中小型LNG船C型獨(dú)立液貨艙蒸發(fā)率計(jì)算

劉文華 陸 晟

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

中小型LNG運(yùn)輸船是典型的布置型船，主尺度的確定要從總體布置、船舶性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面來考慮，既要滿足船舶使用要求，使艙室布置合理，同時也要使船舶具有良好的阻力性能。其中，液貨艙的尺度對船舶主尺度的選取起著決定性的作用，同樣，船舶主尺度又影響著液貨艙的尺寸，兩者相互制約，相互影響。

目前已建的中小型LNG船一般采用C型獨(dú)立液貨艙。其筒體有單圓筒或雙圓筒兩種形式，封頭主要為球形。圖1為典型的雙圓筒C型獨(dú)立液貨艙［1］。從圖1可以看出，液貨艙的周圍覆蓋有一圈保 溫層材料。設(shè)計(jì)絕緣保溫層的目的，首先在于將通過對流、傳導(dǎo)和輻射等各種傳熱方式傳遞給低溫裝置的熱量減少到盡可能低的程度，以維持低溫系統(tǒng)的正常工作；其次是為了防止LNG泄漏保護(hù)船體，減少運(yùn)輸過程中LNG的蒸發(fā)，控制其日蒸發(fā)率以及由于溫度變化而引起的熱脹冷縮。

圖1 雙圓筒C型獨(dú)立液貨艙

液貨艙通過支座與船體相連，貨物及液艙的重量集中于支座上。為了防止溫度應(yīng)力，雙支座中設(shè)一個固定支座，一個可移動支座。

1 船體溫度場計(jì)算簡介

1.1 傳熱學(xué)簡介［1］

熱能的傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射。溫度場是傳熱的必要條件：物體中存在溫度差，熱量總是從高溫向低溫流動。溫度場是空間與時間的函數(shù)，如果溫度場不隨時間改變，則稱為穩(wěn)定傳熱。

傅里葉在研究固體導(dǎo)熱現(xiàn)象時確定：

單位時間內(nèi)通過單位截面積傳遞的熱流量，正比于當(dāng)?shù)卮怪庇诮孛娣较蛏系臏囟茸兓?。?/p>

式中：Ф——熱流量，W；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

A——表面面積，m2；

t——溫度，K

對單位時間單位面積所傳遞的熱流量，即熱流密度可表示為：

式中：q——熱流密度，W/m2；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

t——溫度，K

工程上研究的對流傳熱是指流體與固體壁面間的熱交換，一般稱為對流換熱。其基本計(jì)算式是牛頓冷卻公式：

流體被加熱時：

式中：tw、tf——壁面溫度和流體溫度，K；

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·k）

熱射線的傳播過程稱為熱輻射。黑體在單位時間內(nèi)發(fā)出的輻射熱量由斯梯芬－波爾茲曼定律給出：

式中：σ——黑體輻射系數(shù)，W/（m2·K4）；

A——表面面積，m2；

T——溫度，K

1.2 船體溫度場計(jì)算方法

船體溫度場的計(jì)算方法是根據(jù)船體的形狀、材料的參數(shù)和初始溫度分布，在給定的邊界條件下，根據(jù)能量守恒，利用導(dǎo)熱微分方程、對流傳熱微分方程進(jìn)行求解。常用的方法有簡化方法、解析迭代法和數(shù)值法。

簡化方法是指利用傳熱學(xué)的基本公式進(jìn)行計(jì)算，簡單易算，但需要比較多的假定。一般用于概念設(shè)計(jì)階段。

解析迭代法是在解析法的基礎(chǔ)上加上部分迭代運(yùn)算，依靠常規(guī)有限元軟件如Nastran，即可進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)算。一般用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

數(shù)值法主要是利用大型專業(yè)流場計(jì)算軟件，如Fluent等，計(jì)算類型復(fù)雜，計(jì)算量大，結(jié)果精確。一般用于理論研究。

2 液貨艙熱流密度的簡化計(jì)算方法

在我院中小型LNG船科研過程中，計(jì)算船體構(gòu)件溫度場的分布需要花費(fèi)大量的精力，為此開發(fā)了專用C型液貨艙溫度場計(jì)算程序?？紤]到在液貨艙保溫層設(shè)計(jì)中，需要快速的評價其設(shè)計(jì)優(yōu)劣，本文提出了一種簡單有效的方法。該方法基于如下假定：

1）傳熱過程為穩(wěn)態(tài)，溫度場不隨時間改變；

2）液貨艙假定處于甲板上方，被空氣包圍；

3）不考慮對流和輻射，僅考慮熱傳導(dǎo)；

4）保溫層及鞍座處層壓木厚度保持一致，外表面溫度均為環(huán)境溫度；

5）保溫層及層壓木內(nèi)表面和液貨艙接觸，溫度為液貨溫度。

此外，考慮到液貨罐尺寸較大，研究了將雙圓筒液貨罐簡化為平壁處理的合理性，計(jì)算中分別考慮了平壁導(dǎo)熱和圓筒壁導(dǎo)熱兩種模式。

平壁熱流密度計(jì)算公式：

式中：t1、t2——平壁兩表面溫度，K；

δ——板厚，m；

λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）

圓筒壁熱流密度計(jì)算公式：

式中：t1、t2——圓筒壁內(nèi)外表面溫度，K；

r——半徑，m；

r1——圓筒壁內(nèi)半徑，m；

r2——圓筒壁外半徑，m；

λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）

3 液貨艙蒸發(fā)率計(jì)算

3.1 液貨艙主要參數(shù)及蒸發(fā)率計(jì)算公式

表1 液貨艙結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

表2 保溫材料參數(shù)

蒸發(fā)率（BOR）是指在穩(wěn)定條件下，容器在24 h內(nèi)吸入熱量導(dǎo)致介質(zhì)的蒸發(fā)量與介質(zhì)總量之比。液貨艙蒸發(fā)率（BOR）可由如下公式計(jì)算［2］：

式中：Q——進(jìn)入到液貨艙的總熱量，W；

γ——LNG的氣化潛熱，為5.097×105J/kg；

V——液貨艙的容積，m3；

ρ——LNG密度，kg/m3

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

按照IGC規(guī)則［3］，進(jìn)行船體構(gòu)件溫度場計(jì)算時，空氣溫度可取為5℃，利用上述公式及數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算，得到的結(jié)果由表3給出。

首先對熱流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，設(shè)計(jì)院內(nèi)部開發(fā)了船體構(gòu)件溫度場計(jì)算程序，該程序可同時計(jì)算船體溫度場分布及熱流密度。利用簡化算法所得的熱流密度值大于內(nèi)部程序，但差異在可以接受范圍內(nèi)，可以作為下一步評估的參考依據(jù)。

首先，數(shù)據(jù)分析主要是在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，分析數(shù)據(jù)中的價值，更好地位教學(xué)服務(wù)。大數(shù)據(jù)時代，高職教師也要重視從網(wǎng)絡(luò)平臺中獲取資源和信息，更好地契合時代發(fā)展的需求，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和進(jìn)度，提供個性化的學(xué)習(xí)方案和計(jì)劃，并對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行分析，從而更好地改進(jìn)教學(xué)策略。

表3 液貨艙蒸發(fā)率計(jì)算

其次，對液貨艙簡化為平壁和圓筒兩種方法，計(jì)算出的蒸發(fā)率進(jìn)行了比較，見表3，兩種算法的誤差c（以圓筒算法為準(zhǔn)）如下：

可以認(rèn)為，在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算液貨艙的熱流密度及蒸發(fā)率時，將其簡化為平壁計(jì)算更方便，誤差也在允許范圍內(nèi)。

最后，對蒸發(fā)率數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行評估。一般來講，中小型LNG船在運(yùn)輸過程中的蒸發(fā)率在0.3%左右是合理的，雖然遠(yuǎn)高于大型LNG運(yùn)輸船的0.15%；可看出C型液貨艙設(shè)置的絕緣層結(jié)構(gòu)的保溫效果沒有大型LNG船好，但是由于中小型LNG運(yùn)輸運(yùn)量小，運(yùn)輸時間短，在載運(yùn)過程中不會出現(xiàn)危險狀況。

4 實(shí)例應(yīng)用

為了將本方法推廣應(yīng)用，本文以公開發(fā)表資料較多的138 000m3LNG運(yùn)輸船為例，對液貨艙蒸發(fā)率進(jìn)行了比較分析。

文獻(xiàn)［4-6］分別從不同角度研究了138 000m3LNG運(yùn)輸船船體溫度場分布或熱應(yīng)力分析，三篇文獻(xiàn)均給出了該船的橫剖面圖，但沒有明確給出液貨艙的具體尺寸。本文利用比例尺粗測，結(jié)合文獻(xiàn)給出的船型數(shù)據(jù)，給出了用于分析的液貨艙尺寸，見表4。

LNG船的液貨艙維護(hù)保層由內(nèi)殼板、兩層INVAR膜和兩層木箱構(gòu)成，文獻(xiàn)［4-6］給出的各層尺寸相同，但材料特性有所差異，匯總見表5。

由于兩層木箱的導(dǎo)熱系數(shù)小，忽略各層隔熱材料之間的接觸熱阻。在計(jì)算中，將多層平壁簡化為一層實(shí)體，實(shí)體的導(dǎo)熱系數(shù)k由下式給出［6］：

表4 138 000m3 LNG船液艙評估尺寸

表5 維護(hù)層尺寸及材料特性

式中：ti——各層的厚度；

ki——各層的熱傳導(dǎo)系數(shù)

考慮到缺乏船體內(nèi)殼板板厚具體分布資料，為方便計(jì)算，本文取船體內(nèi)殼板為15mm。文獻(xiàn)［6］中木箱的導(dǎo)熱系數(shù)取為最大值。

考慮到文獻(xiàn)［4］計(jì)算工況與文獻(xiàn)［6］有差異，本文各選取一種工況進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果見表6。需要說明的是，實(shí)測值為文獻(xiàn)［4］中選取的第13航次結(jié)果，其他航次結(jié)果偏大；大宇重工計(jì)算值和GTT計(jì)算值為文獻(xiàn)［5］公布值。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，本文提出的簡化算法與實(shí)測值及大宇重工、GTT公司計(jì)算值是較接近的；進(jìn)一步可以看出本文對138 000m3LNG運(yùn)輸船液艙數(shù)據(jù)的估計(jì)是在合理范圍的，本文提出的簡化計(jì)算方法同樣能夠推廣應(yīng)用到大型LNG運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)。

表6 138 000m3 LNG船液艙蒸發(fā)率計(jì)算對比

5 結(jié)語

目前，介紹C型獨(dú)立液貨艙蒸發(fā)率計(jì)算的資料較少，本文提出的簡化計(jì)算方法是一種有益的嘗試。該方法所需要的參數(shù)少，無需進(jìn)行復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)溫度場計(jì)算，能快速確定液貨艙保溫層的設(shè)計(jì)選型，進(jìn)而能合理確定中小型LNG船的布置方案。該方法同樣也可以指導(dǎo)大型LNG運(yùn)輸船及其他類型液化氣體運(yùn)輸船的蒸發(fā)率計(jì)算。

［1］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］俞樹榮，席家福，等.用蒸發(fā)氣充填液化天然氣球形儲罐隔熱層的傳熱計(jì)算［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2009，35（1）：60-62.

［3］中國船級社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］馮武文，周昊，趙軍.薄膜式液化天然氣運(yùn)輸船船體溫度分布的研究［J］.造船技術(shù)，2006，5：16-19.

［5］章偉星，周昊.138 000m3LNG運(yùn)輸船液貨艙維護(hù)系統(tǒng)的溫度場分析［J］.中國造船，2008，49（1）：76-82.

［6］章偉星，莫鑒輝.138 000m3薄膜式LNG運(yùn)輸船溫度場及其熱應(yīng)力分析［J］.船舶力學(xué)，2008，12（5）：770-777.