夏園園 趙騰飛 段武 劉蓓蓓 余謙（西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043）

設(shè)計LNG氣瓶時降低靜態(tài)蒸發(fā)率理論計算與實際的試驗研究

夏園園 趙騰飛 段武 劉蓓蓓 余謙（西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043）

為研究車用液化天然氣（LNG）氣瓶設(shè)計時降低理論計算靜態(tài)蒸發(fā)率（NER），以我公司275L氣瓶試制試驗過程為例，采用液氮（LN2）為工作介質(zhì)，對理論計算與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，繪制關(guān)系曲線，總結(jié)出設(shè)計LNG氣瓶時降低NER的方法，為后期設(shè)計者降低LNG氣瓶NER提供一定參考和借鑒。

LNG氣瓶；漏熱；靜態(tài)蒸發(fā)率；環(huán)境溫度

從2011年開始，LNG氣瓶企業(yè)數(shù)量逐年遞增，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的LNG氣瓶整體結(jié)構(gòu)大同小異，制造工藝也不盡相同。作為供氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，LNG氣瓶既要保證液體約以-162℃的溫度存在，又要以恒定的壓力保證液體穩(wěn)定的流入氣化裝置。由于LNG的易爆特性，LNG汽車的燃料儲存需要使用無損存儲方式，而LNG必須存儲在約-162℃的低溫狀態(tài)，漏熱不可避免，因此如何從本質(zhì)方面降低LNG氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率成為各大企業(yè)關(guān)注的主要問題。本文僅主要從理論計算的幾個方面研究如何降低LNG氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率。

1 LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)

LNG氣瓶是車載燃料系統(tǒng)的核心部件。氣瓶由內(nèi)膽、外殼、絕熱層、保護(hù)圈和管路系統(tǒng)組成。

2 設(shè)計LNG氣瓶時理論靜態(tài)蒸發(fā)率的公式計算方法

式中：Q總為LNG氣瓶的總漏熱量，W；γ0為低溫液體的汽化潛熱，kJ/kg；ρ0為低溫液體的密度，kg/m3；V為LNG氣瓶的有效容積，L（一般取公稱容積的90%[1]）。

從公式（1）可以看出，影響LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的主要因素為Q總，而LNG氣瓶的漏熱一般可分為四個部分：第一，絕熱材料的漏熱Q1；第二，夾層管路的漏熱Q2；第三，前端支撐結(jié)構(gòu)的漏熱Q3；第四，后端支撐結(jié)構(gòu)的漏熱Q4。結(jié)合傳熱理論采用工程上漏熱的一般計算方法，分別計算出氣瓶各部分的漏熱量。

3 設(shè)計LNG氣瓶時實際靜態(tài)蒸發(fā)率的試驗方法

LNG氣瓶的蒸發(fā)率是指氣瓶在額定充滿率下，靜置達(dá)到熱平衡后，24小時內(nèi)自然蒸發(fā)損失的深冷液體質(zhì)量與內(nèi)容器有效容積下深冷液體質(zhì)量的百分比，單位為百分比每天（%/d）[1]。蒸發(fā)率能較為直觀地反映氣瓶使用時的保溫保冷性能。LNG氣瓶的日蒸發(fā)率公式為：

式中：Δm為24h內(nèi)蒸發(fā)損耗的低溫液體的質(zhì)量，kg/d。

目前測量低溫容器蒸發(fā)率的主要方法有兩種：稱重法和蒸氣流量測量法[2]。

稱重法比較簡單，適用于小型容器。容器裝好低溫液體后，置于重量計上，待達(dá)到熱平衡時，測出24h內(nèi)液化氣體損耗的數(shù)量。本文即采用稱重法，對蒸氣流量測量法不做具體闡述。

4 設(shè)計LNG氣瓶時降低理論計算NER與實際平均NER的試驗研究過程

以我公司275L車用LNG氣瓶設(shè)計研發(fā)過程為依據(jù)，理論靜態(tài)蒸發(fā)率?2.225%/d[1]。

4.1 首次試制

4.1.1 理論計算過程

帶入各系統(tǒng)參數(shù)和物性參數(shù)，Q1為3.463（34.2%）W、Q2為1.196（11.8%）W，Q3為1.787（17.7%）W，Q4為3.67（36.3%）W，計算出結(jié)果Q總為10.117W。將Q總帶入公式（1）可得理論計算靜態(tài)蒸發(fā)率為2.19%/d。

4.1.2 實際試驗過程

4.1.2.1 試驗流程

表1 2 7 5 L車用氣瓶N E R平均值編號 時間/ 1．6 重量/ k g 時間/ 1．7 重量/ k g 時間/ 1．8 重量/ k g 平均N E R ( % / d ) 0 1 1 6：4 0 3 9 0．1 1 6：4 0 3 8 5．4 1 6：4 0 3 8 0．8 2．3 2 5 0 2 1 6：4 2 3 8 5．2 1 6：4 2 3 8 0．4 1 6：4 2 3 7 6．2 2．2 5 0 3 1 6：4 8 3 8 8．7 1 6：4 8 3 8 4．1 1 6：4 8 3 7 9．7 2．2

表2 2 7 5 L車用氣瓶N E R平均值編號 時間/ 3．1 重量/ k g 時間/ 3．2 重量/ k g 時間/ 3．3 重量/ k g 平均N E R ( % / d ) 0 1 9：0 0 3 9 1．2 9：0 0 3 8 7．4 9：0 0 3 8 3．8 1．8 5 0 0 2 9：0 2 3 8 8．6 9：0 2 3 8 4．6 9：0 2 3 8 0．7 1．9 7 5 0 3 9：0 5 3 9 0．8 9：0 5 3 8 6．8 9：0 5 3 8 3．0 1．9 5 0

試驗時，首先用熱氮氣對LNG氣瓶瓶體內(nèi)部進(jìn)行吹掃，保證氣瓶內(nèi)部無空氣及水蒸氣存在；然后打開LNG氣瓶的放空閥，關(guān)閉其他閥門，將LN2充入LNG氣瓶內(nèi)，每只氣瓶加液至放空閥噴液時停止加液，再用叉車將充好液氮的氣瓶鏟至通風(fēng)良好，地勢平坦的空地靜置48h達(dá)到熱平衡后并進(jìn)行稱重，記為m1；經(jīng)過24h之后再次對氣瓶稱重，記為m2，則Δm=m1-m2；將稱量結(jié)果代入公式（7）即可求得靜態(tài)日蒸發(fā)率。注：整個氣瓶靜置過程中放空閥保持常開，稱重時關(guān)閉放空閥。

4.1.2.2 試驗結(jié)果與分析

本文試驗對首次試制的3只275L氣瓶連續(xù)3天進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率試驗，得到的實際日蒸發(fā)率數(shù)及平均日蒸發(fā)率如表1所示。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可算出，首次試制的3只275L氣瓶的平均靜態(tài)蒸發(fā)率為2.258%/d，大于理論要求的2.225%/d，設(shè)計不合格。

4.2 二次試制

根據(jù)首次試制數(shù)據(jù)得出Q4＞Q1＞Q3＞Q2，而降低LNG氣瓶漏熱量的有效方法為：①采用熱流密度小的絕熱材料；②增長導(dǎo)熱路徑；③減薄壁管；④采用低導(dǎo)熱系數(shù)的支撐材料[3]。

我公司的絕熱工藝為成熟工藝，因此絕熱材料漏熱量不做更改。夾層管漏熱量僅占總漏熱的11.8%，因此對氣瓶前端支撐及后端支撐進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，降低漏熱。

作者秦峰在專利[4]詳細(xì)說明了減薄支撐管壁厚可以有效降低氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率。

作者楊帆在專利[5]詳細(xì)說明了后端支撐軸與軸套之間增加導(dǎo)熱系數(shù)小的環(huán)氧玻璃鋼可以有效降低氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率。

4.2.1 理論計算過程

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后帶入各系統(tǒng)參數(shù)和物性參數(shù)，Q1、Q2不變，Q3為1.28W，Q4為2.931W，計算出結(jié)果Q總為8.87W。將Q總帶入公式（1）可得理論計算靜態(tài)蒸發(fā)率為1.88%/d。

4.2.2 實際試驗過程

（1）試驗流程

參見4.1.2.1條。

（2）試驗結(jié)果與分析

對二次試制的3只275L氣瓶連續(xù)3天進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率試驗，得到的實際日蒸發(fā)率數(shù)及平均日蒸發(fā)率如表2所示。

結(jié)合表2數(shù)據(jù)可算出，二次試制的3只275L氣瓶的平均靜態(tài)蒸發(fā)率為1.925%/d，小于理論要求的2.225%/d，因此，設(shè)計合格。

4.3 兩次試制過程計算與實際NER分析

結(jié)合我公司企標(biāo)規(guī)定的275L氣瓶NER與4.1、4.2條的理論計算NER與實際平均NER可以清楚地看出，計算的靜態(tài)蒸發(fā)率數(shù)值比實際測量值小，這主要是由于各項傳熱的復(fù)雜性以及傳熱計算中忽略了氣瓶其他構(gòu)件的輻射及管道和閥門結(jié)霜等的影響；也未考慮環(huán)境溫度的改變對絕熱層有效導(dǎo)熱系數(shù)及低溫氣瓶內(nèi)壓力變化的影響，兩者的誤差很小，兩次試制過程計算結(jié)果與試驗結(jié)果誤差僅為3.1%和2.4%，低于普遍可以接受的誤差范圍（5%）[5]。

5 結(jié)語

（1）實際平均NER均大于理論計算NER。

（2）我公司275L車用LNG氣瓶試制試驗過程中兩次時間間隔較近，因此未考慮環(huán)境溫度對日蒸發(fā)率的影響。若兩次試制時溫差大，則必須將實際平均NER換算成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下（20℃，101.325kPa）的NER。

（3）總結(jié)設(shè)計LNG氣瓶時降低理論計算NER的方法，為后期設(shè)計者降低LNG氣瓶NER提供一定參考和借鑒。

[1]Q/DS 001-2015，車用液化天然氣瓶[S].

[2]GB/T18443.5-2010低溫絕熱壓力容器試驗方法——靜態(tài)蒸發(fā)率測定[S].

[3]王貴仁.陳叔平.張春燕.等.低溫容器的漏熱分析與試驗研究[J].石油化工設(shè)備.2007(9):20～22.

[4]秦峰.楊帆.夏園園.車用液化天然氣氣瓶前端支撐裝置——ZL 2012 2 0306448.2.

[5]楊帆.唐永科.夏園園.車用液化天然氣氣瓶后端支撐結(jié)構(gòu)——ZL 2013 2 0870022.4.

夏園園（1989-），女，2011.07畢業(yè)于大連大學(xué)機械工程學(xué)院機械設(shè)計制作及其自動化專業(yè)，職稱：助工。