液氮容器蒸發(fā)流量對(duì)壓力階躍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

劉惠民 邵雪鋒 馮慧華

(上海船用柴油機(jī)研究所 上海 201203)

液氮容器蒸發(fā)流量對(duì)壓力階躍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

劉惠民 邵雪鋒 馮慧華

(上海船用柴油機(jī)研究所 上海 201203)

對(duì)低溫液氮容器在受到壓力變化時(shí)的溫度響應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，針對(duì)壓力階躍變化的特殊情況進(jìn)行了溫度響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，通常的蒸發(fā)率測(cè)試過程中，容器內(nèi)液體是需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡狀態(tài)的，但壓力變化對(duì)蒸發(fā)流量的影響將隨著時(shí)間衰減很快。提出了在壓力階躍變化情況下的蒸發(fā)流量的修正方法，并得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

蒸發(fā)流量 低溫容器 壓力階躍變化 溫度響應(yīng)

1 引言

蒸發(fā)率是評(píng)定低溫容器絕熱性能的最重要的技術(shù)參數(shù)。理論研究表明，當(dāng)夾層真空度優(yōu)于10-3Pa后，其表觀導(dǎo)熱系數(shù)曲線趨于水平［1-2］，即容器漏熱量不再受環(huán)境溫度變化的影響。但是對(duì)于高真空多層絕熱容器的實(shí)際測(cè)試表明，蒸發(fā)流量仍會(huì)出現(xiàn)周期性的明顯波動(dòng)，對(duì)此現(xiàn)象，文獻(xiàn)［3-5］進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量和定性分析，認(rèn)為是環(huán)境壓力的波動(dòng)造成了蒸發(fā)流量的瞬態(tài)變化。文獻(xiàn)［6-7］從理論和試驗(yàn)驗(yàn)證角度揭示了蒸發(fā)流量波動(dòng)同時(shí)受環(huán)境壓力和環(huán)境壓力變化率的雙重影響，但沒有進(jìn)一步提出對(duì)環(huán)境壓力的有效可行的修正方法。

本文考察了低溫容器內(nèi)液體的傳熱機(jī)理，得到了在壓力階躍變化情況下的液體溫度響應(yīng)關(guān)系，分析了容器在不同階躍壓力對(duì)蒸發(fā)流量的影響程度，并提出了修正壓力變化影響的方法，并通過3.5 m3高真空多層絕熱液氮低溫容器的蒸發(fā)流量試驗(yàn)驗(yàn)證了修正方法的可行性。

2 蒸發(fā)量計(jì)算模型的建立

2.1 模型及假設(shè)

計(jì)算模型如圖1所示。定義在一個(gè)任意時(shí)刻t時(shí)容器內(nèi)所有液體所含的空間為控制容積，系統(tǒng)邊界由氣、液相分界面以及液體與容器內(nèi)壁面的邊界組成。對(duì)系統(tǒng)做出如下假設(shè):(1)由于壓力變化速率很小，氣液界面可視為處于熱力平衡狀態(tài)，界面溫度就等于系統(tǒng)壓力下的液體的飽和溫度;(2)壓力為階躍變化;(3)容器四周和底部絕熱，只考慮由壓力變化產(chǎn)生的界面蒸發(fā)，故系統(tǒng)可視為一維導(dǎo)熱;(4)介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)視為常數(shù)。

圖1 液氮低溫容器蒸發(fā)數(shù)學(xué)模型Fig.1 Schematic diagram of LN2boil-off model

2.2 數(shù)學(xué)方程

由假設(shè)條件，系統(tǒng)為一維擴(kuò)散方程:

式中:a為液氮的熱擴(kuò)散率，m2/s;λ為液氮的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);Ti為系統(tǒng)的初始溫度，K;Tf為氣液界面的最終溫度，等于對(duì)應(yīng)壓力下的液體飽和溫度，K。

由式(5)—式(8)可以得到任意時(shí)刻容器內(nèi)液氮的無因次溫度分布。

氣液界面梯度為:

由此可以得到氣液界面由于壓力變化而產(chǎn)生的蒸發(fā)流量:

2.3 分析和討論

圖2給出了無因次溫度隨無因次時(shí)間和無因此位置的變化關(guān)系，圖3給出了氣液界面無因次溫度梯度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖2 無因次溫度隨無因次時(shí)間和無因次位置的關(guān)系Fig.2 Calculated dependence of dimensionless temperature with different dimensionless time and dimensionless height

圖3 氣液界面處無因次溫度梯度隨時(shí)間的變化Fig.3 Calculated dependence of dimensionless temperature gradient at vapor/liquid interface with dimensionless time

可見，在沒有外部漏熱或內(nèi)部熱源引起液體擾動(dòng)的假想情況下，整個(gè)液體達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間將大于3 160 h，遠(yuǎn)大于一般蒸發(fā)率試驗(yàn)中測(cè)量的間隔時(shí)間。這說明，如果出現(xiàn)階躍壓力變化，大多數(shù)試驗(yàn)中液體基本不會(huì)達(dá)到整體平衡。

壓力增加時(shí)的結(jié)果由圖4給出，蒸發(fā)流量為負(fù)值，即界面處發(fā)生液化。反之，壓力減小時(shí)，蒸發(fā)流量為正值，即界面處發(fā)生汽化。由圖可知，界面的蒸發(fā)流量及其變化速率在最初的時(shí)間內(nèi)衰減很快，間隔1 h后，蒸發(fā)流量及其變化速率趨于平穩(wěn)，相對(duì)初始狀態(tài)已經(jīng)小很多，可以認(rèn)為界面達(dá)到了準(zhǔn)平衡，此時(shí)測(cè)量得到的數(shù)值較為穩(wěn)定。

圖4 蒸發(fā)流量隨時(shí)間和階躍壓力的計(jì)算值Fig.4 Calculated variation of boil-off rate with time and step change

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及流程

對(duì)3.5 m3高真空多層絕熱低溫容器進(jìn)行蒸發(fā)率測(cè)試，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。質(zhì)量流量計(jì)采用熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，量程為0.4—9.4 kg/h，精度為±1%FS;壓力傳感器采用高穩(wěn)定性絕對(duì)壓力傳感器，量程10 kPa—70 MPa，精度±0.04%FS。試驗(yàn)流程按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法—第5部分:靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量》(GB/T18443.5-2010)進(jìn)行。

圖5 蒸發(fā)率試驗(yàn)系統(tǒng)圖1.液氮容器;2.泄放閥;3.加熱器;4.質(zhì)量流量計(jì);5.絕對(duì)壓力傳感器Fig.5 Configuration of devices during LN2 boil-off measurement

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6為蒸發(fā)率試驗(yàn)時(shí)得到的實(shí)測(cè)蒸發(fā)流量和環(huán)境壓力曲線。由圖可見，實(shí)測(cè)蒸發(fā)流量呈現(xiàn)不斷波動(dòng)的現(xiàn)象，波動(dòng)趨勢(shì)與大氣壓變化趨勢(shì)反向，有一定的滯后。最大流量與最小流量相差可達(dá)30%以上。表明蒸發(fā)流量受大氣壓變化的影響很大，因此有必要對(duì)蒸發(fā)流量的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以消除大氣壓力波動(dòng)對(duì)蒸發(fā)流量的影響。

圖6 蒸發(fā)流量與環(huán)境壓力的變化關(guān)系Fig.6 Variation of mass flow with atmospheric pressure

圖7給出了實(shí)測(cè)蒸發(fā)流量和修正后蒸發(fā)流量的對(duì)比。從圖中可以看出，修正后蒸發(fā)流量波動(dòng)明顯較修正前穩(wěn)定。修正后的蒸發(fā)流量是由于容器漏熱而產(chǎn)生，這也從側(cè)面說明了對(duì)于高真空多層絕熱容器，環(huán)境溫度的變化不是蒸發(fā)流量波動(dòng)的主要影響因素，容器漏熱量幾乎不受外界環(huán)境溫度變化的影響。修正后的蒸發(fā)流量真實(shí)反映了容器的絕熱性能。

4 結(jié)論

建立了低溫液氮容器受壓力變化時(shí)的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)，分析討論了壓力階躍變化這一特殊情況對(duì)蒸發(fā)流量的影響，并對(duì)蒸發(fā)率試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了壓力變化的修正，得出以下結(jié)論:

(1)對(duì)于氣液界面的壓力變化，容器內(nèi)液氮由于較低的擴(kuò)散特性而需要經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到整體溫度平衡，所需的時(shí)間遠(yuǎn)大于一般試驗(yàn)中采用的時(shí)間測(cè)量間隔。由于壓力變化而引起的蒸發(fā)流量和蒸發(fā)流量的變化率在最初時(shí)間衰減很快，而間隔1 h后測(cè)量得到的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

圖7 實(shí)測(cè)蒸發(fā)流量和和修正結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental andcorrected mass flow

(2)在蒸發(fā)率試驗(yàn)中，應(yīng)對(duì)實(shí)際測(cè)量得到的蒸發(fā)流量進(jìn)行修正，消除由于壓力變化產(chǎn)生的影響，修正后的蒸發(fā)流量才能真實(shí)反映容器的絕熱性能。

1 符錫理.高真空多層絕熱理論研究和傳熱計(jì)算［J］.低溫工程，1989(2):1-11.

2 符錫理.低溫容器蒸發(fā)率的測(cè)定和評(píng)定［J］.低溫與特氣，1988(3):56-60.

3 劉根倉(cāng)，汪榮順.環(huán)境溫度對(duì)高真空多層絕熱性能影響的試驗(yàn)研究［J］. 低溫工程，2010(3):22-25.

4 陳喜海，汪榮順.低溫容器蒸發(fā)率試驗(yàn)及蒸發(fā)量波動(dòng)分析［J］.低溫工程，2010(2):42-45.

5 Pavel Hanzelka，Jaroslav Horky.Problems of measurement of the helium boil off rate of tomographic magnets［J］.Cryogenics，1999(39):647-649.

6 劉惠民，馮慧華.環(huán)境壓力對(duì)低溫容器蒸發(fā)流量的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證［J］. 低溫工程，2012(2):60-64.

7 Hanzelka P，Musilova V.Influence of changes in atmospheric pressure on evaporation rates of low-loss helium cryostats［J］.Cryogenics，1995(35):215-218.

Influence of boil-off mass flow on step change in atmospheric pressure of liquid nitrogen tank

Liu Huimin Shao Xuefeng Feng Huihua

(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 201203，China)

The dynamic analysis of temperature influence with pressure variations for a liquid nitrogen tank was described.The numerical solution was put forward for the special case when the tank was subjected to a step change in atmospheric pressure.The results indicates that the time requirement of system to reach equilibrium was exceedingly long compared to the duration of most of the experiments.However，the influence of the pressure variation decreases sharply with time initially.A correction was provided to account for the effect of pressure variation and verified by the boil-off experiment.

boil-off mass flow;cryogenic vessel;step change in atmospheric pressure;temperature response

TB611

A

1000-6516(2013)04-0065-04

2013-05-20;

2013-07-24

劉惠民，男，32歲，碩士、工程師。