CN103354792B - 用于在容器内部使用的可充气元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在容器(2)的内部用作流体振动的阻尼器的可充气元件，容器(2)具有容器底壁、容器上壁(31)和容器侧壁(9'、9"、10'、10")，该容器适于运输液化气体及其蒸汽，例如液化天然气或LNG；元件壁(5)包括元件底壁(7)、上壁(8)和侧壁(13)；在使用位置中，该元件以其底壁漂浮在液体负载(3)上，并且其中，可充气元件(4)具有厚度(d)，该厚度(d)小于液体表面和容器的上侧壁(31)之间的高度，并且其中，设置有开口(11)，该开口(11)从元件底壁(7)延伸到元件上壁(8)，构成开放流体连接。

Description

用于在容器内部使用的可充气元件
本发明涉及用于在容器内部用作流体振动的阻尼器的可充气元件。
容器是封闭的空间，适于存储液体负载，特别地，容器适于传输液化气体及其蒸气，例如液化天然气或LNG；
封闭的容器设置有容器底壁、容器上壁和容器侧壁；
可充气元件包括元件壁，元件壁限定具有用于容纳充气气体的固定体积的封闭内部空间；元件壁包括元件底壁、元件上壁和元件侧壁；
在使用位置中，可充气元件以其元件底壁漂浮在液体负载的自由液体表面上。
已知的是运输罐(油槽车)以及卡车会由于例如加速/提速或者制动/减速、转弯时的高速、(近距离)碰撞导致的转向等各种原因而呈现不期望的动态行为，这甚至可能导致翻车。这种影响大部分取决于容纳在存储罐、卡车或槽车中的货物类型。例如，自由可移动(低粘度)液体在遭受槽车的突然操作时容易产生运动。液体的前后移动或晃动可能产生额外的脉冲力，从而加速槽车或卡车的翻车。为了防止液体在存储罐的轴纵向或驱动方向上的晃动或振动，法规规定在容积超过一定限值的容器内部安装挡板。这些挡板存在以下劣势：其仅仅阻尼轴向液体运动，使得液体的非轴向运动，例如径向或切向运动，将不会被阻尼或者仅仅阻尼到很小的程度。进一步，这些板自身具有质量和体积，从而减小了容器的容量。进一步，这些板通常固定地安装在容器的内部，这将需要高强度的内部安装、检查、维修和清理。进一步，固定安装在容器内部的板会将振动的液体的一部分脉冲力和能量传递给容器和容器壁。
在用于通过水进行运输和/或在海上存储液体和气体的油槽船中，也会由于水的起伏和水上船的浮动而使液体发生摆动和晃动。气槽船(gastanker)，例如LNG(液化天然气)运输船或载体，通常容纳两个或更多容器，在该容器中存储和/或运输气体，该气体在大约-163℃以及环境压力下会冷却为液体。容器可以是球体形式的“自支撑”型或可以是由船的船体直接支撑的“膜”型。自支撑的容器在各球体之间产生大量空的闲置间隔，使得这种船舶的容量小于更好地利用了容器中可用空间的“膜”型船舶的容量。自支撑容器对由晃动的液体施加的力具有较大阻力，并因此优选用作海上存储罐。对于“球”型，气体在一定压力下被存储，导致“球”的壁厚很大，这会产生高的成本以及大的重量。
对于“膜”型的容器，待运输的气体在大气压力下呈现液体形式以及蒸汽形式。由热传导所供应的能量以及通过液体货物的摆动或晃动而被吸收到液体中的能量使得流体“沸腾”。液体在气体运输船的容器中的晃动或翻滚依赖于水涨以及气体运输船的负荷度。当负荷度增加时，船吃水较深，使得船和容器中货物的自然频率以及振动和摆动频率发生改变。在气体运输船中也产生如下影响：液体的晃动和翻滚将导致能量吸收并因此导致液体蒸发，因此需要额外的冷却或去除过多的能量。在下文中，术语LNG(液化天然气)运输船指的是用于储存和/或运输液化气体的气体运输船。
这些影响使得不可能充分开发容器的容量并且将填充率的值减小到大体10％和75％之间。这导致操作限制，特别是对于在期货市场上运行的LNG穿梭运输船，其不能排放或装载商业需要的或操作需要的气体量，这是因为，例如，在恶劣的海上条件下，其不可能锚泊到浮筒，这导致了贸易损失。而且在油田和气田的开采中，当使用LNG运输船作为靠近钻孔的浮动存储器，需要在波浪或海水晃动中具有尽可能最大的稳定性的最大容量。LNG运输船还用于所谓的“再气化”，其中，环境热被用于蒸发液态(天然)气体并用于将气体输送给客户。
液态气体根据温度和压力在容器中构成液-汽平衡。选定该压力和温度以使得在大气条件下容器中的气态产物基本上呈现为沸腾液体。液体之上的自由空间因此完全被处于液态的产物的蒸汽或气体填充。
从US 3120902可知这样一种可充气元件，其可用作填充有水的开放蒸煮罐上的浮动顶部或盖。蒸煮罐的盖设置有金属中心管，其在底侧通向蒸煮罐的内部以便收集形成在其中的沼气，并且其在顶部装配有泄压阀和下游通道以便继续在气体燃烧室或气体处理设备中处理所收集的气体。该盖不适于插入(现有的)用于液化气体的容器中以在运输期间用作对液态气体的振动的阻尼器。
众所周知的是在运输或存储设备的容器的内部设置可充气袋、气囊、缓冲垫或气球，并且利用诸如氮气或空气的充气气体、通过使用例如压缩机对其加压，或者利用来自高压存储罐的充气气体对其加压，使得气球填充容器的大部分自由空间，并因此限制了液体的晃动和蒸汽的形成。优选地，可充气元件形成紧密连接到容器内部壁的形状和/或力，从而获得对流体的运动或摆动的良好阻尼效果。合适的实施方式所构成的可充气元件设置有折壁，或可拉伸/可折叠的壁，或可分别在将充气气体供给到可充气元件中或在排放充气气体时折起和展开或拉伸和收缩的壁。这种类型的可充气元件不适于插入LNG运输船的容器中，因为液体和蒸汽必须保持接触，以便能够冷却和排放蒸汽。
本发明的目的是提供一种可充气元件，其阻尼且还极大地减小了(运输)容器中的诸如液化气体的流体的摆动或晃动，而不必使整个自由空间都填充可充气元件。
该目的通过本发明来实现，本发明提供一种可充气元件，该可充气元件的厚度小于自由液体表面和容器的容器上壁之间的高度，且其中，可充气元件设置有开口，该开口从元件底壁延伸到元件上壁，其中，该开口构成液化气体和蒸汽气体之间的开放流体连接。
利用上述措施，蒸发的液体可以通过由可充气元件中的开口形成的流体连接而流入蒸汽空间，并且冷凝气体可流回到液化气体中，同时液体的摆动和晃动通过液体表面之上的可充气元件而被阻尼。
在优选的实施方式中，可充气元件设置有靠近容器侧壁的摩擦阀或稳定体。由于该特征，可充气元件在其边缘上获得了额外的稳定性，而不会在该元件因液位的改变而位移期间产生额外的阻力。
优选地，可充气元件设置有靠近容器的四个相对的容器侧壁的摩擦阀或稳定体。特别地，稳定体围绕可充气元件的整个周向边缘延伸且构成一件式周向体。通过对四个相对的容器侧壁中的每个侧壁附接摩擦阀并且提供一件式的稳定体，可充气元件不易于沿着容器侧壁向上或向下运动，从而提供对液体振动具有稳定以及阻尼效果的可充气元件。
优选地，在使用位置中，元件底壁是基本上平坦的且元件上壁被拱起、弯曲或被多重拱起或弯曲。从而，容器中的流体运动将难以导致可充气元件的变形，使得能够更好地阻尼液体振动。
以下实施方式是优选的，其中摩擦阀是包括用于容纳充气气体的封闭内部空间的可充气体或元件。利用这些措施，在摩擦阀和容器内部壁之间的摩擦或阻力的大小可通过使摩擦阀在水平方向上更厚或更宽和/或通过使摩擦阀在垂直方向上更长而被调整，从而在摩擦阀和容器内部壁之间产生扩大的摩擦表面。
特别地，连接通道设置在摩擦阀的内部空间和可充气元件的内部空间之间。当可充气元件的内部空间中的压力增加时，该连接通道将使摩擦阀更长且更厚。
以下实施方式是优选的，其中，连接通道是细长缝，该细长缝形成可充气元件和摩擦阀之间的开放流体连接。其结果是，在可充气元件和摩擦阀之间形成良好的流体连接，使得在维持摩擦阀和容器壁之间的稳定摩擦力的同时保持由可充气元件施加在容器的竖直壁上的压紧力。
在可替换实施方式中，设置有支撑元件，该支撑元件从可充气元件的元件上壁延伸到容器的容器上壁。
特别地，支撑元件是能够通过供给或排放可充气气体而在高度上进行调整的可充气部件。
这些支撑元件将可充气元件保持在液体表面上的合适位置上，使得将发生对流体振动的阻尼。因为支撑元件可例如通过供给或排放可充气气体而伸出或移入，所以可充气元件的垂直位置可适应于容器的填充程度。
在第一可替换的实施方式中，摩擦阀的特征在于其是实质上水平的柔性阀，该实质上水平的柔性阀通过旋转或弯曲点连接到可充气元件的元件侧壁。
特别地，柔性阀由诸如橡胶的坚韧弹性材料或塑性材料制成。通过该实施方式，可以在可充气元件和容器壁之间提供封闭物，该封闭物可容易地在“膜”型气体运输船的内部沿着容器壁的突出部分移动，该突出部分为例如壁的弯曲部/扭转部或壁舌部。
摩擦阀的第二可替换实施方式的特征在于，摩擦阀是柔性卷，该柔性卷围绕旋转轴旋转地安装在可充气元件的元件侧壁上。
特别地，柔性卷由诸如海绵状材料的柔性可压缩的材料和/或诸如毛发的纤维材料制成。在卷围绕其轴旋转的同时，壁的突出部分，例如壁的弯曲部/扭转部或舌部，将卷的材料按压在一起，使得可充气元件可容易地向上和向下移动而不会损害壁和/或可充气元件。
本发明还涉及包括具有可充气元件的容器的运输或存储设备。
进一步通过附图和可充气元件的一些实施方式来解释本发明，从而显示出其特征和其他优势。
图1是具有用于液化气体的数个容器的LNG运输船的透视图；
图2示出了图1的容器的更多细节，其具有可充气元件；
图3以俯视图示出了设置有带有开口的可充气元件的容器；
图4示出了靠近容器侧壁的摩擦阀的更多细节；
图5A以侧视图示出了设置有支撑元件的可充气元件的可替换实施方式；
图5B示出了图5A的支撑元件的透视图；
图5C示出了图5A的实施方式的俯视图；
图6A、6B、6C示出了摩擦阀的可替换实施方式；
图7示出了摩擦阀的第二可替换实施方式和卷阀。
图1示出了具有数个容器2的运输或存储设备。本实施例中的运输设备是气体运输船1，其设置有8个容器2或罐，该容器2或罐被装备以用于运输液体负载3；在本实施例中，其特别用于运输液化气体，例如LNG(液化天然气)。适于运输液化气的气体运输船在下文被称为LNG运输船。LNG运输船设置有装置和设施以便通过维持正确的温度和压力来保持气体的液化。
在图2中更详细地示出了容器2。容器2形成封闭空间以用于存储、并且可选择地用于运输液化气体及其蒸气；类似于例如天然气或LNG。封闭的容器具有容器底壁、容器上壁31和容器侧壁9'、9"、10'、10"。容器2填充有大约四分之三的液化气体3，使得液体顶面近似地位于容器2的四分之三高度处。在液体3的顶部漂浮着可充气元件或气囊4，可充气元件或气囊4具有元件壁5，其限定封闭的内部空间6；元件壁5由平坦元件底壁7、多重弯曲的元件上壁8和元件侧壁13形成。摩擦阀20'、20"设置在元件侧壁13之上，其提供与容器2的容器侧壁9'、9"、10'、10"的紧密连接。可充气元件4具有厚度d，其小于自由液体表面和容器2的容器上壁31之间的高度；使得可充气元件4仅占据容器的蒸汽空间的一小部分。可充气元件4连接到诸如空气压缩机的充气辅助装置(未示出)和控制单元上，诸如空气或其他气态产物的充气气体可通过该充气辅助装置和控制单元而进出可充气元件4。还提供控制装置，例如控制灯，其被设置在控制室内或气体运输船的区域内。
图2的可充气元件4设置有开口11，该开口11从元件底壁7延伸到元件上壁8。开口11由此构成液化气体和蒸汽气体之间的开放流体连接。汽相是通过这些开口11而与液相处于开放接触的，使得气化液体可通过可充气元件4逸出或使得冷凝蒸汽可流回到液体中。在具有处于比环境温度更低的温度的液化气体的这种容器2中，热量被传导到容器2中，且容器中液体的摆动和晃动所产生的热量形式的能量被吸收，从而造成能量的损失。液体的稳定以及液体振动的阻尼限制能量流动到容器2，从而节省了能量。
在图3中以容器2的俯视图示出了具有设置的开口11的可充气元件4。多个开口11可在数量和尺寸上发生变化，可以概括地说明的是，这些开口11在元件顶部壁8上的规则分布是有利的。
图4为图3的剖面IV-IV，其详细示出了可充气元件4和壁元件5，壁元件5在本实施方式中由元件顶部壁8和元件底壁7形成。元件壁5的一部分可设置有诸如织物纤维网或载体的加强元件。元件底壁7优选地设置有加强元件以防止变形且保持平坦表面，这对于阻尼液体3的振动是有利的。为了在可充气元件4的元件上壁8上提供规则的、纵向延伸的弯曲表面，可充气元件设置有在元件上壁8和元件底壁7之间的连接部分12。可充气元件4具有厚度d，其小于液体表面和容器2的容器上壁31之间的距离。
此外，在图4中示出了摩擦阀20"，其实施为具有内部空间21的可充气体。通过摩擦阀20"的摩擦壁23，摩擦阀20"平行于容器侧壁10"而延伸。摩擦壁23与容器侧壁10"的内部侧19接触且优选地抵着内部侧19压紧。这在容器侧壁、摩擦阀20"以及附接到摩擦阀20"上的可充气元件4之间产生了摩擦力，使得可充气元件4用作对液体振动的阻尼器，因为其是稳定定位在液体表面的，因此阻碍了液体的突然振动且阻尼了液体的振动。摩擦阀可安装在可充气元件4的一个、两个或所有四个元件侧壁上，或可配置成围绕可充气元件4的整个周向边缘延伸的周向体。容器侧壁和摩擦阀之间的阻力的大小可通过调整进入摩擦阀的内部空间21的空气量而被调整。
摩擦阀20'、20"可设置有单独的充气装置或可由控制系统设置。有利地，摩擦阀的内部空间21可以与可充气元件4的内部空间6开放连通，使得通过对可充气元件的充气或放气，容器2的各壁上的摩擦可同时发生变化。由此，连接通道22可设置在可充气元件4的内部空间6和摩擦阀20'、20"的内部空间21之间。在特定的实施方式中，连接通道22成形为细长缝，其在可充气元件4和摩擦阀20'、20"之间以极大程度水平延伸。摩擦阀20'、20"有时被称为盖或翼。
因为可充气元件4漂浮在液体负载3的液体表面上(但是不会完全填充蒸汽空间)，可充气元件4将用作流体振动的阻尼器，其具有阻止或减缓流体振动的形成的效果，且还具有阻尼容器2中的液体3的摆动或晃动运动的效果。甚至可通过进一步对可充气元件4充气来增加该阻尼效果，以达到使摩擦阀20'展开到与容器2的容器侧壁10"的内部侧19接触的程度。在该充气位置，摩擦阀20'的内部空间21也将完全填充有充气空气，使得将在容器侧壁10"和摩擦阀20'之间形成摩擦力，由此，可充气元件具有对容器2中的流体振动的较强阻尼效果。
在图5A、5B、5C的可替换实施方式中，可充气元件4'的摩擦阀20'、20"被支撑元件30取代，当仍设置有厚度d和贯通开口11。该支撑元件30从可充气元件4的元件上壁8延伸到容器2的容器上壁31。这些支撑元件30还将可充气元件4'保持在液体3的表面上的合适位置，使得还将产生对流体振动的阻尼。支撑元件30优选是可延伸的和可收缩的，使得可充气元件4的垂直位置可适应于容器2的填充程度。支撑元件30因此优选地设置有用于控制、供给和排放充气空气的单独的系统。支撑元件可包括折壁，以容易地延伸和收缩支撑元件30。
在图6A、6B、6C中示出了摩擦阀的第一可替换实施方式，其适于被应用到“膜”型容器2中。该容器2具有薄的膜壁45。这些膜壁45设置有弯曲部46或折壁结构，或有时还设置有重叠膜的突出舌部，这允许补偿因温度上的较大差异而导致的壁材料的延伸和收缩。这些突出弯曲部或舌部46对于根据本发明的可充气元件的操作是不利的。因此，本实施方式中的可充气元件4'设置有柔性阀40，其通过枢轴41布置到可充气元件4的元件侧壁13上。
在图6A中，可充气元件4"和柔性阀40在容器2中的液体表面之上向下移动。在图6B中示出的柔性阀40紧靠壁弯曲部46的上侧且围绕枢轴点41、相对于可充气元件4"略微偏斜。
在图6C中，已经向上移动的可充气元件4"的柔性阀40围绕枢轴点41、相对于可充气元件4的元件侧壁13向下倾斜，使得柔性阀40沿着壁弯曲部46且在壁弯曲部46上方移动。柔性阀40在可充气元件的向上和向下移动期间提供了与容器的膜壁45的良好密封且还提供了可充气元件4的压紧位置，这防止了晃动并提供了对液体的阻尼。
在图7中摩擦阀的第二可替换实施方式中应用了柔性卷50，其围绕附接到可充气元件4"'的元件侧壁13上的旋转轴51旋转。旋转轴以已知的方式，例如通过托架或类似物，连接到可充气元件4"'上。柔性卷或卷阀50由诸如海绵材料的柔性可压缩材料或诸如毛发的松纤维制成。这允许卷阀50容易地通过从膜壁45突出的障碍物，因为卷的材料在诸如壁弯曲部或舌部46的障碍物的位置处挤压在一起。柔性卷50的材料的柔性可容易地适应于膜壁45的机械强度或适应于安装在其上的膜或适应于通过可充气元件施加压紧力的需要，以防止液体的晃动或阻尼流体的摆动。
可充气元件4、4'、4'、4″′可以是具有厚度d的单个较大的内部空间或可被划分为隔间，例如安装在容器的纵向方向上的部份元件。
可充气元件可松散地插入容器中或可固定地附接到容器上；但是优选地，元件布置在容器中，使得在容器的容器侧壁上施加较小的力。
可充气元件可由任何合适的材料制成，例如塑料或纤维。

Claims (22)

1.一种可充气元件，其在容器(2)内部用作流体振动的阻尼器；
所述容器是封闭空间，适于存储液体负载(3)；
封闭的容器设置有容器底壁、容器上壁(31)和容器侧壁(9'、9"、10'、10")；
所述可充气元件(4、4'、4"、4'")包括元件壁(5)，所述元件壁(5)限定具有用于容纳充气气体的固定体积的封闭的内部空间(6)，所述元件壁(5)包括元件底壁(7)、元件上壁(8)和元件侧壁(13)；
在使用位置中，所述可充气元件(4、4'、4"、4'")以其元件底壁(7)漂浮在所述液体负载(3)的自由液体表面上；
其特征在于，所述可充气元件(4、4'、4"、4'")具有厚度(d)，所述厚度(d)小于自由液体表面和所述容器的所述容器上壁(31)之间的高度，且其中，所述可充气元件(4、4'、4"、4'")设置有开口(11)，所述开口(11)从所述元件底壁(7)延伸到所述元件上壁(8)，其中，所述开口(11)构成液化气体和蒸汽气体之间的开放流体连接。
2.根据权利要求1所述的可充气元件，其特征在于，所述容器适于传输液化气体及其蒸气。
3.根据权利要求2所述的可充气元件，其特征在于，所述液化气体为液化天然气LNG。
4.根据权利要求1所述的可充气元件，其特征在于，所述可充气元件(4、4'、4"、4'")设置有靠近容器侧壁(9'、10')的摩擦阀或稳定体(20'、20")。
5.根据权利要求4所述的可充气元件，其特征在于，所述可充气元件(4、4'、4"、4'")设置有靠近所述容器(2)的四个相对的容器侧壁(9'、9"、10'、10")的摩擦阀或稳定体(20'，20")。
6.根据权利要求5所述的可充气元件，其特征在于，所述稳定体(20'、20")围绕所述可充气元件(4、4'、4"、4'")的整个周向边缘延伸且构成一件式周向体。
7.根据前述权利要求1-6中任一项所述的可充气元件，其特征在于，在使用位置中，所述元件底壁(7)是基本上平坦的且所述元件上壁(8)被弯曲。
8.根据前述权利要求4-5中任一项所述的可充气元件，其特征在于，所述摩擦阀(20'、20")是包括用于容纳充气气体的内部空间(21)的可充气体或元件。
9.根据权利要求8所述的可充气元件，其特征在于，连接通道(22)设置在所述摩擦阀(20'、20")的所述内部空间(21)和所述可充气元件(4、4'、4"、4'")的所述封闭的内部空间(6)之间。
10.根据权利要求9所述的可充气元件，其特征在于，所述连接通道(22)是细长缝，所述细长缝形成所述可充气元件(4、4'、4"、4'")和所述摩擦阀(20'、20")之间的开放流体连接。
11.根据权利要求1所述的可充气元件，其特征在于，设置有支撑元件(30)，所述支撑元件(30)从所述可充气元件(4、4'、4"、4'")的所述元件上壁(8)延伸到所述容器(2)的所述容器上壁(31)。
12.根据权利要求11所述的可充气元件，其特征在于，所述支撑元件(30)是能够通过供给或排放可充气气体而在高度上得到调整的可充气部件。
13.根据权利要求4所述的可充气元件，其特征在于，所述摩擦阀是大致水平的柔性阀(40)，所述大致水平的柔性阀(40)通过旋转或弯曲点(41)连接到所述可充气元件(4、4'、4"、4'")的元件侧壁(13)上。
14.根据权利要求13所述的可充气元件，其特征在于，所述大致水平的柔性阀(40)由坚韧的弹性材料或塑性材料制成。
15.根据权利要求14所述的可充气元件，其特征在于，所述坚韧的弹性材料为橡胶。
16.根据权利要求4所述的可充气元件，其特征在于，所述摩擦阀是柔性卷(50)，所述柔性卷(50)围绕旋转轴(51)旋转地安装在所述可充气元件(4、4'、4"、4'")的元件侧壁(13)上。
17.根据权利要求16所述的可充气元件，其特征在于，所述柔性卷(50)由柔性可压缩材料制成。
18.根据权利要求16所述的可充气元件，其特征在于，所述柔性卷(50)由纤维材料制成。
19.根据权利要求16所述的可充气元件，其特征在于，所述柔性卷(50)由柔性可压缩材料和纤维材料制成。
20.根据权利要求17或19所述的可充气元件，其特征在于，所述柔性可压缩材料为海绵状材料。
21.根据权利要求18或19所述的可充气元件，其特征在于，所述纤维材料为毛发。
22.一种运输或存储设备(1)，包括容器(2)，所述容器(2)具有根据权利要求1-18中任一项所述的可充气元件(4、4'、4"、4'")。
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