真空多層絕熱性能測(cè)試裝置及初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

朱浩唯 黃永華 李 駿 吳靜怡 李 鵬

(1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所上海市低溫技術(shù)與測(cè)試應(yīng)用服務(wù)平臺(tái) 上海 200240)(2上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201108)

1 引言

高真空多層絕熱技術(shù)(MLI)［1－4］憑借其優(yōu)越的絕熱性能在低溫液體儲(chǔ)存領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在考慮近地軌道推進(jìn)劑長(zhǎng)期存儲(chǔ)技術(shù)時(shí)，由于存在現(xiàn)成的高真空環(huán)境，因此，使用多層絕熱可有效地減少進(jìn)入儲(chǔ)箱的漏熱，是低溫推進(jìn)劑在軌存儲(chǔ)的理想絕熱方式。鑒于發(fā)生升空過(guò)程以及在軌運(yùn)行的特殊性，地面應(yīng)用中常規(guī)的多層絕熱材料布置方式不僅不能達(dá)到強(qiáng)度、重量和絕熱性能等多參數(shù)最優(yōu)配置水平，甚至可能無(wú)法勝任應(yīng)用條件。變密度多層絕熱是一種有潛力的改進(jìn)技術(shù)。

多層絕熱材料通常由幾十層被間隔的低放射率防輻射層組成，間隔物為低熱導(dǎo)率材料。防輻射層一般為鋁箔、單層或雙層鍍鋁的聚氨酯薄膜。間隔層則有玻璃纖維布、滌綸絲網(wǎng)、T型紙和P型紙等。

多層絕熱系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)是復(fù)雜的，包含了輻射傳熱、固體導(dǎo)熱、殘余氣體導(dǎo)熱以及對(duì)流換熱。很難以一個(gè)統(tǒng)一且精確的模型對(duì)多層絕熱的傳熱進(jìn)行計(jì)算。Krishnaprakas［5］通過(guò)對(duì)不同種配置的 MLI中熱流的擬合簡(jiǎn)化了4種傳熱的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，論證了熱導(dǎo)率和發(fā)射率的相關(guān)性。Mikhal’chenko等人［6］對(duì)殘余氣體在多層絕熱中對(duì)溫度和壓強(qiáng)的影響做了實(shí)驗(yàn)及理論闡述。Kokkolaras［7］對(duì)傳熱過(guò)程當(dāng)中的熱力學(xué)參數(shù)做了優(yōu)化，并得出一套算法來(lái)計(jì)算多層絕熱系統(tǒng)。

從已有的理論分析［4，8］可以看出，在絕熱材料的高溫段，輻射熱流占了總熱流的絕大部分;相對(duì)地，固體導(dǎo)熱、氣體導(dǎo)熱以及氣體對(duì)流則可以忽略不計(jì)。而在絕熱材料的低溫段，相鄰防輻射屏之間的固體導(dǎo)熱所占的比例明顯增大，輻射熱流所占的比重則越來(lái)越小。因此，對(duì)于一定數(shù)量的防輻射屏和間隔材料，如何選擇徑向(絕熱材料厚度方向)的層密度分布，對(duì)于絕熱層的絕熱性能有很大的影響。本研究建立了一套低溫用真空多層絕熱材料性能測(cè)試裝置，用于研究變密度多層絕熱材料的特性規(guī)律。以內(nèi)密外疏的層密度分布方式為例，實(shí)驗(yàn)研究了絕熱層內(nèi)的溫度分布和漏熱率情況，初步驗(yàn)證了試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性和理論模型的正確性。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

研究所建立的穩(wěn)態(tài)液氮蒸發(fā)圓柱型量熱器如圖1所示，用于對(duì)高真空多層絕熱材料的傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其中，外筒體(真空殼體)采用夾層結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)布置常規(guī)多層絕熱材料并抽真空至10－4Pa量級(jí)以盡量減少筒內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)和外界環(huán)境之間的換熱。筒內(nèi)的測(cè)試系統(tǒng)主要由上保護(hù)腔、測(cè)試腔、下保護(hù)腔和熱源鋁屏組成。上下保護(hù)腔內(nèi)都加注液氮用來(lái)隔斷測(cè)試腔在軸向的輻射換熱，同時(shí)消除在該方向的邊界效應(yīng)。此外，控制上下保護(hù)腔的背壓使其稍高于測(cè)試腔的背壓以防止從測(cè)試腔蒸發(fā)的氣體在穿越上保護(hù)腔的管道中冷凝，實(shí)際采用鼓泡器來(lái)控制實(shí)現(xiàn)。絕熱層熱端布置有帶電加熱的鋁屏作為均勻的熱端輻射壁(鋁屏在豎直方向覆蓋下保護(hù)腔、測(cè)試腔和上保護(hù)腔，避免在測(cè)試腔段發(fā)生邊緣效應(yīng))。鋁屏上按螺旋狀纏繞有薄膜電加熱帶，根據(jù)需要提供所需加熱功率，并在其外層粘貼鋁箔膠帶紙以使電加熱的熱量更好地傳遞給鋁屏。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先控制鋁屏溫度到目標(biāo)值，當(dāng)整個(gè)絕熱系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，根據(jù)測(cè)得的測(cè)試腔出口氣體流量，可間接獲得穿透測(cè)試段外側(cè)包裹的絕熱層樣品的熱流量，從而評(píng)價(jià)絕熱系統(tǒng)的性能。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of LN2boil-off apparatus

圖2為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)物圖。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由4部分組成:抽真空系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、液體充注系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。抽真空系統(tǒng)為分子泵機(jī)組，常溫下將筒內(nèi)的真空度提高到10－3Pa以上量級(jí)，從而消除氣體導(dǎo)熱和對(duì)流的影響。測(cè)量系統(tǒng)由鉑電阻溫度計(jì)PT100、FS4001小流量氣體流量傳感器以及真空電離規(guī)組成，分別用于測(cè)量絕熱層內(nèi)各處的溫度數(shù)據(jù)、測(cè)試腔出口蒸發(fā)液氮的流量數(shù)據(jù)以及筒內(nèi)的真空度。控制系統(tǒng)根據(jù)鋁屏的溫度來(lái)調(diào)節(jié)輸出到薄膜電加熱帶的功率從而達(dá)到控制鋁屏溫度的目的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由Keithley 2700多通道數(shù)據(jù)采集儀和PC計(jì)算機(jī)組成，用來(lái)記錄溫度和流量的變化過(guò)程。液體充注系統(tǒng)用來(lái)控制保護(hù)腔和測(cè)試腔內(nèi)的液氮液位，確保保護(hù)腔和測(cè)試腔始終處于較高的液位以防止由于液位過(guò)度下降而影響測(cè)試結(jié)果。

所用的多層絕熱為雙層鍍鋁的聚氨酯薄膜和T型紙間隔物組成的復(fù)合材料(雙層鍍鋁的聚氨酯薄膜厚度為0.01 mm，T型紙薄膜厚度為0.1 mm)。在靠近冷邊界處，采用1層鍍鋁聚氨酯薄膜和1層T型紙交錯(cuò)的方式纏繞多層絕熱材料，共布置9層。在靠近熱邊界處，采用1層鍍鋁聚氨酯薄膜和5層T型紙交錯(cuò)的方式纏繞多層絕熱材料，同樣布置9層。在絕熱層外側(cè)進(jìn)行限位，以防止絕熱層在系統(tǒng)抽空過(guò)程中由于筒內(nèi)壓強(qiáng)的不均勻而發(fā)生層位置的變化，絕熱層總厚度為12 mm。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Experimental setup under test with liquid nitrogen

在液氮充注過(guò)程中，先對(duì)上下保護(hù)腔進(jìn)行液氮充注，然后對(duì)測(cè)試腔進(jìn)行液氮充注，充注過(guò)程非常緩慢以防止過(guò)大熱應(yīng)力的產(chǎn)生以及溫度和流量的劇烈波動(dòng)。待足夠長(zhǎng)時(shí)間后絕熱測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)漏熱率可由式(1)計(jì)算(由于背壓約為101.325 kPa，故認(rèn)為氣體處于理想氣體狀態(tài)):

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，依次將熱端輻射背景鋁屏的溫度控制在35、50、65和80℃，其對(duì)應(yīng)的熱邊界溫度(即最外層防輻射層的溫度)依次為279、285、293和301 K。記錄絕熱層內(nèi)各測(cè)溫點(diǎn)溫度和測(cè)試腔出口流量的變化過(guò)程，25小時(shí)后溫度變化速率達(dá)到0.001 K/min，認(rèn)為已達(dá)穩(wěn)定工況。同時(shí)，始終確保上保護(hù)腔有充足的液位以防止測(cè)試腔出現(xiàn)縱向漏熱的情況。

3.1 絕熱層溫度分布在降溫過(guò)程中的變化規(guī)律

為了解液氮充注過(guò)程中冷量在多層絕熱材料內(nèi)的傳遞規(guī)律，圖3繪制了熱邊界溫度為285 K時(shí)各層溫度隨時(shí)間的變化曲線(其它熱端控溫情況類似)。其中，各溫度計(jì)位置如表1所列。其它熱邊界溫度情況類似。

圖3 絕熱層降溫曲線Fig.3 Cooling process within multilayer insulation

表1 各溫度計(jì)在絕熱層中的位置Table 1 Position of each thermometer

從圖3中可以看出，絕熱層需要很長(zhǎng)的時(shí)間才進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。剛開(kāi)始沖注液氮時(shí)，由于測(cè)試裝置本身的熱容大，各層的溫度下降得比較緩慢，之后隨著液氮進(jìn)一步注入，各層溫度開(kāi)始迅速下降。其中，越靠近冷邊界溫度下降得越快，越靠近熱邊界溫度下降得越慢。約12 h后各層溫度接近穩(wěn)態(tài)溫度，其變化趨于緩慢。最后，在18 h后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(以最后達(dá)到穩(wěn)定的T7為例，從18 h至25 h共下降0.5 K)。在整個(gè)降溫過(guò)程中，靠近冷邊界的那一層最先達(dá)到平衡;而越遠(yuǎn)離冷邊界，其達(dá)到平衡所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

3.2 絕熱層穩(wěn)態(tài)溫度分布規(guī)律的討論與研究

根據(jù)之前的理論分析［4］，內(nèi)密外疏布置方式的絕熱層內(nèi)溫度分布近似為拋物線。本實(shí)驗(yàn)中絕熱層內(nèi)的溫度分布如圖4所示，與理論預(yù)測(cè)曲線分布趨勢(shì)吻合。以熱邊界溫度為279 K時(shí)的溫度分布為例，在靠近熱邊界的8.0 mm厚度中，溫度下降了50 K左右，而在靠近冷邊界的4.0 mm厚度中，溫差則約為150 K。為了更加直觀地揭示熱邊界溫度變化給絕熱層內(nèi)溫度分布帶來(lái)的影響，圖5還給出了熱邊界溫度為285、293和301 K(分別對(duì)應(yīng)鋁片 50、65和80℃)時(shí)絕熱層溫度分布的差值(以熱邊界溫度為279 K時(shí)的溫度分布為基準(zhǔn)):冷邊界處溫度梯度最大，之后隨著l的增大而不斷減小，并最終在熱邊界處達(dá)到最小。

圖4 不同熱輻射屏溫度對(duì)應(yīng)的絕熱層溫度分布Fig.4 Temperature distribution at different warm boundary temperatures

圖5 鋁屏溫度升高時(shí)絕熱層內(nèi)部各溫度變化Fig.5 Temperature increments within the multilayer insulation

圖6給出了熱邊界溫度為301.64 K時(shí)，實(shí)測(cè)絕熱層溫度分布與理論計(jì)算值［4］的比較情況。對(duì)比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩者趨勢(shì)一致，在熱邊界附近吻合極好;而在冷邊界處，兩條曲線出現(xiàn)比較大的偏差:理論曲線溫度明顯低于實(shí)驗(yàn)曲線，且其分布曲線趨近于一條直線，而實(shí)驗(yàn)曲線的斜率則有一個(gè)從大到小的漸變過(guò)程。此外，在層密度變化的交界處，理論曲線的溫度斜率有明顯的變化，而實(shí)驗(yàn)曲線在該交界處的過(guò)渡則比較光滑。造成這種差別的原因主要有兩個(gè)方面:一是間隔材料的熱導(dǎo)率實(shí)際會(huì)隨著溫度的下降而減小;二是由于冷邊界處間隔材料會(huì)受冷收縮，導(dǎo)致間隔材料纖維之間以及相鄰兩層間隔材料之間的接觸面積減小，使得接觸熱阻變大(等效于間隔材料的導(dǎo)熱率進(jìn)一步減小)。而在先前的理論計(jì)算中，沒(méi)有考慮這兩種變化所產(chǎn)生的影響，使得冷邊界處的理論溫度分布曲線偏離實(shí)驗(yàn)曲線。針對(duì)間隔材料等效熱導(dǎo)率隨溫度下降而顯著減小的規(guī)律，將原迭代計(jì)算中使用的間隔材料熱導(dǎo)率進(jìn)行了修正，其結(jié)果在圖中用虛線表示?？梢钥吹剑倪M(jìn)之后的溫度分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近。

圖6 理論和實(shí)驗(yàn)的絕熱層溫度分布Fig.6 Difference between experimental and theoretical temperature distributions

圖7 熱流隨熱邊界溫度的變化關(guān)系Fig.7 Heat flux vs.warm boundary temperature

3.3 熱流隨熱邊界溫度的變化規(guī)律

為進(jìn)一步研究這種內(nèi)密外疏布置方式的絕熱性能，圖7列出了單位面積熱流密度隨熱邊界溫度變化的實(shí)驗(yàn)和理論曲線，均大致呈線性關(guān)系。迭代計(jì)算(包括修正后的迭代計(jì)算)所得熱流值是根據(jù)層與層模型［4］計(jì)算得到的。其中，修正后迭代法計(jì)算出熱流值與實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)接近，且斜率也吻合。圖中所謂公式計(jì)算法即通過(guò)一維傅里葉簡(jiǎn)單模型計(jì)算:

式中:Keff為復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)，其值為1.2×10－4W/(m·K)(由材料的供應(yīng)商提供)，Δx為絕熱層的厚度，其值為0.012 m，ΔT為冷邊界和熱邊界的溫差。計(jì)算所得曲線的斜率則稍小于實(shí)驗(yàn)曲線的斜率。這是由于公式中所使用的材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)是假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)布置方式(一層防輻射屏夾一層間隔材料)的單一導(dǎo)熱系數(shù)，與本實(shí)驗(yàn)中所使用的布置方式有所區(qū)別。即同樣的厚度中，采用本實(shí)驗(yàn)中的層密度布置方式所包含的防輻射屏數(shù)比采用標(biāo)準(zhǔn)布置方式所得到的防輻射屏數(shù)更少。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)采用內(nèi)密外疏方式布置的多層絕熱材料的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)裝置的可行性。發(fā)現(xiàn)在沿絕熱層厚度方向靠近熱邊界的很大范圍內(nèi)，溫度都比較平緩且大致呈線性關(guān)系;而在靠近冷邊界的小厚度范圍內(nèi)，存在極大的溫差，冷邊界處1/6厚度的絕熱材料承擔(dān)了絕熱功能的75%。同時(shí)，這種趨勢(shì)會(huì)隨著熱邊界溫度的升高而變得越發(fā)明顯。這與理論預(yù)測(cè)結(jié)論一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果促進(jìn)了對(duì)多層材料熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系的考慮，使得進(jìn)行熱導(dǎo)率修正之后的層與層模型可更好地用于指導(dǎo)層密度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 Bapat S L，Narayankhedkar K G.Lukose T P.Performance prediction of multilayer insulation［J］.Cryogenics，1990，30(8):700－710.

2 Bapat S L，Narayankhedkar K G.，Lukose T P.Experimental investigations of multilayer insulation［J］.Cryogenics，1990，30(8):711－719.

3 Jacob S，Kasthurirengan S，Karunanithi R.Investigations into the thermal performance of multilayer insulation(300－77K).Part 2:Thermal analysis［J］.Cryogenics，1992，32(12):1147－1153.

4 朱浩唯，黃永華，許奕輝，等.變密度多層絕熱的理論分析［J］.低溫工程，2011(6):42－46.

5 Krishnaprakas C K，Badari N K Dutta.Heat transfer correlations for multilayer insulation systems［J］.Cryogenics，2000，40(7):431－435.

6 Mikhal'chenko R S，Gerzhin A G.，Arkhipov V T，et al.Heat transport by residual gases in multilayer vacuum insulation［J］.Journal of Engineering Physics and Thermophysics，1968，14(1):80－84.

7 Kokkolaras M，Audet C，Dennis J E.Mixed variable optimization of the number and composition of heat intercepts in a thermal insulation system［J］.Optimization and Engineering，2001，2(1):5－29.

8 Hastings L J，Hedayat A，Brown T M.Analytical Modeling and Test Correlation of Variable Density Multilayer Insulation for Cryogenic Storage［R］.NASA report 213175，2004.