高真空多層絕熱低溫容器完全真空喪失后傳熱及絕熱夾層內(nèi)溫度分布規(guī)律實(shí)驗(yàn)

謝高峰 朱 鳴 汪榮順

1 引言

工業(yè)氣體在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要的地位和作用，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、石化、化工、機(jī)械、電子、航空航天、食品等諸多領(lǐng)域，是工業(yè)生產(chǎn)的重要支柱，同時(shí)在國(guó)防建設(shè)和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。目前中國(guó)工業(yè)氣體的需求量以每年12%左右的速度快速增長(zhǎng)。面對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的快速增長(zhǎng)，“液態(tài)化”是氣體工業(yè)發(fā)展的重要方向。這主要是因?yàn)楦鞣N氣體如氮?dú)?、氧氣、氬氣、氫氣等均具有很高的氣液體積比，可以液化后通過(guò)低溫容器進(jìn)行高效率的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。在這種工業(yè)氣體蓬勃發(fā)展的背景下，市場(chǎng)對(duì)低溫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的需求也隨之急劇增加。有“超級(jí)絕熱”之稱的高真空多層絕熱方式憑借著其卓越的絕熱性能，在低溫儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域中正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，高真空多層絕熱容器良好的夾層真空度是保證其具有優(yōu)良絕熱性能的前提，一旦發(fā)生事故造成容器殼體破裂，隨著氣體傳熱在絕熱材料內(nèi)部的增強(qiáng)，容器的絕熱性能將會(huì)急劇下降。對(duì)于廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的低溫容器來(lái)說(shuō)，真空喪失后低溫容器的漏熱量通常是高真空絕熱狀態(tài)下的數(shù)百倍或更高，這無(wú)疑會(huì)嚴(yán)重威脅到低溫容器的安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)高真空多層絕熱容器真空喪失前后的傳熱問(wèn)題進(jìn)行了一定的研究［1-10］。以往的研究大多關(guān)注于特定設(shè)計(jì)容器的安全性驗(yàn)證，對(duì)于由不同氣體引起的高真空多層絕熱低溫容器完全真空喪失后的傳熱過(guò)程鮮有研究。本次實(shí)驗(yàn)中，采用了工業(yè)化的高真空多層絕熱低溫量熱器，以液氮為低溫介質(zhì)，分別利用氮?dú)狻⒍趸?、氧氣、氦氣及空氣破壞容器的絕熱夾層，模擬高真空多層絕熱低溫容器真空喪失過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)發(fā)生完全真空喪失后的低溫容器的排放率以及絕熱夾層內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)對(duì)所采集數(shù)據(jù)的分析比較，指出不同的破空氣體種類(lèi)對(duì)完全真空喪失后的低溫容器絕熱夾層傳熱有很大影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置、方法及步驟

本實(shí)驗(yàn)中所使用的高真空多層絕熱低溫量熱器在傳統(tǒng)低溫量熱器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使之可以獲得更加精確的、可用于工業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)［11-12］。內(nèi)容器由保溫筒和測(cè)量筒兩部分組成。通過(guò)在保溫筒和測(cè)量筒內(nèi)加注相同的低溫介質(zhì)，可以最大程度上消除頸管傳熱對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而獲取準(zhǔn)確的高真空多層絕熱的漏熱量數(shù)據(jù)。測(cè)量筒由一個(gè)外徑D=0.446 m，高度L=0.475 m的圓筒和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭組成，由反射屏與間隔物組成的多層絕熱被包扎在整個(gè)內(nèi)筒體的外部，起到保溫作用。

在低溫量熱器的外筒體上安裝有一個(gè)直徑為25 mm的高真空擋板閥，它可以被快速的開(kāi)啟以模擬量熱器可能發(fā)生的絕熱夾層真空喪失事故。在量熱器的外筒體上還安裝有一個(gè)數(shù)字真空計(jì)，其測(cè)量范圍為1×10-5—1×105Pa，用以監(jiān)控量熱器絕熱夾層的壓力變化。一個(gè)直徑為12 mm的頸管連通測(cè)量筒與外筒體，用于向測(cè)量筒加注低溫液體以及將測(cè)量筒內(nèi)低溫介質(zhì)由于吸收熱量而生成的蒸氣導(dǎo)出量熱器。蒸發(fā)氣體經(jīng)過(guò)一個(gè)測(cè)量范圍為0—1 500 SLPM(標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘)、精度為的±0.1%氣體質(zhì)量流量計(jì)后，直接排入大氣中。夾層中的溫度變化通過(guò)布置于夾層中的熱電偶測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 真空喪失實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接完畢后，按下列步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn):(1)利用高真空機(jī)組將低溫量熱器的絕熱夾層抽真空至其常溫真空度優(yōu)于1×10-1Pa;

(2)將液氮加入低溫量熱器后穩(wěn)定24小時(shí)左右，至量熱器的絕熱夾層達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài);

(3)將氮?dú)饨?jīng)高真空擋板閥快速導(dǎo)入量熱器的絕熱夾層，同時(shí)測(cè)量該過(guò)程中的相關(guān)參數(shù);

(4)重復(fù)步驟(1)—(3)，分別進(jìn)行二氧化碳、氧氣、氦氣及空氣破空實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 完全真空喪失后的排放率

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)。圖2給出了本次實(shí)驗(yàn)中由5種不同氣體進(jìn)入低溫容器的絕熱夾層而導(dǎo)致其完全真空喪失后的排放率變化曲線。從圖中可以看出，各次實(shí)驗(yàn)中低溫量熱器的排放率都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)急劇增加、迅速降低至緩慢降低的過(guò)程。

圖2 各種氣體破空后排放率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.2 Venting rate after different gases leaking into insulation jacket

從圖2可以看出，雖然由不同種類(lèi)的氣體造成的高真空多層絕熱低溫容器完全真空喪失后容器排放率變化的總體趨勢(shì)一致，但不同實(shí)驗(yàn)中的排放率數(shù)值有著明顯差異。二氧化碳進(jìn)入夾層后，其排放率達(dá)到的峰值最大，達(dá)到了509 SLPM;氮?dú)膺M(jìn)入夾層后，其排放率達(dá)到的峰值最小，為33.8 SLPM;其余氣體進(jìn)入夾層后排放率峰值從大到小依次為氧氣、氦氣和空氣，排放率分別為284、129、42.3 SLPM。從低溫量熱器真空喪失實(shí)驗(yàn)可以看出，完全真空喪失后的排放率和破空氣體的性質(zhì)有很大的關(guān)系。

3.2 低溫絕熱容器真空喪失后的漏熱量

由于低溫容器內(nèi)的低溫液體是以常壓飽和態(tài)儲(chǔ)存的，因此漏入量熱器的熱量可以由蒸發(fā)的氣體計(jì)算出來(lái)。但是，由氣體流量計(jì)測(cè)得的排放率并不是真實(shí)的液體蒸發(fā)率，這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)容器壓力、氣體及液體的溫度和體積等參數(shù)都是不斷變化的。把這些影響因素考慮進(jìn)去，則在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中量熱器的實(shí)際蒸發(fā)率m為:

式中:ρl為液氮密度;ρg為氣氮密度;為流量計(jì)測(cè)得的排放率;vg為氣氮比容;Δρg為相鄰時(shí)間間隔內(nèi)的氣體密度差;Δτ為測(cè)量時(shí)間步長(zhǎng)。

考慮到使液氮升溫的熱量，通過(guò)絕熱層的總漏熱量Q和熱流密度q則為:

式中:ml為液氮的質(zhì)量;cp為比定壓熱容;ΔTl為相鄰測(cè)量間隔內(nèi)液氮的溫度差;γ為汽化潛熱;Al為被液氮浸沒(méi)的內(nèi)容器面積。

由于蒸發(fā)的氮?dú)饨?jīng)過(guò)氣體流量計(jì)后直接排入大氣，因此可以近似認(rèn)為液氮的壓力和溫度均為常數(shù)，可以計(jì)算出低溫絕熱容器真空喪失后的漏熱量，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 各種氣體破空后內(nèi)筒體熱流密度隨時(shí)間變化Fig.3 Heat flux after different gases leaking into insulation jacket

從圖3可以看出，氣體進(jìn)入絕熱夾層導(dǎo)致真空喪失后，低溫絕熱容器液相區(qū)熱流密度會(huì)經(jīng)歷一個(gè)急劇增加、迅速降低和基本平穩(wěn)的過(guò)程，這和排放率的變化規(guī)律非常相似。完全真空喪失后低溫容器液相區(qū)熱流密度隨進(jìn)入絕熱夾層中氣體的種類(lèi)不同亦呈現(xiàn)顯著差異。二氧化碳進(jìn)入夾層后，低溫容器的液相區(qū)熱流密度達(dá)到的峰值最大，為2 455.12 W/m2;氮?dú)膺M(jìn)入夾層后，液相區(qū)熱流密度達(dá)到的峰值最小，為153.02 W/m2;其余氣體進(jìn)入夾層后液相區(qū)熱流密度峰值從大到小依次為氧氣、氦氣和空氣，分別為1 352.58、595.43、192.21 W/m2。

形成這一現(xiàn)象的原因是二氧化碳和氧氣的沸點(diǎn)溫度高于液氮溫度，因此當(dāng)這兩種氣體進(jìn)入高真空多層絕熱低溫容器的絕熱夾層后會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象從而放出大量的熱量，導(dǎo)致了低溫容器漏熱量的急劇增加。尤其對(duì)于二氧化碳，會(huì)冷凝成為固體，放出的熱量最多，故在破空實(shí)驗(yàn)中向液氮的傳熱量也最大，這一點(diǎn)也在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

3.3 完全真空喪失后的夾層溫度分布

高真空多層絕熱低溫容器發(fā)生完全的真空喪失事故后，絕熱夾層內(nèi)的溫度分布規(guī)律是研究其傳熱機(jī)理的重要前提。因此，絕熱夾層的溫度分布對(duì)研究低溫容器完全真空喪失后的傳熱過(guò)程顯得尤為重要。本組實(shí)驗(yàn)中對(duì)高真空多層絕熱低溫容器由不同氣體進(jìn)入其絕熱夾層而引起的完全真空喪失事故后的絕熱夾層內(nèi)的溫度分布進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，在此基礎(chǔ)上對(duì)不同氣體進(jìn)入低溫容器絕熱夾層后的傳熱過(guò)程進(jìn)行了初步分析。圖4為夾層中溫度測(cè)試點(diǎn)的分布情況。

圖4 絕熱層與溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Configuration of multilayer-insulation blankets and temperature sensors

圖5 給出了不同氣體引發(fā)的高真空多層絕熱低溫容器完全真空喪失后其內(nèi)筒體外壁面的溫度變化情況。從圖中可以看出，高真空多層絕熱低溫容器發(fā)生完全真空喪失事故后，其內(nèi)筒體外壁面的溫度經(jīng)歷了一個(gè)較為明顯的變化過(guò)程。根據(jù)溫度的變化趨勢(shì)，可以將壁面溫度的變化過(guò)程分為3個(gè)階段。

圖5 不同氣體進(jìn)入后內(nèi)筒體外壁面溫度變化Fig.5 Wall temperature distribution of inner vessel after different gas leaking into insulation jacket

第一階段為溫度上升階段，這一階段發(fā)生在氣體進(jìn)入低溫容器絕熱夾層內(nèi)部的初期，形成的原因是外部的高溫氣體進(jìn)入絕熱夾層后對(duì)低溫壁面的加熱。使用不同氣體破空時(shí)，在這一階段內(nèi)容器壁面溫度的上升幅度有很大差別:二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入真空夾層后的溫度升高最多，約為7 K，其次為氧氣、氦氣、空氣和氮?dú)?。這是由于二氧化碳及氧氣的凝結(jié)點(diǎn)溫度高于低溫容器的壁面溫度，進(jìn)而在其壁面上形成了冷凝和凝固，導(dǎo)致了外界高溫氣體會(huì)持續(xù)進(jìn)入低溫容器的內(nèi)壁面并對(duì)其“加熱”。而對(duì)于凝結(jié)點(diǎn)溫度低于或等于液氮溫度的破空氣體，其接觸實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)筒體壁面后，不會(huì)發(fā)生凝結(jié)或凝固，因此其充滿該空間后，就不會(huì)后續(xù)氣體繼續(xù)對(duì)壁面加熱，因此其溫度上升幅度會(huì)比較低。在第二階段中，隨著真空喪失的繼續(xù)，低溫容器內(nèi)筒體外壁面溫度開(kāi)始下降。在第三階段內(nèi)筒體外壁面溫度逐漸趨于穩(wěn)定，在這一階段內(nèi)不同氣體的破空方式，壁面溫度相差不大?？傮w來(lái)說(shuō)，用這5種氣體破空，內(nèi)筒體外壁的溫度在第三階段相差不超過(guò)2 K。

圖6至圖10為5種氣體導(dǎo)入高真空多層絕熱低溫容器絕熱夾層后第十層到第五十層絕熱材料上各測(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的溫度分布。

圖6 不同氣體進(jìn)入后第十層絕熱材料的溫度變化Fig.6 Temperature distribution of the 10th layer after different gas leaking into insulation jacket

圖7 不同氣體進(jìn)入后第二十層絕熱材料的溫度變化Fig.7 Temperature distribution of the 20th layer after different gas leaking into insulation jacket

圖8 不同氣體進(jìn)入后第三十層絕熱材料的溫度變化Fig.8 Temperature distribution of the 30th layer after different gas leaking into insulation jacket

圖9 不同氣體進(jìn)入后第四十層絕熱材料的溫度變化Fig.9 Temperature distribution of the 40th layer after different gas leaking into insulation jacket

圖10 不同氣體進(jìn)入后第五十層絕熱材料的溫度變化Fig.10 Temperature distribution of the 50th layer after different gas leaking into insulation jacket

從圖6可以看出，第十層絕熱材料溫度變化總體上是先下降，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后逐漸穩(wěn)定。穩(wěn)定后可以看出，用氦氣破空后的溫度最低，其次為氧氣、空氣、二氧化碳和氮?dú)?，穩(wěn)定后最大溫差大約為24K。

圖7至圖10為高真空多層絕熱低溫容器發(fā)生完全真空喪失事故后第二十層到第五十層絕熱材料上的溫度變化規(guī)律。從圖中可以看出，高真空多層絕熱低溫容器發(fā)生完全真空喪失事故后，在第二十層到第五十層絕熱材料上的溫度變化總體上呈現(xiàn)先下降然后穩(wěn)定的規(guī)律。在相同的絕熱材料層上，由氦氣引起的真空喪失穩(wěn)定后的溫度最低，其次為氧氣，由二氧化碳引起的真空喪失穩(wěn)定后的溫度最高。

從圖7至圖10可以看出，當(dāng)氦氣、氮?dú)?、空氣等沸點(diǎn)溫度低于或接近于液氮溫度的氣體進(jìn)入高真空多層絕熱低溫容器的絕熱夾層后，所測(cè)試的各絕熱層溫度會(huì)迅速降低，并達(dá)到一種溫度相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)氧氣、二氧化碳等沸點(diǎn)溫度高于液氮溫度的氣體進(jìn)入高真空多層絕熱低溫容器的絕熱夾層后，所測(cè)試的各絕熱層溫度的變化趨勢(shì)卻與前者有很大差別:其溫度變化經(jīng)歷了一個(gè)下降、平穩(wěn)、再次下降直到最后基本穩(wěn)定的過(guò)程。形成這一現(xiàn)狀的原因是凝結(jié)點(diǎn)溫度高于液氮溫度的氣體進(jìn)入高真空多層絕熱低溫容器的絕熱夾層后，在絕熱夾層內(nèi)部發(fā)生了冷凝現(xiàn)象。這氣體在絕熱夾層內(nèi)部的冷凝現(xiàn)象可能會(huì)從兩個(gè)方面影響低溫容器完全真空喪失后的傳熱:一是氣體在冷凝過(guò)程中會(huì)放出大量的熱量，這導(dǎo)致這種性質(zhì)的氣體進(jìn)入低溫容器絕熱夾層后的初期階段絕熱夾層的漏熱量要遠(yuǎn)大于非冷凝氣體進(jìn)入低溫容器絕熱夾層后的漏熱量;二是氣體在絕熱材料內(nèi)部的冷凝改變了氣體在絕熱材料內(nèi)部的傳熱方式，使其不同于不凝氣體進(jìn)入絕熱夾層后的傳熱。實(shí)驗(yàn)中得到的不同氣體進(jìn)入低溫容器絕熱夾層后的排放率曲線以及內(nèi)筒體外壁面的熱流密度變化曲線也證實(shí)了冷凝和非冷凝氣體對(duì)低溫容器絕熱夾層不同的破壞作用。

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)?、二氧化碳、氧氣、氦氣及空氣為介質(zhì)，引入真空夾層，使高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)的真空破壞，利用搭建的真空喪失實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)得了內(nèi)容器外壁面和絕熱材料表面的溫度分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣體的種類(lèi)對(duì)于低溫絕熱容器真空喪失后的排放率和夾層的溫度分布有很大的影響，二氧化碳破空排放率最高，漏熱量最大，其次為氧氣、氦氣、空氣和氮?dú)?特別要指出的是二氧化碳、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)二氧化碳和氧氣要小。同時(shí)，同種氣體破空，絕熱材料上的溫度隨著絕熱材料層數(shù)增加而升高，可以判定絕熱材料對(duì)于真空喪失后起到一定的保護(hù)作用。

1 Augustynowicz S，F(xiàn)esmire J.Cryogenic insulation system for soft vacuum［J］.Advances in Cryogenic Engineering，2000，45:1691-1698.

2 Shu Q S，F(xiàn)ast R W，Hart H L.Heat flux from 277 K to 77 K through a few layers of multilayer insulation［J］.Cryogenics，1986，26:671-677.

3 Wu K C，Brown D P，Sondericker PJ，et al.An experimental study of catastrophic loss of vacuum for RHICDRD-009MAGCOOL［C］.THIC Project，Tech.Note AD/RHIC/RD-50，1992.

4 Stephen M Harrison.Loss of vacuum experiments on a superfluid helium vessel［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，IEEE，2002，12(1):1343-1346.

5 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.

6 Lehmann W，Zahn G.Safety aspects for LHe cryostatsand LHe transport containers［J］.Advances in Cryogenic Engineering，1978，23:569-579.

7 Bartenev V D，Datskov V I，Shishov Yu A，et al.Study of the processes of insulation vacuum failure in helium cryostats［J］.Cryogenics，1986，26:293-296.

8 沈 飚，喻力弘，張 鵬，等.真空喪失條件下液氦容器安全性試驗(yàn)［J］.低溫與超導(dǎo)，2007，35(3):193-196.

9 Demko J A，Duckworth R C，Roden M，et al.Testing of vacuum insulated flexible line with flowing liquid nitrogen during theloss of insulating vacuum［J］.Advances in Cryogenic Engineering，2008，53:160-167.

10 Belonogov A V，Tabunshchikova O K，Morgunov V L.Heat transfer with a breakdown of the insulating vacuum in vessels with cryogenic liquids［J］.Chemical and Petroleum Engineering，1978，14(3):243-245.

11 魏 蔚，汪榮順.多層絕熱被性能測(cè)試及在LNG罐箱中的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2007，27(6):109-111.

12 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)，2007，35(1):21-23.