Numerical and Experimental Studies of Working Processesin a Cryogenic Fuelling Tank Coupled with Energy Plant

This article presents a device for the storage and gasification of cryogenic working fluid,which is named a cryogenic fuelling tank.A cryogenic fuel tank can serve both as a fuel vessel and a pressure accumulator due to the regasification process that takes place inside.Application of this tank is slowed by the lack of theoretical and experimental research on its working process.This article deals with an investigation of the working process of the energy plant based on a cryogenic fuel tank coupled with a rotor-vane expander.Developed mathematical models include evaporation and condensation processes within the tank,heat exchange between gas chambers and between the tank and environment,and changes in energy due to incoming and leaving mass.Mechanical work used to determine the efficiency of a power plant is generated by a steam expander.Research shows that it is possible to achieve specific work outputs up to 110-160 kJ/kg with relative deviation of power and specific work determination equal to 1.4% and 1.9%correspondingly.

航天低温贮箱主动制冷热耦合技术研究进展

航天器推进系统对于低温推进剂高密度、低压力贮存和在轨可重复利用贮箱提出了迫切需求,低温贮箱主动制冷高效热耦合技术成为影响低温推进剂在轨应用的主要因素。总结低温贮箱的主要技术难点,分析低温贮箱研制的关键技术。通过研判国内外研究机构的技术进展和技术水平,对主动制冷系统热耦合技术进行了分类梳理。主要从主动制冷系统静态热传导耦合技术、主动制冷与液体混合组合技术、主动制冷系统冷却屏技术等三个方面,阐述了当前国外的技术进展,说明了相关技术的特点和适用性。最后基于我国航天器对低温推进剂贮供技术的实际需求,提出了技术发展设想。

LNG储罐预冷方式和BOG回收技术分析

LNG接收站首次投用时需要利用冷媒对LNG储罐管道及设备进行冷却,冷却过程中产生的蒸发气由于量大一般采用放空的方式进行处理,这不仅造成一定的资源浪费,而且也不利于节能减排。文章通过对LNG接收站首次预冷方式、预冷进度、蒸发气回收方式及回收率进行分析,对后续LNG接收站储罐管道及设备预冷产生的蒸发气回收带来新启示。

液化天然气码头及低温液化烃码头中的集液池设计

集液池设置是液化天然气码头和低温液化烃码头设计中需考虑的一个重要因素。目前规范对集液池容积无统一规定,设计标准各不相同,从而造成在同类型同等级码头中集液池容积差别较大。针对此问题,结合工程实例,根据现行规范要求对泄漏场景及泄漏时间进行论述。通过对比分析提出,泄漏场景选择应综合考虑装卸臂全破裂场景和管道孔泄漏场景,泄漏时间应选取基于探测和隔离系统后的操作时间,从而确定符合工程实际且经济可行的集液池规模。研究成果可为同类码头集液池的设计提供参考。

低温液体运输车罐体设计与分析

开展了低温移动液氧储罐结构设计与分析。按照压力容器设计规范,依据经验公式的设计方法,设计了工作温度-183~-162℃的0.52 MPa低温移动液氧储罐。按照压力容器分析设计标准,采用数值分析的方法,分析了低温液体运输单车罐体前冲工况下的应力分布规律。结果表明:封头、补强板、角钢圈、八点支撑等零件满足设计要求以及分析设计标准对于材料最大强度的极限要求,双层罐体具有良好的抗压性能以及优良的真空性。

饱和氢气加注过程中低温贮箱降温特性及热应力分布的数值研究

为了获得低温贮箱在饱和氢气加注过程中的降温特性以及箱体壁面的热应力分布,通过计算流体力学软件FLUENT计算了一定加注流量下贮箱内部流体区域的流场、温度场和壁面内的温度场变化,分析了加注过程中贮箱内的流动特性和降温特性;采用单向流固耦合方法进行壁面热应力分析,得到了3种不同进、出口约束条件下热应力在壁面中的分布以及最大热应力随时间的变化情况,并分析了进、出口弹性支撑约束条件设置的合理性;考虑贮箱内的压力变化,进行了箱体壁面的综合应力分析。计算结果表明:加注过程可以分为3个阶段,前2个阶段贮箱内部的流场、温度场和壁面温度分布特性依次由入口强制对流和壁面自然对流单独决定,第3阶段由入口强制对流及壁面自然对流共同决定;在3种不同的约束条件下,箱体壁面中的最大热应力均出现在贮箱加注口和排气口处,在进、出口弹性支撑条件下,壁面最大热应力随时间先增大而后趋于稳定,在稳定应力状态下,热应力的存在使箱体壁面总应力增加了15%左右。

微重力下低温液氧贮箱热分层研究

为研究微重力下,在轨运行低温液氧箱体内部流体温度场分布,建立了相关数值模型,考虑了气液相变以及各空间辐射热流的影响。计算结果表明:当g为0 g_0时,表面张力驱使液相包裹气枕,并将球形气枕挤出壁面。由于箱内没有自然对流,箱体壁面流体会出现局部过热。当g增加到10^(-6)g_0时,表面张力作用仍较为明显。箱体内部物理场分布与0 g_0工况大致相同。当g增加到10^(-5)g_0时,液相已不能完全包裹气相,气相区一直与箱体顶部接触。当g增加到10^(-4)g_0时,此时箱体内部自然对流已十分明显,气相区大致呈带状,并与顶部壁面有较大的接触面积。短时间内,自然对流可及时将外部漏热带入箱体内部。另外,箱体压力随时间增长呈先降低后逐渐升高的趋势。重力越小,箱体压力也越小。最后通过对比还发现,初始边界条件设置对箱体内部物理场有较大的影响。

地面停放低温液氧贮箱热物理过程研究

针对低温推进剂箱体射前停放阶段,采用CFD技术数值研究了某低温液氧贮箱在地面停放阶段所经历的开口放置及高温气氧预增压过程。详细分析了该过程中箱体的压力变化、气液相变以及热分层现象。通过与相关试验结果对比,验证了本数值模型的有效性。计算结果表明:在液氧箱体开口停放阶段,在外部漏热下,箱体内部将出现剧烈的沸腾相变现象,并伴随着大量气泡的产生。随着时间的增加,用于低温流体相变的热量主要来自于外部漏热,此时相变过程主要发生在气液界面。在约150s时,相变强度逐渐趋于稳定。经过250s的地面开口停放,蒸发气体排放量约6.88kg。当低温箱体封闭,预增压过程开始,箱体压力将在所设定的压力上下限内波动变化。由于气相过热、液相过冷,在整个过程中气相都处于冷凝状态。随着高温气体的注入,气相质量呈现波动变化,由15.84kg增加到27.27kg。液相质量则近似线性增加,由最初的12 243.10kg增加到12 303.95kg。气液界面以下的液相呈现出较好的温度分层,气相温度分布则受增压气体影响较大,产生了一定的扰动。

低温液体蒸发气再液化系统内BOG动态分析研究

低温液体蒸发气再液化系统漏热引起的储罐内低温液体蒸发气(BOG)蒸发速率和压力有效控制是试验正常进行的关键,通过对储罐内低温液体的热响应分析,建立罐内低温液体和BOG计算模型,对制冷机关闭情况下储罐内压力(BOG压力)和BOG蒸发速率随储存时间的变化过程进行数值计算。结果表明:随着储存时间的增大,储罐内压力升高、压力增长速率加快、BOG蒸发速率减小;液氮和BOG温度升高对储罐内压力升高速率具有显著的影响;制冷机可以实现对罐内压力和BOG量的调节控制。为制冷机控制方案的制定和后续开展低温液体BOG再液化试验研究提供理论基础。

低温容器的蒸汽爆炸现象初探

拟讨论的蒸汽爆炸现象定义为液体因处于较大的过热度而急剧汽化 ,介质所处空间因大量气体得不到及时释放而使压力骤然升高引发的一种物理爆炸。在低温容器中 ,液氧、液氮等介质可能处于数兆帕的压力下。如果容器的某一位置因某种外在原因出现裂口 ,则其内部的压力会迅速降低 ,导致液体过热。如果过热度较大 ,则不能排除低温容器发生蒸汽爆炸的可能性。本文从介绍蒸汽爆炸的机理入手 ,建立了过热液体中产生均匀核化时汽泡的形成、生长模型 。

液氮贮箱自增压实验与数值仿真

为研究低温推进剂在常温下的自增压过程,设计了以液氮为模拟介质可视化低温玻璃贮箱自增压实验系统,研究了自增压过程压力和温度的变化规律及体积充填率对压力和温度变化的影响。实验结果表明:气枕区和液体区存在显著的轴向温度分层,液体区温度的上升速率低于压力引起饱和温度的上升速率。压力上升分为有典型意义的三段:初始段、过渡段和稳定段,稳定段的压力上升速率随体积充填率增加而增加。液体区的对流运动在自增压过程受到抑制,气液界面逐渐进入准静止状态。并以实验测得温度作为边界条件,采用流体体积(VOF)模型对整个自增压过程进行了175 s的数值仿真。仿真得到的压力曲线变化规律与实验结果基本一致,稳定段的压力上升速率是实验值的1.58倍。本文得到的自增压物理参数变化规律,为低温推进剂的贮存和贮箱的热防护设计提供参考。

全混凝土LNG储罐国产化的可行性研究

当前的全容式LNG储罐内罐材料多为9%镍钢,建造材料难以本土化,导致建造费用高、建设工期长;采用全混凝土LNG(ACLNG)储罐可降低造价、缩短工期。国外虽已建成较小尺寸的全混凝土LNG储罐,但该领域的研究存在断层,而我国尚未开展相关研究。为此,介绍了国外全混凝土LNG储罐的研究现状、发展历程、结构形式,并开展了低温环境下(试验温度最低至-170℃)混凝土与钢材的力学性能试验、混凝土冻融循环试验、低温下混凝土与钢材的黏结性能试验、钢筋与预应力混凝土梁的受弯性能试验。据此总结出了混凝土在低温环境下的工作特性,为全混凝土LNG储罐的建造设计提供了理论支持。同时,针对影响储罐结构安全性的混凝土液密性及冻融循环问题,提出了相应的解决措施。为了促进全混凝土LNG储罐的发展,还建议持续开展以下研究工作:1混凝土内罐的开裂情况分析;2地震作用下的内外罐整体性能分析;3按照ACI 376—2010要求对储罐进行承载能力极限状态与正常使用极限状态的模拟设计。

低温液体BOG再液化技术在小型LNG储罐的应用分析

对LNG储存和运输过程中产生的BOG进行有效处理,保证LNG高效、安全储存和运输是制约清洁能源LNG产业发展的主要因素之一。在对各种类型LNG站功能和BOG处理工艺介绍的基础上,重点分析小型LNG储罐内BOG产生机理,提出将低温液体BOG再液化技术应用于小型LNG储罐,并以某450L高真空多层绝热LNG储罐为例,选用美国Sunpower公司的Cryo Tel-GT型斯特林制冷机,从能量匹配关系,储存介质物理性质两方面分析其可行性。结果表明,将低温液体BOG再液化技术应用于小型LNG储罐可行,而且与各种类型LNG站BOG处理技术相比较,低温液体BOG再液化技术具有十分显著的优点。该研究为低温液体BOG再液化技术在小型LNG储罐上的应用提供理论依据与技术支持,对实现小型LNG储罐内BOG的处理以及LNG的高效安全、零蒸发储存均具有十分重要的意义。

低温液体甲烷无损储存规律研究

液体甲烷是易燃易爆的低温液体,在封闭容器中压力的上升是它安全储存所面临的关键问题。文中列出了无损储存计算用模型,并以40m^3液化天然气储罐为研究对象计算了甲烷的无损储存规律,得到了0．1518MPa和标准大气压下环境温度分别为30℃,50℃和80℃下的无损储存规律,以及液体甲烷安全无损储存天数。

低温储罐充液后夹层压力变化规律

低温储罐在充液后内罐因温度下降而冷缩,夹层空间增大,同时夹层温度也将下降,综合作用使夹层真空度升高及绝对压力下降,这对低温容器绝热是有利的。为了计算充液后夹层压力的大小,研究了低温容器充液后内罐冷缩及夹层温度变化情况,给出了夹层压力的计算公式。实例计算表明充液后夹层压力下降显著。

贮箱低温试验液位监测方法研究及应用

贮箱低温静力试验加注过程中低温介质液位测量关系加注进度和增压气枕大小,本文通过调研分析各种常规低温液位测量方法可行性,同时对某绝热状态下贮箱液氮低温试验的温度和液位数据进行一致性对比分析,给出了基于温度—液位对应关系,通过测量沿贮箱外壁母线通长布置的若干个温度测点的温度并根据温度突变下降特征来监测箱内液位的方法,并给出了该方法在不绝热贮箱液氮低温试验和绝热贮箱液氢低温试验中的应用,并说明了应用该方法存在的问题和辅助措施,为今后低温静力试验液位监测提供了借鉴。

低温阀门测试液氮储槽设计

介绍了DN15-DN400低温阀门性能测试测试系统中低温液氮储槽的设计研制方法,从低温储槽的绝热设计以及结构强度设计方面进行了详细介绍。低温储槽采用了新型的悬挂式结构,设计中采用ANSYS分析软件,对其在冷热交变下的应力变化以及结构强度进行了模拟,实际使用效果表明,低温液氮储槽完全达到设计要求。

氦气对低温液氧箱体分层压增的影响

为研究气枕中氦气对低温液氧分层及压增的影响,以柱状液氧箱体为例,通过改变气枕中氦气以及氧气含量来改变箱体初始压力,分别计算了初始箱体压力相同以及初始箱体压力不同两种工况下液氧分层压增参数的变化。结果表明:氦气的存在增强了气枕与箱体壁面以及气液界面的对流换热,促进了界面的蒸发相变,并带来了质扩散传递。当箱体初始压力不变时,箱体压增以及气液界面相变量随着氦气含量的增加而增加。在初始氦含量由0.0kg增加到0.563kg的过程中,箱体压增增加了20.91%,气液界面总相变量增加到初值的7.87倍。当箱体初始氧含量保持不变时,箱体压增随着氦气含量的增加而减小,而界面总相变量则呈现相反的变化趋势。在初始氦含量由0.0kg增加到0.2kg的过程中,箱体压增下降了28.66%,但气液总相变量却增加到初值的4.3倍。

液氧罐晃动时防波板对罐体受力的影响

液氧贮存在船运罐中会发生晃动,这种现象会破坏罐内热力学平衡,对维护结构造成冲击,存在一定的安全隐患,因此需要进行液氧罐防晃研究。利用FLUENT软件中的欧拉模型,建立罐内液氧晃动的三维数值模型,考虑气液相间传质对相界面变化规律的影响,模拟了横摇状态下的液氧晃动,研究了晃动过程中罐内流体流态变化。通过分析并对比设置防波板前后的罐体所受压力与晃动力随时间的变化规律,探讨了不同高度T型防波板的晃动抑制效果与自身受力情况。结果表明,设置防波板能减小罐体受到的晃动力,但防波板自身也会受到冲击载荷且不同高度防波板受到的载荷不同。最后,对防波板的设置提出了一些建议。

飞行器用液氢贮箱低温推进剂晃动热力学响应分析

研究飞行器低温推进剂贮箱内流体晃动的热力耦合特性,采用计算流体力学(CFD)技术仿真不同工况对液氢贮箱内低温推进剂晃动热力学的影响。考虑外部环境漏热和气液界面相变对贮箱气枕压力的影响,并通过用户自定义函数(UDF)将外部晃动激励施加于罐壁作为动量边界,利用VOF法捕捉气液相界面波动。结果表明:晃动激励越大,气枕空间压降越大,晃动激励为0 m/s、0.11 m/s、0.22 m/s、0.44 m/s时的气枕最大压降分别是2 Pa、120.3 Pa、6084.5 Pa、9158.3 Pa;气枕压降随初始液体温度的降低而增大,初始液体温度为20.0 K、21.0 K、21.5 K时的气枕压降时为6079 Pa、5248 Pa、3902 Pa;初始充满率越高,气枕压降越大,充满率为30%、40%、50%、60%、70%时气枕压降分别是1905 Pa、3758 Pa、6085 Pa、6476 Pa、8339 Pa。流体晃动扰动了液氢贮箱内气液界面处的热力学平衡,导致气枕压力大幅降低,为保证飞行器的稳定运行需采取合理的增压或防晃措施来维持贮箱气枕压力。