低溫液體無(wú)排放加注特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著低溫液體的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，低溫液體的儲(chǔ)存、供應(yīng)和運(yùn)輸如同社會(huì)的生命脈絡(luò)般為各行各業(yè)引入高效清潔的能源。在深刻認(rèn)識(shí)到低溫液體作為清潔能源，具有其他普通流體無(wú)法比擬的穩(wěn)定特性等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，低溫液體的稀缺性、危險(xiǎn)性和易揮發(fā)性也不容忽視。為了確保環(huán)境安全，共建節(jié)約型、友好型社會(huì)，對(duì)低溫液體采用無(wú)排放加注作為一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)正用來(lái)替代傳統(tǒng)的排放加注。為此，本文以180L立式低溫絕熱氣瓶為研究對(duì)象，以液氮為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，搭建了無(wú)排放加注實(shí)驗(yàn)臺(tái)。采用

2、4種不同的加注結(jié)構(gòu)組合，對(duì)無(wú)排放加注的性能指標(biāo)、主要影響因素、熱力學(xué)過(guò)程、接收容器內(nèi)溫度場(chǎng)以及上升氣液交界面上的冷凝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論研究與前人的經(jīng)驗(yàn)，提出了新的低溫液體無(wú)排放加注計(jì)算思路和方法。計(jì)算方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。在肯定計(jì)算方法可靠準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)難以測(cè)量又十分重要的中間變量:被加注工質(zhì)的質(zhì)量和體積變化、內(nèi)能及模塊間換熱量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果使我們對(duì)無(wú)排放加注的本質(zhì)有了更深入的了解。本文

3、主要完成了以下研究?jī)?nèi)容:
　　(1)明確無(wú)排放加注的主要性能指標(biāo)以及分析性能指標(biāo)規(guī)律
　　本文明確了接收容器內(nèi)壓力、最終充滿率和加注時(shí)間為判定無(wú)排放加注好壞的主要性能指標(biāo)。通過(guò)對(duì)主要性能指標(biāo)的規(guī)律性實(shí)驗(yàn)研究得到:(Ⅰ)接收容器內(nèi)的壓力為判斷無(wú)排放加注好壞的第一標(biāo)準(zhǔn)。典型的無(wú)排放加注過(guò)程中接收容器內(nèi)壓力經(jīng)歷三個(gè)階段:快速上升、緩慢變化和再次快速上升。其中第二次壓力快速上升視為結(jié)束加注的重要信號(hào);(Ⅱ)接收容器內(nèi)液體最終充滿率為

4、判斷無(wú)排放加注成功與否的第二標(biāo)準(zhǔn)。成功的無(wú)排放加注要確保接收容器內(nèi)液體最終充滿率達(dá)到容器設(shè)計(jì)所指定的額定充滿率，通常為大于90％，同時(shí)又小于100％;(Ⅲ)加注時(shí)間為判斷無(wú)排放加注好壞的第三標(biāo)準(zhǔn)。在壓力和最終充滿率都符合要求的前提下，花費(fèi)的加注時(shí)間越少，無(wú)排放加注越理想。
　　(2)無(wú)排放加注主要影響因素及其影響規(guī)律的系統(tǒng)分析通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算分析，明確了影響無(wú)排放加注的主要因素包括:進(jìn)液溫度、初始壁面溫度、進(jìn)液流量、加注結(jié)構(gòu)特征

5、、接收容器內(nèi)初始?jí)毫Α；诳刂谱兞糠?，定性定量地?duì)各影響因素的影響規(guī)律進(jìn)行分析，得出進(jìn)液溫度為無(wú)排放加注的首要影響因素。接收容器內(nèi)壓力隨進(jìn)液溫度的降低、初始壁面溫度的降低、初始?jí)毫Φ慕档?、加注口高度的上升而降低?br>　　(3)對(duì)無(wú)排放加注熱力學(xué)過(guò)程的系統(tǒng)分析
　　進(jìn)行熱力學(xué)狀態(tài)分析時(shí)，必須具備至少2個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，如壓力和溫度（P和T），才能準(zhǔn)確地描述研究對(duì)象的物性并推導(dǎo)該工況下其他匹配的參數(shù)。以往的實(shí)驗(yàn)研究中，大部分文獻(xiàn)將研究

6、重點(diǎn)置于壓力特征的測(cè)量上，而對(duì)溫度場(chǎng)研究的報(bào)道相對(duì)較少。因此，本文在結(jié)合接收容器內(nèi)壓力變化規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)無(wú)排放加注過(guò)程中接收容器內(nèi)被加注工質(zhì)的溫度分布、進(jìn)液溫度、飽和溫度以及壁面溫度分布及其變化進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了被加注工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)以及接收容器內(nèi)壁面與被加注工質(zhì)間的傳熱機(jī)理，為選用合理的傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式和假設(shè)提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　(4)新的無(wú)排放加注計(jì)算思路與方法的提出
　　本文提出的無(wú)排放加注計(jì)

7、算方法，不同于以往許多模型局限于某一種特定加注結(jié)構(gòu)，而是可以同時(shí)適用于重力環(huán)境下多種加注結(jié)構(gòu)。該方法除了在適用性上進(jìn)行了拓寬，還對(duì)部分不客觀的建模假設(shè)進(jìn)行了修正。該計(jì)算方法以上升氣液交界面和加注口的相對(duì)位置為判據(jù)，分別以熱力學(xué)飽和態(tài)平衡和浸沒(méi)理論為基礎(chǔ)，對(duì)加注口浸沒(méi)前后的不同工況采用不同的模塊劃分，引入經(jīng)典的傳熱傳質(zhì)研究成果，運(yùn)用集總參數(shù)的處理方法，在Python語(yǔ)言的輔助下，實(shí)現(xiàn)計(jì)算。
　　(5)無(wú)排放加注的拓展應(yīng)用