车载LNG气瓶在高温下热力学参数的变化研究*

杨 刚，黄 思，李 蔚，易天坤，谭 粤

（1.广东省特种设备检测研究院，广东佛山 528000；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510641）

0 引言

液化天然气（LNG）作为一种清洁能源，以其低碳环保的特点用于汽车燃料[1]。汽车上的LNG燃料系统由气瓶、汽化器、减压阀等组件组成。LNG 在低温气瓶内以液态形式储存，随着外界热量的传递使得气瓶内LNG 产生蒸发，压力也随之增高。当气瓶内部压力达到临界压力时，减压阀将自动开启降低压力以保证气瓶安全[2]。

近年来，国内外学者相继开展了LNG 储罐内部热力学参数变化的研究。Miana 等[3]通过物理算法和“智能”模型研究了船用LNG 储罐运输到目的地的物性参数的改变；Chen 等[4]对常温下车载LNG 气瓶内的漏热和压力变化进行了分析计算；Khemis 等[5]采用数值方法对盛装LNG 的低温储罐，使用FLUENT 软件进行了传热分析，得到低温储罐颈部气体的温度和速度；李玉星等[6]研究了LNG为介质密闭储罐，进行了储罐内物性参数测试实验，证实了储罐内的温度场是非均匀的；肖时雄等[7]对LNG船储液罐在运输过程中常温状态下的传热及升压过程进行了研究；谢高锋[8]和王贵仁[9]对LNG储罐内压力变化进行了实验研究，并编制了低温储罐无损储存规律的程序来计算储罐内物性参数随时间的变化规律。

上述研究主要集中在LNG 储罐内在常温下的热力学参数研究，缺乏燃烧高温下气瓶内部热力学参数变化的研究。因此，本文选取一种常用的车载LNG气瓶作为研究对象，在高温环境下对该气瓶进行传热学计算分析，得到LNG热力学参数随时间的变化规律，为车载LNG气瓶的安全问题提供技术支持。

1 计算模型和计算方法

1.1 物理模型

图1 所示为365 L 型车载LNG 气瓶的计算模型。该车载LNG气瓶为多层保温结构；表1所示为气瓶的操作参数；表2所示为各层材料的导热系数，其中真空层的导热系数λ3由实验测得。

1.2 计算方法

由于所研究的LNG 气瓶容积较小，介质较快达到热平衡，不容易形成温度分层，因此采用饱和均质模型对气瓶进行传热计算。根据热力学定律在Δt时间内有如下关系[10]：

图1 车载LNG气瓶结构简图

表1 365 L型车载LNG气瓶基本参数

表2 365 L型车载LNG气瓶物性参数

式中：Q为气瓶吸收的热量；cpl为液态比热；cpg为气态比热；ml为液态质量；mg为气态质量；ΔT为Δt时间间隔前后气瓶内温差；Φ 为漏热率。

LNG 的主要成分是甲烷，根据甲烷在饱和状态下的热力学关系[11]，在-165～-105 ℃温度范围内拟合出液态比热cpl、气态比热cpg、压力p和汽化潜热r与温度T的关系为：

为计算气瓶的漏热率Φ 作出如下假设：（1）漏热量只考虑以热传导的方式，且全部被气相和液相主体所吸收；（2）整个气瓶的传热方向为保温层的法线方向，气瓶总热阻是多个保温薄层热阻的叠加。

该气瓶漏热主要有圆筒体Φ1和封头Φ2[12]：

则总的漏热率为：

其中：

式中：D1为圆筒内径；D2为圆筒外径；D3为圆筒保温层内径；D4为圆筒保温层外径；D5为外壳筒体内径；D6为外壳筒体外径；为封头内径；为封头外径；为封头保温层内径；为封头保温层外径；为外壳封头内径；为外壳封头外径；L为内圆筒长度；l为外壳筒体长度；Ts为气瓶外环境温度，℃；

将式（5）代入式（1）得到如下关系式：

采用向前差分的方法将式（7）进行离散，对该式左边温度T采用初始温度Ti和终了温度Ti+1的平均值计算：

由式（8）可得气瓶内介质终了温度Ti+1的表达式为：

因此，终了的蒸发率αi+1、气态介质质量和液态介质质量有如下关系[13]：

已知条件有气瓶容积V，充装率φ和环境温度Ts等，初始条件为：

因为气瓶安全阀的起跳压力为1.6 MPa，因此当气瓶内压力达到这个压力值时计算终止，计算流程如图2所示。该计算方法得到了液氮实验数据[14-15]的验证。

图2 方法计算流程图

2 计算结果分析

选取3个代表性的环境温度Ts如夏天的室外高温40 ℃[16]、天然气着火的最低温度270 ℃和城市煤气燃烧的最高温度600 ℃[17]，来研究车载LNG气瓶内物性参数随时间的变化规律。

2.1 LNG质量和时间的关系

随着外界热量的传递，使得气瓶内LNG产生蒸发，所产生的蒸发气（BOG）质量不断增加。图3所示为计算得到的无量纲LNG 质量随时间t 的变化曲线。由图可知，气瓶内LNG质量ml随着时间呈现下降趋势。当环境温度Ts增加时，LNG蒸发加快。在绝热层未损坏时，LNG蒸发较慢。

图3 LNG质量和时间的关系

图4 BOG质量和时间的关系

2.2 气瓶内介质温度和时间的关系

图5 所示为计算得到的气瓶内介质温度T 随时间t 的变化曲线。由图可知，从初始状态到气瓶最大工作压力这一过程，介质温度T从-161 ℃上升到了-113.15 ℃左右。介质温度T在初始阶段上升较慢，随着LNG的不断蒸发，温度T上升的速度增快。当环境温度Ts增加时，介质温度T 上升速率增快。在绝热层未损坏时，介质温度T上升速率较慢。

图5 气瓶内介质温度和时间的关系

图6 介质压力和时间的关系

2.3 气瓶内介质压力和时间的关系

图6 所示为计算得到的气瓶内介质压力p 随时间t 的变化曲线。由图可知，介质压力p 在初始阶段上升速度较慢，随LNG 的不断蒸发，介质压力p 上升速度增快。当环境温度Ts增加时，瓶内的升压更快。此外，在绝热层完好、40 ℃的环境温度下，气瓶内介质压力需要224 h达到起跳压力；在绝热层损坏、40 ℃环境温度下，气瓶内介质压力需要11.1 h 达到起跳压力；在270 ℃环境温度下，气瓶内介质压力需要2.1 h达到起跳压力；在600 ℃环境温度下，气瓶内介质压力需要1.1 h达到起跳压力。

3 结束语

本文以LNG为工质，选取常用的365 L规格的气瓶进行传热计算，采用饱和均质模型得到了如下结论。

（1）随着外界热量的传递，使得气瓶内LNG产生蒸发，所产生的蒸发气（BOG）质量将不断增加，最终达到气瓶内介质总质量的0.59%。气瓶内LNG质量随着时间逐渐减少。当环境温度增加时，LNG蒸发得更快；在绝热层未损坏时，LNG蒸发较慢。

（2）从初始状态到气瓶最大工作压力这一时间段内，气瓶内介质温度从-161 ℃上升到了-113.15 ℃左右。介质温度在初始阶段上升较慢，随着LNG 的快速蒸发，其温度上升的速度增快。当环境温度增加时，介质温度上升速率增快。在绝热层未损坏时，介质温度上升速率较慢。

（3）气瓶内介质压力在初始阶段上升速度较慢，随LNG的不断蒸发，上升速度增快。当环境温度增加时，瓶内的介质升压更快。在绝热层完好时、40 ℃的环境温度下，介质压力达到起跳压力需要224 h；在绝热层损坏的情况下，当环境温度为40 ℃、270 ℃和600 ℃时，介质压力达到起跳压力的时间分别为11.1 h、2.1 h和1.1 h。