中小型LNG船C型独立液货舱蒸发率计算

刘文华 陆 晟

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

中小型LNG运输船是典型的布置型船，主尺度的确定要从总体布置、船舶性能及结构强度等方面来考虑，既要满足船舶使用要求，使舱室布置合理，同时也要使船舶具有良好的阻力性能。其中，液货舱的尺度对船舶主尺度的选取起着决定性的作用，同样，船舶主尺度又影响着液货舱的尺寸，两者相互制约，相互影响。

目前已建的中小型LNG船一般采用C型独立液货舱。其筒体有单圆筒或双圆筒两种形式，封头主要为球形。图1为典型的双圆筒C型独立液货舱［1］。从图1可以看出，液货舱的周围覆盖有一圈保 温层材料。设计绝缘保温层的目的，首先在于将通过对流、传导和辐射等各种传热方式传递给低温装置的热量减少到尽可能低的程度，以维持低温系统的正常工作；其次是为了防止LNG泄漏保护船体，减少运输过程中LNG的蒸发，控制其日蒸发率以及由于温度变化而引起的热胀冷缩。

图1 双圆筒C型独立液货舱

液货舱通过支座与船体相连，货物及液舱的重量集中于支座上。为了防止温度应力，双支座中设一个固定支座，一个可移动支座。

1 船体温度场计算简介

1.1 传热学简介［1］

热能的传递有三种基本方式：热传导、热对流与热辐射。温度场是传热的必要条件：物体中存在温度差，热量总是从高温向低温流动。温度场是空间与时间的函数，如果温度场不随时间改变，则称为稳定传热。

傅里叶在研究固体导热现象时确定：

单位时间内通过单位截面积传递的热流量，正比于当地垂直于截面方向上的温度变化率。即

式中：Ф——热流量，W；

λ——导热系数，W/（m·K）；

A——表面面积，m2；

t——温度，K

对单位时间单位面积所传递的热流量，即热流密度可表示为：

式中：q——热流密度，W/m2；

λ——导热系数，W/（m·K）；

t——温度，K

工程上研究的对流传热是指流体与固体壁面间的热交换，一般称为对流换热。其基本计算式是牛顿冷却公式：

流体被加热时：

式中：tw、tf——壁面温度和流体温度，K；

h——表面传热系数，W/（m2·k）

热射线的传播过程称为热辐射。黑体在单位时间内发出的辐射热量由斯梯芬－波尔兹曼定律给出：

式中：σ——黑体辐射系数，W/（m2·K4）；

A——表面面积，m2；

T——温度，K

1.2 船体温度场计算方法

船体温度场的计算方法是根据船体的形状、材料的参数和初始温度分布，在给定的边界条件下，根据能量守恒，利用导热微分方程、对流传热微分方程进行求解。常用的方法有简化方法、解析迭代法和数值法。

简化方法是指利用传热学的基本公式进行计算，简单易算，但需要比较多的假定。一般用于概念设计阶段。

解析迭代法是在解析法的基础上加上部分迭代运算，依靠常规有限元软件如Nastran，即可进行较为准确的计算。一般用于详细设计阶段。

数值法主要是利用大型专业流场计算软件，如Fluent等，计算类型复杂，计算量大，结果精确。一般用于理论研究。

2 液货舱热流密度的简化计算方法

在我院中小型LNG船科研过程中，计算船体构件温度场的分布需要花费大量的精力，为此开发了专用C型液货舱温度场计算程序。考虑到在液货舱保温层设计中，需要快速的评价其设计优劣，本文提出了一种简单有效的方法。该方法基于如下假定：

1）传热过程为稳态，温度场不随时间改变；

2）液货舱假定处于甲板上方，被空气包围；

3）不考虑对流和辐射，仅考虑热传导；

4）保温层及鞍座处层压木厚度保持一致，外表面温度均为环境温度；

5）保温层及层压木内表面和液货舱接触，温度为液货温度。

此外，考虑到液货罐尺寸较大，研究了将双圆筒液货罐简化为平壁处理的合理性，计算中分别考虑了平壁导热和圆筒壁导热两种模式。

平壁热流密度计算公式：

式中：t1、t2——平壁两表面温度，K；

δ——板厚，m；

λ——材料的导热系数，W/（m·K）

圆筒壁热流密度计算公式：

式中：t1、t2——圆筒壁内外表面温度，K；

r——半径，m；

r1——圆筒壁内半径，m；

r2——圆筒壁外半径，m；

λ——材料的导热系数，W/（m·K）

3 液货舱蒸发率计算

3.1 液货舱主要参数及蒸发率计算公式

表1 液货舱结构技术参数

表2 保温材料参数

蒸发率（BOR）是指在稳定条件下，容器在24 h内吸入热量导致介质的蒸发量与介质总量之比。液货舱蒸发率（BOR）可由如下公式计算［2］：

式中：Q——进入到液货舱的总热量，W；

γ——LNG的气化潜热，为5.097×105J/kg；

V——液货舱的容积，m3；

ρ——LNG密度，kg/m3

3.2 计算结果分析

按照IGC规则［3］，进行船体构件温度场计算时，空气温度可取为5℃，利用上述公式及数据，经过计算，得到的结果由表3给出。

首先对热流计算结果进行了比较，设计院内部开发了船体构件温度场计算程序，该程序可同时计算船体温度场分布及热流密度。利用简化算法所得的热流密度值大于内部程序，但差异在可以接受范围内，可以作为下一步评估的参考依据。

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表3 液货舱蒸发率计算

其次，对液货舱简化为平壁和圆筒两种方法，计算出的蒸发率进行了比较，见表3，两种算法的误差c（以圆筒算法为准）如下：

可以认为，在实际应用中，计算液货舱的热流密度及蒸发率时，将其简化为平壁计算更方便，误差也在允许范围内。

最后，对蒸发率数据的合理性进行评估。一般来讲，中小型LNG船在运输过程中的蒸发率在0.3%左右是合理的，虽然远高于大型LNG运输船的0.15%；可看出C型液货舱设置的绝缘层结构的保温效果没有大型LNG船好，但是由于中小型LNG运输运量小，运输时间短，在载运过程中不会出现危险状况。

4 实例应用

为了将本方法推广应用，本文以公开发表资料较多的138 000m3LNG运输船为例，对液货舱蒸发率进行了比较分析。

文献［4-6］分别从不同角度研究了138 000m3LNG运输船船体温度场分布或热应力分析，三篇文献均给出了该船的横剖面图，但没有明确给出液货舱的具体尺寸。本文利用比例尺粗测，结合文献给出的船型数据，给出了用于分析的液货舱尺寸，见表4。

LNG船的液货舱维护保层由内壳板、两层INVAR膜和两层木箱构成，文献［4-6］给出的各层尺寸相同，但材料特性有所差异，汇总见表5。

由于两层木箱的导热系数小，忽略各层隔热材料之间的接触热阻。在计算中，将多层平壁简化为一层实体，实体的导热系数k由下式给出［6］：

表4 138 000m3 LNG船液舱评估尺寸

表5 维护层尺寸及材料特性

式中：ti——各层的厚度；

ki——各层的热传导系数

考虑到缺乏船体内壳板板厚具体分布资料，为方便计算，本文取船体内壳板为15mm。文献［6］中木箱的导热系数取为最大值。

考虑到文献［4］计算工况与文献［6］有差异，本文各选取一种工况进行计算，具体计算结果见表6。需要说明的是，实测值为文献［4］中选取的第13航次结果，其他航次结果偏大；大宇重工计算值和GTT计算值为文献［5］公布值。

从计算结果可以看出，本文提出的简化算法与实测值及大宇重工、GTT公司计算值是较接近的；进一步可以看出本文对138 000m3LNG运输船液舱数据的估计是在合理范围的，本文提出的简化计算方法同样能够推广应用到大型LNG运输船的设计。

表6 138 000m3 LNG船液舱蒸发率计算对比

5 结语

目前，介绍C型独立液货舱蒸发率计算的资料较少，本文提出的简化计算方法是一种有益的尝试。该方法所需要的参数少，无需进行复杂的船体结构温度场计算，能快速确定液货舱保温层的设计选型，进而能合理确定中小型LNG船的布置方案。该方法同样也可以指导大型LNG运输船及其他类型液化气体运输船的蒸发率计算。

［1］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］俞树荣，席家福，等.用蒸发气充填液化天然气球形储罐隔热层的传热计算［J］.兰州理工大学学报，2009，35（1）：60-62.

［3］中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］冯武文，周昊，赵军.薄膜式液化天然气运输船船体温度分布的研究［J］.造船技术，2006，5：16-19.

［5］章伟星，周昊.138 000m3LNG运输船液货舱维护系统的温度场分析［J］.中国造船，2008，49（1）：76-82.

［6］章伟星，莫鉴辉.138 000m3薄膜式LNG运输船温度场及其热应力分析［J］.船舶力学，2008，12（5）：770-777.