真空失效对低温容器绝热性能的影响

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.210668

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (7): 136-143.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.210668

所属专题： 2022年能源、动力与电气工程

• 能源、动力与电气工程 • 上一篇下一篇

真空失效对低温容器绝热性能的影响

陈叔平¹ 石顺宝¹ 朱鸣² 于洋³ 金树峰¹ 王鑫¹ 吴宗礼¹ 马晓勇¹

^1.兰州理工大学石油化工学院, 甘肃兰州 730050
^2.中国特种设备检测研究院, 北京 100029
^3.西安交通大学能源与动力工程学院, 陕西西安 710049

收稿日期:2021-10-20 出版日期:2022-07-25 发布日期:2022-02-25
通信作者: 陈叔平（1964-），男，教授，主要从事低温贮运技术及设备研究。 E-mail:chensp@lut.cn
作者简介:陈叔平（1964-），男，教授，主要从事低温贮运技术及设备研究。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2017YFC0805601);甘肃省青年科技基金资助项目(21JR7RA269)

Influence of Vacuum Failure on Heat-Insulating Property of Cryogenic Vessels

CHEN Shuping¹ SHI Shunbao¹ ZHU Ming² YU Yang³ JIN Shufeng¹WANG Xin¹ WU Zongli¹MA Xiaoyong¹

^1.School of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu，China
^2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029，China
^3.School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China

Received:2021-10-20 Online:2022-07-25 Published:2022-02-25
Contact: 陈叔平（1964-），男，教授，主要从事低温贮运技术及设备研究。 E-mail:chensp@lut.cn
About author:陈叔平（1964-），男，教授，主要从事低温贮运技术及设备研究。
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2017YFC0805601);the Gansu Youth Science and Technology Fund Program(21JR7RA269)

摘要/Abstract

摘要：

针对高真空多层绝热低温容器真空失效问题，建立不同真空度下的传热计算数学模型并搭建相应试验平台，使用干燥氮气作为破空介质开展真空失效试验研究。对几何容积120 L、初始充满率为50%的低温容器，分析其夹层真空度分别为10^-3、1、10²、10³ Pa时的排放量、压力及温度变化，并与理论计算结果进行验证。结果表明：低温容器压升率、排放量及气相温度随着夹层真空度的降低而升高；夹层真空度为10³ Pa时低温容器热流密度分别为10²、1及10^-3 Pa时的1.32、12.96及122.21倍，最大排放量分别为10²、1及10^-3 Pa的2.15、9.69、13.77倍；随着夹层真空度的降低，低温容器的安全隐患逐渐加剧。

关键词: 低温容器, 真空失效, 压升率, 排放量

Abstract:

Aiming at the vacuum failure of high-vacuum multilayer insulated cryogenic vessel, this paper established a mathematical model for calculating the heat transfer of the annular space with different vacuum failure degrees. A test platform on the vacuum failure insulation performance of cryogenic vessels was built up. The experiment used dry nitrogen as leaking gas to fill the annular space of a 120 L cryogenic vessel with 50% initial filling rate. The boil-off gas, pressure and temperature variations were analyzed when the vacuum degrees of annular space were 10^-3, 1, 10², and 10³ Pa. The results were verified by theoretical calculation. The result shows that the pressure rise rate, boil-off gas and the temperature of ullage in the inner vessels increase with the decrease of vacuum degree of annular space. When the vacuum degree is 10³ Pa, the heat flow density of the cryogenic vessel is 1.32, 12.96, and 122.21 times of that in 10², 1 and 10^-3 Pa, respectively. The maximum boil-off gas is 2.15, 9.69 and 13.77 times of that in 10², 1 and 10^-3 Pa, respectively. With the decrease of the annular space of vacuum degree, the potential safety hazards of cryogenic vessels are gradually aggravated.

Key words: cryogenic vessel, vacuum failure, pressure rise rate, boil-off gas

中图分类号:

TB658

陈叔平, 石顺宝, 朱鸣, 等. 真空失效对低温容器绝热性能的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(7): 136-143.

CHEN Shuping, SHI Shunbao, ZHU Ming, et al. Influence of Vacuum Failure on Heat-Insulating Property of Cryogenic Vessels[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2022, 50(7): 136-143.

图/表 13

图1

图2

图3

图4

表1

图5

图6

表2

图7

图8

图9

图10

图11

参考文献 21

1	周伟明，陈朝晖，魏蔚．深冷真空绝热容器标准技术发展与展望［J］．压力容器，2013，30（2）：1-14.
	ZHOU Weiming， CHEN Zhaohui， WEI Wei ．Standard technical development and prospect of cryogenic vacuum adiabatic vessel［J］．Pressure Vessel Technology，2013，30（2）：1-14.
2	周伟明．低温液体运输装备行业现状与发展对策［J］．专用汽车，2004，21（2）：41-44.
	ZHOU Weiming ．State of the art of transportable equipment for cryogen and relative countermeasures［J］．Special Purpose Vehicle，2004，21（2）：41-44.
3	王武昌，李玉星，孙法峰，等．大型LNG储罐内压力及蒸发率的影响因素分析［J］．天然气工业，2010，30（7）：87-92，137-138.
	WANG Wuchang， LI Yuxing， SUN Fafeng，et al ．Controlling factors of internal pressure and evaporation rate in a huge LNG storage tank［J］．Natural Gas Industry，2010，30（7）：87-92，137-138.
4	KANDA M， MATSUMOTO K， YAMAGUCHI S ．Heat transfer through multi-layer insulation （MLI）［J］．Physica C：Superconductivity and Its Applications，2020，583：1353799/1-7.
5	LUDWIG C， DREYER M E， HOPFINGER E J ．Pressure variations in a cryogenic liquid storage tank subjected to periodic excitations［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，66：223-234.
6	罗若尹，王博，甘智华，等．真空完全丧失下LNG罐式集装箱的储存规律研究［J］．工程热物理学报，2021，42（8）：1930-1935.
	LUO Ruoyin， WANG Bo， GAN Zhihua，et al ．Study on performance of LNG tank containers after insulating vacuum loss［J］．Journal of Engineering Thermophysics，2021，42（8）：1930-1935.
7	SANGEUN R， GIHUN S ．Numerical study of natural convection in a liquefied natural gas tank［J］．Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26（10）：3133-3140.
8	陈亮，梁国柱，邓新宇，等．贮箱内低温推进剂汽化过程的CFD数值仿真［J］．北京航空航天大学学报，2013，39（2）：264-268.
	CHEN Liang， LIANG Guozhu， DENG Xinyu，et al ．CFD numerical simulation of cryogenic propellant vaporization in tank［J］．Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2013，39（2）：264-268.
9	MANSU S， SANGKWON J ．Analysis of self-pressurization phenomenon of cryogenic fluid storage tank with thermal diffusion model［J］．Cryogenics，2010，50（9）：549-555.
10	秦天怡，石玉美．低温液体无损储存数学模型的修正和验证［J］．化工学报，2018，69（S2）：89-94.
	QIN Tianyi， SHI Yumei ．Revision and validation of ventless storage model of cryogenic fluid［J］．Journal of Chemical Industry and Engineering，2018，69（S2）：89-94.
11	WEBER C， HENRIQUES A， GROHMANN S ．Study on the heat transfer of helium cryostats following loss of insulating vacuum［J］．IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2019，502： 012170/1-5.
12	YANG Changhai， QU Shoujiang， MENG Songhe，et al.Steady heat transfer analysis and parameter optimization for multilayer thermal insulations［J］．Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2006，23（4）：257-263.
	闫长海，曲寿江，孟松鹤，等．金属热防护系统多层隔热材料的传热分析及参数优化［J］．南京航空航天大学学报（英文版），2006，23（4）：257-263.
13	WANG B， HUANG Y H， LI P，et al ．Optimization of variable density multilayer insulation for cryogenic application and experimental validation［J］．Cryogenics，2016，80：154-163.
14	ZONG Z， OHUCHI N， TSUCHIYA K，et al ．Experimental study on heat transfer through a few layers of multilayer insulation from 300 K to 4.2 K［J］．IOP Conference：Materials Science and Engineering，2017，171（1）：012089/1-7.
15	赵一力，陈叔平，金树峰，等．基于两相流的无损储存系统仿真与实验研究［J］．低温工程，2018（6）：65-71.
	ZHAO Yili， CHEN Shuping， JIN Shufeng，et al ．Simulation and experimental study of ZBO storage system based on two-phase flow［J］．Cryogenics，2018（6）：65-71.
16	陈国邦，张鹏．低温绝热与传热技术［M］．北京：科学出版社，2004.
17	陈杰，张家骐，欧吉辉．气体稀薄效应对热流计算的影响［J］．空气动力学学报，2019，37（5）：691-697.
	CHEN Jie， ZHANG Jiaqi， Jihui OU ．Influence of rarefied gas effect on the computation of heat flux［J］．Acta Aerodynamica Sinica，2019，37（5）：691-697.
18	PRASANTH P S， KAKKASSERY J K ．Molecular models for simulation of rarefied gas flows using direct simulation monte carlo method［J］．Fluid Dynamics Research，2008，40（4）：233-252.
19	朱传勇，李增耀，赵新朋，等．纳米尺度下气体导热的DSMC模拟［J］．工程热物理学报，2016，37（5）：1027-1031.
	ZHU Chuanyong， LI Zengyao， ZHAO Xinpeng，et al ．The DSMC study on gas heat conduction in nanoscale［J］．Journal of Engineering Thermophysics，2016，37（5）：1027-1031.
20	ABHIMANYU G， AMIT A， UPENDRA B ．Study of rarefied gas flows in backward facing micro-step using direct simulation monte carlo［J］．Vacuum，2018，155：249-259.
21	真空绝热深冷设备性能试验方法第6部分：漏热量测量：［S］.

名称	型号	测量范围	精度/%
气体流量计	AK-TGMFM	0.01~60 Nm³/h	±1.0~2.5
超低温压力变送器	PPM-T222E	0.0~0.5 MPa	±2
铂电阻温度传感器	PT-100	73~773 K	±0.15
无纸记录仪	RX-6000 F

真空度/Pa	稳定排放量/（m³·h^-1）	最大排放量/（m³·h^-1）	最大排放量与初始时刻的比值
10^-3	0.13	0.14	1.00
1	0.22	0.28	2.15
10²	1.17	1.26	9.69
10³	1.60	1.79	13.77

真空失效对低温容器绝热性能的影响

Influence of Vacuum Failure on Heat-Insulating Property of Cryogenic Vessels

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 21

相关文章 0

编辑推荐

Metrics

本文评价