不同種類破空氣體對高真空多層絕熱低溫容器真空喪失后傳熱的影響

朱 鳴 于忠杰 徐 彬 汪榮順

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

不同種類破空氣體對高真空多層絕熱低溫容器真空喪失后傳熱的影響

朱 鳴 于忠杰 徐 彬 汪榮順

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

通過實驗，分別利用氮氣、空氣、氧氣和氦氣作為破空氣體，對高真空多層絕熱低溫容器在真空完全喪失后的漏熱進行了研究。結果表明，多層絕熱結構對于絕熱真空完全喪失后的低溫容器能夠起到一定的保護作用，初始和最終漏熱和滲入到絕熱真空夾層中氣體的性質密切相關。

高真空復合多層絕熱 真空喪失 排放率 熱流密度

1 引言

隨著低溫絕熱技術的不斷發(fā)展，低溫容器已在工業(yè)領域中廣泛使用。目前低溫容器中應用較多的絕熱形式是高真空多層絕熱，這種絕熱結構采用低輻射率的反射屏與低導熱率的間隔物交替組成，從而大幅度減少輻射漏熱和接觸導熱，實現(xiàn)高效絕熱。然而，大量研究證明［1］，良好的夾層真空度是保證高真空多層絕熱良好絕熱性能的關鍵。高真空多層絕熱低溫容器殼體一旦破裂，絕熱真空將被破壞，容器漏熱量急劇增加，容器內壓力迅速升高，產生事故危險。由于低溫容器盛裝各種不同的低溫液體，為了模擬由于內容器和外容器的壁面破裂導致的真空喪失事故，實驗中采用了氮氣、空氣、氧氣和氦氣作為破空氣體，研究了盛裝液氮的低溫容器在完全真空喪失下的漏熱，實驗中的絕熱層數(shù)為10層，初始充滿率為95%。

2 實驗介紹

實驗中使用的實驗臺如圖1所示。液氮容器內筒總高800 mm，直徑450 mm，總容積為111 L，側面面積1.12 m2。采用高真空多層絕熱結構，材料為雙面鍍鋁薄膜與干法紙的組合，共包裹10層。內筒上部為保溫桶，加滿液氮以消除頸部漏熱影響。在容器排氣管道上安裝安全閥及壓力傳感器，實驗過程中由液氮蒸發(fā)生成的氮氣由于溫度較低，需要經(jīng)過一個空氣換熱器后進入氣體質量流量計，測量范圍0—1 500 SLPM(標準升/分鐘)、精度±0.1%。

圖1 實驗裝置示意圖1.真空機組;2.氣瓶;3.冷阱;4.緩沖罐;5-8.真空擋板閥;9.絕熱材料;10.稱重儀;11.加液管;12.壓力變送器;13.安全閥;14.背壓閥;15.航空接頭;16.低溫容器外壁面;17.換熱器;18.氣體質量流量計;19.Keithley溫度采集系統(tǒng);20.計算機。Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

實驗分如下步驟進行:

(1)首先對夾層抽空，直至夾層內壓力低于10-2Pa;

(2)開始液氮充注，充滿率95%，靜置24 h，待液氮達到熱穩(wěn)定狀態(tài);

(3)將破空氣體經(jīng)真空擋板閥快速導入真空夾層，同時流量計測量氣體流量;

(4)實驗結束，罐體復溫，重復步驟(1)、(2)和(3)。

3 實驗結果與分析

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)。實驗中采用不凝結氣體(氮氣和氦氣)和凝結氣體(空氣和氧氣)進入低溫容器的絕熱夾層，模擬低溫容器完全真空喪失事故。

3.1 漏熱量計算

液氮容器的漏熱率可以由蒸發(fā)率計算得出，由于實驗過程中液氮容器內部的液體溫度及體積的影響，由氣體流量計測得的蒸發(fā)率計算得到的漏熱率要小于實際漏熱率。故測得的蒸發(fā)率需經(jīng)過修正［2-4］:

式中:ρl為液氮密度，kg/m3;ρg為氮氣密度，kg/m3;m·為流量計測得的排放率，kg/s;vg為氮氣比容，m3/kg;Δρg為相鄰時間間隔內的氣體密度差，kg/m3;Δτ 為時間步長，s。

考慮到液氮的升溫，則通過絕熱層的總漏熱量Q和液氮浸沒面積處熱流密度q計算如下:

式中:ml為液氮的質量，kg;cp為等壓比熱容，kJ/(kg·K);ΔTl為相鄰測量間隔內液氮的溫度差，K;γ為汽化潛熱，kJ/kg;Al為液氮浸沒的內筒體的面積，m2。

3.2 不凝結氣體破空

從圖2可以看出，當不凝結氣體(氮氣和氦氣)進入真空夾層后，排放率迅速增加，大約10—12 min后，排放率達到了最大值。在排放率下降的過程中，呈線性下降趨勢，主要的原因是液氮連續(xù)蒸發(fā)導致了內容器中的液氮量減少。從圖中可以看出，用氦氣破空測得的排放率和熱流密度要遠大于用氮氣破空測得的量，這主要是由于氦氣的熱導率比氮氣要高。

圖2 不凝結氣體破空的排放率和熱流密度Fig.2 Venting rate and heat flux after non-condensable gases leaking into jacket

3.3 凝結氣體破空

圖3描述了當凝結氣體(空氣和氧氣)進入真空夾層后，排放率和熱流密度迅速增加，大約20 min后，兩者達到最大值。值得注意的是，當空氣破空時，排放率和熱流密度達到最大值后逐漸趨于穩(wěn)定，變化過程比較平緩;當氧氣破空時，排放率和熱流密度達到最大值后迅速降低，變化過程比較劇烈，曲線出現(xiàn)明顯的尖點。空氣和氧氣的傳熱系數(shù)相差不大，但兩者破空時排放率和熱流密度出現(xiàn)很大差異的主要原因是氧氣在接觸低溫界面時將全部凝結，而空氣中只有部分的氣體凝結，比如氧氣和水蒸氣。

圖3 凝結氣體破空的排放率和熱流密度Fig.3 Venting rate and heat flux after condensable gases leaking into jacket

3.4 不凝結氣體和凝結氣體破空的排放率與熱流密度的比較

圖4比較了不凝結氣體與凝結氣體破空時排放率和熱流密度。從圖中可以看出，氮氣破空時排放率與熱流密度和空氣破空時排放率與熱流密度非常接近，這主要是因為空氣中含有大約78%的氮氣，但是空氣破空時排放率與熱流密度要大，因為空氣中含有氧氣和水蒸氣，這兩種氣體凝結會放出熱量。從圖中也可以看出，氮氣破空后排放率和熱流密度最低，空氣破空其次，氦氣破空比空氣破空大，氧氣破空時最大，因此，低溫絕熱容器真空喪失后的排放率和熱流密度受破空氣體的性質影響很大。

圖4 不凝結氣體與凝結氣體破空的排放率和熱流密度Fig.4 Venting rate and heat flux after condensable andnon-condensable gases leaking into jacket

4 結論

搭建了低溫絕熱容器真空喪失實驗系統(tǒng)，使用氮氣、空氣、氦氣以及氧氣為破空氣體，使高真空多層絕熱結構的真空破壞，實驗測得了真空喪失后的排放率并計算了熱流密度。實驗結果表明，破空氣體的種類對于低溫絕熱容器真空喪失后的排放率和熱流密度有很大的影響，氧氣破空時排放率最高，漏熱量最大，其次為氦氣、空氣和氮氣。特別要指出的是氧氣進入絕熱夾層后會大量凝結放熱，因此其排放率和漏熱量相比其它氣體破空時大很多，空氣進入絕熱夾層雖然也會凝結，但由于空氣的成分不單一，所以排放率和漏熱量相對氧氣要小;同時，由于氦氣的熱導率大于空氣，故排放率和漏熱量相對空氣破空時要大。

1 楊 磊，汪榮順.高真空多層絕熱低溫容器真空喪失試驗研究［J］. 壓力容器，2007，24(11):1-5.

2 Lehman W，Zahn G.Safety aspects for LHe cryostats and LHe transport containers［J］.Proc of the Int.Cryog Eng Conf，1978(7):569-579.

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

4 Chi K Tsao.Temperature distribution and power loss of a gas-cooled support for a cryogenic container［J］.Cryogenics，1974(5):271-275.

Experimental investigation of influence of different leaking gases on heat transfer in a high vacuum multilayer insulation cryogenic tank after sudden loss of vacuum

Zhu Ming Yu Zhongjie Xu Bin Wang Rongshun

(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

Sudden loss of the vacuum was dangerous for cryogenic vessel.An experimental investigation of the influence of different leaking gases was presented on the heat transfer process in a cryogenic tank after loss of insulation vacuum.The experiments were conducted with the breakdown of the insulation vacuum with nitrogen，air，helium，oxygen.The experimental results showed that the venting rate and heat flux are the biggest when the leaking gas is oxygen.

high vacuum multi-layers insulation;vacuum loss;venting rate;heat flux

TB657

A

1000-6516(2012)01-0016-03

2011-11-30;

2012-01-20

中國博士后科學基金項目(20070410722)資助。

朱 鳴，男，33歲，博士研究生。