低溫液體儲罐是一種用于儲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。以下將對低溫液體儲罐的相關(guān)內(nèi)容進行詳細(xì)介紹。

一、低溫液體儲罐的結(jié)構(gòu)特點

1. LNG 常壓低溫液體平底儲罐：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)場限制、高處作業(yè)以及對組裝過程中質(zhì)量檢查要求高等影響，現(xiàn)場組裝工作量較大，施工難度較大1。
2. LNG 儲罐結(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、加強環(huán)板及吊桿等組成，通過吊桿與外罐拱頂連接，吊頂板、加強圈及吊桿等采用鋁合金鋼板5。

二、低溫液體儲罐的有限元結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)低溫液體儲罐的結(jié)構(gòu)特點，可完成低溫儲罐三維實體模型，并選取實體模型結(jié)構(gòu)中可靠性最弱部位作為分析對象，通過有限元分析軟件 ABAQUS 建立結(jié)構(gòu)分析模型，對該結(jié)構(gòu)滿載時的應(yīng)力和位移進行對比分析，依據(jù) JB 4732 - 95 校核材料強度，驗證基于實體模型進行有限元結(jié)構(gòu)分析的可行性和簡潔性，根據(jù)分析結(jié)果可提出分析模型簡化方案和結(jié)構(gòu)改進措施3。

三、低溫液體儲罐的熱性能估計

1. 對于低溫液體存儲解決方案的設(shè)計，需要準(zhǔn)確的方法來估計熱量的流入，從材料層面到儲罐層面。對于絕緣材料，熱性能通常在環(huán)境條件和 77K 的液氮作為邊界溫度下進行測量。一個關(guān)鍵問題是當(dāng)存儲 20K 的液態(tài)氫時，熱量流入會增加多少。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，還表明熱量流入對溫暖邊界溫度比冷邊界溫度更敏感。在儲罐層面，比較了兩種評估低溫儲罐穩(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)模型受益于簡單性、速度和穩(wěn)健性。將這兩種方法應(yīng)用于用于海上運輸?shù)淖灾我簯B(tài)氫儲罐概念，并分析對結(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)模型可以估計熱量流入誤差約為 1%，冷點溫度誤差小于 1K2。
2. 為了深入了解非等溫燃料儲罐中的流體晃蕩行為，建立了一個通過耦合流體流動和熱交換的數(shù)值模型?？紤]了外部熱泄漏和界面相變。熱邊界和外部正弦激勵均通過用戶自定義函數(shù)實現(xiàn)。為了捕捉晃蕩過程中液 - 氣界面的運動，采用了特別的網(wǎng)格運動處理方法，并結(jié)合了流體體積法。通過與實驗結(jié)果驗證，選擇標(biāo)準(zhǔn) k - ε 模型來預(yù)測流體晃蕩?；谠摂?shù)值模型，研究了晃蕩幅度對流體動力學(xué)性能的影響。研究了蒸汽和液體壓力的變化、儲罐所受的晃蕩力和晃蕩力矩。此外，為了研究液 - 氣界面的動態(tài)響應(yīng)，設(shè)置了不同的監(jiān)測器來測量界面液位的變化。結(jié)果表明，外部晃蕩激勵對液氧罐中的晃蕩流體動力學(xué)特性產(chǎn)生了很大影響。通過獲得一些有價值的結(jié)論，本研究對于深入研究非等溫晃蕩動態(tài)過程具有重要意義，并可為航空航天儲罐的抗晃蕩設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)6。

四、低溫液體儲罐的多相熱模擬
通過使用高保真多物理場 CFD 模擬絕緣系統(tǒng)的熱傳遞和低溫液體儲罐中多相熱流的相變，對容納貨物系統(tǒng)（CCS）設(shè)計中的低溫液體的蒸發(fā)氣體（BOG）和蒸發(fā)率（BOR）進行高精度數(shù)值計算。將結(jié)果與僅基于總熱傳遞且不考慮與儲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)測的結(jié)果進行比較。使用商業(yè)軟件 STAR - CCM + 求解具有可實現(xiàn) k - ε 湍流模型和用于相變計算的 Rohsenow 沸騰模型的非定常雷諾平均 Navier - Stokes（URaNS）方程。首先，為了驗證相變模型，計算存儲在 C 型獨立罐中的低溫液體，研究罐內(nèi)的熱流體行為，并將 BOG 和 BOR 的相應(yīng)值與實驗以及其他研究人員的數(shù)值模擬結(jié)果進行比較。估計的 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流。隨后，計算了膜式 LNG（液化天然氣）儲罐中的多相熱流以估計 BOR，并與通過絕緣系統(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 計算能夠精確預(yù)測低溫液體的汽化并基于實際 BOG 量計算正確的 BOR 值4。

五、低溫液體儲罐的預(yù)冷技術(shù)
在 LNG 儲罐進液前，為保證儲罐設(shè)備及管道系統(tǒng)安全可靠，同時檢查閥門、安全閥及法蘭連接處的密封情況，可以用低溫液體對 LNG 管道及儲罐系統(tǒng)進行預(yù)冷操作。對整個 LNG 儲罐的預(yù)冷系統(tǒng)進行詳細(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，同時進行基于冷量熱平衡下預(yù)冷介質(zhì)用量的分析，通過計算可得出預(yù)冷所需介質(zhì)的最大、最小用量，為其他 LNG 儲罐工程預(yù)冷介質(zhì)的選擇提供計算依據(jù)7。

六、低溫液體儲罐的新型材料應(yīng)用
開發(fā)用于長期儲存低溫液體的有效解決方案對于未來的載人太空探索任務(wù)至關(guān)重要。目前的儲罐由鋼、鋁或復(fù)合材料等金屬制成。盡管這些材料具有高機械強度，但它們相對較高的熱導(dǎo)率在熱滲入低溫液體方面是一個缺點。熱流入儲罐會導(dǎo)致低溫液體汽化，增加儲罐中的壓力。為了調(diào)節(jié)儲罐壓力，目前的儲罐會排出一些蒸汽。為了降低儲罐加壓速率，已經(jīng)開發(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。先前對小型 RTV - 655 和氣凝膠 / RTV - 655 儲罐進行了實驗，以獲得作為溫度和壓力函數(shù)的應(yīng)力和應(yīng)變歷史。由于進行額外實驗的復(fù)雜性和成本，需要一個熱機械計算模型來進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 RTV - 655 和 RTV - 655 / 氣凝膠實驗的冷卻和加壓階段進行建模。給出了模擬預(yù)測并與實驗測量結(jié)果進行比較8。

七、低溫液體儲罐的輕量化設(shè)計
對某移動壓力容器進行了優(yōu)化設(shè)計研究，首先通過仿真模擬低溫液體運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行應(yīng)力分析，用分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行評定。在此基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面進行二次回歸擬合，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)容器角鋼圈長邊寬、短邊寬減少了 19.95mm、10mm，厚度減少了 2mm，且滿足評定標(biāo)準(zhǔn)9。

八、低溫液體儲罐的無損安全存儲技術(shù)研究進展
隨著天然氣、氫氣等綠色清潔能源的廣泛應(yīng)用，使用低溫儲罐存儲和運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越頻繁。因此，了解低溫儲罐在應(yīng)用環(huán)境條件下的內(nèi)部熱力學(xué)現(xiàn)象及其對儲罐安全存儲的影響，并快速準(zhǔn)確地預(yù)測低溫儲罐的無損存儲時間至關(guān)重要。本文介紹了液氮、液氫和液化天然氣等低溫儲罐在存儲和運輸過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，以及通過實驗和數(shù)值模擬方法研究熱泄漏條件下儲罐內(nèi)的傳熱傳質(zhì)行為及其隨時間的變化的研究進展?？偨Y(jié)和評價了用于預(yù)測低溫液體儲罐無損存儲時間的不同熱力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，指出了低溫液體儲罐無損存儲技術(shù)發(fā)展中需要解決的關(guān)鍵問題，為低溫液體儲罐無損存儲技術(shù)的進一步研究提供了參考