黃銀剛(西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043)

1 立式焊接絕熱氣瓶結(jié)構(gòu)簡介

立式焊接絕熱氣瓶作為一種低溫絕熱壓力容器，可以貯存并使用低溫液體(液氧、液氮、液氬、液態(tài)二氧化碳、液態(tài)氧化亞氮)，且其內(nèi)部設(shè)置有汽化盤管，同時能夠自動提供連續(xù)穩(wěn)定的氣體。如何保證低溫液體在瓶體內(nèi)不被汽化，需要從物理學(xué)的熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流[1]三方面進行考慮，與車用液化天然氣氣瓶相同的，立式焊接絕熱氣瓶也需設(shè)置雙層結(jié)構(gòu)：

(1)夾套內(nèi)被抽成高真空有效防止熱對流；

(2)內(nèi)容器外壁纏有多層絕熱材料有效防止熱輻射；

(3)內(nèi)容器與外殼之間相連的支撐部分設(shè)置有環(huán)氧玻璃鋼襯套有效阻止熱傳導(dǎo)。三者共同形成良好的絕熱系統(tǒng)[2]。

立式焊接絕熱氣瓶的各項技術(shù)指標(biāo)中“維持時間”和“充裝率”是客戶最關(guān)注的指標(biāo)，也是客戶評價產(chǎn)品“好與壞”的重要標(biāo)準(zhǔn)。

2 立式焊接絕熱氣瓶結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

立式焊接絕熱氣瓶作為一種自主供氣系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要分為三部分：支撐結(jié)構(gòu)、夾層管路系統(tǒng)及外部閥門系統(tǒng)。常規(guī)立式焊接絕熱氣瓶容積多為175～210 L，其瓶體高度較低，瓶頭直接焊接閥門可滿足客戶操作要求，市場上各廠家外部閥門系統(tǒng)設(shè)計基本相同，以下主要從支撐結(jié)構(gòu)及夾層管路系統(tǒng)進行介紹。

2.1 支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)[3]包括頂端支撐結(jié)構(gòu)及底端支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽與外殼之間通過支撐結(jié)構(gòu)相連，常規(guī)焊接絕熱氣瓶由于自重及加液量較少，多采用上端為固定端，下端為自由端的支撐結(jié)構(gòu)。

2.2 夾層管路系統(tǒng)

與車用液化天然氣氣瓶及“快易冷”不同的是立式焊接絕熱氣瓶夾層內(nèi)設(shè)置有汽化盤管與增壓盤管，增壓盤管及汽化盤管采用釬焊形式固定于外筒體之上，其銅管規(guī)格常見的有φ10*1 mm和φ8*1 mm，增壓盤管通常呈螺旋形纏繞與外筒體之上，而汽化盤管則有兩種不同分布形式：“雙U型”和螺旋型。

3 立式焊接絕熱氣瓶性能研究

常規(guī)焊接絕熱氣瓶(175～210 L)其充裝率通常介于90%～95%之間，但不同生產(chǎn)廠家氣瓶的維持時間差異卻較大，維持時間短的在4 d左右，維持時間長的可到達7 d以上。性能的差異決定于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因而對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中影響性能的因素進行研究就顯得尤為重要，下面以試制試驗進行研究。

3.1 充裝率對維持時間的影響

據(jù)徐烈等[4]可知：當(dāng)容器無損貯存(憋壓)后，由于受其漏熱的影響。一方面由于系統(tǒng)內(nèi)能的增加，溫度上升，而使其飽和壓力增加；另一方面，由于溫度上升，而使液體的體積膨脹，使氣相空間減少，因液體體積的不可壓縮性而使壓力急劇增大。充裝率大于90%以后，低溫液體介質(zhì)溫度升高，飽和密度減小，體積膨脹而導(dǎo)致氣瓶壓力升高，充裝率的變化，都會導(dǎo)致維持時間急劇的變化。

圖1以DPL450-210-2.4型立式焊接絕熱氣瓶為例，采用同一支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計、同一絕熱系統(tǒng)設(shè)計，通過調(diào)整加液量，實現(xiàn)不同充裝率，完成不同充裝率下氣瓶維持時間隨充裝率的變化曲線圖。

由圖1可知，充裝率降低7%時，維持時間增長177%，可見維持時間隨著充裝率的減少呈明顯增長趨勢，這與美國MVE公司低溫容器不同充裝率時壓力與時間的關(guān)系曲線一致。

圖1 維持時間隨充裝率的變化曲線

3.2 NER對維持時間的影響

圖2以DPL450-195-2.4型立式焊接絕熱氣瓶為例，保證氣瓶充裝率(約91%)一致的前提下，通過改變氣瓶支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計及絕熱系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)不同靜態(tài)蒸發(fā)率，完成了不同NER下氣瓶維持時間隨NER的變化曲線圖。

圖2 維持時間隨NER的關(guān)系曲線

3.3 影響立式焊接絕熱氣瓶NER的因素

NER直接反應(yīng)氣瓶的保溫性能，通過傳熱學(xué)理論的三種傳熱方式可知，影響NER的因素為熱對流(冷態(tài)真空度)、熱傳導(dǎo)(夾層空間，內(nèi)、外膽壁厚，支撐結(jié)構(gòu))、熱輻射(絕熱材料)。

根據(jù)《低溫絕熱與貯運技術(shù)》可知，低溫真空度優(yōu)于9.0×10-3Pa級時，熱導(dǎo)率的變化趨近于零，即真空度的變化對NER幾乎無影響，因而在產(chǎn)品制造過程需滿足出瓶真空度大于1.0×10-2Pa即可，此處不再對其進行研究。

3.3.1 夾層空間對NER的影響

同一支撐結(jié)構(gòu)及絕熱系統(tǒng)設(shè)計下，NER隨夾層空間(去除銅管所占距離后的凈空間)的變化曲線，通常立式焊接絕熱氣瓶的絕熱材料纏繞厚度多介于8～10 mm之間。當(dāng)夾層凈空間小于絕熱材料纏繞厚度時，絕熱材料與外殼銅管接觸形成新的導(dǎo)熱路徑，將會造成NER急劇增加。

3.3.2 支撐結(jié)構(gòu)對NER的影響

表1以DPL450-195-2.4型立式焊接絕熱氣瓶為例，在保證絕熱系統(tǒng)及充裝率設(shè)計相同的情況下，通過試制試驗完成了不同支撐氣瓶NER和維持時間對比表。根據(jù)結(jié)果可知，在充裝量，夾層空間，絕熱材料相同的情況下，隨著支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱減小，NER值明顯降低。

表1 不同支撐結(jié)構(gòu)氣瓶NER和維持時間對比表

3.3.3 絕熱材料對NER 的影響

表2以DPL450-195-2.4型立式焊接絕熱氣瓶為例，在相同充裝率及結(jié)構(gòu)設(shè)計情況下，采用2種性能不同絕熱紙，通過試制試驗對比得出性能優(yōu)的氣瓶NER明顯提升。

表2 不同絕熱材料NER和維持時間對比表

4 立式焊接絕熱氣瓶設(shè)計要點

鑒于近年來氣體切割、焊接、低溫實驗室、醫(yī)療用氣的持續(xù)發(fā)展，立式焊接絕熱氣瓶憑借其投資成本低、更換方便及運輸便捷等一系列優(yōu)點，在工業(yè)、學(xué)術(shù)、醫(yī)療等領(lǐng)域仍占據(jù)重要市場份額?；谝陨狭⑹胶附咏^熱氣瓶結(jié)構(gòu)特點及試制試驗，總結(jié)出以下設(shè)計要點：

(1)充裝率設(shè)計時，建議不要追求越大越好，需要結(jié)合法規(guī)要求及產(chǎn)品性能；

(2)產(chǎn)品支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在滿足強度要求的前提下，頸管的壁厚可采用局部削薄結(jié)構(gòu)，其長度盡可能較長。同時控制下端支撐板的厚度，增加其長度，也可采用環(huán)氧玻璃鋼軸套替代不銹鋼軸套。

(3)夾層空間設(shè)計時，無論汽化盤管采取何種纏繞方式，建議凈夾層空間(外殼內(nèi)直徑-內(nèi)膽外徑-銅管所占厚度)需大于絕熱材料纏繞厚度，保證絕熱材料不與外殼內(nèi)壁上銅管接觸，形成新的導(dǎo)熱路徑。

(4)絕熱材料選取時，可經(jīng)過測試對比選取表觀導(dǎo)熱系數(shù)更低的絕熱材料，能夠有效地降低氣瓶NER，提高產(chǎn)品維持時間。

5 結(jié)語

通過對杜瓦瓶的關(guān)鍵性能指標(biāo)研究，對以后的產(chǎn)品開發(fā)提供了設(shè)計依據(jù)：

(1)新產(chǎn)品開發(fā)前期需結(jié)合客戶需求和對標(biāo)競品技術(shù)參數(shù)，制定設(shè)計目標(biāo)；

(2)后期產(chǎn)品試制及試驗過程中對重量、靜態(tài)蒸發(fā)率、維持時間等各項技術(shù)參數(shù)進行測試，核查試驗數(shù)據(jù)是否達到設(shè)計目標(biāo)，作為產(chǎn)品定型技術(shù)參數(shù)依據(jù)。