一種新型低溫液體儲(chǔ)罐的研制

余巧生，張葆現(xiàn)，樊水平，馬靜，邱平

1.武警北京市總隊(duì)第二醫(yī)院，北京100037；2.河北思科德低溫設(shè)備有限公司，河北 霸州 065700

一種新型低溫液體儲(chǔ)罐的研制

余巧生1，張葆現(xiàn)1，樊水平1，馬靜1，邱平2

1.武警北京市總隊(duì)第二醫(yī)院，北京100037；2.河北思科德低溫設(shè)備有限公司，河北 霸州 065700

針對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)存液態(tài)氮?dú)?、氬氣、氧氣和二氧化碳的壓力容器在向外輸氣時(shí)氣壓不穩(wěn)定的問題，本文研制了一種新型低溫液體儲(chǔ)罐，該裝置主要由低溫液體容器、管線、外汽化器、外增壓器和管閥等組成，具有能從周圍的空氣中提取熱量為液體加壓和汽化提供能量的功能，解決了壓力容器在向外輸氣時(shí)氣壓不穩(wěn)定的缺陷。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該低溫液體儲(chǔ)罐安裝、使用簡便，安全性、耐用性好，外輸氣壓穩(wěn)定。

低溫液體儲(chǔ)罐；外汽化器；外增壓器；輻射防護(hù)層；玻璃纖維保溫層

0 前言

現(xiàn)有用于儲(chǔ)存液態(tài)氮?dú)?、氬氣、氧氣和二氧化碳的壓力容器，在向外輸氣時(shí)由于不能及時(shí)補(bǔ)充液體汽化所需的熱量，往往容易產(chǎn)生外輸氣壓不穩(wěn)定的問題。例如，在醫(yī)院普遍使用的液氧儲(chǔ)罐，在灌裝液氧時(shí)外輸壓力波動(dòng)比較大，易造成中心供氧系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，引發(fā)呼吸機(jī)、麻醉機(jī)等主要用氣設(shè)備報(bào)警，在帶來不便的同時(shí)也容易造成安全隱患[1-2]。在醫(yī)用氧氣源供應(yīng)中，液氧是一種主要的供氧方式，因此液氧罐的選用、使用、監(jiān)管和維護(hù)等都是不可忽視的重要環(huán)節(jié)，特別是設(shè)備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性尤為重要。為克服現(xiàn)有技術(shù)上的缺陷，筆者研制了一種能夠穩(wěn)定向外輸氣的新型FV1系列微型低溫液體儲(chǔ)罐，可以從周圍的空氣中提取熱量為液體加壓和汽化提供能量，報(bào)道如下。

1 設(shè)計(jì)思路

FV1系列低溫液體儲(chǔ)罐的正位模擬視圖、正位實(shí)物視圖及管線結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1～3。

圖1 低溫液體儲(chǔ)罐正位模擬視圖

圖2 低溫液體儲(chǔ)罐正位實(shí)物視圖

圖3 低溫液體儲(chǔ)罐管線流程結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 總體設(shè)計(jì)

低溫液體儲(chǔ)罐主體結(jié)構(gòu)主要由低溫液體容器、管線、外汽化器和外增壓器組成。低溫液體容器是一個(gè)懸在夾套內(nèi)的內(nèi)壓力容器，在內(nèi)壓力容器與外殼之間的夾套空間填充有隔熱材料。在外殼內(nèi)壁與內(nèi)壓力容器外壁分別裝有鋁箔輻射防護(hù)層，隔熱材料是指在兩個(gè)鋁箔輻射防護(hù)層之間的夾套空間填充的超細(xì)玻璃纖維保溫層。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)壓力容器的底部增壓入口通過管閥聯(lián)通增壓器單元的底部入口，增壓器單元的上部出口通過管閥聯(lián)通內(nèi)壓力容器的頂部增壓出口，外汽化器的入口通過管閥聯(lián)通從內(nèi)壓力容器頂部伸入到底部的汽化管，即汽化管與外汽化器的入口通過管和汽化器入口閥與汽化器入口三通聯(lián)通，增壓器單元的上部出口通過管和增壓器出口三通及增壓器出口閥聯(lián)通內(nèi)壓力容器的頂部增壓出口，汽化器入口三通聯(lián)通與增壓器出口三通通過管和節(jié)氣調(diào)節(jié)閥聯(lián)通。

內(nèi)壓力容器的底部增壓入口通過增壓入口閥和管聯(lián)通增壓入口三通，增壓入口三通一出口通過管和增壓調(diào)節(jié)閥聯(lián)通增壓器單元的底部入口，增壓入口三通另一出口聯(lián)通減壓閥。

節(jié)氣調(diào)節(jié)閥前后的管上分別通過前后三通聯(lián)通前后減壓閥。后三通與汽化器入口三通之間通過提取液體三通聯(lián)通帶液體出口連接件的提取液體閥，汽化器出口通過汽化器出口閥連接汽化器出口連接件。

外殼頂部配裝有真空夾套爆破片。內(nèi)壓力容器頂部分流安全口通過管聯(lián)通三通閥，三通閥的兩端出口分別通過安全三通聯(lián)通兩個(gè)內(nèi)容器爆破片和安全閥。

內(nèi)壓力容器頂部配裝伸入其內(nèi)上部的溢流排空管，溢流排空管上端通過管聯(lián)通溢流排空閥及連接件。內(nèi)壓力容器頂部配裝伸到底部的底部充裝管，底部充裝管上端通過管聯(lián)通底部充裝閥，內(nèi)壓力容器頂部通過伸達(dá)內(nèi)壓力容器內(nèi)上部的頂部充裝管配裝充裝過量自動(dòng)切斷執(zhí)行器，頂部充裝管上端通過管聯(lián)通頂部充裝閥，底部充裝閥通過管和充裝三通與頂部充裝閥相連，充裝三通的外口通過充裝排凈三通聯(lián)通充裝排凈閥和泵或頂部充裝連接件。溢流排空管下端高度大于或等于充裝過量時(shí)自動(dòng)切斷執(zhí)行器上端高度。

內(nèi)壓力容器的底部液相口通過管和液相截止閥聯(lián)通液位指示針和連接壓力表的壓力表三通，氣相截止閥聯(lián)通內(nèi)壓力容器的頂部氣相口，其儀表包括壓力表和差壓液位計(jì)。壓力表可檢測容器壓力，差壓液位計(jì)可為容器內(nèi)部提供精確的測量數(shù)據(jù)。FV1系列微型低溫液體儲(chǔ)罐可以通過控制系統(tǒng)使汽化的低溫液體自動(dòng)保持壓力。

液相截止閥聯(lián)通液相四通，液相四通外側(cè)口聯(lián)通液相儀表接口，液相四通內(nèi)側(cè)口通過管和液位指示針及連接壓力表的壓力表三通聯(lián)通氣相四通的內(nèi)側(cè)口，液相四通的上口與氣相四通上口通過配裝平衡閥的管相連，氣相四通的外側(cè)口聯(lián)通氣相儀表接口，氣相四通的下口聯(lián)通氣相截止閥。

2 各回路功能及使用方法

2.1 溢流、排空回路

如圖4所示，溢流與排空閥連接到容器上部的立管，把管在容器內(nèi)的開口端定位在相當(dāng)于容器體積95％的液位。在灌注的過程中，打開排空閥門可降低容器內(nèi)的壓力。排空閥還可以作為“溢流閥”，當(dāng)液面超過95％時(shí)，從容器內(nèi)排放液體。

圖4 用實(shí)線標(biāo)示的溢流、排空回路示意圖（箭頭1所指為溢流與排空閥）。

2.2 充裝回路

如圖5所示，充裝回路可以通過適合于罐車壓差的方式進(jìn)行充裝，或者通過罐車低溫泵進(jìn)行充裝。充裝止回閥的作用是防止介質(zhì)從容器中逸出。

圖5 用實(shí)線標(biāo)示的充裝回路示意圖（箭頭1所指為頂部充裝閥，箭頭2所指為充裝止回閥）。

2.3 增壓回路

如圖6所示，增壓回路用于在液體充裝后為容器加壓，也可用于維持容器內(nèi)的壓力來保證產(chǎn)品的正常抽取。調(diào)節(jié)增壓閥到設(shè)定壓力，打開增壓回路的出口閥門和增壓回路的入口閥門使回路接通。當(dāng)容器內(nèi)的壓力下降到低于增壓裝置設(shè)置的壓力時(shí)，增壓回路的壓力調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開；當(dāng)容器內(nèi)的壓力超過增壓裝置設(shè)置的壓力時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)閉。增壓回路的工作原理是：當(dāng)閥門打開時(shí)，從液體所在的容器底部到氣體所在的頂部空間開通了一條路徑，由于流體從容器底部流向頂部，因此該通路還包含了外置增壓器以汽化液體，使液體膨脹為蒸汽再回到容器內(nèi)部，從而提升容器內(nèi)的壓力。

圖6 用實(shí)線標(biāo)示的增壓回路示意圖

2.4 汽化器入口與節(jié)能器回路

用實(shí)線標(biāo)示的低溫液體儲(chǔ)罐的汽化器入口與節(jié)能器回路示意圖，見圖7。

圖7 用實(shí)線標(biāo)示的汽化器入口與節(jié)能器回路示意圖

2.4.1 汽化器入口

汽化器入口為汽化器提供加壓的低溫液體，打開汽化器入口閥門，通過容器內(nèi)的壓力推動(dòng)液體流入汽化器。汽化器的工作原理是：利用周圍環(huán)境空氣里的熱能，把液體轉(zhuǎn)化為氣體并使其升溫。

2.4.2 節(jié)能器回路

節(jié)能器回路的功能是降低因容器內(nèi)液體正常蒸發(fā)而造成的產(chǎn)品損失。增壓器出口閥門必須打開增壓功能，當(dāng)容器內(nèi)壓力超過節(jié)能器設(shè)定值（節(jié)能器設(shè)定值一般大于增壓調(diào)節(jié)閥設(shè)定值0.1 Mpa）時(shí)，節(jié)氣調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開，從而使氣體從容器頂部流入汽化器回路。

節(jié)能器回路是被隔離的，以便在維護(hù)時(shí)關(guān)閉增壓器出口閥門和節(jié)能器隔離閥門。當(dāng)回路內(nèi)有冷氣或液體時(shí)若閥門關(guān)閉，兩個(gè)減壓閥則可以防止回路過壓。

方法的選擇應(yīng)遵循所選教材的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)認(rèn)知活動(dòng)過程中的任務(wù)要求，考慮教師駕馭各種教學(xué)方法的能力及教學(xué)方法對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知活動(dòng)開展的輔助效能等。

2.5 安全回路

如圖8所示，低溫液體儲(chǔ)罐的優(yōu)勢在于突出了安全閥以防止容器過壓。當(dāng)壓力超過容器的最大工作壓力時(shí)，兩個(gè)安全閥門會(huì)自動(dòng)降低壓力；當(dāng)壓力低于該設(shè)定值時(shí)則閥門復(fù)位。另外安全裝置設(shè)計(jì)分為兩組，每組包括一個(gè)一級(jí)安全閥和一個(gè)爆破片。爆破片需要有備用件，以便在安全閥門發(fā)生故障時(shí)，允許壓力達(dá)到爆破壓力的額定值。雙向安全切換閥的功能在于當(dāng)一組防護(hù)裝置工作時(shí)，隔離另一組防護(hù)裝置，并且在沒有排放罐壓力的需求時(shí)允許設(shè)備維護(hù)，以提高工作效率及便捷性。

圖8 用實(shí)線標(biāo)示的安全回路示意圖

2.6 儀表回路

如圖9所示，儀表由壓力表和差壓液位指示計(jì)構(gòu)成。容器內(nèi)的液體在底部產(chǎn)生的壓力比在頂部高，而液位指示計(jì)可檢測容器頂部與底部的壓力差值。將液位指示計(jì)的讀數(shù)與貼在容器前面的液位換算表相比較，可以準(zhǔn)確監(jiān)測容器內(nèi)的液體量。在沒有清空容器與降低容器壓力時(shí)，隔離閥門允許回路維護(hù)。在關(guān)閉隔離閥門之前需打開平衡閥。

圖9 用實(shí)線標(biāo)示的儀表回路示意圖

2.7 壓力傳送充裝原理及步驟

如圖10～11所示，通過降低低溫液體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力，并使其低于液體來源容器內(nèi)的壓力可完成壓力傳送充裝。液體源容器一般為車載式容器，通過排放閥門排放氣體減低低溫液體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力，由壓力推動(dòng)液體從車載式容器流入低溫液體儲(chǔ)罐內(nèi)。對(duì)于配備有一個(gè)安全閥與傾泄閥的低溫傳送軟管，應(yīng)該將其用于把低溫液體儲(chǔ)罐連接到液體源頭。

圖10 低溫液體儲(chǔ)罐管線結(jié)構(gòu)正位視圖

圖11 低溫液體儲(chǔ)罐管線結(jié)構(gòu)俯視圖

通過壓力傳送進(jìn)行充裝的步驟如下：目測檢查液體儲(chǔ)罐、傳送軟管和大容量罐管線，此時(shí)若有任何的零部件損壞或遺失，則不允許進(jìn)行充裝；從液體源容器連接傳送軟管到液體源頭，打開充裝閥門與溢流、排空閥門開始進(jìn)行充裝。需要說明的是：通過底部充裝閥門進(jìn)行充裝時(shí)，在蒸汽空間內(nèi)的氣體被壓縮，可以提升罐的壓力；反之，通過頂部充裝閥門進(jìn)行充裝時(shí)，氣體因被冷卻或被液化可導(dǎo)致空間氣體缺量，從而能夠降低罐的壓力。當(dāng)液體從溢流閥內(nèi)流出時(shí)，表明容器已滿，一個(gè)約5％的氣體頂空間將保存在液位上面，此時(shí)關(guān)閉充裝閥。當(dāng)液體停止從溢流閥門流出時(shí)，關(guān)閉溢流閥門。隨后即關(guān)閉液體源供應(yīng)并打開充裝清洗閥，斷開傳送軟管。

當(dāng)使用泵驅(qū)動(dòng)充裝容器時(shí)，必須運(yùn)用泵與頂部連接件，打開充裝閥門并在充裝期間密切檢測容器壓力。當(dāng)容器的壓力達(dá)到減壓閥的設(shè)定值或者泵的壓力額定值時(shí)，關(guān)閉泵，打開排放閥門以便于按要求降低壓力。當(dāng)通過低溫供貨車在自動(dòng)模式進(jìn)行充裝時(shí)，須在一定水平上提供足夠的氣體頂空間。當(dāng)使用傳統(tǒng)的泵系統(tǒng)進(jìn)行充裝時(shí)，在充裝期間須使溢流閥保持在打開狀態(tài)。當(dāng)液體從排放閥門流出時(shí)，立即停止泵并關(guān)閉兩個(gè)充裝閥門。當(dāng)液體停止從溢流閥內(nèi)流出時(shí)，關(guān)閉溢流閥。在把充裝軟管與充裝連接頭中斷前，打開充裝排凈閥門把液體從軟管中排放出來。在該操作結(jié)束后，關(guān)閉充裝排凈閥門，然后把軟管與連接件斷開。

2.9 氣體抽取

抽取氣體時(shí)，打開增壓回路的出口閥門和增壓回路的入口閥門使回路接通，監(jiān)控壓力計(jì)，當(dāng)壓力超過預(yù)定的輸出壓力時(shí)，打開汽化器出口截止閥和汽化器入口截止閥，抽取氣體產(chǎn)品。

2.10 液體抽取

抽取液體時(shí)，通過接收容器把傳送軟管連接到儲(chǔ)罐的液體管線接頭，并打開相鄰的兩個(gè)液體閥門。只要容器內(nèi)壓力大于接受容器的壓力，即可驅(qū)動(dòng)液體通過閥門流出。

2.11 更換氣體

低溫液體儲(chǔ)罐還可用于氬氣、氮?dú)饣蚨趸嫉犬a(chǎn)品。當(dāng)需要更換氣體時(shí)，要按如下步驟進(jìn)行操作：首先安全地從容器內(nèi)清空所有液體，打開增壓入口和出口處的兩個(gè)增壓閥以及排放閥，將殘存在容器底部的所有液體全部蒸發(fā)掉。為確保排凈，可使用合適的真空泵對(duì)液體儲(chǔ)罐抽取真空，最終的真空讀數(shù)應(yīng)該至少為20 mmHg。氣體更換完畢，應(yīng)粘貼新的氣體服務(wù)識(shí)別標(biāo)貼。

3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和材料選擇

低溫液體儲(chǔ)罐主體結(jié)構(gòu)由低溫液體容器、管線、外汽化器和外增壓器等構(gòu)成。液體容器由一個(gè)懸在夾套內(nèi)的壓力容器構(gòu)成，把壓力容器與夾套之間的空間抽成真空并用超細(xì)玻璃纖維和鋁箔輻射防護(hù)層絕緣。內(nèi)壓力容器與真空夾套由S30408型不銹鋼制成，滿足TSG R0004-2009、GB 150.1～150.4-2011和GB/T 18442-2011的設(shè)計(jì)及制造要求，管道線路允許容器排放、充裝、加壓，并提供加壓的氣體。管線采用304型和316L型不銹鋼制成，閥門采用銅制，配件由加工的鍛造黃銅與316型不銹鋼制成。

4 應(yīng)用效果

低溫液體儲(chǔ)罐可儲(chǔ)存低溫液體并能夠?qū)怏w進(jìn)行升溫加壓后分配輸出。實(shí)際使用結(jié)果表明，該裝置具有操作簡單、安裝方便，安全性、耐用性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，且在一段時(shí)間內(nèi)，其超強(qiáng)的絕熱性能可使液體損耗極少或零損耗，控制系統(tǒng)可使低溫液體自動(dòng)保持壓力，保證了液體儲(chǔ)罐在充液時(shí)的壓力穩(wěn)定和用氣正常。

5 結(jié)語

壓力容器廣泛用于工農(nóng)業(yè)、科研、國防、醫(yī)療衛(wèi)生和文教體育等領(lǐng)域[3-4]，要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修保養(yǎng)，以降低事故發(fā)生率[5]。筆者研制的新型FV1系列低溫液體儲(chǔ)罐，具有能從周圍的空氣中提取熱量為液體加壓和汽化提供能量，進(jìn)而穩(wěn)定外輸氣體壓力的優(yōu)點(diǎn)，其壓力表、液位計(jì)、調(diào)壓閥、安全閥等靈敏可靠[6-8]，符合國家在壓力容器安全管理方面的要求，且結(jié)構(gòu)精巧、占地面積小、材料耐腐蝕及溫度變化，具有一定的應(yīng)用前景。

[1]余巧生,胡梅芬,李世錄．醫(yī)用集中供氧技術(shù)的對(duì)比分析[J]．醫(yī)療裝備,2009,22（10）：43-44．

[2]萇飛霸,尹軍,王莉,等．醫(yī)院中心供氧實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的CAN總線接口設(shè)計(jì)[J]．中國醫(yī)療設(shè)備,2014,29（9）：16-19．

[3]石智豪,陳顯才．壓力容器安全操作技術(shù)[M]．北京：中國鍋爐壓力容器安全雜志社,1989．

[4]廖尚莉,伍秋云．醫(yī)用高壓氧艙火災(zāi)的預(yù)防及應(yīng)對(duì)措施[J]．臨床工程,2010,25（2）：83-84．

[5]阮彬．醫(yī)用高壓氧艙的維護(hù)與保養(yǎng)[J]．醫(yī)療裝備,2014,（6）：91-92．

[6]余巧生,胡梅芬,樊水平,等．部隊(duì)野戰(zhàn)醫(yī)院供氧方案選擇探討[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2011,32（7）：84-85．

[7]屈儉．1000m3液氧貯罐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J]．冶金動(dòng)力,2002,（5）：21-23．

[8]劉凌燕,龐奇志,宋秀江．液氧儲(chǔ)罐爆炸事故樹分析[J]．工業(yè)安全與環(huán)保,2005,31（1）：49-51．

Design and Development of a New Type Cryogenic Liquid Storing Tank

YU Qiao-sheng1, ZHANG Bao-xian1, FAN Shui-ping1, MA Jing1, QIU Ping2
1.The 2ndHospital of Beijing General Hospital of CPAPF, Beijing 100037, China；2.Hebei SQD Cryogenic Equipment Co., Ltd, Bazhou Hebei 065700, China

In order to solve the current problems of unstable pressure during outward gas transm ission from the pressure vessel containing liquid nitrogen, argon, oxygen and carbon dioxide to outside, a new type of cryogenic liquid storing tank was designed and developed in this paper. The tank main consisted of cryogenic liquid containers, pipelines, outside carburetor and external booster and valve connection. The novel cryogenic liquid storing tank could extract heat from the surrounding air and provide energy for pressurizing and vaporizing the liquid so as to make outward gas transm ission stable. The practical results showed that the cryogenic liquid storing tank could be installed and used easily w ith good safety, durability and stable external gas pressure.

cryogenic liquid storing tanks；external carburetor；external turbocharger；radiation protection layer；glass fiber insulation layer

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.10.011

1674-1633（2015）10-0041-05

2015-06-24

2015-07-28

專利：實(shí)用新型（ZL201420240092．6）。

張葆現(xiàn)，主任醫(yī)師。

作者郵箱：627672707@qq．com