东北大学项士学位论文 摘要１３ｍ３液氩储罐的热工性能研究摘要所有低温的产生、低温的应用与研究，都离不开低温液体的贮藏与运输。许多重要的科研项目酃需要在低温环境下进行。由于低温液体的沸点低、汽化潜热小，获得和保存低温液化气体需要付出较大的代价，因此对低温液体的有效贮存与运输的研究具有科学意义和重要的经济价值。本文对１３ｍ３液氲储罐的热工性缝进行了定性分析和定量研究。本文针对１３ｍ３液氩储罐。分析了液氩自然增压过程和排放过程各热力参数的变化规律，探讨了初装率对各热力参数的影响，提出了计算最佳充装率的方法。在此基础上，通过定性分析和公式推导得出了１３矗液氩储罐无损贮藏过程中所涉及到的各热力学参数的变化规律适用计算方法，并定量得出１３ｍ３液氩储罐无损贮藏过程中的各参数变化结果，同时绘制了液氩罐各热力参数的变化曲线。如液氩无损贮存自然增压过程的压容图、容时图、排放周期图等曲线。这些曲线从不同侧面反映了液氩罐中液氩在自然增压和排放过程中的热力学参数的变化规律。应用这些曲线，可以预测和分析液氩罐的整体性能及无损贮存时问等相关信息。本文通过对液氩罐自然增压过程的分析发现：（１）不同初始充装率对应的排放周期不同。

当初始压力一定时，存在～个最佳初装率，其值可由式（３．１８）计算得到，其对应的无损贮存时间最长，针对本台设备，８７．２９Ｋ初装状态下最佳初装率为７７．１％。当初装率大于此值时，随着初装率的增大无损贮存时间变得越来越短；当初装率小于此值时，随着初装率酶减小无损贮存时间变缛越来越短；对于本文研究的设备，由于其工作压力较低，在工作范围内，无损贮存时间随初装率的增大而越来越长造成不同充装率时无损贮存住能发生变化的不仅是热容量的大小，还与低温液体体积膨胀等因素有关。（２）不同初始充装率对应的排放方式不同。对于本台设备，初始内压为Ｏ．１Ｍｐａ时，当初装率大于７７．１％肘，排放属于第一类排放（胀罐排放）：当初装率小于７７，１％时，排放属于第二类排放（超压排放）。－ＩＩ．东北大擘硕士学位论文摘要三、通过对液氩排放过程的分析发现：（１）排放作业以损失罐内存氩为代价，来换取剩余氩平衡温度和压力的降低。（２）计算中必须考虑罐体的蓄热。实际作业过程中，仅有一部分罐体蓄热即时参与降温，所占全部蓄热的比例受具体排放工况控制。但在排放作业结束后，罐体剩余蓄热的放出会导致罐内存氩的温度压力反弹现象。本文进行的研究具有通用性，通过对其局部进行修改可以计算液氦、液氢、液氮等低温液体贮罐的性能曲线，用来预测整体性能及无损贮存时间，并根据自己的实际需要及时调整储罐的充满率和贮存时间，在保证安全的同时又保证有最佳的经济性。

关键词：低温容器；液氩；自然增压；排放；初装率．ＩＩＩ．东北大学硕士学位论文ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＴｈｅｒｍｏｄｖｒｎａｍｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆＳｔｏｒａｇｅｆｏｒＳｔｏｒｉｎｇ１３ｓｔｅｒｅＬｉｑｕｉｄ－ａｒｇｏｎＡｂｓｔｒａｃｔ／ｔ ｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａ／ｔｏｓｔｏｒａｇｅａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｏｆｃｒｙｏｇｅｎｉｃｌｉｑｕｉｄｗｈｅｎｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓｉｓｐｒｏｄｕｃｅｄａｐｐｌｉｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄ．Ｍａｎｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ・ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｎｅｅｄｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｌｏｗｂｏｉｌｉｎｇｐｏｉｎｔｓａｎｄｓｍａｌｌｖａｐｏｒｉｚｉｎｇｌａｔｅｎｔｈｅａｔｔｈｅｓｔｕｄｙｆｏｒｓｔｏｒａｇｅａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｏｆｃｒｙｏｇｅｎｉｃｌｉｑｕｉｄｓｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｔｏｒａｇｅｆｏｒｓｔｏｒｉｎｇ１３ｃｕｂｅｍｅｔｅｒｓＬＡｆｉｎｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｐａｐｅｒａｒｅｆｏｌｌｏｗｅｄ．ＴｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｒｕｌｅｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＬ缸ｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｗｈｉｃｈｐｒｅｓｓｉｓｎａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｎｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｏｒｉｇｉｎａｌｆｕｌｌｎｅｓｓ－ｒａｔｅｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｃａｆｎｅｏｕｔｔｈｅｗａｙｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｏｐｔｉｍｕｍｆｕｌｌｎｅｓｓ－ｒａｔｅ．Ｄｅｐｅｎｄｏｌｌａｂｏｖｅｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅｐａｐｅｒｐｏｒｔｒａｉｔｃｕｒｖｅｓｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＬ吣ｓｕｃｈａｓ，Ｐｒｅｓｓｕｒｅ・ ｃａｐａｃｉｔｙｃｕｒｖ铭，Ｃａｐａｃｉｔｙ－ｄａｙｓｃｕｒｖｅｓａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｐｅｒｉｏｄＣｌ｜１．＂Ｖｅｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｓｅ—ｌｅｓｓｓｔｏｒｅｉｎｗｈｉｃｈｐｒｅｓｓｉｓ ｎａｔｕｒａｌｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．ＴｈｏｓｅｃｕｒｖｅｓｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｌａｗｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＬＡｒｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｗｈｉｃｈｐｒｅｓｓｉｓｎａｔｕｒａｌｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｎｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ．ＴｈｏｓｅＣＵｎＦＣＳｃａｎｆｏｒｅｃａｓｔａｎｄａｎａｌｙｚｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄ－ａｒｇｏｎｓｔｏｒａｇｅｕｓｉｎ晷Ａｔｔｈｅｓａｌｎｅｔｉｍｅ，ｗｅｅａｒｌｃｏｎｃｌｕｄｅｔｈａｔｔｈｅｔａｃｔｉｃｔｉｍｅｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅｍｏｒｅａｎｄｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅｌｅｓｓｍａｙｏｆｔｅｎｋｅｅｐｍｏｒｅｓｕｒｐｌｕｓａｒｇｏｎｉｎｔｈｅｓｔｏｒａｇｅｆｏｒｕｓｉｎｇｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｃａｌｌｂｅｕｓｅｄｉｎｏｔｈｅｒｃｒｙｏｇｅｎｉｃｌｉｑｕｉｄｓ，ｓｕｃｈ鹳ＬＨｅＬ｝１２ａｎｄＬＮ２咖．Ｗｅｃａｒｌｆｏｒｅｃａｓｔｔｏｔａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｏｆｌｏｓｅ－ｌｅｓｓｓｔｏｒｅ．Ｕｓｅｒｍａｙ甜ｊｌｌｓｔｆｕｌｌｎｅｓｓ－ｒａｔｅｏｆｓｔｏｒａｇｅａｎｄｓｔｏｒｅｄｔｉｍｅｂｙａｃｔｕａｌｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ．ＴｈｕｓｕｓｅｒｃａｌｌａｓＳＵｌ．ｅｂｏｔｈｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｅｃｏｎｏｍｙ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｌｉｑｕｉｄｓ；ＬＡｒｐｒｅｓｓｕｒｅｎａｔｕｒａｌｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ；ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ；ｏｒｉ画ｎａｌｆｕｌｌｎｅｓｓ－ｒａｔｅ．Ⅳ．独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。

论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我～同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：１．，≤．参．叶产 Ｊ学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。学位论文作者签名：日 期：口另外，如维者和导师不周意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期：－Ｉ－东北大学硕士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论１．Ｉ低温容器的使用现状随着国民经济的快速发展，低温技术的普及和应用，低温液体的应用日趋广泛，如液氢、液氧、液氮、液氩、液氦、液化天然气等，低温液体的产生、低温液体的应用与研究，都需要低温液体的贮存与输送。许多重要的科研项目都需要在低温环境下迸行。各行各业对贮存和输送低温液体的低温容器的需求不断增长，尤其在工业、农业、国防科研和医疗方面更为明显Ｉｌ】。

由于低温液体的沸点低、汽化潜热小，获得低温液化气体需要付出较大的代价，因此低温液体的有效贮存与运输具有重要的经济价值‘２１。在低温技术的应用中，往往存在下面所述情况：（１）集中生产，然后分配到各用户，例如液氧、液氮、液氩、液化天然气、液化石油气及液氦的集中生产与分配；（２）短期生产的产品供较长时间使用，例如许多试验单位和医疗单位自备液氧机生产液氧的情况；（３）较长时间的生产，供短期大量集中使用，例如大型低温试验或进行火箭发射时，均是采用这种方法提供液氦、液氢、液氧、液氮的。为了适应以上的情况，必须进行低温液体的有效贮运，就是对于使用气体的部门，如果采用液体运输，也是比较经济的。例如一台３６５０Ｌ的液氧槽所贮存的液氧。其总重量不超过１２５０Ｋｇ，若气体贮运，需５００只钢瓶，重量３ＳＳ００Ｋｇ。又如一只１７５Ｌ的带汽化器的液氧贮槽，装在一辆小车上，携带方便，可代替２０只氧气钢瓶供焊接使用。总之，几乎所有使用低温的场合，都离不开低温液体的贮运，自然也离不开贮存低温液体的设备。因此，低温液体的贮运是低温工程中一项最基本的工作，也是低温技术中近３０年来发展最快的一项技术。伴随低温液体贮运的发展，低温容器的绝热技术日趋完善。

要保持低温液体的贮运以及低温制冷的温度等，都必须对低温环境采取绝热措施，只有在绝热条件下才能够保持低温。通过绝燕，可以减少气化损失，或为长时间及远距离运送低温液体创造条件。低温绝热方法可以分为普通绝热和真空绝热两大类：东北大学硕士学位论文 第一章 绪论（１）普通绝热是一种使用较早的传统的绝热方法，它是在设备、容器、管道的外侧敷设固体多孔性绝热材料，在绝热材料的空隙中充满着大气压力下的空气或其他气体ｒ（２）真空绝热有三种基本类型：高真空绝热，真空粉末绝热及真空多层绝热。自１８９０年杜瓦发明了杜瓦容器以来，低温容器的绝热性能有了很大的提高，从那以后所有的改进都是在杜瓦原先的概念上进行的，通常都是采用高反射率的表面或一个可以反射和遮挡辐射能量的中间屏来减少辐射传热的。真空粉末绝热是１９１０年以后出现的，而多层绝热的发展是最近三十年来的事情。现在低温绝热技术的发展已达到相当完善的程度，例如多层绝热的发展使液氦的输送发生了根本性变化，已可以实现三十天无损耗的陆上和海上运输。绝热结构的绝热性能可用其有效导热系数（或称表观导热系数，包括对流及辐射在内）来评定，它的数值越小，则绝热性能越好，图１．１示出各种绝热方式有效导热系数的变化范卧”。

可以看出，真空多层绝热的效果最好。目前各种低温绝热技术已很成熟地应用于大、中、小型低温液体贮槽上。１０－５ １０。‘ １０。３ １０吨 １０叫图１．１各种绝热方式有效导热系数的变化范围Ｆｉｇ．１．１ｖａｒｉａｔｉｏｎｒａｎｇｅｓｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅｈｅａｔｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｅｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ随着低温液体的贮运迅猛发展，对低温容器的使用技术要求也越来越高。短短的几年时间，国内发展了许多生产厂家，但产品的使用情况尚不尽人意。国外同类产品说明书都配有储槽性能资料，例如关于贮存时间的升压曲线和升温充满率和贮存时间，在保证安全的同时又保证最佳的经济性。而我国的生产企业和产品都未能做到这一点．东北大学硕士学位论文第一章 绪论１．２课题来源及项目简介１．２．１课题来源本文研究的课题“１３ｍ３液氩储罐”是辽化机械厂特钢车间改选配套项目，原生产用氩气是由辽化动力厂空分车间通过管道提供，由于该空分设备不是连续生产，氩气提供时断时续，无法满足生产每日用氩，故此需要能够长期贮存，并且快速使用的液氩储罐。该设备需进行静强度校核、抗冲击性能计算及校核和热应力、热工性能计算及校核。对该设备提出如下具体要求：１、保证足够的静强度和抗冲击强度。需要对整体和各部件分别进行计算和校核以