前言
深冷清洁能源装备的工作温度与环境温度存在较大的温差,装备内所存储的介质吸收热量后会蒸发。无损储运就是在储运过程中将所有的阀门关闭，从而减少因蒸发造成的能源消耗。当容器内的压力达到一定值时,为了降低装备内的压力以达到安全储运的目的,容器上的安全装置会自动开启释放内部的气体。常见的液化气体为避免储运中的损耗通常采用无损储存，因此如何提高装备的无损储存时间便成了深冷清洁能源装备的重要研究方向。
无损储存时间是深冷清洁能源装备的重要性能指标，为提高深冷清洁能源装备的无损储存时间，国内外从20世纪50年代就已经开始了深冷清洁能源装备无损储存关键技术的研究。本文根据所查阅的国内外有关低深冷清洁能源装备无损储存的文章，对深冷清洁能源装备无损储存的实验及理论研究进行了综述。并对未来深冷清洁能源装备无损储存技术的发展方向进行了展望。
一、国内研究进展
王云峰等[1]阐述了高真空多层绝热的传热机理,在此基础上对低温容器总的漏热量进行了详细的计算,对容器各部分漏热量进行了比较分析,得出连接结构漏热是主要因素,达到了41.7%,为降低漏热量,提高深冷清洁能源装备的无损储运时间,需采用有效手段减少其漏热量。以装满LNG(液化天然气)的低温储罐为研究对象进行储罐的压力及蒸发率测试实验,试验结果如图1所示。证明低温储罐都存在初始充满率对深冷清洁能源装备无损储存的时间有一定影响,合理的初始充满率可有效提高深冷清洁能源装备的无损储存时间。
图1不同初始充满率下日蒸发气体量变化曲线
通过进行低温储罐静置试验，研究不同液位条件下罐内压力随时间的变化，根据低温介质物性方程和储罐容积公式，计算得到不同液位条件下储罐的无损储存时间，如图2所示。结果表明，静置过程中罐内压力随时间呈线性变化，压力上升速率随液位降低而逐渐增加。储罐液位越低日蒸发率越大，无损储存时间越短。当储罐液位从 85% 降低至12%时，压力上升速率变为原来的3倍，日蒸发率增加40多倍。储罐低液位存储时，压力上升速度明显增加，无损储存时间大幅减小，不利于液氮的长期静置存储。
图2不同液位下日蒸发率
骆明强等[2]对某 100m3 液氢贮罐进行了试验研究，分析了无损储存时间的各个影响因素，重点研究热流不均匀度（内支撑结构的影响）、初始充液率、升压压差等的影响，验证了已有的无损储存无量纲关联式的适用性，进而对液氢贮罐的优化设计提出了改进建议，指出设计液氢储罐在减小总漏热量的同时，更应该注重促进液氢温度场的均匀。
建立低温储罐温度分层实验装置,对罐体内部介质的温度分层过程进行了实验研究。试验结果表明:①在静置的小型低温容器中,会产生比较明显的温度分层,通常在底部温度和界面温度间有大约5-10K的温差；②由于上述温度的差异,会使无损储存时实际的升压速率高于按饱和均相模型计算的数值。如果能通过振动等使储罐内温度均匀,则可以增加介质无损储存的时间。
通过进行低温储罐在初始充满率分别为90%、85%和80%下的静态无损贮存试验,通过对俄罗斯模型进行一定的修正可以精确地推算出低温深冷装备无损储存时罐体内部压力升高的规律及无损储存时间。
针对液氢无损储存模型,结合将仲氢转化为正氢的制冷技术，建立相应的无损储存数学物理方程,研究了仲氢转化为正氢对液氢无损储存的影响。结果显示,仲氢转化为正氢对于有益于延长液氢无损储存时间,延长率高达18%,为提高装备的无损储运时间提供了新的反向。
于洋等[3]提出绝热材料及金属材料会向真空夹层内释放出氢气,导致绝热真空恶化,严重影响装备的绝热性能,为提高装备的无损储存时间可在装备夹层选用吸气剂时,可以根据两种除氢材料的实际情况调整相应的用量,建议用量为Ag-Z型银吸气剂与ECG质量比为6:1。
二、国外研究进展
Ryazhskikh, V.I.等[4]研究了大型液氢储罐的增压和压力控制。开发了一个有限元模型进行数值模拟。模拟结果表明，即使在微重力条件下，浮力效应也很强，可以在相对较短的时间内将最初位于储罐中心的蒸汽泡重新定位到靠近储罐壁的区域。由于自然对流的影响，液体中存在显著的热分层。热分层则会增加液体的漏热量，较小储罐的无损储存时间。还通过试验研究了过冷射流用于提供冷却和混合，使储罐压力降至其初始值，并研究了三种不同的喷射速度，尽管由于对液体区域的渗透不足，最低的喷射速度在控制压力方面是无效的，但最高的喷射速度被证明在破坏热分层和在合理的时间内降低储罐压力方面是非常有效的，是一种有效的提储罐无损储存时间的方法。
Song.等提出储罐无损储存时间是储罐储存和运输过程中的一个大问题。准确的计算热泄漏率是预测无损储存时间的关键因素。采用无限空间的自然对流模型研究气体空间的热泄漏率，提出了一种新的无量纲no.Cl。最后给出了应用公式，在所有这些研究的基础上，给出了所有低温液体的气体空间热泄漏率表。
Chen, QS等发现来自车载储罐的BOG气回流到储罐时，会给罐体内部带来额外的热量。通过开发了一个热力学和传热模型模拟了液化天然气储罐内液化天然气燃料的性质和成分的演变,分析了每天为多辆公交车加油对可能的总燃料损失率的影响。研究表明通过增加每天加油的公交车数量,可以显著降低总燃料损失率。建议使用液化器来重新液化蒸发气体,以降低储罐压力并消除燃料损失可以防止天然气排放的蒸发。
Ryazhskikh, V.I.等综合研究了增压气体在装有液化气的低温储罐蒸汽空间中冷却的数学模型。基于一维动态热边界层模型，研究表明，在具有气态氢增压的蒸汽空间的低温罐中，通过气态氢和液态氢表面的热通量远小于通过液态与罐体接触面的热流量。以商用液氢储罐为例，研究了气态氢对蒸汽空间增压的操作过程。结合比热通量计算过程的计算实例，计算结果表明，在气态空间内，通过液面的热通量远小于通过液态氢与罐体接触面的热通量，并且增压气体的热量实际上对低温液体在储罐中储存期间的温度变化没有影响，因此降低气态氢温度对液氢储罐的无损储存时间基本没有提升。
Tarun Kumar Khurana等通过在大型液氢储罐的圆柱形内表面上临时设置横向肋板，可以显著降低热分层程度。将肋板建模为翅片，并建立了用于监测液体流动和传热的共轭瞬态传热问题，湍流系数在1.2×10 12和6×10 16之间。基于能量矩的分层参数被定义为量化分层程度，分层程度对肋板高度与肋板之间的间距之比的变化不敏感。与光滑壁储罐相比，带肋板的储罐中的分层过程发生的更慢，带肋板的储罐中的自由对流传热系数也明显较低。因此，在低温清洁能源装备的内表面上加入肋板，是一种减少分层和蒸发损失的简单方法，可有效提高低温清洁能源装备的无损储存时间。
Babac, Gulru等[5]认为液氢储存具有体积能量密度高的优点，而蒸发损失是液氢储存的主要缺点。为了最大限度地减少损失，复杂的绝缘技术是必要的。通常，在液氢储罐中同时使用多层绝缘和冷屏。在具有多层绝缘和冷屏的储罐的设计中，主要目标是找到冷屏的最佳位置，以最大限度地减少热泄漏。在本研究中，通过考虑氢气的热导率和热容的温度依赖性，开发了一个二维热模型。所开发的模型用于分析模型考虑因素对热泄漏预测的影响。分析了具有多层绝缘和冷屏的液氢储罐的热泄漏，并确定了冷屏的最佳位置，以使热泄漏最小化，提高液氢储罐的无损储存时间。
三、展望
目前，国内外专家学者对深冷清洁能源装备无损储存技术研究已比较成熟，为提高深冷清洁能源装备的无损储存时间，笔者认为装备支撑结构形式、绝热材料的选择及方案、避免罐内液体温度分层的结构设计将是未来重点研究方向。
参考文献
[1] 王云峰，任日菊，高振宇，胡久韶.基于压力变化的低温储罐日蒸发率研究[J].低温与超导,2021,第49卷(7): 79-83
[2] 骆明强，叶莉，安刚.液氢贮罐无损储存时间影响因素分析[J].中国设备工程,2019,(16): 113-114
[3] 于洋，朱鸣，陈叔平，古纯霖，张波，黄宇巍.除氢材料在高真空多层绝热设备中维持高真空行为研究[J].材料导报,2021,第35卷: 14035-14039
[4] Ryazhskikh, V.I.;Khvostov, A.A.;Ryazhskikh, A.V.;Ivanov, A.V.;Kozlov, A.V..Estimation of Heat Flux Through Free Liquid Hydrogen Surface in Cryogenic Tanks with Supercharged Vapor Space[J].Chemical and Petroleum Engineering,2017,Vol.53: 101-105
[5] Babac, Gulru;Sisman, Altug sismanal@itu.edu.tr;Cimen, Tolga.Two-dimensional thermal analysis of liquid hydrogen tank insulation.[J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,Vol.34(15): 6357-6363