環(huán)境溫度對(duì)高真空多層絕熱性能影響的試驗(yàn)研究

劉根倉 汪榮順

1 引言

隨著低溫絕熱技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，低溫容器的應(yīng)用也越來越廣泛［1-3］。從絕熱類型分，常見的低溫容器絕熱主要有4種類型:普通堆積絕熱、高真空絕熱、真空粉末絕熱和高真空多層絕熱［4］。高真空多層絕熱因其比真空粉末絕熱的性能更好，容器更加輕便，且加工工藝比高真空多屏絕熱又簡(jiǎn)單許多，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用等各個(gè)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)外低溫容器的設(shè)計(jì)、制造以及工業(yè)化批量生產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到了一定規(guī)模，并且向著更大的規(guī)模發(fā)展［5］，因此對(duì)于低溫容器的規(guī)范和性能評(píng)估也變得更加重要。包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在內(nèi)的各個(gè)國(guó)家都相應(yīng)的建立了一系列關(guān)于低溫絕熱容器的標(biāo)準(zhǔn)，包括設(shè)計(jì)、制造、使用和性能評(píng)估都有相應(yīng)的規(guī)范。其中對(duì)于低溫容器的絕熱性能的評(píng)估又尤為重要，因?yàn)檫@不僅直接關(guān)系到低溫容器廠家和用戶的切身利益，而且對(duì)與低溫容器的合理使用有重要的指導(dǎo)作用。為此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織專門制定了評(píng)價(jià)低溫絕熱容器絕熱性能的標(biāo)準(zhǔn)性文件［6］。

評(píng)價(jià)低溫容器絕熱性能的指標(biāo)主要為漏熱率、靜態(tài)日蒸發(fā)率、保存時(shí)間和升溫升壓率，其中應(yīng)用最廣泛的是低溫容器的靜態(tài)日蒸發(fā)率指標(biāo)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫絕熱壓力容器的規(guī)定［7］，每種容積的低溫容器都有規(guī)定的最高靜態(tài)日蒸發(fā)率指標(biāo)，如果高于這個(gè)指標(biāo)，則不允許生產(chǎn)和使用這種容器，因此準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算低溫容器的日蒸發(fā)率顯得尤為關(guān)鍵。影響日蒸發(fā)率的因素很多，比如環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、低溫容器充滿率，但由于環(huán)境壓力的變化幅度較小且充滿率能實(shí)現(xiàn)一致性，使得環(huán)境溫度成為最突出的影響因素?，F(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)環(huán)境溫度的影響進(jìn)行了線性修正，但效果不盡理想。本文對(duì)常溫環(huán)境下的日蒸發(fā)率進(jìn)行了測(cè)量并通過改變環(huán)境溫度得到相應(yīng)的日蒸發(fā)率變化規(guī)律，旨在明確環(huán)境溫度對(duì)高真空多層絕熱的性能影響規(guī)律，并對(duì)進(jìn)一步修正環(huán)境溫度與日蒸發(fā)率之間的關(guān)系給出一定參考和借鑒。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

由于實(shí)驗(yàn)需要在不同的溫度環(huán)境下進(jìn)行，所以設(shè)計(jì)了恒溫水箱，將整個(gè)低溫容器放入水箱中，采用水浴的方法達(dá)到控制容器外壁溫度的目的。具體的實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括3個(gè)部分。(1)研究對(duì)象—液氮容器:采用東亞牌YDS-30L液氮容器，容器內(nèi)部通過頂部直徑50 mm的瓶口與外界相通，配套泡沫瓶塞。實(shí)驗(yàn)時(shí)用專門的密封瓶塞將管口密封，只通過導(dǎo)管將低溫蒸氣引出，與質(zhì)量流量計(jì)連接。(2)溫度控制部分:包括水箱、加熱器和溫控儀。水箱為不銹鋼材質(zhì)，底部安裝2個(gè)1 kW的加熱器。四周采取了保溫隔熱措施，減少水箱的漏熱。溫控儀為PID控制器，K型熱電偶測(cè)量水溫，控制加熱器的通斷，控制精度為±1℃。為了實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)還包括一組0℃環(huán)境溫度，即在水箱中為此冰水混合態(tài)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。(3)測(cè)量部分:采用美國(guó)Alicat Scientific公司M-5SLPM-D型質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行氮?dú)饬髁繙y(cè)量，精度為 ±(0.8% ×讀數(shù)+0.2% ×滿量程)。

實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段。第1階段測(cè)量常溫環(huán)境中液氮容器日蒸發(fā)率的規(guī)律。第2部分將液氮容器放置在水箱中，控制水的溫度，測(cè)量在不同的溫度環(huán)境下液氮容器的蒸發(fā)率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，容器中液氮充滿率為90%，容器內(nèi)低溫蒸氣壓力為環(huán)境壓力。將容器放置于水箱中或大氣環(huán)境中，水位控制在容器的提手部位，容器外壁溫度為水箱中的水溫和大氣環(huán)境溫度。靜置48 h，為容器與環(huán)境之間建立熱平衡過程。建立平衡后，記錄蒸氣流量數(shù)據(jù)不小于24 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 常溫環(huán)境下日蒸發(fā)率的周期性規(guī)律

圖2中數(shù)據(jù)為容器靜置48 h平衡后連續(xù)3天的蒸氣流量數(shù)據(jù)。由圖可見，蒸氣的體積流量隨時(shí)間發(fā)生周期性的變化，每天出現(xiàn)2次高峰和2次低谷。2次高峰值一次出現(xiàn)在2:00左右，一次出現(xiàn)在14:00左右;兩次低谷值一次出現(xiàn)在8:00左右，一次出現(xiàn)在20:00左右。

圖2 常溫環(huán)境下蒸氣流量隨時(shí)間的波動(dòng)變化Fig.2 Evaporation vapor flow rate change during per measuring period under room temperature

引起蒸氣流量變化的主要因素有環(huán)境溫度和環(huán)境壓力，因此將蒸氣流量、環(huán)境溫度和環(huán)境壓力隨時(shí)間的變化曲線繪制在同一個(gè)圖中進(jìn)行比較，如圖3所示。環(huán)境壓力的波動(dòng)曲線與流量曲線之間有一定的關(guān)系，通過對(duì)比可以看出，兩者在一定程度上具有反相的關(guān)系。當(dāng)環(huán)境壓力高時(shí)，蒸氣流量反而低，而當(dāng)環(huán)境壓力降低時(shí)，蒸氣流量升高。這是因?yàn)榄h(huán)境壓力高時(shí)，容器內(nèi)外的壓力差變小，抑制氣體外流;而當(dāng)環(huán)境壓力降低時(shí)，容器內(nèi)外壓力差變大，氣體加速外流。

圖3 蒸氣流量變化與環(huán)境壓力和環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.3 Comparison of evaporation vapor flow rate and corresponding ambient pressure and temperature

雖然環(huán)境壓力的波動(dòng)引起了蒸氣流量的波動(dòng)，但是以24 h為一個(gè)周期來看，蒸氣流量的平均值基本上保持不變，即容器的日蒸發(fā)率保持不變，這是因?yàn)榄h(huán)境的溫度變化不大。綜合來看，環(huán)境溫度影響的是蒸氣流量每天的平均值，而環(huán)境壓力的波動(dòng)影響了蒸氣流量的瞬態(tài)變化。日蒸發(fā)率是與蒸氣流量有關(guān)的平均值，環(huán)境壓力的波動(dòng)因此不會(huì)明顯影響日蒸發(fā)率的測(cè)量。

3.2 環(huán)境溫度對(duì)日蒸發(fā)率的影響

本組實(shí)驗(yàn)分別取0℃、30℃、40℃和50℃，4種實(shí)驗(yàn)工況。不同環(huán)境溫度下低溫蒸氣流量波動(dòng)變化的曲線和平均流量值見圖4。結(jié)果顯示蒸氣流量的平均值與環(huán)境溫度之間基本上是線性關(guān)系，環(huán)境溫度越高，蒸汽流量則越大。如果將上述蒸氣流量的平均值對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行最小二乘法線性擬合可以得到如下的關(guān)系式:

式中:t為環(huán)境溫度，℃。擬合直線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.998。雖然在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)蒸氣流量與環(huán)境溫度之間線性度很好，但是在更大的范圍內(nèi)這個(gè)擬合的公式卻不適用。比如將環(huán)境溫度-196℃(即液氮溫度)帶入公式得到蒸氣流量為負(fù)值，這顯然是不可能的。所以本試驗(yàn)工況下推導(dǎo)的蒸氣流量與環(huán)境溫度間的關(guān)聯(lián)關(guān)系具有一定的局限性。

圖4 不同環(huán)境溫度下的蒸氣流量曲線和平均值Fig.4 Evaporation vapor flow rate under different ambient temperature

4 環(huán)境溫度對(duì)高真空多層絕熱性能影響的理論分析

低溫絕熱研究的內(nèi)容主要是熱量傳遞的3種方式:導(dǎo)熱，對(duì)流和輻射。高真空多層絕熱形式將低溫容器夾層抽成高真空，通常真空度達(dá)到1 mPa以下，大大減少了氣體導(dǎo)熱和氣體熱對(duì)流。通過采用低導(dǎo)熱系數(shù)的間隔層和高反射率的反射屏疊合形成絕熱材料，從減少固體導(dǎo)熱和輻射傳熱的層面上進(jìn)一步提高絕熱性能［8］。研究表明［9］:高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)的漏熱途徑主要包括:絕熱材料的漏熱、底部支撐及頸管漏熱;支撐結(jié)構(gòu)漏熱包括輻射和導(dǎo)熱2部分。由于高真空作用，自由氣體分子很難形成對(duì)流換熱，則通過絕熱材料的漏熱途徑也以輻射和導(dǎo)熱為主?？梢?，環(huán)境溫度對(duì)高真空多層絕熱性能的影響主要通過輻射和導(dǎo)熱2個(gè)途徑進(jìn)行。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里面已經(jīng)有關(guān)于日蒸發(fā)率的測(cè)量和修正的關(guān)系式［10］，其修正方法如下所示:

式中:α0為靜態(tài)日蒸發(fā)率，%/d;α為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的日蒸發(fā)率，%/d;Tn為修正值，對(duì)于液氮Tn=216 K;T1為實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度，K;T2低溫液體溫度，K。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里面采用的修正方法為溫差的線性修正。實(shí)際上國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織指定的測(cè)量低溫容器靜態(tài)日蒸發(fā)率的標(biāo)準(zhǔn)中，所采用的修正方法對(duì)環(huán)境溫度也是線性修正。

線性的修正方法能較好地調(diào)節(jié)導(dǎo)熱對(duì)高真空多層絕熱性能影響的份額，但卻不適合用于修正輻射換熱的影響?；谏鲜龇治?，建議加入輻射換熱關(guān)系的相關(guān)修正式，即研究Q=k1(TW-TS)+k2(T4W-T4S)的修正效果。

5 總結(jié)與展望

本文就環(huán)境溫度對(duì)高真空多層絕熱性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量及理論分析后，主要得到如下結(jié)論:

(1)環(huán)境溫度影響的是蒸氣流量每日的平均值，而環(huán)境壓力的波動(dòng)影響了蒸氣流量的瞬態(tài)變化。

(2)靜態(tài)日蒸發(fā)率隨著環(huán)境溫度的升高而變大。

由于環(huán)境溫度通過導(dǎo)熱和輻射2個(gè)途徑同時(shí)影響高真空多層絕熱絕熱性能，現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)環(huán)境溫度的線性修訂未綜合考慮輻射的作用，因此下一階段的工作重點(diǎn)將致力于靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量中新的環(huán)境溫度修正方案的驗(yàn)證。

1 畢龍生.低溫容器應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展前景(一)［J］.真空與低溫，1999，5(3):125-134.

2 畢龍生.低溫容器應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展前景(二)［J］.真空與低溫，1999，5(4):187-192.

3 畢龍生.低溫容器應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展前景(三)［J］.真空與低溫，2000，6(1):1-7.

4 徐 烈，方榮生，馬慶芳，等.低溫容器——設(shè)計(jì)、制造與使用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

5 魏 蔚，汪榮順.國(guó)內(nèi)外液化天然氣輸運(yùn)容器發(fā)展?fàn)顟B(tài)［J］.低溫與超導(dǎo)，2005，33(2):39-43.

6 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織.ISO 21014:2006(E)Cryogenic vessels— Cryogenic insulation performance［S］.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，2006.

7 國(guó)家低溫容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.GB 18842-2001低溫絕熱壓力容器［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

8 魏 蔚，汪榮順.高真空多層絕熱被的性能及其量熱器的試驗(yàn)研究［J］.低溫與超導(dǎo)，2007(1):21-24.

9 李 陽，王彩莉，汪榮順.低溫絕熱氣瓶的有限元熱分析與試驗(yàn)研究［J］.低溫工程，2008(1):41-44.

10 國(guó)家低溫容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.GB/T 18443.5—2001低溫絕熱壓力容器試驗(yàn)方法靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.