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电动磁悬浮车载铝制低温容器的结构设计与性能测试

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电动磁悬浮车载铝制低温容器的结构设计与性能测试

作者：蒋久福西南交通大学

学位级别：硕士

高温超导体具有较高的临界温度、较大的工程临界电流密度和较好的力学性能,在超导电动磁悬浮领域极具应用前景。为使高温超导磁体发挥更好的悬浮性能,通常选取20～40 K作为磁体的工作温区。然而,现阶段的低温容器往往采用不锈钢作为主... 详细信息

高温超导体具有较高的临界温度、较大的工程临界电流密度和较好的力学性能,在超导电动磁悬浮领域极具应用前景。为使高温超导磁体发挥更好的悬浮性能,通常选取20～40 K作为磁体的工作温区。然而,现阶段的低温容器往往采用不锈钢作为主体材料,使超导磁体系统(即超导磁体和低温容器)的自重较大。同时,其传力机构通过低温容器外杜瓦来传递超导磁体所受电磁力,增大了容器的设计难度。而且超导电动磁悬浮列车复杂的电磁环境还会在超导磁体表面引入涡流损耗,增加低温容器的漏热。因此,本文从轻量化角度出发,选用兼具减弱高温超导磁体涡流损耗的铝合金作为主体材料,通过优化设计传力支撑结构,改善低温容器受力环境,研制了一套高温超导电动磁悬浮列车车载低温容器。首先,通过三维设计软件CATIA对低温容器的结构进行设计。选用6061–T6铝合金作为低温容器外杜瓦和辐射屏的主体材料减小磁体涡流损耗,同时采用辐射屏配合多层绝热材料减小系统漏热。对于低温容器传力机构,则是通过三类杆、四种结构的支撑设计,尤其是其中G–10材料和304不锈钢组合式支撑杆的创新设计,在保证减小低温容器漏热的前提下,实现了将超导磁体受到的电磁力直接传递至转向架的目的,同时改善了超导磁体及其低温容器的受力状态。其次,基于ANSYS Workbench多物理场仿真软件,分别对外杜瓦和支撑结构进行了强度校核,重点对G–10支撑杆等脆性部件进行了更全面的强度分析,以验证低温容器机械结构设计的合理性。随后基于传热学理论,计算了低温容器的各项漏热,并对比制冷机冷量图,预估超导磁体能降至20 K甚至更低温度,从理论计算方面验证了低温容器达到降温指标的可行性。最后,根据设计与仿真结果完成了低温容器的制作与性能测试。实验中使用铜线圈等效超导线圈冷质量,同时利用电阻片作为热源模拟超导磁体励磁时各部件的热负荷,以此验证实际应用工况下低温容器的运行性能。降温实验结果表明,铜线圈的温度最低可以降至19 K,且辐射屏可以降至约60 K,与漏热计算结果吻合较好。但是由于辐射屏热沉对G–10支撑杆的热截流效果不理想,导致磁体温度不能进一步降低。对于热源加载实验,当辐射屏加载二元电流引线铜段传导漏热后,该工况与低温容器空载工况一致,此时辐射屏温度升高至85 K,磁体骨架与铜线圈温度几乎不变,实验结果与初始设计目标基本吻合。当输入励磁电流300 A对应的热量时,铜线圈和磁体骨架区域最高温度为37 K,低于超导磁体300 A对于的临界温度,且仍处于超导磁体最佳工作温区20～40 K之间,验证了低温容器设计的合理性。

关键词：超导磁悬浮低温容器传导冷却轻量化强度校核漏热计算

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大型LNG储罐漏热分析及模拟研究

大型LNG储罐漏热分析及模拟研究

作者：朱学熹西南石油大学

学位级别：硕士

液化天然气(LNG)储罐是液化天然气运输和储存必不可少的储气容器,近年来LNG储罐的研制在向大容量方向发展。大型的LNG储罐是在常压低温(-162℃)下对天然气进行储存,由于储存时的温度特别低,因而对储罐的保温性能要求就特别高。当储罐因... 详细信息

液化天然气(LNG)储罐是液化天然气运输和储存必不可少的储气容器,近年来LNG储罐的研制在向大容量方向发展。大型的LNG储罐是在常压低温(-162℃)下对天然气进行储存,由于储存时的温度特别低,因而对储罐的保温性能要求就特别高。当储罐因保温性能不达标而出现漏热时,会造成储罐内LNG的大量浪费,甚至会造成严重的安全事故。因而对储罐进行保温性能研究,找出其主要漏热源,为储罐的安全储存提供操作意见就显得特别重要。本文介绍了各类常见的LNG储罐结构和热量泄漏方式,从传热学理论分析入手,研究了储罐的热量泄露方式,在理论上分析了储罐的传热机理,推导出了各类常见的储罐的罐顶、罐壁、罐底的漏热计算模型,并依据这些计算模型对广东珠海的某实际容量为16×104m3的LNG储罐的漏热量进行分析计算,通过对计算结果进行分析,得出了储罐罐底的漏热量占储罐总漏热量的50%这一结论。运用ANSYS和FLUNET软件对LNG储罐进行温度、压力场数值模拟分析。为更直观的反应出数值模拟分析的结论,文章针对广东珠海某实际储罐的罐顶、罐壁和罐底的漏热模型,进行温度、压力场的数值模拟。ANSYS软件模拟出的温度场结果显示,储罐的罐顶、罐壁和罐底处都会发生不同程度的漏热,但罐底是储罐最主要的漏热源,这也验证了利用储罐漏热计算模型计算分析得出的罐底的漏热量占储罐总漏热量的50%这一结论。FLUNET软件模拟出的压力场结果显示,储罐内的气体压力会随着储罐的热量泄露速率、储罐LNG液体充装量和液体初始充满率而不断变化。经对模拟结果分析知道,储罐内液体充装量为90%时,罐内的压力增加最快,充装量为60%,罐内的压力增加最慢：储罐内压力会随着液体初始充满率的增加而不断降低,当初始充满率接近92%时,储罐内出现负压。因而降低储罐的热量泄露速率,保持合理的液体充装量和液体初始充满率对储罐的安全储存极为重要。本文将对大型LNG储罐的保温研究和操作给出一些建议。

关键词： LNG 储罐漏热计算温度-压力场模拟

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大型LNG储罐优化设计与研究

大型LNG储罐优化设计与研究

作者：刘清龙青岛科技大学

学位级别：硕士

LNG储罐是液化天然气储运过程中的重要设施,大型LNG储罐体积大、质量大、结构复杂、安全性要求高并且投资大。但在我国工程实例较少,本文主要对大型LNG储罐内罐选材、设计标准和罐体结构进行设计优化与研究。介绍了国内外大型LNG储罐的... 详细信息

LNG储罐是液化天然气储运过程中的重要设施,大型LNG储罐体积大、质量大、结构复杂、安全性要求高并且投资大。但在我国工程实例较少,本文主要对大型LNG储罐内罐选材、设计标准和罐体结构进行设计优化与研究。介绍了国内外大型LNG储罐的现状、LNG储罐的选型选材、结构形式和绝热材料等;以不同容积储罐为研究对象,根据BSEN14620、API620/650以及JIS B8501有关大型储罐方面的设计规范,详细论述了储罐壁厚的计算方法和罐底排板形式;通过计算结果对比分析,得到BSEN14620标准设计出来的壁厚最经济,而JIS B8501标准设计结果最安全,我国可参照此类标准合理制定适合我国要求的规范。通过储罐各部分漏热计算分析,发现罐顶漏热为储罐主要漏热;利用ANSYS软件对内罐进行结构应力分析,根据分析结果可知罐底大角焊缝处和不同圈壁板连接部位存在应力集中现象,储罐应力峰值随容积增加而增加,变点法可以有效改善储罐应力水平。由于我国尚无大型LNG储罐设计标准,由国外引进技术自行承建的大型LNG储罐屈指可数,所以本文的研究对我国大型LNG储罐的设计和研究具有一定的工程意义和参考价值。

关键词： LNG储罐优化结构设计漏热计算

基于ANSYS大型LNG储罐静力场和温度场模拟研究

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基于ANSYS大型LNG储罐静力场和温度场模拟研究

作者：陈威威青岛科技大学

学位级别：硕士

LNG储罐是储存和运输LNG的重要设备,随着LNG行业的发展和需求量的增加,LNG储罐往大型化发展正在成为一种发展趋势,大型LNG储罐属于大型常压低温储罐,具有存储效率高、投资少、便于操作、管理和储存规模大型化等优点。本文以容量为1.6×1... 详细信息

LNG储罐是储存和运输LNG的重要设备,随着LNG行业的发展和需求量的增加,LNG储罐往大型化发展正在成为一种发展趋势,大型LNG储罐属于大型常压低温储罐,具有存储效率高、投资少、便于操作、管理和储存规模大型化等优点。本文以容量为1.6×10～5m的LNG储罐为研究对象,通过几种LNG内罐常用建造材料性能的对比,选取9%Ni钢作为内罐材料,根据其尺寸参数计算了罐壁、罐底及罐顶各部位的设计厚度并选择设计合理的罐底排版结构、罐顶结构和接管结构。同时根据对保冷结构的设计,分别进行LNG储罐罐底漏热、罐壁漏热及罐顶漏热计算,通过对比三个部位的漏热计算结果得出LNG储罐的罐顶是主要的漏热部位;此外通过储罐的日蒸发率及许用漏热量的计算可知其保冷结构符合设计要求。采用ANSYS Workbench模拟软件对储罐罐顶、罐壁和罐底进行内罐壁静力场模拟以及温度场模拟,得到了内罐壁在空罐、半罐、满罐和自重作用下的应力场分布以及罐底、罐壁和罐顶温度场分布,由静力场模拟结果可知,在空罐、半罐、满罐液压和自重作用的情况下,LNG内罐罐壁的应力变化随液压增大而逐渐增大;就内罐应变而言,由于储罐地基的固定约束作用,其第一层罐壁钢板变形量基本为零。并且由于其罐内液柱静压力对罐壁有侧向作用,罐壁钢板开始从下往上、由内到外发生变形,其最大变形量位于底部往上几层罐壁钢板。罐壁钢板最上面几层由于液柱静压力逐渐减小,其变形量也逐渐减小,直到最顶部无液柱静压力,变形量又为零。由温度场模拟分析结果可知LNG储罐的罐顶漏热量最大,其绝热保冷性能最次。不同外界环境温度对储罐各个主要部位的保冷性能有一定的影响,其中由沿厚度变化的温度曲线可知,环境温度对储罐罐顶有较大影响。

关键词： LNG储罐漏热计算温度场模拟静力场模拟

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大型LNG储罐结构及保冷性能研究

大型LNG储罐结构及保冷性能研究

作者：吕昌海青岛科技大学

学位级别：硕士

本文根据LNG从气田开采气到成品气的全部过程对LNG工业链作了详细的介绍,主要涉及工业链上游、中游和下游的工艺系统及所用的设备,包括天然气开采、净化、液化、储存运输和再气化输送管网等环节。对大型LNG储罐的罐底、罐壁和罐顶结构... 详细信息

本文根据LNG从气田开采气到成品气的全部过程对LNG工业链作了详细的介绍,主要涉及工业链上游、中游和下游的工艺系统及所用的设备,包括天然气开采、净化、液化、储存运输和再气化输送管网等环节。对大型LNG储罐的罐底、罐壁和罐顶结构进行了探索性研究,对储罐各部分结构在设计和制造方面涉及的问题作了分析并提出建议。以一个16万立方米的LNG储罐为研究对象对储罐罐底、罐顶和罐壁分别进行了漏热计算,根据日蒸发率计算了储罐的许用漏热量。将储罐许用漏热量与罐底、罐顶和罐壁的漏热量之和进行比较后,对储罐的保冷性能做出分析。最后运用ANSYS软件对储罐的罐底、罐壁和罐顶分别做了温度场数值模拟,通过模拟结果对储罐的保冷性能做出较确切的分析,同时通过数值模拟印证了利用漏热计算得到的储罐保冷性能结论的正确性。结合我国的技术现状对LNG保冷技术的研究提出了一些建议。目前我国尚无大型LNG储罐的设计规范和设计产品,本文的研究对于大型LNG储罐的设计和研究具有一定的参考价值。

关键词： LNG储罐漏热计算温度场模拟保冷

量化设计方法在天然气特大储罐结构安全中的应用

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煤化工 2023年第2期51卷 111-115页

作者：郭子锋中海油江苏天然气有限公司江苏盐城224500

为提高特大储罐结构的本质安全性,以地震环境为例,研究了量化设计方法在特大储罐结构本质安全中的应用。从设置储罐尺寸、选择保冷材料并计算漏热量和计算外罐体临界失稳压力值三方面,进行了特大储罐结构本质安全的量化设计。以用钢量... 详细信息

为提高特大储罐结构的本质安全性,以地震环境为例,研究了量化设计方法在特大储罐结构本质安全中的应用。从设置储罐尺寸、选择保冷材料并计算漏热量和计算外罐体临界失稳压力值三方面,进行了特大储罐结构本质安全的量化设计。以用钢量最少为实验指标,采用ansys软件建立了量化设计方法、API设计方法和GB设计方法的特大储罐有限元模型,比较了工作工况和试水工况下的应力强度。结果表明,采用量化设计方法,较其他两种方法节省钢材用量在50 t以上,得到的应力强度与设定值更接近,量化效果好;在地震载荷施加作用下,其结构的环向应变和径向位移均在安全范围内,危害程度低,满足本质安全性要求。

关键词：量化设计方法液化天然气特大储罐本质安全保冷材料失稳压力值漏热计算

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低温精馏装置的绝热结构设计

山东化工 2016年第15期45卷 138-141页

作者：艾丽斯佳中国原子能科学研究院北京102413

低温精馏装置运行效果受漏热影响较大,因此设计时必须考虑其低温绝热性能。低温装置的漏热方式主要有热传导、热辐射及热对流三种基本形式。低温绝热结构的设计则主要针对这三个方面设置相应的绝热结构。通过计算装置的漏热值,其中包括... 详细信息

低温精馏装置运行效果受漏热影响较大,因此设计时必须考虑其低温绝热性能。低温装置的漏热方式主要有热传导、热辐射及热对流三种基本形式。低温绝热结构的设计则主要针对这三个方面设置相应的绝热结构。通过计算装置的漏热值,其中包括残余气体热传导引起的漏热、辐射传热产生的漏热及机械构件引起的漏热,来判定绝热结构设置的合理性。之后通过比较绝热结构设置前后的漏热值及参考以往的设计经验,确定了装置采用高真空辐射屏加多层绝热的低温绝热结构。然后对结构确定后的装置总体漏热值进行计算,确定该绝热结构的计算漏热值满足了设计输入的要求。最终通过本低温精馏装置长期稳定运行,实践证明采用该低温绝热结构满足了工程实际应用的要求。

关键词：低温装置绝热结构漏热计算

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大型低温储罐漏热分析及计算方法

化工设计 2021年第2期31卷 6-9,17,1页

作者：杜利顺曹岩许学斌时珂华陆工程科技有限责任公司西安710065

本文通过对大型低温储罐的保冷结构进行分析,从储罐各个部分漏热原理出发,通过公式推导计算提供了验证大型双壁低温储罐保冷设计可靠性的方法。此外,考虑夏季太阳辐射导致储罐表面温度升高对储罐漏热的影响,提供了大型低温储罐日蒸发率... 详细信息

本文通过对大型低温储罐的保冷结构进行分析,从储罐各个部分漏热原理出发,通过公式推导计算提供了验证大型双壁低温储罐保冷设计可靠性的方法。此外,考虑夏季太阳辐射导致储罐表面温度升高对储罐漏热的影响,提供了大型低温储罐日蒸发率的计算方法,并通过实例进行验证。

关键词：大型低温储罐保冷设计漏热计算太阳辐射日蒸发率

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绝热力矩管的漏热分析

南方农机 2021年第5期52卷 43-44页

作者：张志政成建联长安大学道路施工技术与设备教育部重点实验室陕西西安710064

力矩管是高温超导电机的一个重要组成部件,起着绝热、支撑转子及传递转矩等多项重要作用。因此,力矩管的各项性能如绝热性能、冷收缩性能及力学性能等,都是超导电机研制和设计中尤为重要的参量。其中漏热量直接影响电机的总体效率,因此... 详细信息

力矩管是高温超导电机的一个重要组成部件,起着绝热、支撑转子及传递转矩等多项重要作用。因此,力矩管的各项性能如绝热性能、冷收缩性能及力学性能等,都是超导电机研制和设计中尤为重要的参量。其中漏热量直接影响电机的总体效率,因此,对其漏热量进行理论计算和有限元分析就极为重要。本文从模拟计算和有限元仿真验证力矩管符合设计要求,能够满足高温超导电机的需要。

关键词：超导电机漏热计算有限元分析