朱 鳴 于忠杰 徐 彬 汪榮順

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

不同種類破空氣體對(duì)高真空多層絕熱低溫容器真空喪失后傳熱的影響

朱 鳴 于忠杰 徐 彬 汪榮順

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分別利用氮?dú)?、空氣、氧氣和氦氣作為破空氣體，對(duì)高真空多層絕熱低溫容器在真空完全喪失后的漏熱進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，多層絕熱結(jié)構(gòu)對(duì)于絕熱真空完全喪失后的低溫容器能夠起到一定的保護(hù)作用，初始和最終漏熱和滲入到絕熱真空夾層中氣體的性質(zhì)密切相關(guān)。

高真空復(fù)合多層絕熱 真空喪失 排放率 熱流密度

1 引言

隨著低溫絕熱技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫容器已在工業(yè)領(lǐng)域中廣泛使用。目前低溫容器中應(yīng)用較多的絕熱形式是高真空多層絕熱，這種絕熱結(jié)構(gòu)采用低輻射率的反射屏與低導(dǎo)熱率的間隔物交替組成，從而大幅度減少輻射漏熱和接觸導(dǎo)熱，實(shí)現(xiàn)高效絕熱。然而，大量研究證明［1］，良好的夾層真空度是保證高真空多層絕熱良好絕熱性能的關(guān)鍵。高真空多層絕熱低溫容器殼體一旦破裂，絕熱真空將被破壞，容器漏熱量急劇增加，容器內(nèi)壓力迅速升高，產(chǎn)生事故危險(xiǎn)。由于低溫容器盛裝各種不同的低溫液體，為了模擬由于內(nèi)容器和外容器的壁面破裂導(dǎo)致的真空喪失事故，實(shí)驗(yàn)中采用了氮?dú)?、空氣、氧氣和氦氣作為破空氣體，研究了盛裝液氮的低溫容器在完全真空喪失下的漏熱，實(shí)驗(yàn)中的絕熱層數(shù)為10層，初始充滿率為95%。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。液氮容器內(nèi)筒總高800 mm，直徑450 mm，總?cè)莘e為111 L，側(cè)面面積1.12 m2。采用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，材料為雙面鍍鋁薄膜與干法紙的組合，共包裹10層。內(nèi)筒上部為保溫桶，加滿液氮以消除頸部漏熱影響。在容器排氣管道上安裝安全閥及壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由液氮蒸發(fā)生成的氮?dú)庥捎跍囟容^低，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)空氣換熱器后進(jìn)入氣體質(zhì)量流量計(jì)，測(cè)量范圍0—1 500 SLPM(標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘)、精度±0.1%。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1.真空機(jī)組;2.氣瓶;3.冷阱;4.緩沖罐;5-8.真空擋板閥;9.絕熱材料;10.稱重儀;11.加液管;12.壓力變送器;13.安全閥;14.背壓閥;15.航空接頭;16.低溫容器外壁面;17.換熱器;18.氣體質(zhì)量流量計(jì);19.Keithley溫度采集系統(tǒng);20.計(jì)算機(jī)。Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)分如下步驟進(jìn)行:

(1)首先對(duì)夾層抽空，直至夾層內(nèi)壓力低于10-2Pa;

(2)開(kāi)始液氮充注，充滿率95%，靜置24 h，待液氮達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài);

(3)將破空氣體經(jīng)真空擋板閥快速導(dǎo)入真空夾層，同時(shí)流量計(jì)測(cè)量氣體流量;

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，罐體復(fù)溫，重復(fù)步驟(1)、(2)和(3)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

高真空多層絕熱低溫絕熱容器完全真空喪失后的排放率急劇增加是其絕熱夾層漏熱量增大的一種直觀表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中采用不凝結(jié)氣體(氮?dú)夂秃?和凝結(jié)氣體(空氣和氧氣)進(jìn)入低溫容器的絕熱夾層，模擬低溫容器完全真空喪失事故。

3.1 漏熱量計(jì)算

液氮容器的漏熱率可以由蒸發(fā)率計(jì)算得出，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液氮容器內(nèi)部的液體溫度及體積的影響，由氣體流量計(jì)測(cè)得的蒸發(fā)率計(jì)算得到的漏熱率要小于實(shí)際漏熱率。故測(cè)得的蒸發(fā)率需經(jīng)過(guò)修正［2-4］:

式中:ρl為液氮密度，kg/m3;ρg為氮?dú)饷芏?，kg/m3;m·為流量計(jì)測(cè)得的排放率，kg/s;vg為氮?dú)獗热?，m3/kg;Δρg為相鄰時(shí)間間隔內(nèi)的氣體密度差，kg/m3;Δτ 為時(shí)間步長(zhǎng)，s。

考慮到液氮的升溫，則通過(guò)絕熱層的總漏熱量Q和液氮浸沒(méi)面積處熱流密度q計(jì)算如下:

式中:ml為液氮的質(zhì)量，kg;cp為等壓比熱容，kJ/(kg·K);ΔTl為相鄰測(cè)量間隔內(nèi)液氮的溫度差，K;γ為汽化潛熱，kJ/kg;Al為液氮浸沒(méi)的內(nèi)筒體的面積，m2。

3.2 不凝結(jié)氣體破空

從圖2可以看出，當(dāng)不凝結(jié)氣體(氮?dú)夂秃?進(jìn)入真空夾層后，排放率迅速增加，大約10—12 min后，排放率達(dá)到了最大值。在排放率下降的過(guò)程中，呈線性下降趨勢(shì)，主要的原因是液氮連續(xù)蒸發(fā)導(dǎo)致了內(nèi)容器中的液氮量減少。從圖中可以看出，用氦氣破空測(cè)得的排放率和熱流密度要遠(yuǎn)大于用氮?dú)馄瓶諟y(cè)得的量，這主要是由于氦氣的熱導(dǎo)率比氮?dú)庖摺?/p>

圖2 不凝結(jié)氣體破空的排放率和熱流密度Fig.2 Venting rate and heat flux after non-condensable gases leaking into jacket

3.3 凝結(jié)氣體破空

圖3描述了當(dāng)凝結(jié)氣體(空氣和氧氣)進(jìn)入真空夾層后，排放率和熱流密度迅速增加，大約20 min后，兩者達(dá)到最大值。值得注意的是，當(dāng)空氣破空時(shí)，排放率和熱流密度達(dá)到最大值后逐漸趨于穩(wěn)定，變化過(guò)程比較平緩;當(dāng)氧氣破空時(shí)，排放率和熱流密度達(dá)到最大值后迅速降低，變化過(guò)程比較劇烈，曲線出現(xiàn)明顯的尖點(diǎn)。空氣和氧氣的傳熱系數(shù)相差不大，但兩者破空時(shí)排放率和熱流密度出現(xiàn)很大差異的主要原因是氧氣在接觸低溫界面時(shí)將全部凝結(jié)，而空氣中只有部分的氣體凝結(jié)，比如氧氣和水蒸氣。

圖3 凝結(jié)氣體破空的排放率和熱流密度Fig.3 Venting rate and heat flux after condensable gases leaking into jacket

3.4 不凝結(jié)氣體和凝結(jié)氣體破空的排放率與熱流密度的比較

圖4比較了不凝結(jié)氣體與凝結(jié)氣體破空時(shí)排放率和熱流密度。從圖中可以看出，氮?dú)馄瓶諘r(shí)排放率與熱流密度和空氣破空時(shí)排放率與熱流密度非常接近，這主要是因?yàn)榭諝庵泻写蠹s78%的氮?dú)?，但是空氣破空時(shí)排放率與熱流密度要大，因?yàn)榭諝庵泻醒鯕夂退魵?，這兩種氣體凝結(jié)會(huì)放出熱量。從圖中也可以看出，氮?dú)馄瓶蘸笈欧怕屎蜔崃髅芏茸畹停諝馄瓶掌浯?，氦氣破空比空氣破空大，氧氣破空時(shí)最大，因此，低溫絕熱容器真空喪失后的排放率和熱流密度受破空氣體的性質(zhì)影響很大。

圖4 不凝結(jié)氣體與凝結(jié)氣體破空的排放率和熱流密度Fig.4 Venting rate and heat flux after condensable andnon-condensable gases leaking into jacket

4 結(jié)論

搭建了低溫絕熱容器真空喪失實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用氮?dú)?、空氣、氦氣以及氧氣為破空氣體，使高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)的真空破壞，實(shí)驗(yàn)測(cè)得了真空喪失后的排放率并計(jì)算了熱流密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，破空氣體的種類對(duì)于低溫絕熱容器真空喪失后的排放率和熱流密度有很大的影響，氧氣破空時(shí)排放率最高，漏熱量最大，其次為氦氣、空氣和氮?dú)?。特別要指出的是氧氣進(jìn)入絕熱夾層后會(huì)大量凝結(jié)放熱，因此其排放率和漏熱量相比其它氣體破空時(shí)大很多，空氣進(jìn)入絕熱夾層雖然也會(huì)凝結(jié)，但由于空氣的成分不單一，所以排放率和漏熱量相對(duì)氧氣要小;同時(shí)，由于氦氣的熱導(dǎo)率大于空氣，故排放率和漏熱量相對(duì)空氣破空時(shí)要大。

1 楊 磊，汪榮順.高真空多層絕熱低溫容器真空喪失試驗(yàn)研究［J］. 壓力容器，2007，24(11):1-5.

2 Lehman W，Zahn G.Safety aspects for LHe cryostats and LHe transport containers［J］.Proc of the Int.Cryog Eng Conf，1978(7):569-579.

3 Stephen M，Harrison.Loss of vacuum experiments on a superfluid helium vessel［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2002(12):1343-1346.

4 Chi K Tsao.Temperature distribution and power loss of a gas-cooled support for a cryogenic container［J］.Cryogenics，1974(5):271-275.

Experimental investigation of influence of different leaking gases on heat transfer in a high vacuum multilayer insulation cryogenic tank after sudden loss of vacuum

Zhu Ming Yu Zhongjie Xu Bin Wang Rongshun

(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

Sudden loss of the vacuum was dangerous for cryogenic vessel.An experimental investigation of the influence of different leaking gases was presented on the heat transfer process in a cryogenic tank after loss of insulation vacuum.The experiments were conducted with the breakdown of the insulation vacuum with nitrogen，air，helium，oxygen.The experimental results showed that the venting rate and heat flux are the biggest when the leaking gas is oxygen.

high vacuum multi-layers insulation;vacuum loss;venting rate;heat flux

TB657

A

1000-6516(2012)01-0016-03

2011-11-30;

2012-01-20

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(20070410722)資助。

朱 鳴，男，33歲，博士研究生。