低温液体甲烷无损储存规律研究
低温与超导
第34卷第5期
低温技术
Cryogenics
Cryo.&Supercon.
V o1.34No.5
低温液体甲烷无损储存规律研究
石玉美，汪荣顺
(上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200030)
摘要：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.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3O'(2,50"(2和80"(2下的无损储存规律，以及液体甲烷安全无损储存天数.
关键词：低温储罐；液体甲烷；无损储存RearchOilventlessstorageofIiquefiedmethane
ShiYumei,WangRongshun
(InstituteofRefrigerationandCryogenics,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030, China)
Abstract:Amodifiedmodelwasadoptedtoanalyzetheventlessstorageofliquidmethane,an dthepropertiesofa40m.liquid
methaneveslunderpressuresof0.1518MPaandatmosphericpressure,andundertemperat ureof30"(2,50"(2and80"Cwereinves—
tigated.Thepredictionofcuritystoragetimewasobtained.Theresultsofthecomputationsh
owthathighertheinitialpressure
andtheenvironmenta1temperatureiS,theshortertheventlessstoragetimeiS. Keywords:Cryogenictank,Liquidmethane,V entlessstorage
1引言
随着低温液体在国防，科研及工业上的应用日趋广泛，如何安全经济的储存低温液体一直是人们关心的问
题.低温液体无损储存涉及到传热学，热力学，流体力学及压力容器等许多领域.在试验研究方面，国外学者进
行了储罐中温度分布和压力上升试验研究，储罐内液体的自增压试验以及对储罐内突然发生的液体大量汽化，进
而导致罐内压力急剧上升的情况作了探讨[1].在理论研究方面，国内外学者对无损储存过程中传热流动过程，容
器中两相低温系统加热到临界状态的过程，对部分充满低温液体的卧式筒形储罐和球罐在均匀外部受热作用下
的热力响应作了分析，对无损储存过程中压力的上升过程进行了理论计算[2].在理论计算中常用的模型有饱
和均质模型，均相表面蒸发模型，热分层模型和俄罗斯模型[5].本文利用修正的俄罗斯模型进行液体甲烷储罐的
无损储存研究.
储罐内的热流动过程
对于真空绝热型低温储罐，漏热量不会使罐内发生剧烈的核状沸腾.热量主要通过罐壁湿部(与储存液体接
触处)进人罐内，靠近容器壁的那层薄薄的液体受热后沿着器壁上升，形成了壁面边界层，此壁面边界层在向上运
动的同时又不断吸收从环境漏人的热量，边界层发展到液汽界面后向界面中部流动，流到中心区域，液体汇聚向
轻资产运营模式下流动，同时，容器底部受热向上运动的液体与前面所述液体汇合，形成了整个容器中的液体循环流动.流动示
意图如图1所示.
对于卧式储罐，其壁面边界层是从距离罐底一定距离开始的.一般来说，在静止储罐中会出现液体表面温度
梯度现象.所谓液体表面出现温度梯度现象就是在密闭的低温液体容器里，其中储存的低温液体受热时，将产生
一
种奇特的现象，液体表面温度显着高于整个液体的温度，在邻近表面的液层中温度出现分层的性质.温度梯度
现象将导致蒸气空间压力升高，使得低温容器中的压力明显高于主体流体温度对应的压力，其值等于液体表层温
度所对应的饱和压力.此现象的根本原因在于受热上升的边界流部分积聚于液体表层，造成了表面液体温度高
收稿日期;2006一O6一O6
思为
纸风铃
作者简介：石玉美(1970一)，女，博士，副教授，主要从事天然气物性及液化流程，压力容器，超流氦方面的研究工作
356?低温技术Cryogenics第5期
于储存液体的主体的温度.它也是导致系统压力上升过快，威胁储罐无损储存性能的主要因素.
边界层
不稳定
图1水平放置容器中低温液体受热后
热动力响应模型
3低温储罐内无损储存过程的数学物理模型
对低温液体甲烷的无损储存过程研究采用修正的俄罗斯模型.
一
rC(2.2125--1.66p+0.83)(-4.38+8.86~p2--5.53965~
+1.95946)(一204H.+24.08H.+0.8)
其中：无因次时间:=/3；无因次压力：一(p—)/(p--p.);
预防传染病内容初始充满率:；无因次热流:Ho=3600qF/MocoTo;C为修正系数.
Fig.1Phyi.1m.delf.th.thermohydli.无因次中的变量说明:r：开始封闭以来的储存时间;rJ：开始封闭
behavioofapressureliquefiedgasinan以来按热力学平衡计算的储存时间;p：储存的压力；户o：开始封闭储存
externally--heatedhorizontalcylinder的压力;P：临界点压力;q：储罐上单位表面积的热流密度;F：储罐的
表面积;Mo：初始储存的液体量;To：初始储存温度;C.：初始储存温度下液体的比热容.
4低温储罐液体甲烷无损储存过程的计算
本文利用上述计算模型计算了40m.低温液体甲烷的无损储存过程的规律.计算中储罐的初始充满率为
909,6，液体甲烷的标准日蒸发率为0.185oA.
4.1储罐初始压力为0.1518MPa时的无损储存规律
经常口干舌燥
环境温度分别为30℃,50"C和80℃时的液体甲烷无损储存规律见图2.
善
01U20304050即7080
时间/day
图2初始压力为0.1518MPa，环境温度分别为3O℃,50~C
和8O℃时的液体甲烷压力随时问的变化
Fig.2PressureVStimeintheliquefiedmethaneinitialpressure
0.1518MPa,theenvironmenttemperature30℃,50℃,80℃
8
7
n6
0.5
一
0.3
n2
01
01U23304.506070bU90
时间/day
图3初始压力为0.101325MPa，环境温度分别为3O℃,50~C
和80"C时的液体甲烷无损储存规律
Fig3Pressurevstimeintheliquefiedmethaneinitia1pressure
0.101325MPa,theenvironmenttemperature30℃,50℃,80℃
表140m3低温储罐储存液体甲烷无损储存时间计算结果汇总
Tab.1Calculationresultofthevent一1essstorageof4Omliquefiedmethanetank
毒大米
液体甲烷的标准日蒸发率:0.185%；内罐重量:5500kg；初始充满率:9O%
初始饱和绝对压力:0.1518MPa初始饱和绝对压力:0.101325MPa标题级别
rr,
液体甲烷安全无损储存rr，液体甲烷安全无损储存
'愠时间/天绝对压力/MPa'时间/天绝对压力/MPa
3O68.50.723O82.60.72
5O61.4O.725O74.10.72
8O53.10.728064.30.72
乌鸣涧计算结果汇总表.
4.2储罐的初始压力为
0.101325MPa时的无损储
存规律
环境温度分别为30℃,
50℃和80℃时的液体甲烷
无损储存规律见图3.
表1为40m低温储罐
储存液体甲烷无损储存时间
第5期低温技术Cryogenics?357?
5结论
通过对液体甲烷无损储存规律的分析计算，可得到如下的结论:(1)储罐内初始压
