CN109458558B - 一种低温绝热气瓶蒸发率检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温绝热气瓶蒸发率检测方法，方法包括以下步骤：充灌低温绝热气瓶后，保持放气阀门开启且关闭其他阀门，低温绝热气瓶静置第一阶段，获得第一阶段低温绝热气瓶的总漏热量Q_total、筒体漏热量Q_barrel以及计算筒体漏热量在总漏热量中的占比f，低温绝热气瓶进入测试的第二阶段，并计算实际蒸发率α₀，

获得低温绝热气瓶在第二阶段的计算蒸发率α_c：

比较计算蒸发率α_c与实际蒸发率α₀相对误差

如果误差值在5％以内，则认为计算蒸发率α_c是可靠的。

Description

一种低温绝热气瓶蒸发率检测方法

技术领域

本发明属于低温绝热气瓶技术领域，特别是一种低温绝热气瓶蒸发率检测方法。

背景技术

低温绝热气瓶作为一种载体，用于储存低温液体，例如常见的低温液体液氮、液氧、液氦、液氢以及家用的液化天然气等。在低温绝热气瓶发明之前，用于储存这些气体的多为多层保温材料的高压容器，其结构笨重，不利于运输及工业、家庭使用，而且相对应的绝热性能亦不如低温绝热气瓶，常常会造成较大的低温液体的蒸发损失。而低温液体则拥有着广泛的应用，常用的液化天然气就是现代家庭必不可少的气源，同时也是一些燃气汽车的燃料，而它的储存则是用到各种气瓶来实现；工业上的液氢可作为燃料，为诸如火箭发动机、燃料电池机车等提供动力；医院用到的液氧也是通过气瓶来储存，在急需时为病人提供氧气。这些低温液体的应用虽在不同领域，但都面临着一个共同的问题——安全可靠性。

低温绝热气瓶的绝热性能直接影响了储存低温液体时间的长短。低温液体通常温度都在零下两百摄氏度甚至更低，例如液氮温度为-196.56℃，液氢温度为-252.78℃，可见低温液体温度相对于环境温度非常低，其蒸发所需热量为外界环境相气瓶内部的漏热量，气瓶内液体吸收这部分漏热量蒸发变为气体，气体增多导致气瓶内压力上升，气瓶内压力超过安全压力时安全阀开始工作(安全阀门打开)，气体则会逸出进而造成蒸发损失。绝热性能越高表明外界向气瓶内漏热热量越小，气瓶内液体蒸发量与漏热量成正比，因而蒸发损失也会相应减少，低温液体得以储存更长的时间。工业上用以衡量低温绝热容器绝热性能的指标就是静态日蒸发率。静态日蒸发率是指在气瓶额定充满率下达到热平衡以后，在24h内由于外界漏热而蒸发引起的蒸发损失量占气瓶总储液量的比例。

任何一种材料都不能达到百分之百的隔绝热量的传递，低温绝热气瓶瓶壁也是如此。外界经由瓶壁向气瓶内部传递热量的过程是复杂的，总体上来讲可以概括为四个部分：筒体传热、两端封头传热、颈管传热以及支撑构件漏热。根据相关文献以及设计手册，可以确定的是，对于筒体漏热量的计算拥有相对完善的计算公式，且具有相对较高的可靠性；而封头漏热、颈管传热以及支撑构件漏热等部分漏热量的计算尚不完善，可靠性不如筒体漏热计算。而在外界传热的过程中，筒体漏热占总体漏热的比例可认为是稳定不变的。

检测低温绝热气瓶静态日蒸发率的工作通常由拥有相应资质的检测机构承担，在工业应用上的流程为：(1)将待检测气瓶充至额定充满率，关闭除放空阀门之外的其他阀门，静置48h；(2)静置完成后，测定并记录接下来24h内气瓶放空阀门气体质量流量(或体积流量或气瓶总质量)，计算24h内静态日蒸发率；(3)接着测定并记录另外24h内气瓶静态日蒸发率，测量记录参数同第(2)步；(4)比对第(3)步与上一步检测的静态日蒸发率结果，二者误差在允许范围以内则检测结束，反之重复第(3)(4)步。从现有检测流程来看，检测时间最短为96h，如果两次检测结果误差较大则需要另外24h，依次类推。很显然，现有检测时间很长，最短需要4天，因此这一项安全指标的检测速度有待于提升。检测时间越长，一方面会耗费大量的时间成本，另一方面造成低温检测工质的浪费，不利于气瓶工业的快速发展。同时在检测时间越长，低温绝热气瓶内部液体蒸发量变多，液位出现下降，低温液体充满率低于额定充满率，势必造成检测结果的不准确。因此发展一种低温绝热气瓶静态日蒸发率的快速检测方法有着重要的意义。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种低温绝热气瓶蒸发率检测方法。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种低温绝热气瓶蒸发率检测方法包括以下步骤：

第一步骤中，充灌低温绝热气瓶后，保持放气阀门开启且关闭其他阀门，低温绝热气瓶静置第一阶段，获得第一阶段低温绝热气瓶的总漏热量Q_total、筒体漏热量Q_barrel以及经由

计算筒体漏热量在总漏热量中的占比f，

第二步骤中，低温绝热气瓶进入测试的第二阶段，在第二阶段内测量以下参数，u_g2---放气阀门气体流速，m/s；T_{amb_2}---环境温度，K；P₂---环境压力，MPa，并计算实际蒸发率α₀，

其中：

为速度测量仪修正系数；

ρ_g，ρ_l---分别为标况下气体和液体的密度，kg/m³；

u_g2为放气阀门气体流速，m/s；

A_gage为放气阀门截面积，m²；

V为气瓶有效容积，m³；

T_{amb_2}---环境温度，K；P₂---环境压力，MPa；

第三步骤中，获得低温绝热气瓶在第二阶段的计算蒸发率α_c：

其中，逸出气体质量流量q_{m_c}＝Q/r，总漏热量Q＝(Q_g+Q_l)/f，

其中，气相区漏热量

液相区漏热量

式中：T_{amb_2}---环境温度，K；

T_sat---对应气瓶压力下的饱和温度，K；

R_l---液相区总热阻，K/W；R_g---气相区总热阻，K/W；

f为筒体漏热量在总漏热量中的占比；

r为环境压力下的汽化潜热，J/kg；

第四步骤中，比较计算蒸发率α_c与实际蒸发率α₀相对误差

如果误差值在5％以内，则认为计算蒸发率α_c是可靠的，由此可推导出第二阶段后续时间的蒸发率，最终得出24h内的静态日蒸发率；如果误差值大于5％，则认为计算蒸发率α_c，误差大，返回第二步骤重新测量并记录参数并获得新的计算蒸发率α_c直到误差值在5％以内。

在所述的方法中，第一步骤，低温绝热气瓶的总漏热量Q_total为：

其中，Δh-ΔpV_g---气体内能增量，可由气体参数(测得的压力和温度)查物性表计算而得，J；

Δp---环境压力与气瓶压力差，Pa；

V_g---气瓶内气相体积，m³；

ρ_g---为标况下气体的密度，kg/m³；

u_g1---放气阀门气体流速，m/s；

A_gage---放气阀门截面积，m²；

r---环境压力下的汽化潜热，J/kg。

在所述的方法中，第一步骤S1，低温绝热气瓶的筒体漏热量Q_barrel为

其中，T_{amb_1}---环境温度，K；

T_sat---对应气瓶压力下的饱和温度，K；

T_aver-gas---气瓶内气体平均温度，K；

A_liq---液体润湿气瓶筒体内壁的面积，m²；

A_gas---气体与气瓶筒体接触面积，m²；

h---气瓶壁面与环境对流传热系数，W/(m·K)；

r₀---筒体内半径，m；L_liq---气瓶内液面高度，m；

L_gas---气瓶内气体所占高度(即筒体高度减去液面高度)，m。在所述的方法中，第三步骤中，液相区总热阻R_l为：

其中：h---外壁与环境自然对流换热系数，W/(m²·K)；

A_l---液相润湿筒壁面的面积，m²；

λ_barrel---筒体总导热系数，W/(m·K)；

λ_l---液体导热系数，W/(m²·K)；

l_l---液相润湿筒壁面的高度，m；

d_o，d_i---分别为筒体内外直径，m。

在所述的方法中，使用红外测温计测量气瓶外表面温度，用于计算外壁与环境自然对流换热系数h。

在所述的方法中，所述第二阶段为6小时。

在所述的方法中，所述第一阶段为48小时。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

本方法将低温绝热气瓶蒸发率测试分为两个阶段，静置阶段和测试阶段。在静置阶段通过测量并记录相关参数，进行一定的数据处理后获取用于测试阶段计算的比例系数f，运用该比例系数计算相应的24h内蒸发率，实现了缩短检测时间的目的，该方法依据传热学基本理论和低温绝热气瓶相应的设计方法计算和预测蒸发率，具有较高的准确度和可靠性。

本方法在缩短低温绝热气瓶检测时间的同时，也减小了低温检测工质(一般为液氮)的蒸发损失，避免了不必要的浪费，实现节能环保的目的。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的低温绝热气瓶蒸发率检测方法的步骤示意图；

图2是根据本发明一个实施例的实施低温绝热气瓶蒸发率检测方法的流程示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的低温绝热气瓶蒸发率检测方法的步骤示意图，如图1所示，一种低温绝热气瓶蒸发率检测方法包括以下步骤：

第一步骤中，充灌低温绝热气瓶后，保持放气阀门开启且关闭其他阀门，低温绝热气瓶静置第一阶段，获得第一阶段低温绝热气瓶的总漏热量Q_total、筒体漏热量Q_barrel以及经由

计算筒体漏热量在总漏热量中的占比f，

第二步骤中，低温绝热气瓶进入测试的第二阶段，在第二阶段内测量以下参数，

u_g2---放气阀门气体流速，m/s；T_{amb_2}---环境温度，K；P₂---环境压力，MPa，并计算实际蒸发率α₀，

其中：

---速度测量仪修正系数；

ρ_g，ρ_l---分别为标况下气体和液体的密度，kg/m³；

u_g2---放气阀门气体流速，m/s；

A_gage为放气阀门截面积，m²；

V---气瓶有效容积，m³；

T_{amb_2}---环境温度，K；P₂---环境压力，MPa；

第三步骤中，获得低温绝热气瓶在第二阶段的计算蒸发率α_c：

其中，逸出气体质量流量q_{m_c}＝Q/r，总漏热量Q＝(Q_g+Q_l)/f，

其中，气相区漏热量

液相区漏热量

T_{amb_2}---环境温度，K；

T_sat---对应气瓶压力下的饱和温度，K；

R_l---液相区总热阻，K/W；

R_g---气相区总热阻，K/W；

f为筒体漏热量在总漏热量中的占比；

r为环境压力下的汽化潜热，J/kg；

第四步骤中，比较计算蒸发率α_c与实际蒸发率α₀相对误差

如果误差值在5％以内，则认为计算蒸发率α_c是可靠的，由此可推导出第二阶段后续时间的蒸发率，最终得出24h内的静态日蒸发率；如果误差值大于5％，则认为计算蒸发率α_c，误差大，返回第二步骤重新测量并记录参数并获得新的计算蒸发率α_c直到误差值在5％以内。

在所述的方法中，第一步骤，低温绝热气瓶的总漏热量Q_total为：

其中，Δh-ΔpV_g---气体内能增量，可由气体参数(测得的压力和温度)查物性表计算而得，J；

Δp---环境压力与气瓶压力差，Pa；

V_g---气瓶内气相体积，m³；

ρ_g---为标况下气体的密度，kg/m³；

u_g1---放气阀门气体流速，m/s；

A_gage---放气阀门截面积，m²；

r---环境压力下的汽化潜热，J/kg。

在所述的方法中，第一步骤S1，低温绝热气瓶的筒体漏热量Q_barrel为

其中，T_{amb_1}--环境温度，K；

T_sat---对应气瓶压力下的饱和温度，K；

T_aver-gas为气瓶内气体平均温度，K；

A_liq---液体润湿气瓶筒体内壁的面积，m²；

A_gas---气体与气瓶筒体接触面积，m²；

h---气瓶壁面与环境对流传热系数，W/(m·K)；

r₀---筒体内半径，m；

L_liq---气瓶内液面高度，m；L_gas---气瓶内气体所占高度(即筒体高度减去液面高度)，m。

在所述的方法中，第三步骤中，液相区总热阻R_l为：

其中：h---外壁与环境自然对流换热系数，W/(m²·K)；

A_l---液相润湿筒壁面的面积，m²；

λ_barrel---筒体总导热系数，W/(m·K)；

λ_l---液体导热系数，W/(m²·K)；

l_l---液相润湿筒壁面的高度，m；

d_o，d_i---分别为筒体内外直径，m。

在所述的方法中，使用红外测温计测量气瓶外表面温度，用于计算外壁与环境自然对流换热系数h。

在所述的方法中，所述第二阶段为6小时。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，图2是根据本发明一个实施例的实施低温绝热气瓶蒸发率检测方法的流程示意图。为便于叙述本发明方法的实施过程，现以某一型号的低温绝热气瓶(高真空多层绝热)为例进行叙述。

首先按照规定的方法对待检测气瓶充灌检测工质，充装完毕后进入本发明方法的实施阶段。获取气瓶的材料及结构参数，计算气瓶筒体的传热性质。

该阶段数据处理方式如下(以高真空多层绝热气瓶为例)：

1)获得筒体传热参数

筒体总热阻：

其中每层之间气体等效导热系数：

T_j为夹层内平均气体温度，K；M为夹层内参与气体分子量；p为相邻两层间气体压力(即真空度)，温度分别为相邻两层辐射屏的温度，气体物性依据平均气体温度查取，δ₀为气瓶筒壁夹层总厚度，m；λ₀为自由分子热传导系数(对于空气可取1.12J/(m²·K·Pa·s))；α为壁面的适应性系数，与表面状态有关，对于空气一般取0.8-0.9；c_p、c_v分别是夹层内气体定压比热容和定容比热容，kJ/(kg·K)。

筒体支撑构件等效导热系数：

其中，m为单层辐射屏间支撑构件数目；

δ₁为单个层的厚度，m；

λ为单个构件的导热系数，W/(m·K)，例如对于常用的涤纶间隔物，其导热系数λ可用以下经验公式计算：

λ＝0.017+7×10^-6(800-T_aver-b)+0.0228×lnT_aver-b

T_aver-b为夹层平均温度，可认为是内外壁平均温度，K；

辐射屏等效导热系数：

其中，ε_out、ε_n、ε_in分别为气瓶外壁、夹层内辐射屏、内壁的发射率；

n---辐射屏层数；

T_in、T_out---分别为气瓶内外壁壁面温度，K；

σ---黑体辐射常数，为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；

考虑到气瓶外壁面在环境中进行自然对流，该部分自然对流热阻不可忽略，其计算方法如下：

其中，h---壁面与环境对流传热系数，W/(m·K)；

λ_air---空气导热系数，W/(m·K)；

l---筒体高度，m；

α_v---体积膨胀系数，可近似认为1/T_amb；

Δt---壁面温度与环境温度之差，K；

v---空气的运动粘度，m²/s；

Nu，Gr分别为努赛尔数和格拉晓夫数；Pr为普朗特数，可根据物性表查出；

C，n---为相应系数，根据Gr值大小取值，如下表所示

C	n	Gr
			0.59	1/4	1.43×10<sup>4</sup>～3×10<sup>9</sup>
0.0292	0.39	3×10<sup>9</sup>～2×10<sup>10</sup>
			0.11	1/3	≥2×10<sup>10</sup>

由此可依据传热学基本公式计算通过筒体由外界传入气瓶内部的热量，筒体传热量为：

2)获得气瓶总漏热量

气瓶总漏热量按下式计算：

3)获得筒体漏热量在总漏热量中的占比

(2)测试阶段

测试阶段的工作为校对所计算出来的蒸发率与实际测试中的误差，其中只需测试一定时间(6h)内的实际蒸发率，并与计算结果对比，如果误差满足要求，说明结果可靠，反之重新测定。

1)测试阶段主要测量并记录以下参数：环境温度T_{amb_2}、环境压力p₂、放气阀阀门气流速度u_g2及温度T_g2、气瓶外表面温度T_{w_2}等。根据阀门气流速度按下式计算蒸发率：

其中：α₀---瞬时蒸发率，％/d；

---速度测量仪修正系数；

ρ_g，ρ_l---分别为标况(101325Pa，273.15K)下气体和液体的密度，kg/m³；

u_g2---放气阀门气体流速，m/s；A_gage---放气阀门截面积，m²；

V---气瓶有效容积，m³；

T_{amb_2}---环境温度，K；P₂---环境压力，MPa；

以上参数用于和计算值的校对。

2)根据静置阶段获取的参数测试阶段的蒸发率

A.首先计算漏热量，对于气相和液相分别计算，

液相：

其中：Q_l---液相区漏热量，w；

T_{amb_2}---环境温度，K；T_sat---对应压力下的饱和温度，K；

R_l---液相区总热阻，K/W；

h---外壁与环境自然对流换热系数，W/(m²·K)；

A_l---液相润湿筒壁面的面积，m²；

λ_barrel---筒体总导热系数，W/(m·K)；

λ_l---液体导热系数，W/(m²·K)；

l_l---液相润湿筒壁面的高度，m；

d_o，d_i---分别为筒体内外直径，m；

气相：

其中，符号意义同液相公式，下标为g代表气相相关参数。

由此，总漏热量可以计算得出为Q＝(Q_g+Q_l)/f

f---为静置阶段计算得出的比例系数。

B.根据漏热量计算蒸发率

计算逸出气体质量流量：q_{m_c}＝Q/r

q_{m_c}---逸出气体质量流量，kg/s；

r---环境压力下的汽化潜热，J/kg；

计算蒸发率：

(3)比较测试阶段的实际蒸发率与计算蒸发率

相对误差：

如果误差值在5％以内，则认为蒸发率计算值是可靠的，由此可推导出后续时间内的蒸发率，最终得出24h内的静态日蒸发率。

如果误差值大于5％，则认为蒸发率计算值可靠性较差，此时需要继续测量并记录相关参数并计算蒸发率，直至24h结束。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (4)

1.一种低温绝热气瓶蒸发率检测方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤(S1)中，充灌低温绝热气瓶后，保持放气阀门开启且关闭其他阀门，低温绝热气瓶静置第一阶段，获得第一阶段低温绝热气瓶的总漏热量Q_total、筒体漏热量Q_barrel以及经由

计算筒体漏热量在总漏热量中的占比f，

第二步骤(S2)中，低温绝热气瓶进入测试的第二阶段，在第二阶段内测量以下参数，u_g2---放气阀门气体流速，m/s；T_{amb_2}---环境温度，K；P₂---为环境压力，MPa；并计算实际蒸发率α₀，

其中：

---速度测量仪修正系数；

ρ_g，ρ_l---分别为标况下气体和液体的密度，kg/m³；

u_g2---放气阀门气体流速，m/s；

A_gage---放气阀门截面积，m²；

V---气瓶有效容积，m³；

T_{amb_2}---环境温度，K；

P₂---环境压力，MPa；

第三步骤(S3)中，获得低温绝热气瓶在第二阶段的计算蒸发率α_c：

其中，逸出气体质量流量q_{m_c}＝Q/r，总漏热量Q＝(Q_g+Q_l)/f，

其中，气相区漏热量

液相区漏热量

T_{amb_2}---环境温度，K；

T_sat---对应气瓶压力下的饱和温度，K；

R_l---液相区总热阻，K/W；R_g---气相区总热阻，K/W；

f---筒体漏热量在总漏热量中的占比，

r为环境压力下的汽化潜热，J/kg；

第四步骤(S4)中，比较计算蒸发率α_c与实际蒸发率α₀相对误差

如果误差值在5％以内，则认为计算蒸发率α_c是可靠的，由此可推导出第二阶段后续时间的蒸发率，最终得出24h内的静态日蒸发率；如果误差值大于5％，则认为计算蒸发率α_c的误差大，返回第二步骤重新测量并记录参数并获得新的计算蒸发率α_c直到误差值在5％以内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤(S3)中，液相区总热阻R_l为：

其中：h---外壁与环境自然对流换热系数，W/(m²·K)；

A_l---液相润湿筒壁面的面积，m²；

λ_barrel---筒体总导热系数，W/(m·K)；

λ_l---液体导热系数，W/(m·K)；

l_l---液相润湿筒壁面的高度，m；

d_o，d_i---分别为筒体内外直径，m。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，使用红外测温计测量气瓶外表面温度，以计算外壁与环境自然对流换热系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第一阶段静置时间48h，所述第二阶段为6小时。

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