影響在用車用液化天然氣氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量的幾個(gè)因素

劉 晗 彭 浩 趙 勇

（北京市特種設(shè)備檢測(cè)中心 北京 100029）

車用液化天然氣氣瓶是在正常環(huán)境溫度（-40～60℃）下使用，貯存介質(zhì)為液化天然氣，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃?xì)獾暮附咏^熱氣瓶。天然氣的主要成分為甲烷（CH4），按照甲烷的物性數(shù)據(jù)，其在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa）下的飽和溫度為111.63K（-161.52℃），遠(yuǎn)低于正常環(huán)境溫度，為保證貯存低溫液體的功能性以及氣瓶的相對(duì)密封性，此類氣瓶的絕熱性能是其重要性能之一。能夠表征氣瓶絕熱性能的參數(shù)主要是靜態(tài)蒸發(fā)率，真空度和真空夾層漏放氣速率對(duì)絕熱性能的影響最終也是體現(xiàn)在靜態(tài)蒸發(fā)率這一指標(biāo)上。在此類氣瓶的制造過程中，對(duì)以上參數(shù)的測(cè)量貫穿在型式試驗(yàn)、批量檢驗(yàn)中，控制好這些參數(shù)是此類氣瓶質(zhì)量保證的關(guān)鍵要素。對(duì)在用車用液化天然氣氣瓶的定期檢驗(yàn)，一般不進(jìn)行真空度和真空夾層漏放氣速率的測(cè)試，原因是：此類氣瓶不安裝真空規(guī)管，無法通過真空計(jì)直接測(cè)量，間接測(cè)量法的真空度測(cè)試的試驗(yàn)裝置復(fù)雜、要求高，甚至有可能損壞氣瓶原有真空；真空夾層漏放氣速率的試驗(yàn)裝置同真空度間接測(cè)量法裝置一樣，在測(cè)試過程中存在損壞氣瓶真空的可能。因此，對(duì)在用車用液化天然氣氣瓶，絕熱性能檢測(cè)的方式主要為靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量。

從國(guó)內(nèi)車用液化天然氣氣瓶定期檢驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐來看，定期檢驗(yàn)方式分為拆車（氣瓶從車拆下）檢驗(yàn)和不拆車檢驗(yàn)，對(duì)在用車用液化天然氣氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量來說，定期檢驗(yàn)的方式會(huì)影響試驗(yàn)方法和試驗(yàn)介質(zhì)的選擇。比如：拆車檢驗(yàn)方式下可選稱重法或質(zhì)量流量計(jì)法，可選試驗(yàn)介質(zhì)液氮或液化天然氣；不拆車檢驗(yàn)方式下則只能用質(zhì)量流量計(jì)法和液化天然氣介質(zhì)，而試驗(yàn)方法和試驗(yàn)介質(zhì)會(huì)對(duì)氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)量造成影響。為了獲得兩種試驗(yàn)方法，兩種試驗(yàn)介質(zhì)下靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量數(shù)值的差異和關(guān)系，本文采用兩種試驗(yàn)方法（稱重法和質(zhì)量流量計(jì)法）和兩種試驗(yàn)介質(zhì)（液氮和液化天然氣），進(jìn)行了靜態(tài)蒸發(fā)率的對(duì)比試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方法對(duì)靜態(tài)蒸發(fā)率的影響

稱重法和質(zhì)量流量計(jì)法的試驗(yàn)步驟參照GB/T 18443.5—2010 《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法 第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量》[1]7.1和7.2。選取已從車拆下的在用車用液化天然氣氣瓶一只，氣瓶編號(hào)為SIPVB5-1285003，殘余介質(zhì)回收并置換為液氮，由固定式液氮儲(chǔ)罐經(jīng)放空充裝方式充滿液氮，充液結(jié)束后靜置48h，靜置期間打開放空閥，當(dāng)內(nèi)膽表壓力接近于零時(shí)在放空閥處接入質(zhì)量流量計(jì)，質(zhì)量流量計(jì)示值和衡器示值按要求記錄，環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、流量計(jì)入口壓力按要求記錄。

被試氣瓶基本信息見表1，試驗(yàn)介質(zhì)液氮，液氮物性數(shù)據(jù)見表2，試驗(yàn)環(huán)境及狀態(tài)信息見表3。

表1 被試氣瓶基本信息

表2 液氮物性數(shù)據(jù)

表3 試驗(yàn)環(huán)境和狀態(tài)信息

24h被試氣瓶蒸發(fā)量見表4，分別是稱重法和質(zhì)量流量計(jì)法下衡器示值損失和累計(jì)標(biāo)態(tài)流量。

表4 24h蒸發(fā)量

數(shù)據(jù)處理參照GB/T 18443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法 第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量》[1]8.1和8.2。測(cè)試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率見表5。

表5 測(cè)試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率

由表5可見，相同氣瓶、相同試驗(yàn)介質(zhì)，相同試驗(yàn)環(huán)境溫度，相同充裝率下，質(zhì)量流量計(jì)法與稱重法獲得的靜態(tài)蒸發(fā)率之間的差異為3.87%。

2 試驗(yàn)介質(zhì)對(duì)靜態(tài)蒸發(fā)率的影響

在低溫深冷壓力容器和氣瓶行業(yè)，無論是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的層面，還是在實(shí)際設(shè)計(jì)制造過程中，靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量的試驗(yàn)介質(zhì)一般均采用液氮[2-3]。同樣，車用液化天然氣氣瓶設(shè)計(jì)制造中靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量采用的試驗(yàn)介質(zhì)也是液氮。對(duì)于在用車用液化天然氣氣瓶的定期檢驗(yàn)來說，若試驗(yàn)介質(zhì)使用液氮，如前所述，則需要拆車—?dú)堃夯厥铡脫Q—試驗(yàn)—加液的過程，不利于定期檢驗(yàn)的時(shí)效性和便利性。找到試驗(yàn)介質(zhì)和實(shí)際儲(chǔ)存介質(zhì)之間靜態(tài)蒸發(fā)率的關(guān)系，可以靈活選擇定期檢驗(yàn)方式，并在實(shí)際儲(chǔ)存介質(zhì)下靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)量值下科學(xué)判斷本類氣瓶的絕熱性能。

2.1 理論計(jì)算換算系數(shù)

根據(jù)GB/T 18443.1—2010[1]附錄A計(jì)算，試驗(yàn)介質(zhì)為液氮，實(shí)際儲(chǔ)存介質(zhì)為液化天然氣。

式1中各項(xiàng)含義及物性數(shù)據(jù)見表6。其中，液化天然氣為混合物，物性數(shù)據(jù)按其主要成分甲烷（CH4）選取[4]。

表6 式1各項(xiàng)含義及物性數(shù)據(jù)

計(jì)算得αs/αt=0.624。同時(shí)，GB/T 18443.1—2010[1]附錄A也說明，式（1）適用于|Tcot-Tcos|小于20K時(shí)，超出該范圍則不再適用。當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)為液氮，實(shí)際儲(chǔ)存介質(zhì)為液化天然氣時(shí)，|Tcot-Tcos|=|77.35-111.63|=34.28K＞20K，因此這個(gè)系數(shù)是不完全適用的。此系數(shù)是基于傳熱學(xué)理論中傳熱量相等而計(jì)算獲得。以上計(jì)算的局限性在于，當(dāng)介質(zhì)物性不同時(shí)，傳熱量是不相等的。因此，進(jìn)行同一支氣瓶，兩種試驗(yàn)介質(zhì)（液氮和液化天然氣）的靜態(tài)蒸發(fā)率試驗(yàn)是對(duì)理論研究的補(bǔ)充和驗(yàn)證。

2.2 試驗(yàn)換算系數(shù)

將已進(jìn)行液氮介質(zhì)靜態(tài)蒸發(fā)率試驗(yàn)的編號(hào)為SIPVB5-1285003的氣瓶回收液氮，置換為液化天然氣并充滿，后續(xù)試驗(yàn)步驟參照GB/T 18443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法 第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量》[1]7.1。為盡量減小試驗(yàn)環(huán)境溫度和氣瓶充裝量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生的誤差，液化天然氣介質(zhì)的靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量在與使用液氮介質(zhì)時(shí)盡量接近的試驗(yàn)環(huán)境溫度和氣瓶充裝量中進(jìn)行。

被試氣瓶基本信息同上，液化天然氣介質(zhì)靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量中，液化天然氣為一混合物，物性數(shù)據(jù)按照其主要成分甲烷（CH4）選取，見表7，試驗(yàn)環(huán)境及狀態(tài)信息見表8。24h被試氣瓶蒸發(fā)量見表9，為液化天然氣介質(zhì)，質(zhì)量流量計(jì)法累計(jì)標(biāo)態(tài)流量。

表7 液化天然氣物性數(shù)據(jù)

表8 試驗(yàn)環(huán)境與狀態(tài)信息

表9 24h蒸發(fā)量

試驗(yàn)介質(zhì)分別為液氮和液化天然氣的測(cè)試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率見表10。

表10 測(cè)試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率

由表10可見，兩次試驗(yàn)的日平均環(huán)境溫度和充裝率的差異很小，分別為0.17%和1.24%。即相同氣瓶、相同試驗(yàn)方法，相近的試驗(yàn)環(huán)境溫度和充裝率下，αs/αt為0.729。試驗(yàn)值與理論計(jì)算仍然存在一定的差異，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 結(jié)論

對(duì)在用車用液化天然氣氣瓶而言，質(zhì)量流量計(jì)法與稱重法獲得的靜態(tài)蒸發(fā)率之間的偏差為3.87%，不同試驗(yàn)方法的影響很小。

對(duì)在用車用液化天然氣氣瓶而言，試驗(yàn)介質(zhì)（液氮和液化天然氣）靜態(tài)蒸發(fā)率的換算系數(shù)試驗(yàn)值為0.729，與理論計(jì)算的換算系數(shù)0.624存在一定的差異，需要更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取合適的換算系數(shù)，使得計(jì)算結(jié)果更加可靠。