中国市政工程西北设计研究院有限公司 新疆分院
摘要：CNG气瓶在充装和释放过程中均涉及到复杂的热力学过程，以开口系统热力学第一定律为基础建立过程微分方程，本文介绍了在气瓶充装和释放过程中的若干微分方程，并给出定性结论。
关键词：CNG气瓶充装；热力学过程微分方程；
1气瓶充装/释放过程
1.1问题的引出
在CNG加气母站/CNG子站中，CNG槽车车载钢瓶的充装速率在《汽车加油加气站设计与施工规范（2014年版）》中，8.2.21条中规定了： “3、CNG加气机流量不应大于0.25m³/min（工作状态）；4、CNG加（卸）气柱不应大于0.5m³/min（工作状态）。”然而该规定的条文解释为“控制加气速度的规定是参照美国天然气汽车加气标准的限速值和目前CNG加气站操作经验制定的”1。
然而通过热力学第一定律我们知道，在绝热条件下，对钢瓶进行充装/卸气作业时，钢瓶内的气体温度会增加/降低，当单位时间内充装/卸气速率增高时，钢瓶内的气体温度升高/降低速率亦会增加。
本文讨论一般条件下钢瓶的充装，并对其进行过程热力学分析。
1.2过程简化
钢瓶在充装/卸气过程中，瓶内压力逐渐随着时间推移，瓶内压力将不断变化，由于瓶内压力的变化，会导致瓶内气体温度的变化，进而会引起换进温度与钢瓶的热交换。
充装/卸气过程中：
1、将环境输入/输出的热量与钢瓶之间的换热看作均匀换热；
2、考虑到钢瓶D/L比值较小，可以忽略钢瓶内温度场沿径向的变化，将其内部视为均质、等温气体；
3、应为钢瓶距离钢瓶出口管路距离较小，气体卸气过程中，气体来不及与周围环境进行换热，因此，卸气过程中，钢瓶内状态1与钢瓶出口状态2过程视为绝热过程；
4、根据气体绝热流动方程：
利用假定1建立能量平衡方程:
1.4充装过程中的流量特征方程
1.6从环境吸/放热量的计算
实际工程中钢瓶从环境的吸/放热量绝大部分来自于与周围空气的对流换热，该对流过程的理论计算可由格拉晓夫准则进行详细计算3。但考虑到该系数的选取应有普遍性因此参照相关工程常用数据获取4。
2.4充气极限过程的结论
根据公式17进行初步计算：假定钢瓶水容积为2m³，内初始质量为16.28kg，初始温度为5℃，（约1Mpa）；当其质量充装至282.61kg时，充装气体的温度按照5℃计，其终态温度为：83.4℃，已经严重超出CNG储气瓶组的设计最高使用温度。
3结论
1、CNG钢瓶在进行充气/卸气作业时，应当根据CNG储气瓶组容积进行确定，还应结合CNG储气瓶组的与环境的换热；
2、CNG储气瓶在进行卸气作业时，过快的卸载速率将会导致瓶内气体温度的骤降，因此建议在设计气体钢瓶充装/卸气作业时结合《气瓶充装站安全技术条件》（GB27550-2011）中的相关规范对气体充装作业控制作业时间最短长度；
3、另一方面在气瓶组的设计时，还应着重考虑气瓶的与周围环境的热交换，增加CNG钢瓶在充装/卸气过程中与周围环境的散热。
4、建议进行更深入研究适当、适宜的充装/卸气速率，应着重研究卸气，速率的最大控制值，并规范化操作，同时建议在CNG充装/卸气作业时，钢瓶进/出口应设置相应速率下的过流阀，防止流率超标，引起钢瓶温度变化超过设计使用温度。
参考文献：
[1]GB50156-2012（2014年版本），汽车加油加气站设计与施工规范[S].
[2]廉乐明，谭羽非编.工程热力学（第五版）[M]，北京：高等教育出版社2009.
[3]章熙民编.传热学（第五版）[M], 北京：高等教育出版社2009.
[4]03S401,管道和设备保温、防结露及电伴热[S].
论文作者:李鹏圣
论文发表刊物:《基层建设》2016年第33期
论文发表时间:2017/3/3
标签：钢瓶论文; 气体论文; 气瓶论文; 温度论文; 过程论文; 热力学论文; 作业论文; 《基层建设》2016年第33期论文;