[发明专利]具有栅格结构的棱柱形压力罐

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力罐，并且特别是涉及一种具有棱柱型内部承载结构的压力罐，其中，该压力罐被制造成大体上是六面体形的，并且其中，通过与该栅格结构相一致的加强构件针对侧向压力加强围合的罐壁以耐受由内部流体施加的压力，并且围合的罐壁被制造成大体上是棱柱体形的，以增加与周围空间有关的容积效率。

背景技术

通常，具有相当大的内部压力的压力容器和压力罐被设计成具有完整的球体的形状或具有双重的弯曲的端部壳体的圆柱体的形状。在这种罐中承载内部压力的主要方式通过弯曲的罐壁上的薄膜应力来实现。由于罐壁中的弯曲应力降低了对于给定壁厚的承载效率，因此，优选地避免在罐壁中出现弯曲应力。由薄膜型罐提供的典型特性是罐壁应力，并且因此壁厚也与曲率半径及内部压力自身成比例地增大，而薄膜应力与壁厚成反比。出于实践的原因，例如在实践中出于焊接的原因，对于钢制罐，必须将壁厚限制于几厘米。这意味着当内部设计压力很大时薄膜型外壳不能被制造得非常大。利用这种压力容器的另一方面是这种罐不能被制造成在一个完整罐中具有另一个完整罐的完整的双重阻隔罐，由此超过了所需材料的数量的两倍。

本发明把可维持相当大的压力并将温度维持在恰好低于环境温度的罐作为目标。低温罐用于例如在陆地上、舰载和近海设施上存储液化天然气（LNG）。这种LNG罐的示例是用于陆地存储的圆柱体形的钢筋钢双重阻隔罐和用于LNG的舰载运输的双重阻隔薄膜和局部双重阻隔球形罐。这种罐并不适用于相当大的内部压力并且通常在大气压下使用。在当前关注潜在环境优势的情况下，通过将天然气用作远洋船舶上的舰载燃料，明显对容量为1000到8000m³的大型燃料罐具有需要，该大型燃料罐可在温度降至-163℃且内部压力高达15巴（bar）的情况下操作。这些目的不能利用在上文中提及的这些类型的罐来实现，而本发明可以满足这些要求以及在尺寸、压力和热多功能性方面遇到的更为严峻的挑战。此外，当前的压力容器概念可在泄漏抑制方面制造双重阻隔件及双重全压力阻隔件。使罐在外侧上是绝热的也是容易的。图1是示出了根据相关技术的压力罐，图1A是球形的压力罐，图1B是圆柱形的压力罐，图1C是叶型的压力罐，并且图1D是分格型的压力罐。

可通过容积效率和材料比率来表征罐的总效率。

[等式1]

等式1表示容积效率。在这里，ξ代表容积效率，V_罐代表罐的实际容积，并且V_棱柱代表环绕罐的理想的长方体形或棱柱体形（砖形）的容积。

ξ的值越大，罐的与由一个或更多个罐占据的全部砖形外部空间的利用相关的存储效率就越好。注意矩形、棱柱体形（砖形）罐的容积效率为1。

[等式2]

等式2表示材料比率。在这里，η代表材料比率而V_材料表示用于制造罐的材料的实际容积，并且V_存储代表在罐中存储的液体的总容积。p是内部压强并且σ_α是单轴的允许应力。η的值越低，用于建造与所存储的容积相关的罐所需的材料的数量就越少，并且由此，该罐的结构效率就越好。

表1

[表1]

表1是表示根据相关技术的罐的容积效率和材料比率的图表。注意不包括用于圆柱型、叶型和分格型端封的材料。而且，当假设使用与允许应力相关的偏应力标准（冯米斯（von Mises）应力）时，可以获得最佳的材料性能；这是由于这些罐中的环向应力恰好是纵向应力的两倍。

如从表中可看出的那样，球型罐具有最佳的材料性能；不幸的是，它们的容积效率是非常差的。这意味着在一系列球型罐内，将给定的外部周围容积的高部分用于实际存储是不可能的。

如可从表中了解到的那样，分格型罐具有最为有效的容积效率并且材料比率具有与圆柱型罐、叶型罐、和分格型罐相似的值。

然而，由于叶型罐是通过使圆形罐彼此相交并利用圆柱形的罐壁和平面的罐壁而制成，因此，制造这类罐是困难的。高应力将通常被集中于内部隔壁、圆柱形部分和双曲部分之间的交线处，这可极大地降低这种罐的材料效率（意味着更高？）。在实际中，由于几何复杂性，因此将高压叶型罐制造成双重阻隔罐是不可能的。

由于在两个方向上的重复分格，因此分格型罐具有高容积效率。它的材料比率也是良好的，这是因为它对应于圆柱形罐的材料比率。分格型罐的主要缺点是难于设计出封闭住分格的端部而不产生相当大的局部弯曲变形和应力集中的好方法。而且，存在一个问题，即难于将分格型罐的外壁形成为与设计相关的双壁。