一种新型低温液体储罐的研制

余巧生，张葆现，樊水平，马静，邱平

1.武警北京市总队第二医院，北京100037；2.河北思科德低温设备有限公司，河北 霸州 065700

一种新型低温液体储罐的研制

余巧生1，张葆现1，樊水平1，马静1，邱平2

1.武警北京市总队第二医院，北京100037；2.河北思科德低温设备有限公司，河北 霸州 065700

针对现有储存液态氮气、氩气、氧气和二氧化碳的压力容器在向外输气时气压不稳定的问题，本文研制了一种新型低温液体储罐，该装置主要由低温液体容器、管线、外汽化器、外增压器和管阀等组成，具有能从周围的空气中提取热量为液体加压和汽化提供能量的功能，解决了压力容器在向外输气时气压不稳定的缺陷。实际应用结果表明，该低温液体储罐安装、使用简便，安全性、耐用性好，外输气压稳定。

低温液体储罐；外汽化器；外增压器；辐射防护层；玻璃纤维保温层

0 前言

现有用于储存液态氮气、氩气、氧气和二氧化碳的压力容器，在向外输气时由于不能及时补充液体汽化所需的热量，往往容易产生外输气压不稳定的问题。例如，在医院普遍使用的液氧储罐，在灌装液氧时外输压力波动比较大，易造成中心供氧系统压力不稳定，引发呼吸机、麻醉机等主要用气设备报警，在带来不便的同时也容易造成安全隐患[1-2]。在医用氧气源供应中，液氧是一种主要的供氧方式，因此液氧罐的选用、使用、监管和维护等都是不可忽视的重要环节，特别是设备运行的安全性、稳定性尤为重要。为克服现有技术上的缺陷，笔者研制了一种能够稳定向外输气的新型FV1系列微型低温液体储罐，可以从周围的空气中提取热量为液体加压和汽化提供能量，报道如下。

1 设计思路

FV1系列低温液体储罐的正位模拟视图、正位实物视图及管线结构示意图，见图1～3。

图1 低温液体储罐正位模拟视图

图2 低温液体储罐正位实物视图

图3 低温液体储罐管线流程结构示意图

1.1 总体设计

低温液体储罐主体结构主要由低温液体容器、管线、外汽化器和外增压器组成。低温液体容器是一个悬在夹套内的内压力容器，在内压力容器与外壳之间的夹套空间填充有隔热材料。在外壳内壁与内压力容器外壁分别装有铝箔辐射防护层，隔热材料是指在两个铝箔辐射防护层之间的夹套空间填充的超细玻璃纤维保温层。

1.2 结构设计

内压力容器的底部增压入口通过管阀联通增压器单元的底部入口，增压器单元的上部出口通过管阀联通内压力容器的顶部增压出口，外汽化器的入口通过管阀联通从内压力容器顶部伸入到底部的汽化管，即汽化管与外汽化器的入口通过管和汽化器入口阀与汽化器入口三通联通，增压器单元的上部出口通过管和增压器出口三通及增压器出口阀联通内压力容器的顶部增压出口，汽化器入口三通联通与增压器出口三通通过管和节气调节阀联通。

内压力容器的底部增压入口通过增压入口阀和管联通增压入口三通，增压入口三通一出口通过管和增压调节阀联通增压器单元的底部入口，增压入口三通另一出口联通减压阀。

节气调节阀前后的管上分别通过前后三通联通前后减压阀。后三通与汽化器入口三通之间通过提取液体三通联通带液体出口连接件的提取液体阀，汽化器出口通过汽化器出口阀连接汽化器出口连接件。

外壳顶部配装有真空夹套爆破片。内压力容器顶部分流安全口通过管联通三通阀，三通阀的两端出口分别通过安全三通联通两个内容器爆破片和安全阀。

内压力容器顶部配装伸入其内上部的溢流排空管，溢流排空管上端通过管联通溢流排空阀及连接件。内压力容器顶部配装伸到底部的底部充装管，底部充装管上端通过管联通底部充装阀，内压力容器顶部通过伸达内压力容器内上部的顶部充装管配装充装过量自动切断执行器，顶部充装管上端通过管联通顶部充装阀，底部充装阀通过管和充装三通与顶部充装阀相连，充装三通的外口通过充装排净三通联通充装排净阀和泵或顶部充装连接件。溢流排空管下端高度大于或等于充装过量时自动切断执行器上端高度。

内压力容器的底部液相口通过管和液相截止阀联通液位指示针和连接压力表的压力表三通，气相截止阀联通内压力容器的顶部气相口，其仪表包括压力表和差压液位计。压力表可检测容器压力，差压液位计可为容器内部提供精确的测量数据。FV1系列微型低温液体储罐可以通过控制系统使汽化的低温液体自动保持压力。

液相截止阀联通液相四通，液相四通外侧口联通液相仪表接口，液相四通内侧口通过管和液位指示针及连接压力表的压力表三通联通气相四通的内侧口，液相四通的上口与气相四通上口通过配装平衡阀的管相连，气相四通的外侧口联通气相仪表接口，气相四通的下口联通气相截止阀。

2 各回路功能及使用方法

2.1 溢流、排空回路

如图4所示，溢流与排空阀连接到容器上部的立管，把管在容器内的开口端定位在相当于容器体积95％的液位。在灌注的过程中，打开排空阀门可降低容器内的压力。排空阀还可以作为“溢流阀”，当液面超过95％时，从容器内排放液体。

图4 用实线标示的溢流、排空回路示意图（箭头1所指为溢流与排空阀）。

2.2 充装回路

如图5所示，充装回路可以通过适合于罐车压差的方式进行充装，或者通过罐车低温泵进行充装。充装止回阀的作用是防止介质从容器中逸出。

图5 用实线标示的充装回路示意图（箭头1所指为顶部充装阀，箭头2所指为充装止回阀）。

2.3 增压回路

如图6所示，增压回路用于在液体充装后为容器加压，也可用于维持容器内的压力来保证产品的正常抽取。调节增压阀到设定压力，打开增压回路的出口阀门和增压回路的入口阀门使回路接通。当容器内的压力下降到低于增压装置设置的压力时，增压回路的压力调节阀自动打开；当容器内的压力超过增压装置设置的压力时，压力调节阀自动关闭。增压回路的工作原理是：当阀门打开时，从液体所在的容器底部到气体所在的顶部空间开通了一条路径，由于流体从容器底部流向顶部，因此该通路还包含了外置增压器以汽化液体，使液体膨胀为蒸汽再回到容器内部，从而提升容器内的压力。

图6 用实线标示的增压回路示意图

2.4 汽化器入口与节能器回路

用实线标示的低温液体储罐的汽化器入口与节能器回路示意图，见图7。

图7 用实线标示的汽化器入口与节能器回路示意图

2.4.1 汽化器入口

汽化器入口为汽化器提供加压的低温液体，打开汽化器入口阀门，通过容器内的压力推动液体流入汽化器。汽化器的工作原理是：利用周围环境空气里的热能，把液体转化为气体并使其升温。

2.4.2 节能器回路

节能器回路的功能是降低因容器内液体正常蒸发而造成的产品损失。增压器出口阀门必须打开增压功能，当容器内压力超过节能器设定值（节能器设定值一般大于增压调节阀设定值0.1 Mpa）时，节气调节阀自动打开，从而使气体从容器顶部流入汽化器回路。

节能器回路是被隔离的，以便在维护时关闭增压器出口阀门和节能器隔离阀门。当回路内有冷气或液体时若阀门关闭，两个减压阀则可以防止回路过压。

方法的选择应遵循所选教材的特点和学习认知活动过程中的任务要求，考虑教师驾驭各种教学方法的能力及教学方法对学生学习认知活动开展的辅助效能等。

2.5 安全回路

如图8所示，低温液体储罐的优势在于突出了安全阀以防止容器过压。当压力超过容器的最大工作压力时，两个安全阀门会自动降低压力；当压力低于该设定值时则阀门复位。另外安全装置设计分为两组，每组包括一个一级安全阀和一个爆破片。爆破片需要有备用件，以便在安全阀门发生故障时，允许压力达到爆破压力的额定值。双向安全切换阀的功能在于当一组防护装置工作时，隔离另一组防护装置，并且在没有排放罐压力的需求时允许设备维护，以提高工作效率及便捷性。

图8 用实线标示的安全回路示意图

2.6 仪表回路

如图9所示，仪表由压力表和差压液位指示计构成。容器内的液体在底部产生的压力比在顶部高，而液位指示计可检测容器顶部与底部的压力差值。将液位指示计的读数与贴在容器前面的液位换算表相比较，可以准确监测容器内的液体量。在没有清空容器与降低容器压力时，隔离阀门允许回路维护。在关闭隔离阀门之前需打开平衡阀。

图9 用实线标示的仪表回路示意图

2.7 压力传送充装原理及步骤

如图10～11所示，通过降低低温液体储罐内的压力，并使其低于液体来源容器内的压力可完成压力传送充装。液体源容器一般为车载式容器，通过排放阀门排放气体减低低温液体储罐内的压力，由压力推动液体从车载式容器流入低温液体储罐内。对于配备有一个安全阀与倾泄阀的低温传送软管，应该将其用于把低温液体储罐连接到液体源头。

图10 低温液体储罐管线结构正位视图

图11 低温液体储罐管线结构俯视图

通过压力传送进行充装的步骤如下：目测检查液体储罐、传送软管和大容量罐管线，此时若有任何的零部件损坏或遗失，则不允许进行充装；从液体源容器连接传送软管到液体源头，打开充装阀门与溢流、排空阀门开始进行充装。需要说明的是：通过底部充装阀门进行充装时，在蒸汽空间内的气体被压缩，可以提升罐的压力；反之，通过顶部充装阀门进行充装时，气体因被冷却或被液化可导致空间气体缺量，从而能够降低罐的压力。当液体从溢流阀内流出时，表明容器已满，一个约5％的气体顶空间将保存在液位上面，此时关闭充装阀。当液体停止从溢流阀门流出时，关闭溢流阀门。随后即关闭液体源供应并打开充装清洗阀，断开传送软管。

当使用泵驱动充装容器时，必须运用泵与顶部连接件，打开充装阀门并在充装期间密切检测容器压力。当容器的压力达到减压阀的设定值或者泵的压力额定值时，关闭泵，打开排放阀门以便于按要求降低压力。当通过低温供货车在自动模式进行充装时，须在一定水平上提供足够的气体顶空间。当使用传统的泵系统进行充装时，在充装期间须使溢流阀保持在打开状态。当液体从排放阀门流出时，立即停止泵并关闭两个充装阀门。当液体停止从溢流阀内流出时，关闭溢流阀。在把充装软管与充装连接头中断前，打开充装排净阀门把液体从软管中排放出来。在该操作结束后，关闭充装排净阀门，然后把软管与连接件断开。

2.9 气体抽取

抽取气体时，打开增压回路的出口阀门和增压回路的入口阀门使回路接通，监控压力计，当压力超过预定的输出压力时，打开汽化器出口截止阀和汽化器入口截止阀，抽取气体产品。

2.10 液体抽取

抽取液体时，通过接收容器把传送软管连接到储罐的液体管线接头，并打开相邻的两个液体阀门。只要容器内压力大于接受容器的压力，即可驱动液体通过阀门流出。

2.11 更换气体

低温液体储罐还可用于氩气、氮气或二氧化碳等产品。当需要更换气体时，要按如下步骤进行操作：首先安全地从容器内清空所有液体，打开增压入口和出口处的两个增压阀以及排放阀，将残存在容器底部的所有液体全部蒸发掉。为确保排净，可使用合适的真空泵对液体储罐抽取真空，最终的真空读数应该至少为20 mmHg。气体更换完毕，应粘贴新的气体服务识别标贴。

3 设计标准和材料选择

低温液体储罐主体结构由低温液体容器、管线、外汽化器和外增压器等构成。液体容器由一个悬在夹套内的压力容器构成，把压力容器与夹套之间的空间抽成真空并用超细玻璃纤维和铝箔辐射防护层绝缘。内压力容器与真空夹套由S30408型不锈钢制成，满足TSG R0004-2009、GB 150.1～150.4-2011和GB/T 18442-2011的设计及制造要求，管道线路允许容器排放、充装、加压，并提供加压的气体。管线采用304型和316L型不锈钢制成，阀门采用铜制，配件由加工的锻造黄铜与316型不锈钢制成。

4 应用效果

低温液体储罐可储存低温液体并能够对气体进行升温加压后分配输出。实际使用结果表明，该装置具有操作简单、安装方便，安全性、耐用性、经济性、稳定性好等特点，且在一段时间内，其超强的绝热性能可使液体损耗极少或零损耗，控制系统可使低温液体自动保持压力，保证了液体储罐在充液时的压力稳定和用气正常。

5 结语

压力容器广泛用于工农业、科研、国防、医疗卫生和文教体育等领域[3-4]，要定期对设备进行维修保养，以降低事故发生率[5]。笔者研制的新型FV1系列低温液体储罐，具有能从周围的空气中提取热量为液体加压和汽化提供能量，进而稳定外输气体压力的优点，其压力表、液位计、调压阀、安全阀等灵敏可靠[6-8]，符合国家在压力容器安全管理方面的要求，且结构精巧、占地面积小、材料耐腐蚀及温度变化，具有一定的应用前景。

[1]余巧生,胡梅芬,李世录．医用集中供氧技术的对比分析[J]．医疗装备,2009,22（10）：43-44．

[2]苌飞霸,尹军,王莉,等．医院中心供氧实时监控系统的CAN总线接口设计[J]．中国医疗设备,2014,29（9）：16-19．

[3]石智豪,陈显才．压力容器安全操作技术[M]．北京：中国锅炉压力容器安全杂志社,1989．

[4]廖尚莉,伍秋云．医用高压氧舱火灾的预防及应对措施[J]．临床工程,2010,25（2）：83-84．

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[6]余巧生,胡梅芬,樊水平,等．部队野战医院供氧方案选择探讨[J]．医疗卫生装备,2011,32（7）：84-85．

[7]屈俭．1000m3液氧贮罐的设计特点[J]．冶金动力,2002,（5）：21-23．

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Design and Development of a New Type Cryogenic Liquid Storing Tank

YU Qiao-sheng1, ZHANG Bao-xian1, FAN Shui-ping1, MA Jing1, QIU Ping2
1.The 2ndHospital of Beijing General Hospital of CPAPF, Beijing 100037, China；2.Hebei SQD Cryogenic Equipment Co., Ltd, Bazhou Hebei 065700, China

In order to solve the current problems of unstable pressure during outward gas transm ission from the pressure vessel containing liquid nitrogen, argon, oxygen and carbon dioxide to outside, a new type of cryogenic liquid storing tank was designed and developed in this paper. The tank main consisted of cryogenic liquid containers, pipelines, outside carburetor and external booster and valve connection. The novel cryogenic liquid storing tank could extract heat from the surrounding air and provide energy for pressurizing and vaporizing the liquid so as to make outward gas transm ission stable. The practical results showed that the cryogenic liquid storing tank could be installed and used easily w ith good safety, durability and stable external gas pressure.

cryogenic liquid storing tanks；external carburetor；external turbocharger；radiation protection layer；glass fiber insulation layer

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.10.011

1674-1633（2015）10-0041-05

2015-06-24

2015-07-28

专利：实用新型（ZL201420240092．6）。

张葆现，主任医师。

作者邮箱：627672707@qq．com