低溫液體儲(chǔ)罐是一種用于儲(chǔ)存低溫液體的重要設(shè)備，在能源、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以下將對(duì)低溫液體儲(chǔ)罐的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、低溫液體儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1. LNG 常壓低溫液體平底儲(chǔ)罐：外型為平底拱蓋的圓柱形密封容器，分內(nèi)罐、外罐。一般受施工現(xiàn)場(chǎng)限制、高處作業(yè)以及對(duì)組裝過(guò)程中質(zhì)量檢查要求高等影響，現(xiàn)場(chǎng)組裝工作量較大，施工難度較大1。
2. LNG 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)：為內(nèi)罐吊頂、外罐拱頂?shù)碾p壁單容罐。外罐拱頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要受力結(jié)構(gòu)為拱頂梁、承壓環(huán)及椎板等，需加工后卷制再拼裝，組裝胎具量大，加工零件多，連接型式有焊接、螺栓連接，對(duì)預(yù)制精度及安裝精度要求高。內(nèi)罐吊頂采用懸浮吊頂，由吊頂板、加強(qiáng)環(huán)板及吊桿等組成，通過(guò)吊桿與外罐拱頂連接，吊頂板、加強(qiáng)圈及吊桿等采用鋁合金鋼板5。

二、低溫液體儲(chǔ)罐的有限元結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)低溫液體儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可完成低溫儲(chǔ)罐三維實(shí)體模型，并選取實(shí)體模型結(jié)構(gòu)中可靠性最弱部位作為分析對(duì)象，通過(guò)有限元分析軟件 ABAQUS 建立結(jié)構(gòu)分析模型，對(duì)該結(jié)構(gòu)滿載時(shí)的應(yīng)力和位移進(jìn)行對(duì)比分析，依據(jù) JB 4732 - 95 校核材料強(qiáng)度，驗(yàn)證基于實(shí)體模型進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析的可行性和簡(jiǎn)潔性，根據(jù)分析結(jié)果可提出分析模型簡(jiǎn)化方案和結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施3。

三、低溫液體儲(chǔ)罐的熱性能估計(jì)

1. 對(duì)于低溫液體存儲(chǔ)解決方案的設(shè)計(jì)，需要準(zhǔn)確的方法來(lái)估計(jì)熱量的流入，從材料層面到儲(chǔ)罐層面。對(duì)于絕緣材料，熱性能通常在環(huán)境條件和 77K 的液氮作為邊界溫度下進(jìn)行測(cè)量。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是當(dāng)存儲(chǔ) 20K 的液態(tài)氫時(shí)，熱量流入會(huì)增加多少。研究得出了增加的熱量流入的理論界限，并表明其仍低于 26%。此外，還表明熱量流入對(duì)溫暖邊界溫度比冷邊界溫度更敏感。在儲(chǔ)罐層面，比較了兩種評(píng)估低溫儲(chǔ)罐穩(wěn)態(tài)熱性能的方法：熱網(wǎng)絡(luò)模型和用有限元方法求解的熱方程。后者對(duì)于復(fù)雜幾何形狀提供高準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，而熱網(wǎng)絡(luò)模型受益于簡(jiǎn)單性、速度和穩(wěn)健性。將這兩種方法應(yīng)用于用于海上運(yùn)輸?shù)淖灾我簯B(tài)氫儲(chǔ)罐概念，并分析對(duì)結(jié)構(gòu)支撐厚度、溫暖邊界溫度和絕緣材料選擇的敏感性。熱網(wǎng)絡(luò)模型可以估計(jì)熱量流入誤差約為 1%，冷點(diǎn)溫度誤差小于 1K2。
2. 為了深入了解非等溫燃料儲(chǔ)罐中的流體晃蕩行為，建立了一個(gè)通過(guò)耦合流體流動(dòng)和熱交換的數(shù)值模型。考慮了外部熱泄漏和界面相變。熱邊界和外部正弦激勵(lì)均通過(guò)用戶自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)。為了捕捉晃蕩過(guò)程中液 - 氣界面的運(yùn)動(dòng)，采用了特別的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)處理方法，并結(jié)合了流體體積法。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，選擇標(biāo)準(zhǔn) k - ε 模型來(lái)預(yù)測(cè)流體晃蕩?；谠摂?shù)值模型，研究了晃蕩幅度對(duì)流體動(dòng)力學(xué)性能的影響。研究了蒸汽和液體壓力的變化、儲(chǔ)罐所受的晃蕩力和晃蕩力矩。此外，為了研究液 - 氣界面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，設(shè)置了不同的監(jiān)測(cè)器來(lái)測(cè)量界面液位的變化。結(jié)果表明，外部晃蕩激勵(lì)對(duì)液氧罐中的晃蕩流體動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生了很大影響。通過(guò)獲得一些有價(jià)值的結(jié)論，本研究對(duì)于深入研究非等溫晃蕩動(dòng)態(tài)過(guò)程具有重要意義，并可為航空航天儲(chǔ)罐的抗晃蕩設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)6。

四、低溫液體儲(chǔ)罐的多相熱模擬
通過(guò)使用高保真多物理場(chǎng) CFD 模擬絕緣系統(tǒng)的熱傳遞和低溫液體儲(chǔ)罐中多相熱流的相變，對(duì)容納貨物系統(tǒng)（CCS）設(shè)計(jì)中的低溫液體的蒸發(fā)氣體（BOG）和蒸發(fā)率（BOR）進(jìn)行高精度數(shù)值計(jì)算。將結(jié)果與僅基于總熱傳遞且不考慮與儲(chǔ)罐中低溫液體相變相關(guān)的詳細(xì)物理的傳統(tǒng)低保真方法預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較。使用商業(yè)軟件 STAR - CCM + 求解具有可實(shí)現(xiàn) k - ε 湍流模型和用于相變計(jì)算的 Rohsenow 沸騰模型的非定常雷諾平均 Navier - Stokes（URaNS）方程。首先，為了驗(yàn)證相變模型，計(jì)算存儲(chǔ)在 C 型獨(dú)立罐中的低溫液體，研究罐內(nèi)的熱流體行為，并將 BOG 和 BOR 的相應(yīng)值與實(shí)驗(yàn)以及其他研究人員的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較。估計(jì)的 BOR 值顯示出極好的一致性，差異小于 1%，精確地解決了由低溫液體汽化引起的熱對(duì)流。隨后，計(jì)算了膜式 LNG（液化天然氣）儲(chǔ)罐中的多相熱流以估計(jì) BOR，并與通過(guò)絕緣系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)耦合。從這些模擬中得出結(jié)論，具有相變模型的高保真 CFD 計(jì)算能夠精確預(yù)測(cè)低溫液體的汽化并基于實(shí)際 BOG 量計(jì)算正確的 BOR 值4。

五、低溫液體儲(chǔ)罐的預(yù)冷技術(shù)
在 LNG 儲(chǔ)罐進(jìn)液前，為保證儲(chǔ)罐設(shè)備及管道系統(tǒng)安全可靠，同時(shí)檢查閥門(mén)、安全閥及法蘭連接處的密封情況，可以用低溫液體對(duì) LNG 管道及儲(chǔ)罐系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷操作。對(duì)整個(gè) LNG 儲(chǔ)罐的預(yù)冷系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，包括預(yù)冷前提、三種不同預(yù)冷方式、預(yù)冷流程、注意事項(xiàng)，同時(shí)進(jìn)行基于冷量熱平衡下預(yù)冷介質(zhì)用量的分析，通過(guò)計(jì)算可得出預(yù)冷所需介質(zhì)的最大、最小用量，為其他 LNG 儲(chǔ)罐工程預(yù)冷介質(zhì)的選擇提供計(jì)算依據(jù)7。

六、低溫液體儲(chǔ)罐的新型材料應(yīng)用
開(kāi)發(fā)用于長(zhǎng)期儲(chǔ)存低溫液體的有效解決方案對(duì)于未來(lái)的載人太空探索任務(wù)至關(guān)重要。目前的儲(chǔ)罐由鋼、鋁或復(fù)合材料等金屬制成。盡管這些材料具有高機(jī)械強(qiáng)度，但它們相對(duì)較高的熱導(dǎo)率在熱滲入低溫液體方面是一個(gè)缺點(diǎn)。熱流入儲(chǔ)罐會(huì)導(dǎo)致低溫液體汽化，增加儲(chǔ)罐中的壓力。為了調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐壓力，目前的儲(chǔ)罐會(huì)排出一些蒸汽。為了降低儲(chǔ)罐加壓速率，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了具有較低熱導(dǎo)率的新型材料，如 RTV - 655 和氣凝膠，這些材料可能適用于太空應(yīng)用。先前對(duì)小型 RTV - 655 和氣凝膠 / RTV - 655 儲(chǔ)罐進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以獲得作為溫度和壓力函數(shù)的應(yīng)力和應(yīng)變歷史。由于進(jìn)行額外實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和成本，需要一個(gè)熱機(jī)械計(jì)算模型來(lái)進(jìn)一步研究這些新型材料在太空應(yīng)用中的可行性。使用熱化學(xué)有限元模擬對(duì) RTV - 655 和 RTV - 655 / 氣凝膠實(shí)驗(yàn)的冷卻和加壓階段進(jìn)行建模。給出了模擬預(yù)測(cè)并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較8。

七、低溫液體儲(chǔ)罐的輕量化設(shè)計(jì)
對(duì)某移動(dòng)壓力容器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，首先通過(guò)仿真模擬低溫液體運(yùn)輸半掛車罐體模型在標(biāo)準(zhǔn)上沖工況承受的慣性力載荷進(jìn)行應(yīng)力分析，用分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。在此基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面進(jìn)行二次回歸擬合，得到以罐體零部件尺寸參數(shù)為自變量、線性化路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度和質(zhì)量最小為約束條件的響應(yīng)面擬合函數(shù)數(shù)學(xué)模型，使用遺傳算法進(jìn)行求解。結(jié)果表明：罐體質(zhì)量減少約 259.57kg，罐體內(nèi)封頭厚度減少了 0.90mm，內(nèi)容器角鋼圈長(zhǎng)邊寬、短邊寬減少了 19.95mm、10mm，厚度減少了 2mm，且滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)9。

八、低溫液體儲(chǔ)罐的無(wú)損安全存儲(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)展
隨著天然氣、氫氣等綠色清潔能源的廣泛應(yīng)用，使用低溫儲(chǔ)罐存儲(chǔ)和運(yùn)輸液化天然氣和液氫在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中變得越來(lái)越頻繁。因此，了解低溫儲(chǔ)罐在應(yīng)用環(huán)境條件下的內(nèi)部熱力學(xué)現(xiàn)象及其對(duì)儲(chǔ)罐安全存儲(chǔ)的影響，并快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)低溫儲(chǔ)罐的無(wú)損存儲(chǔ)時(shí)間至關(guān)重要。本文介紹了液氮、液氫和液化天然氣等低溫儲(chǔ)罐在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中因熱泄漏引起的分層、翻滾和自增壓現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究熱泄漏條件下儲(chǔ)罐內(nèi)的傳熱傳質(zhì)行為及其隨時(shí)間的變化的研究進(jìn)展?？偨Y(jié)和評(píng)價(jià)了用于預(yù)測(cè)低溫液體儲(chǔ)罐無(wú)損存儲(chǔ)時(shí)間的不同熱力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，指出了低溫液體儲(chǔ)罐無(wú)損存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，為低溫液體儲(chǔ)罐無(wú)損存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)一步研究提供了參考