一种带有多孔介质的低温液体储罐的制作方法

本发明涉及低温液体储存技术领域，特别涉及一种带有多孔介质的低温液体储罐。

背景技术：

在低温液体、低温燃料的罐式存储、输运过程中，由于不可避免的环境漏热影响，储罐内近壁处低温液体(液氦、液氢、液氖、液氮、液氧、液化天然气等)首先被加热，温度升高。该热流体在浮升力的作用下向上流动，造成罐内流体温度分布不均匀，出现热分层现象。在接近气液相界面的热流体部位，界面处液体汽化加剧，罐内压力升高，造成罐体重大安全隐患。尤其对于低温燃料的地面存储、输运，以及卫星发射、绕轨运行过程中的燃料存储，该热分层问题是最严峻、急需解决的安全问题。因此，发明一套简单可靠的、能够消除低温液体储罐中热分层现象的装置具有重要价值。

目前已公开的论文和专利中关于消除低温液体热分层的方法基本只有加入旋转搅拌器和壁面加肋片两种。旋转搅拌器通过加快流体流动从而使罐内温度趋于一致。然而任何加入旋转搅拌器等需要消耗外部能量、同时存在机械运动部件的方案，都有可能带来实际运行上安全性和可靠性的挑战，尤其是在这些极端低温条件下的易燃易爆流体中。

文献《influenceofwallribsonthethermalstratificationandself-pressurizationinacryogenicliquidtank》从肋片形状、材质、布置间距等方面研究肋片对热分层的影响。壁面加肋片则通过破坏边界层的方式减缓壁面热流体向上移动从而减慢热分层形成的速率。然而肋片一方面会增加储罐额外的质量，且使储罐容量减少；另一方面也会导致储罐和环境间的漏热增大，存在明显缺点。

技术实现要素：

本发明提供了一种带有多孔介质的低温液体储罐，具有额外引入漏热少、额外引入质量少、无额外输入动力且安装、实现方法更简单等优点。

一种带有多孔介质的低温液体储罐，包括用于储存低温液体的低温储罐罐体，所述低温储罐罐体内至少部分低温液体区域填充多孔介质填料。

本发明通过在所述低温储罐罐体内填充多孔介质消除冷热流体对流传热、强化冷热流体导热，从而消除储罐内低温液体热分层。多孔介质根据材料类型可分为多孔金属、多孔陶瓷、多孔塑料。

优选的，所述多孔介质填料为高导热的金属多孔介质。多孔金属具有许多优良特性，如密度小、比表面积大、能量吸收性好、换热散热能力高、透过性优、阻火、抗热震等。

优选的，所述多孔介质填料采用金属自由纤维或金属丝网。金属自由纤维和金属丝网质量轻、孔隙率大，对低温液体储罐质量的增加及容量减少影响小。同时，多孔介质换热系数和接触热阻都比较大，相比肋片式，在有效地加快流体内部的热量传递的同时也减小了环境漏热。

优选的，所述多孔介质填料采用紫铜丝网或青铜丝网。一般认为，金属丝网热导率＝该金属材料致密时的热导率*(1-空隙率)，相较于不锈钢网、钢丝网、镍丝网等，金属铜具有更大的导热系数，故铜丝网具有更强的换热效果，能更快消除热分层。

优选的，所述多孔介质填料的空隙率可为0.7～0.99。多孔介质空隙率越大，则使低温储罐额外引入质量、容积损失越少。

当对储罐的质量、容量设计要求较高时，则可采用等距间隔布置或贴壁环形布置的方式。优选的，所述多孔介质填料设有多层，在低温储罐罐体内间隔分布。等距间隔布置的方式加快了壁面处热流体的热量向圆心传递，且在一定程度上减缓热流体的向上流动，减少流体上下热分层的程度。贴壁环形布置则可使热量上下均匀传递，从而消除热分层形成。

优选的，所述多孔介质填料为5～10层，每层所含片数为100～400片，所有层的总厚度与低温储罐罐体高度的比值0.1～0.4，间隔距离与低温储罐罐体高度的比值0.1～0.2。此时储罐热分层程度为原来的0.01～0.1，有效削弱热分层程度。

进一步优选的，选用的低温储罐为直径为0.3～0.7m，高度0.8～1.2m的圆柱形筒体，若采用市面常见的铜丝直径0.05～0.2mm，15～25目的铜丝网，孔隙率为0.9～0.99，每片铜丝网厚度约为0.15～0.25mm，此时所述多孔介质填料总片数500～2000片，在低温储罐内层数范围为5～10层，每层所含片数为100～400片，铜丝网总厚度与低温储罐罐体高度的比值0.1～0.4，间隔距离与低温储罐罐体高度的比值0.1～0.2。

优选的，所述多孔介质填料贴壁环形布置在低温储罐罐体内壁上。贴壁环形布置方式则破坏了热边界层，能有效阻止热流体向气液相界面处流动。

优选的，所述多孔介质填料贴壁环形结构的总厚度与低温储罐罐体直径之比为0.02～0.2。此时储罐热分层程度为原来的0.01～0.1，对储罐热分层有良好的抑制效果。进一步优选的，选用的低温储罐为直径为0.3～0.7m，高度0.8～1.2m的圆柱形筒体，若采用市面常见的铜丝直径0.05～0.2mm，15～25目的铜丝网，孔隙率为0.9～0.99，每片铜丝网厚度约为0.15～0.25mm。

优选的，所述多孔介质填料在所述低温储罐罐体内均匀填充低温液体区域。全储罐均匀填充的布置方式在加快了流体内部的热传递的同时也能破坏壁面热边界层，达到良好的抑制热分层的效果。

本发明的有益效果：

本发明的带有多孔介质的低温液体储罐中多孔介质与壁面接触热阻大，减少环境漏热的影响；加快罐内流体热量传递，减慢热分层的形成速率；整体质量轻，对容量影响小。

附图说明

图1是现有技术的低温液体储罐的结构示意图。

图2是现有技术的低温液体储罐壁面加肋的结构示意图。

图3是现有技术的低温液体储罐内置旋转搅拌器的结构示意图。

图4是实施例1的低温液体储罐的结构示意图。

图5是实施例2的低温液体储罐的结构示意图。

图6是图5在a-a方向上的剖视图。

图7是实施例3低温液体储罐的结构示意图。

其中：

1.低温储罐罐体；2.多孔介质填料；3.低温液体；4.肋片；5.旋转搅拌器。

具体实施方式

实施例1

如图1～3所示，现有技术的低温液体储罐中有加肋的结构以及内置旋转搅拌器的结构来减小低温液体储罐消除低温液体热分层。

图1中，低温液体储罐包括低温储罐罐体1以及填充的低温液体3。图2中，低温储罐罐体1内设有肋片4。图3中，低温储罐罐体1内设有旋转搅拌器5。

如图4所示，本实施例的低温液体储罐包括：低温储罐罐体1、填充的低温液体3以及多孔介质填料2。

本实施例中，低温储罐罐体1由上下椭圆形封头和圆柱形筒体组成，多孔介质填料2只布置在低温液体3中，不考虑封头部分及未有液体充注的储罐筒体上部气枕区。

低温储罐罐体1筒体部分内径0.5m，高1m。

本实施例中，多孔介质填料2采用丝网直径0.1mm、20目，孔隙率0.94的金属铜丝网，设有5层，每层片数为200片，在低温储罐罐体1内间隔分布，每层丝网厚度与低温储罐罐体高度的比值为1:25，间隔距离与低温储罐罐体高度的比值1:6。

实施例2

本实施例除了多孔介质填料2的结构以外，都与实施例1相同。

如图5和6所示，本实施例的多孔介质填料2采用直径0.1mm，20目，孔隙率0.94的金属铜丝网，贴壁环形布置在低温储罐罐体1内壁上。

多孔介质填料2贴壁环形结构片数为100片，丝网总厚度与低温储罐罐体直径之比为1:25。

实施例3

本实施例除了多孔介质填料2的结构以外，都与实施例1相同。

如图7所示，本实施例的多孔介质填料2采用市面常见的直径0.1mm，20目，孔隙率0.94铜丝网。金属铜丝网均匀填充低温液体3。

将实施例3和现有技术进行对比试验：

低温储罐罐体1筒体部分内径0.5m，高1m，低温液体3筒体部分液位高度为0.5m。多孔介质2材料选用直径0.1mm，20目，孔隙率0.94的金属铜丝网。此例中比较现有技术和实施例3中的低温液体3的热分层程度，可看作低温液体3上下液面温度差，封头部分不影响比较结果，此处只计算低温液体3在低温储罐罐体1筒体部分的上下温度差。取图1中筒体部分低温液体3上下液面温度差为0.2071k，且

代入数据dt＝-0.2071，λ＝0.1w/m·k(液氢在1个大气压下温度为18-25k时的平均导热系数)，dx＝0.5，得q＝0.04142w。实施例3的低温储液罐内全储罐均匀填充金属铜丝网时，查得18-25k时铜的导热系数为λ铜丝网＝872w/m·k，此时λ1＝52.414/·k，dt1＝-0.000395。而现有技术采用肋片布置的消除热分层最好效果为dt2＝-0.0471，此时所述肋片为矩形环肋，肋高0.05m，肋宽0.05m，肋间距0.08m。肋的材质为铝。低温储罐罐体1损失容积

附加质量

由此可以看出，采用多孔铜丝网，热分层程度仅为纯液氢储存的0.19％，常规肋片的0.83％，额外引入质量稍小于肋片，但容积损失只有肋片的27.78％，在更好地降低热分层程度的同时对储罐容积损失影响小，具有明显优势。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。