減少液氫容器漏熱的關鍵技術分析

妙叢，黃磊，張震

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

1 前言

液氫容器減少漏熱的技術途徑主要就是設法減少熱量通過對流、導熱、輻射等途徑漏入容器。低溫絕熱和高溫“保溫”雖然原理相同，但低溫絕熱在低溫領域內(nèi)有著特別重要的作用。首先，作為深冷介質(zhì)的液氫，沸點很低，汽化潛熱小，室溫環(huán)境相對液氫來說是一個很大的熱源。另外，需要耗費很多能量才能獲得液氫。因此，為了經(jīng)濟地獲得、貯運和使用液氫，容器要減少漏熱。不僅如此，在整個液氫實驗中，特別是在測量與熱量有關的實驗中，必須排除周圍環(huán)境的影響，這就更需要減少漏熱。在其他應用液氫的場合，差不多都要涉及減少漏熱的相關技術。

本文主要介紹了幾種減少液氫容器漏熱的關鍵技術，其中包括液氫容器內(nèi)外容器間絕熱型式、絕熱材料的選型、液氫容器里層與外層間支柱構造型式、絕熱冷屏的類型。

2 液氫容器內(nèi)外容器間絕熱型式

低溫容器里層與外層間絕熱主要有堆積絕熱、高真空絕熱、真空-粉末（或纖維）絕熱和高真空多層絕熱，如圖1所示。

圖1 各種絕熱型式

其中，堆積絕熱是最先研發(fā)的一種型式，即選用導熱系數(shù)小的絕熱材料填裝在必須絕熱的部位，或者在絕熱材料的縫隙中充氮氣或其他干燥的惰性氣體，特點是不必抽真空，可靠性高，可是，這種方法絕熱效果不如其他三種方式，不適宜液氫容器。

高真空絕熱是一種將需要絕熱的空間的真空度抽到小于1.0MPa，以減小甚至消除空間內(nèi)氣體所產(chǎn)生的對流和熱傳導，這樣真空環(huán)境中只剩下輻射熱一種型式的傳熱。高真空絕熱有很多優(yōu)點，如精簡的構造型式、布局緊湊、生產(chǎn)方便等。有些試驗裝置使用頻度很高，而且要求快速地升降溫，這樣的裝置就比較適合選用高真空絕熱，但要想保持高的真空度很棘手，對于大型設備來說并不適合。液氫容器對漏熱量要求更高，需要更先進的絕熱措施。

真空-粉末（或纖維）絕熱是把多孔的粉末或者纖維填充到需要絕熱的空間里，并將空間抽到比較低的真空度的一種絕熱方式。這種絕熱方式是建立在大量的研究基礎上的，在低真空度下粉末顆?；蚶w維距離會小于氣體分子平均自由程，這樣氣體就無法對流換熱，而且小量氣體在低真空度下熱傳導也會變小。然而，這種方式也有缺點：體積大，設備比較重。由于液氫的質(zhì)量體積比很小，對于液氫容器來說，這種絕熱方式太過于浪費空間。

高真空多層絕熱是在真空夾層中裝有很多防輻射屏（反射率很高的金屬膜），以此降低輻射熱的一種絕熱型式，根據(jù)史蒂芬-玻爾茲曼定律，按照熱平衡的原理，并假設發(fā)射率相同的條件下，在安裝n個屏以后，輻射熱流就可以減少（n+1）倍。現(xiàn)有的液氫容器一般都選擇這種絕熱型式。

各種絕熱型式的有效導熱系數(shù)見圖2所示。

圖2 各種絕熱型式的有效導熱系數(shù)（W/K·m）

3 絕熱材料選型

高真空多層絕熱材料由高反射性、低輻射率的屏材料和導熱系數(shù)低的間隔材料所組成。屏材料一般用鋁箔，也有用表面噴鍍鋁的塑料薄膜的；間隔材料常用尼龍網(wǎng)、無堿玻璃纖維布(紙)、指物纖維紙等。

多層材料也可以選用單面噴鍍金屬膜塑料薄膜或波紋型的噴鋁薄膜。目前，國內(nèi)研制了鋁箔紙，單面涂二氧化硅的鍍鋁薄（又稱GS-80）、填炭紙等新型絕熱材料。表1為常見的多層復合絕熱材料特性，表2為常見組合多層材料的絕熱特性。

表1 多層復合絕熱材料特性

表2 組合多層材料的絕熱特性

多層真空絕熱的效率在很大程度上取決于屏材料和間隔材料的種類、結(jié)構和厚度，當然施工現(xiàn)場的纏繞安裝質(zhì)量也對絕熱性能產(chǎn)生了很大影響。纏繞過程中，需要保證層與層之間保證足夠的間隙，通常纏繞密度為10～50層/cm。隨著纏繞層數(shù)的增加，絕熱性能逐漸增加，但達到一定層數(shù)后便趨于不變。如圖3所示為多層絕熱的熱流密度與絕熱層數(shù)的關系。

除了總厚度的影響，單位厚度內(nèi)的層數(shù)，也就是纏繞密度對絕熱效果影響也很大，一般隨著纏繞密度的增加，輻射傳熱會減弱，多層絕熱材料之間的表觀導熱系數(shù)也會隨之降低，但如果絕熱材料被壓得太緊，固體導熱便開始增加，最終會抵消掉輻射熱的減少量，表現(xiàn)為表觀導熱系數(shù)增大。具體多層絕熱材料的熱導率隨層密度的變化如圖4所示。

圖4 多層絕熱材料的熱導率隨層密度的變化

4 液氫容器里層與外層間支柱構造型式

液氫容器內(nèi)結(jié)構布置形式，在很大程度上決定于內(nèi)外容器之間的相對固定方法。通常，內(nèi)容器通過懸掛裝置或者支座固定在外容器上，在結(jié)構設計時，需要考慮多種載荷，包括使用工況容器本體重量以及液氫重量、實驗工況液氮重量（如有）、運輸工況下交通工具加速及制動帶來的沖擊載荷，此外，還要考慮地震載荷以及風載荷以及內(nèi)容器低溫變形對結(jié)構的影響。最重要的，液氫容器內(nèi)外容器間支撐結(jié)構的漏熱是需要重點考慮的，支撐結(jié)構漏熱大概可以占整個液氫容器漏熱的1/3左右。因此，支撐結(jié)構既要保證支撐強度要求，也必須保證漏熱量少。因此，支撐結(jié)構經(jīng)常選用不銹鋼保證結(jié)構強度，同時，加入玻璃鋼等接觸塊增大熱阻，減少漏熱。

內(nèi)外容器之間的懸掛裝置可以做成桿式、管式或者鎖鏈式。圖5為臥式容器拉桿支撐結(jié)構，拉桿材料選用高強度的不銹鋼，內(nèi)外容器通過四個拉桿將內(nèi)外容器固定在一起，容器頂部采用壓縮桿型式，這樣既保證了容器裝滿液氫時產(chǎn)生的冷縮量，又減少了內(nèi)外容器的接觸面積，從而減少了漏熱。圖6為管式或鎖鏈式懸掛裝置，內(nèi)外容器通過懸掛裝置連接在一起，由于懸掛裝置比較長，漏熱量減少。

圖5 臥式液氫容器拉桿支撐結(jié)構

圖6 管式或鎖鏈式懸掛裝置

再介紹支座，圖7為液氫容器常用的支座，包括底部支撐及側(cè)支撐。圖示底部支撐（右側(cè)）為兩根鋼管分別支撐著內(nèi)外容器，且兩根鋼管只有底部接觸，增加了傳熱路徑，以減少漏熱。圖示側(cè)支撐（左側(cè)）為玻璃鋼或其他導熱系數(shù)小的管狀支撐，通過減少接觸面積和更換為導熱系數(shù)小的支撐材質(zhì)來降低漏熱。

圖7 底部支撐與側(cè)支撐（支座）

5 絕熱冷屏的類型

隨著低溫液體長時間儲存，每天都會有少量的冷氣蒸發(fā)損耗，如果將這部分冷氣體進行利用，可進一步減少漏熱。利用揮發(fā)蒸汽冷卻的汽冷屏作為作為內(nèi)外容器之間的絕熱夾層，可有效抑制熱量從熱壁向冷壁傳輸。通常冷屏可分為單屏和多屏兩種，如圖8所示為單層冷屏，將冷屏和冷氣排出管相連，排出管在冷屏內(nèi)側(cè)盤旋以增加與冷屏接觸面積，使冷屏充分冷卻。多層冷屏則是在圖示蒸氣冷卻屏外再設置1到多層冷卻屏，多層冷卻屏可起到多層絕熱輻射屏的作用。

圖8 絕熱冷屏示意圖

另外，圖示為液氫蒸氣冷卻屏，還有用其他冷卻液體（比如液氮）作為冷屏冷量的冷屏安裝方式，缺點是需要額外的冷卻介質(zhì)容器，占用空間更大，經(jīng)濟效益不明顯，且難以滿足用戶實際廠內(nèi)設施配置情況。

6 結(jié)語

（1）液氫容器內(nèi)外容器間絕熱型式宜選用高真空多層絕熱。（2）隨著絕熱材料纏繞層數(shù)的增加，絕熱性能逐漸增加，但達到一定層數(shù)后便趨于不變，纏繞密度為10～50層/cm。（3）隨著絕熱層纏繞密度的增加，多層絕熱材料之間的表觀導熱系數(shù)先降低后增大。（4）液氫容器里層與外層間支柱構造型式一般為拉桿或拉鏈與底部支撐和側(cè)支撐的組合。（5）液氫容器絕熱冷屏宜選用蒸氣冷卻屏（多層或單層）。