低温绝热气瓶颈管传热的数值模拟与试验

环境的漏热使得储存的低温液体不断气化 , 低温绝热气瓶的总漏热量可以通过低温液体蒸发 量的测试来计算得出 。低温绝热气瓶的总漏热量 由三部分组成 :颈部漏热 、筒体漏热和底部支撑漏 热 ,而颈管部分的漏热往往占到低温绝热气瓶总 漏热量的 50%以上 。因此 ,分析颈管传热的大小 并设法降低颈部漏热量具有重要的工程意义 。
4 数值模拟与试验结果的比较与分析
的漏热量 ,此漏热量为通过颈管与绝热材料之和 , 量热器内筒体外表面积为 1. 892m2 ,试验测量的
试验主要在与低温绝热气瓶型式与尺寸基本 相同的低温量热器上进行 ,分别在 4 个液位高度
绝热材料的比热流为 1. 02W /m2 ,可以计算得出 通过绝热材料的漏热量为 1. 9298W ,如表 1。
温绝热容器中是比较明显的 ,从数值模拟计算和 试验的结果中均可看到此变化 。
3 颈管传热的数值模拟方法
3. 1 ANSYS热分析的基本原理
有限元分析的方法是目前在工程领域内常用
的数值模拟方法 [ 3 ] , ANSYS作为有限元分析软件
在热分析方面具有强大的功能 ,利用 ANSYS可以
分析工程中普遍存在的热问题 ,其热分析的基本
在施加合适的边界条件之后 ,对建立的有限 元模型进行热分析计算 ,得出模型的温度场分布 , 温度分布如图 3所示 。图 ( a)为整体模型的温度 分布 ,从图 ( b)中可以看出 ,模型的温度梯度主要 存在颈管上 ,达到 139K之高 ,所以颈管结构的热 传导对整体模型的漏热起到主要作用 。经过计算 得出通过整个颈管的漏热量为 2. 221W。
1 引言
随着工业气体行业和天然气工业的发展 ,用 于运输和储存各种低温液化气体的绝热气瓶应用 越来越广泛 ,其容量规格在数十升到数百升之间 。 为了节省占地面积和方便运输 ,型式以立式低温 容器为主 ,卧式容器仅用于液化天然气车载燃料 罐中 。
目前工业化生产的低温绝热气瓶均采用高真 空多层绝热的双筒体结构 ,内外筒体均为不锈钢 材料 ,容器内盛装 LN2、LO2、LA r、LNG等液化气 体 。为了减少漏热量 ,低温绝热气瓶均有颈管从 内筒体上封头伸出 ,另一端接集管头 ,各种管路经 过颈管从集管头引出与阀门相连 。作为支撑结构 的一部分颈管必须具有足够的强度 ,因此颈管的 壁厚和管径不能太小 ,而绝热气瓶外观高度限制 了颈管的长度 。工程应用中立式低温绝热气瓶颈 管的长度在 100—150mm , 管径在 40—60mm , 壁 厚一般为 1mm 左右 。
( a)模型温度分布 ( b)颈管处温度分布
图 3 温度分布
Fig. 3 The temperature distribution on the inner body of a cryogenic insulated cylinder
下进行蒸发量的测量 ,进而算出对应液位高度下
(2)
Q3 =λδe F2 ( T1 - T0 )
(3)
以往学者对大口径低温绝热杜瓦容器的研
究中对颈管漏热做过较多的理论与试验 [ 1, 2 ] ,在 大口径杜瓦容器中 ,颈管直径和长度与容器筒体 均在同一数量级 ,为了减少漏热 ,颈管多采用玻璃 钢材料 ,且敞口颈管加塞以减少辐射换热和弱化 气体对流 。低温绝热气瓶的颈管直径与长度相对
流为 1. 02W /m2 。
通过颈管漏入低温容器内的传热量主要有三
部分 :经由颈管的固体导热 Q1 ; 颈管上端面的辐
射漏热 Q2 ;气相空间内气体的换热 Q3。各部分的
计算方法如下 :
∫ Q1
= F1φ1
L1
T1
λ( T) dT
T0
(1)
Q2 =ε2 - 0σF2 ( T42 - T40 )Ω /2π
图 1 液位为 50%条件下的有限元模型 Fig. 1 The finite element model of 50% liquid level
图 2 随温度变化的导热系数 Fig. 2 Coefficient of thermal conductivity as a function of
temp e ra tu re
于容器尺寸都要小得多 ,颈管与筒体均为不锈钢 材料 。与大气连通时 ,蒸发的气体通过集管头中 的管路由排放阀流出 。因此我们认为 :经由颈管 的固体导热 Q1 包括颈管材料的导热和内筒体气 相空间的筒壁导热 ;颈管上端面的面积相对于内 筒体横截面积仅为 1%左右 ,因此辐射漏热 Q2 可 以忽略不计 。比较复杂的是气相空间内气体的换
由于已经通过实验计算出气瓶所用绝热材料
的比热流 ,故对于颈管传热的数值模拟分析是在
假设其内筒壁面完全绝热的前提条件下建立模型
进行计算的 。并且由于低温绝热气瓶为立式结
构 ,而颈管又有其特殊性 ,既比较细且长 ,使得气
瓶内液面上的气相空间相对较大 ,在气瓶处于静
置状态时 ,气相空间的氮气可以假设为稳定状态 ,
或流出 ) 有 :
Q - W =ΔU +ΔKE +ΔPE
(4)
式中 : Q —热 量 ; W —做 功 ; ΔU —系 统 内 能 ;
ΔKE —系统动能 ;ΔPE —系统势能 。
对大多数工程传热问题 :ΔKE =ΔPE = 0;通常
考虑没有做功 : W = 0,则 : Q =ΔU;对于稳态热分
析 : Q =ΔU = 0,即流入系统的热量等于流出的热
即忽略气体内部的对流传热和辐射传热 。本文的
稳态热分析主要考虑的是颈管材料和气相空间气
体的热传导作用 ,以及周围环境对集管头的自然
对ห้องสมุดไป่ตู้ 。
第 1期 低温技术 C ryogenics
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3. 3 有限元模型的建立及网格划分 本文取低温绝热气瓶的内筒体与颈管结构建
低温与超导 第 36卷 第 1期
低温技术 C ryogenics
Cryo. & Supercond. Vol. 36 No. 1
低温绝热气瓶颈管传热的数值模拟与试验
李阳 ,魏蔚 ,王彩莉 ,汪荣顺
(上海交通大学制冷与低温工程研究所 ,上海 200240)
摘要 :利用数值模拟的方法建立模型来分析高真空多层绝热气瓶容器的漏热量 ,与理论计算相比 ,能更精确分 析颈管传热包括颈管导热和气体换热所占的份额及液体充满率对颈管传热的影响 。模型中还考虑了不规则内筒 壁的导热和容器气相空间的传热 ,并且模拟结果与通过试验测试不同液位高度时绝热气瓶的漏热量吻合良好 。
量。
在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变
化 。稳态热分析的能量平衡方程为 (以矩阵形式
表示 ) : [ K ] { T} = {Q }
(5)
式中 : [ K ]为传导矩阵 ,包含导热系数 、对流
系数 、辐射率和形状系数 ; { T}为节点温度向量 ;
{Q }为节点热流率向量 ,包含热生成 。
3. 2 前提假设
立有限元模型 ,并且由于气瓶结构具有对称性 ,建 立有限元模型可以只取 180 度 ,如图 1 所示 。所 有结构均选择热分析单元 solid70,气瓶内筒壳体 为规则结构 ,其网格划分可以采用映射网格 ,但是 气相空间的边界比较复杂 ,只能采用自由网格划 分。 3. 4 边界条件的加载
气瓶内筒壳体部分使用的材料为奥氏体不锈 钢 ,实体部分为氮气空间 ,导热系数随温度变化如 图 2所示 ,并假设其随温度线性变化 。在液氮与 气瓶壳体和气相交界面处的温度边界条件为液氮 温度 77K,集管头上取环境温度 293K,自然对流 系数一般 3—10W /m2 K 之间 , 本文计算取 5W / m2 K。 3. 5 温度分布
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2 低温绝热气瓶传热的理论分析
当气瓶装配良好并垂直静止放置时 ,底部支 撑的漏热量很小 ,因此本文的研究仅考虑多层绝 热材料的漏热和外界由颈管部传入的热量 。
尽管有经验公式可以计算多层绝热材料的表 观热导率 ,量热器法仍是可以精确测量不同材料 组合和层数的高真空多层绝热材料绝热性能的最 好方法 。根据绝热气瓶内筒体的外表面积和多层 材料的比热流可以计算出筒体部分的漏热量 。随 着多层绝热材料的工业化应用和真空获得与维持 工艺的成熟 ,绝热材料的漏热量可以做到 1W /m2
收稿日期 : 2007 - 10 - 31 作者简介 :李阳 (1979 - ) ,女 ,在读博士生 ,主要从事低温传热 、低温容器有限元分析方法和低温吸附方面的研究 。
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低温技术 C ryogenics 第 1期
以下 。后面的试验中 ,我们采用的高真空多层绝 热材料经工业量热器测试在满液条件下平均比热
关键词 :低温绝热气瓶 ;漏热 ;颈管 ;数值模拟 ;液位
Num er ica l sim ula tion and exper im en ta l of hea t tran sfer in cryogen ic in sula ted cylinders neck tube
L i Yang, W ei W ei, W ang Caili, W ang Rongshun ( Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai J iaotong University, Shanghai 200240, China) Abstract: This paper analyses the heat loss of high vacuum multilayer cylinder through the model based in means of numeri2 cal simulation. Compares w ith the theoretical calculate, the method of numerical simulation can more accurately analysis the heat transfer of neck tube, including the heat conduction and gas heat transfer, and the effect of fraction of liquid volume on the heat transfer of neck tube. The heat conduction of irregular inner cylinder wall and heat transfer in gas space is in consideration in mo2 dal. The simulation result of heat loss is consistent with experiment testing. Keywords: Cryogenic insulated cylinders, Heat loss, Neck tube, Numerical simulation, L iquid level
容器内的热量 。为了简化计算 ,对 Q3 我们仅考虑 气相空间气体的导热 ,包括颈管内气体的导热和 容器气相空间中气体的导热 。
随着容器液体充满率的变化 ,液位高度的不 同会改变固体导热和气体导热的大小 ,相应颈管 及气相空间内筒壁上的温度场分布也会有变化 。
这种液位的变化带来的漏热量的变化在不锈钢低
原理是将所处理的对象划分成有限个单元 (包含
节点 ) ,然后根据能量守恒的原理求解一定边界
条件和初始条件下的每个节点处的平衡方程 ,由
此计算出各节点的温度值 ,进而进一步求解出其
它相关量 。本文主要通过稳态热分析对颈管进行
传热分析 。
热力学分析遵循热力学第一定律 , 即能量守
恒定律 , 对于一个封闭的系统 (没有质量的流入
热 Q3 。气相空间内气体上部与环境温度的集管 头接触 ,下部与低温液体接触 ,当低温容器无损储 存时没有蒸发气体流动 ,可以认为仅存在气体导 热 ,忽略对流换热 。而当容器与大气连通时 ,蒸发 气体流出带动气体对流使换热增强 ,同时流出的 气体在颈管处换热又会带走一部分外界漏热 ,因 此强化流出气体与颈管的换热可以减少外界漏入