液体膨胀对移动式低温液体容器日蒸发率的影响

中国船级社质量认证公司 付饶

目前，以低温液体贮运设备取代瓶装气体的运输方式是行业发展的必然趋势，而大型移动式低温液体容器所生产的效益则更加明显，移动式容器的大型化发展，使得该领域的移动式低温液体容器单罐容积不断突破极限，40尺LNG罐式集装箱容积已经从过去的40立方米扩大到了46立方米，而国内LNG公路汽车罐车的容器也已做到接近53立方米，而且还有进一步突破的要求。移动式低温液体容器的一个主要性能经济指标是日蒸发率，本文探讨液体膨胀对移动式低温液体容器日蒸发率的影响，并提出了避免产生这种影响的相应措施，为T75型可移动罐柜设计审查及检验工作提供技术参考。

背景

移动式低温液体容器，由于其以液态形式贮运冷冻液化气体，主要包括临界温度低于-50℃的氮、氧、氩、天然气等介质，其结构通常采用高真空多层绝热的高效绝热形式，较之传统的高压气瓶贮运方式在经济性和安全性等方面有无法比拟的优点。乙烯、二氧化碳的临界温度虽然高于-50℃，由于其结构也采用该结构形式，估且也将其运输设备归入为移动式低温液体容器。

移动式低温液体容器的一个主要性能经济指标是日蒸发率，其数值越小则产品的使用效率越高、静态维持时间就越长，能够实现长时间无损贮运，这对参与海洋运输的罐式集装箱而言是非常重要的。随着技术的不断发展，近年来高真空多层绝热技术在移动式深冷容器中已得到普遍应用，4000 L 低温贮运设备的标准日蒸发率已控制在≤0.3%/day（液氧）。

结构和流程

典型的低温绝热容器，其贮槽部分为真空绝热结构，双层容器的内容器悬挂于外壳体的内部并形成绝热夹层，夹层抽成空真空以减少气体对流传热。内外罐之间的连接采用高强度低热导率的专门材料，一方面保证结构的强度，另一方面保证较低的热传递，同时在结构安排上使得其内罐能够可靠地悬挂于外壳内部，又能够充分吸收由于设备运行中的大温差变化而引起的过分的温差应力。为了减少内容器与外壳体之间的固体传热，以提高其绝热性能，在结构设计中尽量减少连通于内容器和外壳体之间的管道数量和支撑构件数量。设计中参考国内外同类产品的设计经验，通常采用一根气相管从内容器引出，穿越过外壳体后再由四通接头分别连接贮槽安全阀、气体放空管和增压汽化器的回气管。

增压汽化器通常为铝制星形翅片管或不锈钢绕片式蒸发器，置于容器的一侧的下方用于低温槽车卸液时起自增压作用。增压汽化器的一端通过增压截止阀与低温液体贮槽底部连通；另一端直接与气相管相连，返回贮槽底部。打开增压截止阀，低温液体即依靠其自身的重量进入增压汽化器，并在其内迅速汽化，介质吸收环境空气的热量而汽化后经气相管返回贮槽使贮槽内的压力上升，达到快速卸液的目的。在运输过程中，增压截止阀处于关闭状态。

理论研究和分析

研究表明，低温液体（液氧、液氮、液氩），随着温度的升高，其饱和蒸汽压增大，液体比容也随之增大。为了便于分析，以4000 L 移动式低温容器为例。有关的设计参数如下：设计压力0.1MPa，设计容积4000L ，充装系数为0.95，容器的几何容积为4210L ，设计气相空间为210 L ，安全阀整定压力为0.85MPa。

在理想平衡状态，根据参考文献西安交通大学郑德馨等编《低温工质热物理性质表和图》（机械工业出版社）中的数据,表1列出了4000 L 低温液体容器装运液氧时液体的容积随温度和饱和蒸汽压力的变化关系。从表1 可发看出，压力为1bar 时4000 L的液体氧，当压力上升到3.002bar 时其容积膨胀至4222 L，也就是说，当系统温度上升到其对应饱和压力为0.3MPa时，液氧已充满整个容器的几何容积。此时气相管口已浸于液氧之中，若打开放空阀，则在内压作用下液氧必然会从放空管流出，同时由于增压汽化器的回气管与放空管并联，且增压汽化器所处位置较低，部分液体在其自重作用下从回气管反向进入增压汽化器。运输过程中，部分液体不时地进入汽化器内，汽化成气体使贮槽内压力呈上升的趋势，从而使液体放空量增加，表现出实际蒸发率变大。在公路爬坡或在船舶倾斜状态，当坡角或倾角超过某一角度值时，由于气相管设置于贮槽的后上部，也可能使液面达到气相管口，发生上述类似的情况。

需要指出的是，上述研究结果对于液氮或液氩介质也有相似于液氧介质的情况。根据参考文献，液氮在68～69k 时的平均容积膨胀系数为βLN2=5.88×10-3(1/k);而液氩在84～90k 时的平均容积膨胀系数为βLAr=4.54×10-3 (1/k)。

表1

应对措施

经过研究和分析，笔者认为低温液体容积膨胀引起少量液体放空而导致日蒸发率偏大的现象是可以避免的，并提出如下方案。

方案一：对于低温液体槽车在爬坡较为频繁的路面上行驶的情况，当压力较低时，可关闭放空阀行驶，这样即使液面达到气相管口，由于气封作用，液体也不会进入增压汽化器；当压力较高时，可以在平直路面上进行放空，压力下降后液面随之下降，不会出现液体流出现象，或在运输过程中开启放空阀，保持常压运输。

方案二：在增压汽化器的回气管上设置一止回阀。这种情况下在增压汽化器两端的增压截止阀和止回阀之间形成了封闭空间，必须增加安全阀以确保设备的安全运行。

从优化结构设计的角度，对移动式低温绝热容器，将气相管的接管位置安排于内容器顶部纵向中心部位也能得到较好的效果。