低温绝热气瓶结构优化与进一步提高绝热性能的研究

低温绝热气瓶作为一种储运低温液体的特种容器,目前开始被广泛应用于机械、化学工业和国民经济各领域,取代传统的高压气瓶用以提供工业气体。由于低温绝热气瓶可以带压储存和运输低温液体,因此与普通压力容器相比结构更为复杂。其绝热性能和安全性是低温绝热气瓶高效可靠使用的保证,研究绝热结构的传热机理、强度分析以及合理有效的优化方法具有重要的理论意义和实用价值,同时,建立合理的评估绝热性能的标准对于促进低温技术的发展和应用有重要的意义。因此,本文以传热学、数值分析和有限元等理论为指导,建立传热模型与热力耦合模型,采用ANSYS有限元分析软件进行分析,研究低温绝热气瓶绝热结构优化。同时,对日蒸发率的影响因素和修正关系式进行了探讨,主要进行以下几方面研究:(1)作为低温绝热气瓶内外容器之间的重要支撑结构,使得通过颈管进入低温绝热气瓶的热流占总热流的比例非常大,甚至达到一半以上。为此,采用实验和数值模拟相结合的方法,分别建立低温绝热气瓶颈部传热的稳态导热模型和共轭传热模型,与实验的结果进行比较,得到模型的误差最大分别为8.91%和5.66%,并且充装的低温液体越多,精度也越高,因此考虑实用性以及计算效率等多方面因素,稳态导热模型在相对误差的范围内对颈部传热的分析精度足够,并以此模型对两种高径比H/D分别为2.61和1.94的低温绝热气瓶颈部传热进行分析。(2)根据低温绝热气瓶的结构特性,建立了强度分析的热力耦合模型,对H/D分别为2.61和1.94的低温绝热气瓶在承受静态载荷及2g的冲击载荷工况下的热应力进行了分析,确定在颈管接管头与封头开孔连接边缘的环向面是应力水平最高的部位,也是整个气瓶的最薄弱部位,并采用等效线性化的处理方法对颈管开孔边缘最危险截面的不连续应力进行分类处理。(3)将上述建立的稳态导热模型和热力耦合模型两种模型到引入到颈管的优化分析中,分别对颈管结构的长度、直径和壁厚在不同无量纲参数(h/H、d/D、δn/δ)下对通过颈部的漏热量及最大热应力的影响进行了研究,对颈管结构从传热及强度两方面进行了优化,找出最优化的尺寸参数,并且探讨了颈管开孔结构补强的重要性,对低温绝热气瓶颈管的结构设计提供理论依据,并且有着重要的指导作用。(4)日蒸发率作为评价低温绝热容器绝热性能最重要的技术参数,能够非常直观的反映气瓶的绝热性能,一直受到非常多的关注,因此准确测量和计算低温容器的日蒸发率至关重要。本文以立式低温绝热气瓶为基础,采用数值模拟与实验验证的方法,对包括环境温度、环境压力和液位高度对日蒸发率的影响因素进行研究,并且分析研究更合理更准确的修正方法来对低温绝热气瓶的静态日蒸发率进行计算,为国家标准GB/T 18443《真空绝热深冷设备性能试验方法》的修订提供了数据支持。本文的研究方法和结论使低温绝热气瓶的设计更加合理化,为推广和发展低温绝热气瓶的应用提供了理论基础和工程应用价值。