随着低温液体的应用变得越来越广泛,低温液体的储存、供应和运输如同社会的生命脉络般为各行各业引入高效清洁的能源。在深刻认识到低温液体作为清洁能源,具有其他普通流体无法比拟的稳定特性等优势的同时,低温液体的稀缺性、危险性和易挥发性也不容忽视。为了确保环境安全,共建节约型、友好型社会,对低温液体采用无排放加注作为一项优势技术正用来替代传统的排放加注。为此,本文以180L立式低温绝热气瓶为研究对象,以液氮为实验介质,搭建了无排放加注实验台。采用4种不同的加注结构组合,对无排放加注的性能指标、主要影响因素、热力学过程、接收容器内温度场以及上升气液交界面上的冷凝进行了实验研究。在实验结果的基础上,结合理论研究与前人的经验,提出了新的低温液体无排放加注计算思路和方法。计算方法的预测结果与实验结果基本吻合。在肯定计算方法可靠准确的基础上,进一步对难以测量又十分重要的中间变量:被加注工质的质量和体积变化、内能及模块间换热量进行计算,计算结果使我们对无排放加注的本质有了更深入的了解。本文主要完成了以下研究内容:(1)明确无排放加注的主要性能指标以及分析性能指标规律本文明确了接收容器内压力、最终充满率和加注时间为判定无排放加注好坏的主要性能指标。通过对主要性能指标的规律性实验研究得到:(I)接收容器内的压力为判断无排放加注好坏的第一标准。典型的无排放加注过程中接收容器内压力经历三个阶段:快速上升、缓慢变化和再次快速上升。其中第二次压力快速上升视为结束加注的重要信号;(II)接收容器内液体最终充满率为判断无排放加注成功与否的第二标准。成功的无排放加注要确保接收容器内液体最终充满率达到容器设计所指定的额定充满率,通常为大于90%,同时又小于100%;(III)加注时间为判断无排放加注好坏的第三标准。在压力和最终充满率都符合要求的前提下,花费的加注时间越少,无排放加注越理想。(2)无排放加注主要影响因素及其影响规律的系统分析通过实验研究和计算分析,明确了影响无排放加注的主要因素包括:进液温度、初始壁面温度、进液流量、加注结构特征、接收容器内初始压力。基于控制变量法,定性定量地对各影响因素的影响规律进行分析,得出进液温度为无排放加注的首要影响因素。接收容器内压力随进液温度的降低、初始壁面温度的降低、初始压力的降低、加注口高度的上升而降低。(3)对无排放加注热力学过程的系统分析进行热力学状态分析时,必须具备至少2个独立的参数,如压力和温度(P和T),才能准确地描述研究对象的物性并推导该工况下其他匹配的参数。以往的实验研究中,大部分文献将研究重点置于压力特征的测量上,而对温度场研究的报道相对较少。因此,本文在结合接收容器内压力变化规律研究的基础上,继续对无排放加注过程中接收容器内被加注工质的温度分布、进液温度、饱和温度以及壁面温度分布及其变化进行系统实验研究。实验结果明确了被加注工质的热力学状态以及接收容器内壁面与被加注工质间的传热机理,为选用合理的传热传质关联式和假设提供可靠的实验依据。(4)新的无排放加注计算思路与方法的提出本文提出的无排放加注计算方法,不同于以往许多模型局限于某一种特定加注结构,而是可以同时适用于重力环境下多种加注结构。该方法除了在适用性上进行了拓宽,还对部分不客观的建模假设进行了修正。该计算方法以上升气液交界面和加注口的相对位置为判据,分别以热力学饱和态平衡和浸没理论为基础,对加注口浸没前后的不同工况采用不同的模块划分,引入经典的传热传质研究成果,运用集总参数的处理方法,在Python语言的辅助下,实现计算。(5)无排放加注的拓展应用无排放加注的拓展应用包括2部分内容:(I)强化了新建的无排放加注计算方法的引导功能。利用该计算方法,通过已知进液温度、供液压力和初始壁面温度三者中任意2个独立变量,推得第三个变量的临界值。该引导功能有助于保障无排放加注的顺利展开。(II)通过计算上升气液交界面面积比随进液流量和液位高度的变化后,从计算结果及实验验证2方面同时得到卧式结构比立式结构更容易实现无排放加注。