Page 46 - 《真空与低温》2025年第5期

金树峰等：大型液氢球罐预冷过程影响因素分析 585

7 结果表明，液氮预冷的壁面最大温差相比液氢预冷
单层
280 双层 降低 45.78%，显著提升预冷均匀性。
单层 6
260 双层 （2）增大喷淋环直径可改善预冷性能，一方面
温度/K 240 5 温降速率/ （K·h −1 ） 通过扩大覆盖范围提升预冷介质分布均匀性，另一

间干扰，减缓流
方面通过增大喷嘴间距降低
BOG
220 4 体动能衰减，同时提高降温速率和预冷均匀性。喷
200 嘴数量对预冷的影响存在临界值，喷嘴数量低于临
3
界值 12 时，降温速率和温度均匀性变化无明显规
0 5 10 15
时间/h 律，超过临界值后，降温速率随喷嘴数量增多而提
高，但会导致壁面最大温差增大，预冷均匀性降低。
图 17 喷淋环结构不同时球罐温度及降温速率变化
球罐降温速率随出口位置偏离球罐中心轴距离的
Fig. 17 Spherical tank temperature and temperature drop rate
增大呈现先降后升的趋势，预冷均匀性与之相反。
change at different spray ring structure

（3）双层喷淋环通过空间分层设计，在水平和
单层 垂直方向同时增大喷嘴间距，有效减小了低温气体
双层
30 间的相互干扰，增强了流体的流动扩散能力，从而
壁面最大温差/K 20 实现更均匀的冷却效果。与单层喷淋环相比，双层

13%，显著提高了
喷淋环预冷时壁面最大温差降低
预冷均匀性。
10
参考文献：
0
0 5 10 15
[1] SAMAN F，POORIA E，ERSHAD K，et al. Energy，exergy，
时间/h
economic，and sensitivity analyses of an enhanced liquid hy-
图 18 喷淋环结构不同时壁面最大温差随时间变化 drogen production cycle within an innovative multi-genera-
Fig. 18 Maximum wall temperature difference at different tion system[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，
spray ring structure over time
2024，149（8）：3513−3530.
综上，双层喷淋环的降温速率略低于单层喷 [2] GURSOY M，DINCER I. Design and assessment of a solar-
淋环，但两者差异较小（平均降温速率差值约为 driven combined system with hydrogen production，liquefac-
0.12 K/h）。在温度均匀性方面，双层喷淋环使壁面 tion and storage options[J]. International Journal of Therm-
最大温差降低约 13%，表现出更优的预冷均匀性。 fluids，2024，22：100599.
此外，双层喷淋环的壁面最大温差在达到极值后 [3] 刘宇轩. 氢能源及其应用现状概述 [J]. 节能，2022，41（10）：
呈持续缓慢下降趋势；而相比之下，单层喷淋环的 78−80.
最 大 温 差 呈 现 波 动 特 征， 在 预 冷 过 程 的 第 14 h [4] ZHUANG C，DIANSEN Y，HANBING B. Peridynamic mode-
出现突然增大的现象，进一步表明其温度均匀性 ling of crack propagation driven by hydrogen embrittlement[J].
较差。 Engineering Fracture Mechanics，2023，293：109687.
[5] 程旭东，彭文山，孙连方，等. 热应力作用下 LNG 储罐外罐
3 结论
裂缝及失效时间分析 [J]. 天然气工业，2015，35（3）：103−
3
针对 2 000 m 液氢球罐预冷过程开展仿真分 109.
析，研究了预冷介质种类、喷淋环结构及出口位置 [6] KWON Y. A study on the thermal crack control of the in-
等对球罐预冷过程的影响，提出一种新型双层喷淋 ground LNG storage tank as super massive structures[J].
环结构并进行对比研究，主要结论如下： Journal of the Korea Concrete Institute，2011，23（6）：773−780.
（1）液氢预冷时罐内流场呈轴对称分布，而液 [7] LU J，XU S，DENG J，et al. Numerical prediction of tempera-
氮预冷时罐内流场呈现明显的非对称特征。这种 ture field for cargo containment system （CCS） of LNG carri-
非对称流场可促进球罐壁面高温区域的快速冷却， ers during pre-cooling operations[J]. Journal of Natural Gas
能够有效减小壁面最大温差，抑制局部过热。模拟 Science and Engineering，2016，29：382−391.