CN116972328A - 一种均温型低温液体燃料储罐及延缓泄放方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种均温型低温液体燃料储罐及延缓泄放方法，涉及低温液体燃料储存领域。储罐装置由辐射制冷涂层、外壳体、真空绝热层、反射层、保温层、内胆、内胆内衬、内胆支撑、丝网、若干管道和阀门组成。本发明利用辐射制冷层，可以减少系统自身净吸热量；利用内插丝网改善罐内传热，抑制传热慢，比热低的气相区吸热快速升温升压导致的提前超压泄放，减少排放损失，达到液体燃料长时间存储的目的。与其他延长存储时间的技术相比，本发明具有能耗低，结构简单，成本低等优势。
Description
技术领域
本发明涉及低温液体燃料储存领域，具体涉及一种均温型低温液体燃料储罐及延缓泄放方法。
背景技术
为了更高的体积密度，包括氢能、天然气、氧气等通常以低温液体的形式长时间储存或长距离运输。由于低温液体与环境存在较大的温差，使其在储存过程中不可避免发生漏热。受到自然对流的影响，被加热的高温气体将逐渐聚集于罐内顶部，顶部气体由于传热慢且比热小，热量聚集情况下容易快速升温升压，导致储存系统提前达到泄放压力而泄放，造成液体燃料的损失。延缓超压泄放对低温液体燃料长时间存储系统具有重要意义，不仅可以降低低温液体燃料储存输运过程的损失，而且可以减少泄放造成的温室效应和污染，对于推动实现“双碳目标”具有重大意义。
目前，低温液体燃料存储领域延缓超压泄放损失的方法分为主动方式和被动方式。主动方式包括用其他低温液体冷却目标液体燃料，例如使用液氮或液氦等冷却液来延长液氢等液体燃料存储时间，或额外添加冷却系统，例如中国专利202222821009.1利用低温氦气冷却液氢。但是这样系统设备复杂，能耗高，成本高。中国专利202210853783.2通过在液氢储罐内添加催化剂以促进正仲氢转化吸热的被动方式，延长液氢存储时间。但是，催化剂活性会随着时间推移而逐渐下降，最终失效，失效后也难以更换。因此，低温液体燃料存储系统如何低能耗，低成本，长时间延缓超压泄放是当前的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种延缓超压泄放的低温液体燃料储罐装置及方法。本发明利用丝网可以改善罐内传热，抑制热分层现象，延缓顶部气体因快速升温升压导致的提前超压泄放，减少液体燃料损失，达到长时间存储的目的。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种均温型低温液体燃料储罐，包括外壳体、内胆、加注管、排气管和液体供应管；
所述外壳体与内胆之间同轴套设且通过内胆支撑相连，外壳体与内胆之间的区域形成真空绝热层；所述内胆外壁敷设有保温层，保温层外侧敷设有反射层；所述内胆内壁敷设有内胆内衬，内胆内部填充有丝网；所述外壳体外壁涂敷有辐射制冷涂层；
所述加注管的一端伸入内胆内顶部，另一端位于外壳体外部且分别与加注压力计和加注阀相连；所述排气管的一端伸入内胆内顶部，另一端位于外壳体外部且分别与气压计和三通管的第一端口相连；所述三通管的第二端口连接泄放管和泄放阀，第三端口连接气体供应管和气体供应阀；所述液体供应管的一端伸入内胆内底部，另一端位于外壳体外部且与液体供应阀相连。
作为优选，所述加注管部分内嵌于顶部的内胆支撑内实现固定，排气管和液体供应管分别部分内嵌于侧面的内胆支撑内实现固定。
作为优选，所述保温层由多层保温材料构成，保温材料包括玻璃纤维、硅酸铝岩棉、玻璃棉和气凝胶材料中的一种或多种的组合。
作为优选，所述均温型低温液体燃料储罐的放置方式为立式或卧式，型号为C型储罐、杜瓦罐或球形罐。
作为优选，所述丝网的形状包括人字形网、乙字形网、菱形网、马蹄式网、链条式网、眼镜形网、链板式网或球型网。
作为优选，所述丝网的材料为泡沫金属、碳纤维、铝或钢。
作为优选，所述加注管伸入内胆的一端突出于内胆内衬，使内胆内部液体无法完全充满。
第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述均温型低温液体燃料储罐的延缓泄放方法，具体如下：
开启加注阀，通过加注管向内胆内部加注低温液体燃料直至液面与加注管端部平齐，通过加注管对液体燃料实现液封；
在储存过程中，由于罐内的低温液体燃料与外部环境之间存在温差，在保温层的作用下仍然存在持续的吸热过程，导致罐内液体燃料吸热升温变成气态燃料；同时，由于液体燃料充注的充液率小于1，导致罐内存在上下气液分层现象；在罐内低温液体燃料与外部环境的吸热过程中，由于罐内上部气相区的燃料导热系数相较于下部液相侧较低，导致气液两相间热量传递热阻较大，气相容易出现局部过热现象；通过罐内设置的导热性能良好的丝网，减小气相区以及气液界面的传热热阻，抑制温度分层现象，从而避免气相区由于热阻较大且热容较小而出现局部快速升温而升压的现象，避免因局部压力升高导致均温型低温液体燃料储罐在较低的平均温度下出现超压泄放现象，从而延缓了超压泄放过程，增加了低温燃料储罐的安全储存时间，达到长时间存储的目的；通过在外壳体外壁涂敷的辐射制冷涂层，在原有的热平衡的基础上，增加外壳体表面对外散热功率，从而减小罐内的吸热功率，使得在相同的吸热量的情况下，吸热时间延长，从而延缓了均温型低温液体燃料储罐的超压泄放过程；由于上表面气相区的辐射制冷功率明显大于下表面，也进一步抑制了上表面的气相吸热局部升温升压的现象，进一步降低了气液温差，提高了均温性，从而延长了安全存储时间；在罐内液体燃料吸热升温变成气态燃料的过程中，罐内压强逐渐升高，当气压计的读数超过泄放压力时，开启泄放阀使部分气体通过泄放管泄放至外界。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)本发明利用内插丝网促进低温液体储罐气相区热量向液相区扩散，从而抑制传热较慢的气相区局部快速升温升压导致的系统提前超压泄放，延长了液体燃料存储时间。
(2)本发明采用被动式辐射制冷，从而有效减小罐体自身的净吸热量，进而延缓低温液体储罐吸热升温升压导致的超压泄放。
(3)本发明采用被动方式，结构简单，能耗低，成本低，同时丝网采用密度较小的材料，可以减轻系统重量，便于储存系统安装，检修以及运输。
附图说明
图1是一种均温型低温液体燃料储罐的装置结构示意图；
图2是球形液氢储罐内有无丝网的气液两相测点温度随时间变化图；
图3是球形液氢储罐内有无丝网的罐内压强随时间变化图；
图中：辐射制冷涂层1、外壳体2、真空绝热层3、反射层4、保温层5、内胆6、内胆内衬7、内胆支撑8、丝网9、加注管10、加注压力计11、加注阀12、排气管13、气压计14、泄放管15、泄放阀16、气体供应管17、气体供应阀18、液体供应阀19、液体供应管20。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明提供的一种均温型低温液体燃料储罐。在实际使用时，均温型低温液体燃料储罐的放置方式可以为立式或卧式，型号可以为C型储罐、杜瓦罐或球形罐。该装置主要包括外壳体2、内胆6、加注管10、排气管13和液体供应管20，下面将对各部件的结构和连接方式进行具体说明。
本发明装置中，外壳体2内部套设有内胆6，两者之间通过多个内胆支撑8固定相连，外壳体2与内胆6之间的区域形成真空绝热层3。内胆6外壁敷设有一定厚度的保温层5，保温层5外侧敷设有反射层4。内胆6内壁敷设有内胆内衬7，内胆6内部填充有丝网9。外壳体2外壁涂敷有辐射制冷涂层1。
在实际使用时，保温层5由多层保温材料构成，保温材料包括玻璃纤维、硅酸铝岩棉、玻璃棉和气凝胶材料中的一种或多种的组合。反射层4材料为铝箔或锡箔，主要功能是反射辐射散热。内胆内衬7材料为铝等，主要功能是防止低温液体燃料通过内胆渗漏。丝网9的形状可以采用人字形网、乙字形网、菱形网、马蹄式网、链条式网、眼镜形网、链板式网或球型网等。丝网9的材料可以采用泡沫金属、碳纤维、铝或钢等。
本发明装置中，加注管10的一端伸入内胆6内顶部，另一端位于外壳体2外部且分别与加注压力计11和加注阀12相连。排气管13的一端伸入内胆6内顶部，另一端位于外壳体2外部且分别与气压计14和三通管的第一端口相连。三通管的第二端口连接泄放管15和泄放阀16，第三端口连接气体供应管17和气体供应阀18。液体供应管20的一端伸入内胆6内底部，另一端位于外壳体2外部且与液体供应阀19相连。
在实际使用时，可以将加注管10的部分管体内嵌于顶部的内胆支撑8内，从而实现与储罐之间的固定。排气管13和液体供应管20可以分别将部分管体内嵌于侧面的内胆支撑8内，从而实现与储罐之间的固定。由于本发明的罐体内部需要留有部分气相区，因此，可以将加注管10伸入内胆6的一端突出于内胆内衬7，从而使内胆6内部液体无法完全充满。
利用上述均温型低温液体燃料储罐的延缓泄放方法，具体如下：
开启加注阀12，通过加注管10向内胆6内部加注低温液体燃料直至液面与加注管10端部平齐，通过加注管10对液体燃料实现液封。在需要向外输送液相燃料时，开启液体供应阀19，使液相燃料从液体供应管20流出；在需要向外输送气相燃料时，开启气体供应阀18，使气相燃料从气体供应管17流出。
在储存过程中，由于罐内的低温液体燃料与外部环境之间存在温差，在保温层5的作用下仍然存在持续的吸热过程，导致罐内液体燃料吸热升温变成气态燃料。同时，由于液体燃料充注的充液率小于1，导致罐内存在上下气液分层现象。在罐内低温液体燃料与外部环境的吸热过程中，由于罐内上部气相区的燃料导热系数相较于下部液相侧较低，导致气液两相间热量传递热阻较大，气相容易出现局部过热现象。通过罐内设置的导热性能良好的丝网9，减小气相区以及气液界面的传热热阻，抑制温度分层现象，从而避免气相区由于热阻较大且热容较小而出现局部快速升温而升压的现象，避免因局部压力升高导致均温型低温液体燃料储罐在较低的平均温度下出现超压泄放现象，从而延缓了超压泄放过程，增加了低温燃料储罐的安全储存时间，达到长时间存储的目的。通过在外壳体2外壁涂敷的辐射制冷涂层1，在原有的热平衡的基础上，增加外壳体2表面对外散热功率，从而减小罐内的吸热功率，使得在相同的吸热量的情况下，吸热时间延长，从而延缓了均温型低温液体燃料储罐的超压泄放过程。由于上表面气相区的辐射制冷功率明显大于下表面，也进一步抑制了上表面的气相吸热局部升温升压的现象，进一步降低了气液温差，提高了均温性，从而延长了安全存储时间。在罐内液体燃料吸热升温变成气态燃料的过程中，罐内压强逐渐升高，当气压计14的读数超过泄放压力时，开启泄放阀16使部分气体通过泄放管15泄放至外界。
下面结合具体实施例，进一步阐明上述均温型低温液体燃料储罐装置及延缓泄放方法的具体应用和技术效果。应指出，下述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
本实施例以一个4.89m3的球形液氢储罐为例，该液氢储罐充满率为83％，边界漏热热流密度为3.5W/m2，均匀分布在储罐外壁。当储罐内未布置丝网时，利用电阻式温度传感器对内部气液两相测点氢的温度进行了测量，利用压力传感器对罐内压强进行了测量，可以分别得到如图2和图3实线所示的气液两相温度以及罐内压强随时间变化曲线。当储罐内布置满不锈钢人型丝网时，假设气液两相两测点间的热流密度不变，可以计算出布置丝网后气液两相间的温差，再根据两相间能量守恒就可以计算出气液两相测点的温度，获得的气液两相温度如图2虚线所示。计算式如下：
mlCpl(Tl,a)Tl,a+mvCpv(Tv,a)Tv,a＝mlCpl(Tl,b)Tl,b+mvCpv(Tv,b)Tv,b (2)
其中，qvl表示气液两相两测点间的热流密度，λa表示未加丝网时两测点间的导热系数，Tv,a表示未加丝网时气相测点的温度，Tl,a表示未加丝网时液相测点的温度，L表示气液两相测点间的距离，λb表示添加丝网后两测点间的导热系数，可以通过面积加权方式求得，Tv,b表示添加丝网后气相测点的温度，Tl,b表示添加丝网后液相测点的温度，ml表示储罐内液氢的质量，mv表示储罐内氢气的质量，Cpl(Tl,a)表示在Tl,a温度下液氢的比热，Cpv(Tv,a)表示在Tv,a温度下氢气的比热。
对于封闭储罐，在气液两相温差逐渐增大的非稳态阶段，可以假设液氢蒸发量为零，这样气相密度应保持不变，在温度上升过程中，压强应该相应的上升，通过查氢气物性表可以求得相应的储罐压强；在气液两相温差几乎保持不变的稳态阶段，可以假设边界热流全部用于蒸发液氢，气态氢气的密度增量完全取决于蒸发量，温度保持不变，通过查氢气物性表可以求得相应的储罐压强，求得的罐内压强如图3虚线表示，计算式如下：
qbA＝Δm×ΔHvap (3)
其中，qb表示边界热流密度，A表示储罐表面积，Δm表示稳态阶段蒸发量，ΔHvap表示液氢汽化潜热，Δρv表示稳态阶段气相密度增量，Vv表示气相体积。
从图2的结果可以发现，未添加丝网时，稳态阶段气液两相测点间的温差可达14K，而添加丝网之后，温差明显减小，大约只有3K，说明丝网的布置可以有效抑制低温液体储罐温度分层现象，增加储罐均温性。从图3的结果可以发现，未布置丝网时，罐内压强在12小时内升高了约150kPa，而布置丝网后，罐内压力在相同时间仅升高约90kPa，说明丝网的布置可以抑制并延缓超压泄放的发生，减少液体燃料损失，达到长时间存储的目的。
本发明利用辐射制冷层，可以减少系统自身净吸热量；利用内插丝网改善罐内传热，抑制传热慢，比热低的气相区吸热快速升温升压导致的提前超压泄放，减少排放损失，达到液体燃料长时间存储的目的。与其他延长存储时间的技术相比，本发明具有能耗低，结构简单，成本低等优势。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种均温型低温液体燃料储罐，其特征在于，包括外壳体(2)、内胆(6)、加注管(10)、排气管(13)和液体供应管(20)；
所述外壳体(2)与内胆(6)之间同轴套设且通过内胆支撑(8)相连，外壳体(2)与内胆(6)之间的区域形成真空绝热层(3)；所述内胆(6)外壁敷设有保温层(5)，保温层(5)外侧敷设有反射层(4)；所述内胆(6)内壁敷设有内胆内衬(7)，内胆(6)内部填充有丝网(9)；所述外壳体(2)外壁涂敷有辐射制冷涂层(1)；
所述加注管(10)的一端伸入内胆(6)内顶部，另一端位于外壳体(2)外部且分别与加注压力计(11)和加注阀(12)相连；所述排气管(13)的一端伸入内胆(6)内顶部，另一端位于外壳体(2)外部且分别与气压计(14)和三通管的第一端口相连；所述三通管的第二端口连接泄放管(15)和泄放阀(16)，第三端口连接气体供应管(17)和气体供应阀(18)；所述液体供应管(20)的一端伸入内胆(6)内底部，另一端位于外壳体(2)外部且与液体供应阀(19)相连。
2.根据权利要求1所述的一种均温型低温液体燃料储罐，其特征在于，所述加注管(10)部分内嵌于顶部的内胆支撑(8)内实现固定，排气管(13)和液体供应管(20)分别部分内嵌于侧面的内胆支撑(8)内实现固定。
3.根据权利要求1所述的一种均温型低温液体燃料储罐，其特征在于，所述保温层(5)由多层保温材料构成，保温材料包括玻璃纤维、硅酸铝岩棉、玻璃棉和气凝胶材料中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种均温型低温液体燃料储罐，其特征在于，所述均温型低温液体燃料储罐的放置方式为立式或卧式，型号为C型储罐、杜瓦罐或球形罐。
5.根据权利要求1所述的一种均温型低温液体燃料储罐，其特征在于，所述丝网(9)的形状包括人字形网、乙字形网、菱形网、马蹄式网、链条式网、眼镜形网、链板式网或球型网。
6.根据权利要求1所述的一种均温型低温液体燃料储罐，其特征在于，所述丝网(9)的材料为泡沫金属、碳纤维、铝或钢。
7.根据权利要求1所述的一种均温型低温液体燃料储罐，其特征在于，所述加注管(10)伸入内胆(6)的一端突出于内胆内衬(7)，使内胆(6)内部液体无法完全充满。
8.一种利用权利要求1～7任一所述均温型低温液体燃料储罐的延缓泄放方法，其特征在于，具体如下：
在储存过程中，由于罐内的低温液体燃料与外部环境之间存在温差，在保温层(5)的作用下仍然存在持续的吸热过程，导致罐内液体燃料吸热升温变成气态燃料；同时，由于液体燃料充注的充液率小于1，导致罐内存在上下气液分层现象；在罐内低温液体燃料与外部环境的吸热过程中，由于罐内上部气相区的燃料导热系数相较于下部液相侧较低，导致气液两相间热量传递热阻较大，气相容易出现局部过热现象；通过罐内设置的导热性能良好的丝网(9)，减小气相区以及气液界面的传热热阻，抑制温度分层现象，从而避免气相区由于热阻较大且热容较小而出现局部快速升温而升压的现象，避免因局部压力升高导致均温型低温液体燃料储罐在较低的平均温度下出现超压泄放现象，从而延缓了超压泄放过程，增加了低温燃料储罐的安全储存时间，达到长时间存储的目的；通过在外壳体(2)外壁涂敷的辐射制冷涂层(1)，在原有的热平衡的基础上，增加外壳体(2)表面对外散热功率，从而减小罐内的吸热功率，使得在相同的吸热量的情况下，吸热时间延长，从而延缓了均温型低温液体燃料储罐的超压泄放过程；由于上表面气相区的辐射制冷功率明显大于下表面，也进一步抑制了上表面的气相吸热局部升温升压的现象，进一步降低了气液温差，提高了均温性，从而延长了安全存储时间；在罐内液体燃料吸热升温变成气态燃料的过程中，罐内压强逐渐升高，当气压计(14)的读数超过泄放压力时，开启泄放阀(16)使部分气体通过泄放管(15)泄放至外界。
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