量小、质量轻、 热平衡快、制作简单、成本低廉等优点。 2 2 、各种隔热结构隔热性能比较 根据文献可以知道，各种隔热结构的隔热性能如图2 7 所 示。 根据图2 7 可以看出，真空容器的隔热效果优于非真空容器 石油大学( 华东) 硕士论文第二章l n g 储运容器结构类型及隔热性能比较 的隔热效果。 n i h 考 多屏 一多璧 一 登光冀考粉末、纤鳕 一枣诛、粉床、纤缉 有蕴热导窜 ( mk ) 图2 7 备种隔热方式的有效热导率 2 3 影响隔热层隔热效率的因素 影响隔热结构隔热效率的因素是多方面的，不同的结构影响 其隔热效率的因素也不一样。 一、普通隔热( 即堆积隔热结构) 堆积隔热中，热传导主要是指固体传导和气体传导。他们的 热流量约占这类隔热结构中总热流量的9 0 左右。所以，影响 其隔热效果的因素主要是：隔热材料和隔热结构中的气体种类。 二、高真空隔热 在这类隔热结构中，漏入低温区的热量主要是辐射热，其次 是小量的剩余气体导热以及固体构件的导热。所以，影响该类 隔热结构隔热效率的主要因素为： 1 真空壁面的辐射率大小；一般选用表面发射率小的材 料。 2 真空隔热空间中真空度的高低；真空度越高，隔热效果 越好。 石油大学( 华东) 硕士论文第二章l n g 储运容器结构类型及隔热性能比较 3 固体构件导热系数的大小。 三、真空多孔隔热 影响真空多孔绝热性能的因素较多，主要有：隔热层中气体 的种类与压强、材料的密度、颗粒的直径对热导率的影响、会 属粉末添加剂的种类和数量。 1 、隔热层中气体的种类与压强： 隔热层中的气体一 般为单原子或者双原子 气体，对辐射热的吸收很 弱，可视为是一种不吸收 及非散射气体。因此夹层 中的气体种类与压强只 影响气体导热。随着夹层 真空度的提高，其热导率 下降。一般情况下，多孔 热导率与填充气体的压 力关系如图2 8 所示。不 同种类的多孔绝热材料 的热导率随填充气体的 绝对压力降低而降低。不 同种类气体与压力对真 空隔热性能的影响见图 2 9 。 2 、材料的密度： f 童 苫 丫 争 o p p a 图2 8 多千l 隔热的有热热导宰与填充气体眶强的关系 z e 了 薹 c 一 p ，t 碥 ，“ 咿 d 翟只，i 一 p 1 3 3 p a 图一2 9 多孔隔热的育效热导宰与填充气体压强关系 1 一馥孔鬓 胶( 氧)2 - 硅胶( 氤) 3 一微孔橡胶( ；豉)4 一硅胶( 氪) 石油大学( 华东) 硕士论文第- _ = 章l n g 储逼兰至墨婪构耋型墨堕垫丝堂堕墼 ；囊鎏季要兰囊兰辜曩三萎差：弛 乎两种情况：其一是由于材 ；l 、1ll 料颗粒或孔壁厚度增加，其号“。 f i ，一r 二是由于单位体积中微粒数。o 卜、- 卜! = 1 量或孔隙数量的改变，或由u 。：l 一遵嘏毒矿 石油大学( 华东) 硕士论文 第二章l n g 储运容器结构类型及隔热性能比较 大到使热导率达到最低值之后，固体导热的增加会抵消辐射换 热的减小并成为支配作用。因此，一味地降低真空多孔隔热材 料的密度并非完全是正确的，对于大多数该种隔热材料的密度 的最佳值一般为1 5 0 2 0 0 k g m 3 。 3 、颗粒的直径对热导率的影 响 隔热材料的颗粒值井对辐 射传热有着决定性的影响。颗 粒对辐射的散射特性，在颗粒 直径接近于入射的辐射波长时 达到最大值。也就是说，在这 一颗粒直径下，由于辐射而引 起的有效热导率为最小值。图 2 1l 给出了颗粒直径对该种绝 热的热导率的影响关系。 对于玻璃棉在纤维直径约 为1 5 , u r n 时，其热导率为最小 即对应的辐射削弱系数为最大 值：面对于硅胶和珠光砂，他 们最适宜的颗粒直径为 l o 5 0 胛。 谢 垂 7 # ： c d “ 宙2 一ti 真窑圭妻孔 融材科的佳导 率与微粒直径的关系 卜玻璃棉( y = 2 9 7 k ) 2 - 硅胶耪( t = 2 9 t k ) 3 一珠光砂( t ：3 2 9 0 t t 9 0 k 】 ： 童 ； 产 i 暑 x 零 ： o 4 、金属粉末添加剂的种类与 数量；2 0 不同种类的金属粉末添加 l t l 部3 04 0 ，0 柏阳明蛳i 厦射埔i t ( 面分戢) ， 固；q 疆魏糅瓣黼 揸“牡拍他埘n 石油大学( 华东) 硕士论文第二章l n g 储运容器结均耋型堡堕垫堡堡堕塾 剂，其隔热效果是不同的。同种添加剂随着数量改变而隔热性 能也发生变化，一般呈u 形。当金属粉末含量减少时，辐射热 流量增大，而金属粉末含量增加时，固体导热又要增加，因此 存在一个最佳含量问题，一般为3 0 5 0 。图2 1 2 示出添加金 属粉末的热导率与金属粉末含量的关系。 四、多层隔热 多层隔热结构如图2 1 3 所示，既 有屏与屏之间、屏与间隔材料之间的 辐射传热，又有多层材料之间的固体 传热和隔热空间的气体传热。由于几 种传热同时存在并相互影响，所以， 多层隔热种的传热t b 较复杂，影响其 性能的因素较多：多层材料的种类及 其组合方式、真空度、层密度、温度、 乱 0 机械负荷及其他因素。 1 、多层材料的种类与其组合方式对多层隔热性能的影响 对于反射屏，首先希望它的发射率尽可能低，且不易氧化与 污染：对于金属泊，如铝泊、铜箔、金箔等，其厚度尽可能薄， 因太厚会导致纵向传热。但对于涤纶薄膜上的真空镀余属膜， 由于工艺所限，金属膜厚度往往达不到7 0 0 t 0 1 0 1 0 0 0 x 1 0 一1 0 m ，而导致辐射贯穿成为半投射体。对于间隔材料， 则要求其热导率尽可能低，且放气性能小，并且有一定的强度， 也不希望太厚。目前应用最多的是无碱玻璃纤维布、玻璃纤维 纸、尼龙网布、植物纤维纸等。 1 9 “nuuu“uu儿”h“uh 三1 。硷一。，。i”。ll黜ll l 屯q ，；l，；0fn 如m 一 互堂查兰! 兰奎! 垦主笙壅 苎三童型璺堡垩窒堂壁塑耋型丝堕垫丝墼堕墼 2 、真空度对多层隔热性能的影响 多层隔热中真空度对其性能的影响可以从两个方面来论述。 一是表观真空度，即与绝热空间相连的真空计测得的真空度对 隔热性能的影响。二是多层隔热层内部的真空度对隔热性能的 影。绝热空间的表观真空度 与多层隔热的有效热导率， 一般呈图2 1 4 所示的关系。 当真空度较低即绝对压强p ) 1 0 p a 时，其真空度变化对热 真空度往往比表观真空度( 真空 空间测量的真空度) 低5 0 1 0 0 倍，如图2 1 5 所示，即为1 p a 左 右，由于这一原因，不同厚度中 多层隔热的有效热导率变化甚 大，如图2 1 6 所示。 为此，如何提高多层隔热的 真空度，特别是降低多层中层间 气体压强即提高其真空度是改善 上 伊 f _ 慕 & 7 ， 寥 口4 0 m a2 i 棚 口l l j i l i m 1 0 0 口b 口，占毒、薯一盛氍t 互迪查兰! 望查! 婴主望兰 整三童型鱼堡至查墅堕塑鲞型丝堕垫壁垦! ! 塾 多层绝热性能的关键技术之一。 群盎中抽时抓带 o 图2 1 5 不同厚度中多屠隔热的膏效 热导宰的变化 一t t 3 0 0 k 一一2 0 4 3 0 0 k 圈2 - 1 7 开于l 多层隔热中的温度分布 一02 、一f n - 、3 ，j 。一t 2 1 3 _ 妇弋搏羊羊能柯m 。h ， j ， 赣羹拽一懂a 点一蠼一捌n 人们目前常在多层辐射屏上项先开小孔以利抽空，图2 - 1 7 给出了在辐射屏上开槽形孔和圆形孔时多层中不同抽气速率而 引起的温度分布。当抽气速率大时，热壁处的温度梯度很大， 呈压强骤变；而当抽气速率为零时，屏在低温下辐射传热很差， 冷壁处产生很大的温度梯度。多层绝热试样由气孔率为o 9 9 的 玻璃纸和1 4 删铝箔组成。铝箔的发射率为以0 0 5 ，开孔率为 0 0 3 1 4 ，孔间距为o 3 2 r a m 。另一种方法是采用具有吸气能力的 填炭纸吸附多层间的残余气体。 3 、层密度对隔热性能的影响 单位厚度内多层隔热辐射屏的数目称为层密度，符号为n ， 单位为屏l c m o 在单位厚度隔热层中，当层数增加时，辐射传热 将减小，而接触热阻减小，固体导热将增加它们的关系如图 2 1 8 所示，故存在一个最佳层密度。 2 l 勃 萨， 。耀。缓霪 石油大学( 华东) 硕士论文 第二章l n g 储运容器结构类型及隔热性能比较 图2 1 8 是以铝箔和玻璃纤维纸所组成的多层隔热体的热导 率和层密度的关系，从图中可其最佳层密度约为2 0 4 0 层c m 。 埘蕾墟i 詹- “ 图乏1 8 多层隔热的热导窜与屠密度的关系 图2 - 1 9 多屡隔热的屠密度与热流的关秉 ( t = 3 0 0 ? ? k ) 。一。 同时我们可以用理论推导与实验相结合的方法，将热导率分 离成固体导热和辐射传热两部分，并关联成如下的有效热导率 的表达式： t = 州2 半+ 。趾攀趔 协：， 式中：a 、b 为系数，由材料性质决定；n 为层密度，单位 为层c m ；t 1 、t 2 为内外壁温。 上式右边第一项表示固体导热部分，其值正比于密度平方， 而第二项表示辐射传热，其值与密度成反比，二者都与密度有 一定的关系。 对于有双面渡有0 0 5 a n 铝层的6 3 a n 厚的涤纶薄膜与 0 0 15 r a m 厚的玻璃丝网纸组成的多层隔热体，其有效热导率可 由下式表示： 石油大学( 华东) 硕+ 论文第二章l n g 储运容器结翅壅型丝堕垫壁墼堕塑 树筒川2 掣- - 1 1 x 1 0 - 1 3 趾酵趔 ( 2 3 ) 实验表明，不同组合形式的多层隔热的层密度对比热流有较 大的影响，图2 - 1 9 示出几种典型多层隔热体的层密度与比热流 的关系，图中的最小热流的层密度是多层隔热体未被压缩时 的层密度，即最佳层密度。 4 、多层厚度对多层隔热性能的影响 一般地晚，在层密度相同的情况下，比热流并不随层数的增 大而单调下降，而是在某一层数下达到最小值。随后，随着层 数的增加，热流量反而增大了，图2 2 0 所示出的传热量q 与层 数n 之间的实验