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储气罐设计
基于纳米孔吸附原理的低压大容量天然气储气罐设计理论与方法研究
隋超
摘要
目前天然气汽车（NGV）主要以高压压缩天然气（CNG）作为主要的储气方式，但CNG具有压缩成本高、加气站投资大、储气罐重等缺点，在一定程度上限制了NGV的推广。
而吸附天然气（ANG）是一种新型的储气技术，它具有储气压力低、储气设备材质要求不高、储气瓶制备工艺简单、储气瓶自重轻、充气站建站费用低且设备使用寿命长等优点，其关键在于高储气能力的天然气吸附剂。
目前ANG存储技术还有一些问题需要解决，其中吸附热效应对储罐充气和放气过程的不利影响是必须解决的问题之一。
充气时，吸附放热使吸附床层的温度升高，从而使储罐的存储量减少，放气时，脱附吸热使吸附床层的温度降低，不利于气体的外放，所以能有效的控制吸附、脱附过程产生的热效应是关键。
本文介绍一种ANG储气罐模型：
中部为柱体，一边为椭圆封头，另一边为法兰封头，罐体内部除有双向冷却管，管上连接六根等距分布的肋片外，其余空间填充吸附剂。
关键字结构设计吸附低压储气罐
目录
目录2
第一章ANG储气罐研究背景及意义3
第二章ANG储气罐研究现状4
1扁平状储气瓶4
2蜂窝状吸附容器6
3TES系统的储存容器6
4总结7
第三章我们的研究结果8
1我们的储气罐模型：
9
2结构分析9
2.1封头的选择：
9
2.2材料9
2.3罐体壁厚计算依据9
2.4椭圆形封头壁厚10
2.5法兰10
2.6确定长颈对焊法兰相关尺寸10
2.7肋板11
2.8有限元分析部分11
参考文献14
第一章ANG储气罐研究背景及意义
天然气是理想的汽车清洁燃料，其燃烧效率高且燃烧产物比原油的燃烧产物污染小。
因此，扩大天然气利用领域将有效地降低环境污染。
并且随着世界范围内汽车产量的迅速增加和石油资源的严重短缺，以天然气代替汽油是当今世界许多国家调整能源结构的一大趋势[]。
油气田在开发过程中，由于各种原因不能将产生的天然气用管道来输送，而是放空烧掉或关井（据统计，我国每年大约有16亿m3油田放空天然气放空烧掉），因此造成环境污染和巨大浪费，而ANG能很好地解决这个问题。
油气田边远地区天然气资源尤其是油田伴生气的特点是量小而质富，气量一般为0.1至1万m3/d，井口分离气中C3+C4组分一般为20%}-30%（V），油罐挥发气和原油稳定气的C3+C4含量可高达5096（V）以上。
因此，开发利用边远地区天然气资源具有很高的经济效益、社会效益和环保效益。
沼气与天然气主要成分都是甲烷，且甲烷是可再生性燃料，我们的储气罐稍经改造，即可用于储存甲烷，可移植性强。
综上所述，ANG储气罐具有广泛的发展前景和研究意义。
第二章ANG储气罐研究现状
1扁平状储气瓶
目前设计的天然气低压吸附储存容器的结构形式主要有二种，第一种是由英国Roll-Royce公司研制的内装块状活性炭的扁平状储气瓶，可以强化外界与吸附剂床层间的换热，并目便于在汽车上灵活放置。
内部具有蜂窝状构造的平底结构形式，如图2-1所示。
图2-1Roll-Royce公司研制的扁平状储气瓶
该设计是建立在为先进航空发动机风机叶片开发的工艺基础上的。
使用Ti结构材料，并采用了高温下的超塑成型和真空加压扩散结合工艺，使制造出来的这种平底容器具有极高的强度和刚度。
实测结果表明，该吸附储箱对减少成型活性炭吸附剂的吸附热效应影响有优良的效果。
在环境温度为13℃时，充气过程的最高温度为28℃，放气过程的最低温度为一5℃。
2蜂窝状吸附容器
另外由AGLARG设计的圆弧顶的蜂窝状吸附容器也具有相同的优点，散热好及便于安装。
第二种亦是加工成非圆柱形的平底结构形式，并可以与汽车的主体连在一起。
容器装有内拉条，中间孔道装活性炭吸附材料，将铝合金材料用先进的挤压工艺制造，以降低成本，减轻重量，提高强度和使用寿命。
现在正由BritishGasPIc设计。
图2-2蜂窝状吸附容器
3TES系统的储存容器
以上两种形式的容器适用十装填传热性能良好的型炭吸附剂。
当使用颗粒状活性炭吸附剂时，IGT初步设计了具有TES系统的储存容器，如图2-3所示，该容器是由一个模压的壳体，一个中心多孔的分配管/集气管构成。
TES管的尺寸、数量和位置由活性炭床和相变物质的静态和动态性能来确定。
图2-3TES系统的储存容器
4总结
上述方案有如下缺点：
技术、工艺、材料要求高，价格较高，实用性不强。
第三章我们的研究结果
图3-1我们产品的外观图
图3-2我们产品的内部图片
图3-3
1我们的储气罐模型：
中部为柱体，一边为椭圆封头，另一边为法兰封头，罐体内部为双向冷却管，管上连接六根等距分布的肋片，且肋片与柱体壁接触。
2结构分析
主体部分我们采用目前多数罐体采用的形状---柱体，我们的罐体只需承受3.5MPa左右的压强，我们按照6MPa的标准设计。
2.1封头的选择：
目前封头主要有球形封头、椭圆形封头、蝶形封头、锥形封头、平盖等。
椭圆封头深度浅，冲压成型比球形容易，封头应力情况不如半球形封头，但比其他封头要好，是广泛采用的中低压容器封头形式，符合我们要求。
球形封头虽承压大，但冲压困难。
蝶形封头、无折边球面封头一般用于压力低的非重要容器上，不满足要求。
为了满足更换吸附剂的要求，我们把罐体一端设计成法兰封头，用螺栓连接。
2.2材料
吸气罐由16锰钢加工而成。
2.3罐体壁厚计算依据
由
=
=
=4.66mm<8mm
---内径取233mm
---需用应力查表得170Map
---焊接接头系数取0.9
2.4椭圆形封头壁厚
长短轴比为2:
1
=
=
=4.61mm<8mm
=
=8.64>6Mpa
---有效厚度
---最大需用压力
按我们的尺寸，中部柱体壁厚只需4.66mm、封头壁厚只需4.61mm即可满足要求，但考虑到安全因素，我们将壁厚都设计为8mm。
2.5法兰
参考资料《法兰实用手册》（中国标准出版社）
2.6确定长颈对焊法兰相关尺寸
厚度44mm。
图3-4法兰
2.7肋板
肋片厚度在2.5~3mm之间，约为圆筒半径的3%~4%之间；冷却管（中间通水管）的半径约为圆筒罐半径的0.13倍，为方便水的回流，在管的中部加一个挡板。
[1]
采用六个肋片中间通水的结构。
图3-5
2.8有限元分析部分
采用下述数据，经分析可以满足要求。
图3-6
图3-7
图3-8
图3-9
图3-10
图3-11
参考文献
[1]-付荣《天然气吸附床热值传递的数值计算》
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