液态硝酸铵液罐保温绝热效果数值模拟分析

王永彬 万杰 杨方 傅允准

1.芜湖中集瑞江汽车有限公司 安徽芜湖 241000

2.上海工程技术大学汽车与机械工程学院 上海 201620

石油化工行业的各种液体或气体的运输依赖于罐式运输车。液体或气体需要在罐式运输车内完好地保存，因此储罐结构的合理性至关重要。它不仅影响着化工产品运输的安全性，也决定着化工产品运输过程中的热损失情况。如果工业液体或者气体在运输过程中有热量损失，将导致产品性质发生变化。这将严重地影响工业生产过程中的生产安全性和经济性。

液罐的设计与优化离不开对材料特性及保温性能的研究。目前国内外对运输液罐的研究内容较少。薛文博［1］等提出一种利用相变蓄热材料的保温新方法，对卧式储罐提供保温，能够有效地对储罐的罐体进行保温。李丹丹[2]研究了液罐内的流体温度划分区间，得知工质之间存在着温度分层现象，即划分为气相区温度场、过冷液相区温度场与饱和液相区温度场，并有饱和液相区的温度高于过冷液相区温度，气相区的温度明显高于液相区的温度，沿垂直方向有明显的温度梯度结果。谢少华［3］等对比了加热管不同结构和布置下液罐加热效率，并且通过有限元瞬态分析技术,建立了将罐体中液体从临界温度加热到卸载时温度的时间历程关系。祝玉松［4］提出了一种储罐节能技术，即利用纳米隔热保温涂料,选取高性能的保温涂料涂置于液罐的灌顶,大大地降低了液罐内液体的热量损失。Sangeun Roh［ 5］等通过使用商用 CFD 代码 FluENT 解决质量、动量和能量的保存方程，对加压LNG 储罐中的瞬态自然对流进行数字调查。张毅［6］等分析了镀锌彩钢压型板的材料属性，选其作为保温层中间层结构，提高了保温整体性能。Zhan［ 7］等研究了低温液氧（LOX）罐中的加压性能和温度分布。如今行业内储罐保温结构中还存在一些问题，主要是设计中的热桥数处存在热损失［8］，且保温结构不够完善，保温材料的选用不够优质，因此对液罐保温设计进行改进很有必要。

1 项目概况

硝酸铵液罐罐体容积为25 m3，外表面面积为153 m2。硝酸铵液罐目前的不足之处在于：液罐的保温材料较差，罐体结构上有很多热桥存在导致漏热的问题，因此硝酸铵液罐的保温效果达不到要求。理想的硝酸铵液罐保温要求为：在冬季外界温度为-20℃～-15，当运输液态硝酸铵的装料温度为125℃时，经运输48 h后，温降不超过10℃。

模型部分分为罐体和底部热桥两部分，其中底部热桥部分共有6个，包括5个支座和1个牵引，其中支座2和支座3一致。液罐模型如图1所示。

图1 液罐模型示意图

2 保温方案

为减少液罐的热损失，现对罐体外侧包裹厚150 mm玻璃棉作为保温层。由于目前罐体热桥部分无保温，即顶部溢流箱、底部支座和牵引均无保温，这会带来相当部分的热损失。因此，对所有支座和牵引固定带的外侧包裹20 mm厚的气凝胶，以作更好的绝热防护来降低热损失。

2.1 罐体保温方案

现对罐体进行外侧包裹厚150 mm玻璃棉作为保温层，模型如图2所示。

图2 罐体保温整体示意图

2.2 热桥部位保温方案

现有罐体热桥部分无保温，即顶部溢流箱、底部支座和牵引均无保温，这会带有相当部分的热损失。因此所有支座和牵引固定带的外侧包裹20 mm厚的气凝胶。图3～图6所示的黄色部分为玻璃棉，紫色部分为气凝胶。

图3 支座保温整体示意图

图4 支座气凝胶保温示意图

图5 牵引销支座整体保温示意图

图6 牵引销支座气凝胶保温示意图

3 模拟边界条件

3.1 罐体边界条件

根据液态硝酸铵的特性，罐体内表面温度设为130℃。为模拟极端冷空气条件下的液罐车散热量，外界空气温度设为-2 0℃。罐体外表面对流换热系数为3 4 W/(m2·k)；罐体热桥部分相关外边界设为绝热壁面。罐体及热桥部分材质设为不锈钢，玻璃棉密度为45 kg/m3，导热系数为0.058 W/(m2·k)，气凝胶密度为187 kg/m3，气凝胶的导热系数为0.018 W/(m2·k)。

3.2 支座边界条件

罐体内部设置温度恒为130℃，侧面设为绝热面。保温层最外面以及漏在外面的支座部分面对流换热系数为34 W/(m2·k），周围环境温度为 -20℃。罐体及热桥部分材质设为不锈钢，玻璃棉密度为48 kg/m3；气凝胶密度为187 kg/m3，气凝胶的导热系数为0.018 W/（m2·k）。

4 模拟结果与分析

4.1 罐体温度分布

图7（a）中1点为罐体内部边缘点，2点为保温结构最外层边缘点，给出了罐体保温层为150 mm厚的玻璃棉的路径温度分布。从图7（b）可以看出，罐体内部温度最高，外侧温度最低，接近环境温度，说明保温效果较好，罐体和溢流箱的漏热量2 532.13 W。

图7 罐体保温结构温度变化情况

4.2 支座热桥温度分布

图8（a）中M点为牵引保温结构里侧点，N点为牵引保温结构下方最外层点,给出了牵引保温结构的路径温度分布。图8（b）可以看出，牵引销支座处温度由内向外逐渐减小，支座与罐体接触处温度高，底部外露部分与环境接触，故而温度低，牵引销支座的漏热量为825.72 W。

图8 牵引销支座温度场分布

图9（a）中A点为位于罐体内部的里侧点，B点为支座保温结构下方最外层点，给出了支座保温结构的路径温度分布。图9（b）可以看出，罐体外侧在玻璃棉作用下温度变化很小，而玻璃棉外侧支架上方由于存在间隙导致温度变化很大。在支座被20 mm气凝胶包裹部分温度梯度很大，可见气凝胶能减缓支座热量散失。

图9 支座温度分布

4.3 总热损失计算

经CFD软件计算，该硝酸铵液罐罐体各部位的漏热量如表1所示。

表1 液罐保温漏热量汇总

5 结语

本文提出了在液罐外侧包裹厚150 mm玻璃棉作为保温层，所有支座和牵引固定带外侧包裹20 mm厚的气凝胶的保温方案。利用三维数值模拟分别研究了液罐罐体及外侧的温度分布，并计算了保温结构改善后的热损失量及各部位热损失比。

处理后的罐体保温效果良好，保温效果较之前有较大改善，具体效果如下：

a.采用对罐体进行外侧包裹厚150 mm玻璃棉作为保温层与所有支座和牵引固定带外侧包裹20 mm厚的气凝胶的方案，大大减少了热损失。

b.罐体和溢流箱总体漏热量2 532.13 W，占液罐总体漏热比为67.18%，牵引漏热量为825.72 W，占液罐总体漏热比为21.91%，支座漏热量为411.58W，占液罐总体漏热比为10.93%。

c.现方案液罐总体漏热量为3 769.43 W，48 h温降9.75 ℃，而保温结构未优化前液罐整体总漏热量为6 579.35 W，经过现方案优化结构，减少了2 809.92 W漏热量。此保温结构的优化方案能有效地减少热桥处热损失。