低蒸氣壓氣體輸送系統(tǒng)之加熱

李旻昊

摘 要：了解低蒸氣壓氣體特性以及流動(dòng)消耗狀態(tài)下受溫度壓力體積的影響，通過(guò)加熱保溫的多種方法，輸送給使用端安全穩(wěn)定并達(dá)到要求的氣體。

關(guān)鍵詞：加熱方式;低蒸氣壓氣體;飽和蒸氣壓;焦耳-湯姆孫效應(yīng)

1 引言

特殊氣體供應(yīng)主要針對(duì)的是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，目前半導(dǎo)體行業(yè)運(yùn)用特殊氣體的有太陽(yáng)能行業(yè)，液晶面板行業(yè)與芯片行業(yè)。這些行業(yè)需要多種氣體在一定的狀態(tài)下與半導(dǎo)體材料進(jìn)行反應(yīng)，從而達(dá)到材料的某種特性。本文主要討論低蒸氣壓氣體輸送設(shè)備如何給使用端安全穩(wěn)定的按照需求標(biāo)準(zhǔn)的輸送氣體，以及如何保證鋼瓶?jī)?nèi)低蒸氣壓氣體的蒸發(fā)量能滿足使用端的流量需求。低蒸氣壓氣體在鋼瓶?jī)?nèi)是氣在常溫狀態(tài)下的飽和蒸氣壓很低，外界環(huán)境溫度變化，所以在氣體輸送時(shí)很容易導(dǎo)致管路中氣體液化。

2 低蒸氣壓氣體蒸發(fā)吸熱量方法研究與應(yīng)用

低蒸氣壓氣體在鋼瓶?jī)?nèi)是氣液共存狀態(tài)，液態(tài)表面會(huì)蒸發(fā)汽化轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，同時(shí)氣態(tài)也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，在一定溫度條件下氣態(tài)與液態(tài)會(huì)達(dá)到平衡。蒸發(fā)是在液體表面發(fā)生的汽化現(xiàn)象。蒸發(fā)在任何溫度下都能發(fā)生，液體蒸發(fā)時(shí)需要吸熱。溫度越高，蒸發(fā)越快。此外，表面積大、通風(fēng)好也有利于蒸發(fā)。蒸發(fā)的逆過(guò)程是液化，即氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。當(dāng)兩種過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)的蒸氣叫飽和蒸氣。[1]在鋼瓶氣體使用時(shí)氣體是流動(dòng)的，使用端需要穩(wěn)定的氣體壓力與流量持續(xù)的供應(yīng)，液體的自然蒸發(fā)量通常滿足不了需求量，這樣液體會(huì)氣體蒸發(fā)量大而降溫并且鋼瓶?jī)?nèi)氣體壓力會(huì)降低。此時(shí)需要通過(guò)使用端的使用壓力與流量來(lái)計(jì)算出液態(tài)蒸發(fā)成氣態(tài)需要吸收的熱量，從而推導(dǎo)出鋼瓶需要多少外加加熱的功率來(lái)滿足使用需求。

2.1 加熱功率理論計(jì)算方法

在計(jì)算加熱功率時(shí)，首先我們需要知道參考的物質(zhì)種類，它的物理與化學(xué)性質(zhì)，它的基本的物理與化學(xué)參數(shù)。然后需要通過(guò)前人總結(jié)的計(jì)算公式去推導(dǎo)出我們想要的功率值。下面我們通過(guò)公式來(lái)做推導(dǎo)：

2.3 CO2（二氧化碳）鋼瓶實(shí)際加熱功率

目前給鋼瓶加熱的方法主要是鋼瓶裹加熱毯加熱，水循環(huán)加熱這兩種方式。大流量氣體使用的情況下一般使用鋼瓶裹加熱毯加熱，小流量氣體一般使用水循環(huán)加熱控制更為穩(wěn)定。針對(duì)CO2氣體大流量的氣體特性，一般使用鋼瓶裹加熱毯加熱方式。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在CO2使用過(guò)程中加熱毯加熱鋼瓶時(shí)，CO2能吸收的熱量為加熱熱量20%左右。

可得P實(shí)際=P理論/20%=4（KW.h），所以目前此項(xiàng)目CO2鋼瓶采用的是功率為4000（W.h）的加熱毯。

3 氣體等焓膨脹的焦耳-湯姆孫效應(yīng)（JT效應(yīng)）

3.1 JT效應(yīng)原理介紹及對(duì)氣體輸送系統(tǒng)的影響

JT效應(yīng)的全稱為焦耳-湯姆孫效應(yīng)。其原理是氣體在節(jié)流過(guò)程中溫度隨壓強(qiáng)而變化的現(xiàn)象。氣體通過(guò)多孔塞或節(jié)流閥膨脹的過(guò)程稱為絕熱節(jié)流膨脹。絕熱節(jié)流過(guò)程是不可逆過(guò)程。由于過(guò)程在絕熱系統(tǒng)中進(jìn)行，外界做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的改變，即U2-U1=P1V1-P2V2，式中U為氣體的內(nèi)能，P為壓強(qiáng)，V是氣體的體積，于是得出U1+P1V1=U2+P2V2=恒量，U+PV=H是氣體的狀態(tài)函數(shù)稱為焓，式中表示節(jié)流前后氣體的焓（H）不變。

為了研究節(jié)流后氣體溫度隨壓強(qiáng)變化的情況，通常用焦耳-湯姆孫系數(shù)μ=（ΔT/Δp）H=（T/P）H來(lái)描述，因?yàn)楣?jié)流前后焓（H）不變，以（T/p）H表示等焓過(guò)程中溫度隨壓強(qiáng)的變化率。氣體節(jié)流后壓強(qiáng)減小，Δp<0，所以，若節(jié)流后降溫△T<0，則μ>0，稱焦耳-湯姆孫正效應(yīng)。若節(jié)流升溫△T>0，則μ<0，稱焦耳-湯姆孫負(fù)效應(yīng)。若節(jié)流前后溫度不變，△T=0，稱為焦耳-湯姆孫零效應(yīng)。

絕大部分氣體的焦耳-湯姆孫系數(shù)大于零，系數(shù)大于零表明當(dāng)氣體發(fā)生降壓膨脹后，溫度也會(huì)隨之降低。在氣體輸送設(shè)備中都使用了減壓閥，目的是將鋼瓶出口處的壓力較高的氣體通過(guò)減壓閥調(diào)整到使用端所需要的氣體壓力。由于氣體輸送系統(tǒng)的氣體需求量高，所以氣體通過(guò)減壓閥后膨脹的速度十分快。根據(jù)焦耳-湯姆孫正效應(yīng)的影響，導(dǎo)致減壓閥的溫度迅速降低會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象甚至結(jié)冰現(xiàn)象。特別是在高溫度高濕度的氣候條件下，減壓閥的結(jié)露結(jié)冰現(xiàn)象更為明顯。減壓閥結(jié)冰的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致減壓閥內(nèi)部零部件失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致減壓閥減壓失效。所以要采取有效方法抵消焦耳-湯姆孫正效應(yīng)帶來(lái)的影響。因此氣體輸送設(shè)備主要通過(guò)對(duì)減壓閥前后的氣體管路做加熱保溫處理，對(duì)減壓閥加熱保溫處理來(lái)抵消焦耳-湯姆孫正效應(yīng)帶來(lái)的影響。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

氯氣與二氧化碳?xì)怏w系統(tǒng)的輸送設(shè)備。通過(guò)對(duì)不同氣體焦耳-湯姆孫系數(shù)的計(jì)算，使用端的使用量與當(dāng)?shù)販囟葷穸鹊臉O端值等參數(shù)，可以求得減壓閥的加熱功率和減壓閥前后端的加熱功率。計(jì)算求得CO2在流量180（升每分鐘），進(jìn)減壓閥前壓力800psi，減壓至90psi的情況下，通過(guò)CO2的焦耳-湯姆孫系數(shù)求得CO2需要加熱實(shí)際功率為6000W.h可以抵消焦耳-湯姆孫正效應(yīng)的影響。

4 低蒸氣壓氣體管路加熱保溫防止氣體積液的研究

4.1 低蒸氣壓氣體的飽和蒸氣壓原理分析

前面關(guān)于氣體鋼瓶加熱的論述中有介紹氣體的飽和蒸氣壓。我們可以通過(guò)一些自然現(xiàn)象了解到不同物質(zhì)的飽和蒸氣壓。以我們生活中常見(jiàn)的水H2O為例，在相同的大氣壓下，環(huán)境中相同水量（湖泊，海洋，河流）環(huán)境溫度越高的時(shí)候，水蒸發(fā)的越快，晾衣服干的比較快一些，這一點(diǎn)是因?yàn)樗诓煌瑴囟认碌娘柡驼魵鈮菏遣煌?，溫度高時(shí)水的飽和蒸氣壓越高，空氣中需要更多的水分才能達(dá)到飽和，當(dāng)空氣中水分達(dá)到飽和時(shí)水蒸發(fā)為氣態(tài)水的速度等于氣態(tài)水液化的速度。在夏天的時(shí)候從冰箱里拿出一瓶結(jié)冰的水瓶放在室外，很快可以看到水瓶的表面會(huì)有大量的液態(tài)水，這個(gè)現(xiàn)象是因?yàn)楸勘砻娴臏囟群艿停跍囟冉咏?攝氏度水的飽和蒸氣壓為0.61KPa，在溫度35攝氏度時(shí)水的飽和蒸氣壓為5.6KPa，所以冰水瓶附近的大量氣態(tài)水很快就液化為液態(tài)水了。

杜絕氣體管路積液現(xiàn)象出現(xiàn)的方法主要是通過(guò)管路做加熱保溫，溫度的控制是通過(guò)對(duì)應(yīng)氣體的飽和蒸氣壓計(jì)算得來(lái)的。經(jīng)驗(yàn)做法是比對(duì)對(duì)應(yīng)氣體飽和蒸氣壓的前提下溫度設(shè)定略比減壓閥前后管路加熱的溫度高，如果室外氣體管路過(guò)長(zhǎng)的話還需要分段加熱，越靠經(jīng)使用端溫度越高。通過(guò)氣體管路加熱的控制可以有效避免氣體液化，保證正常的生產(chǎn)。

4.2 低蒸氣壓氣體管路加熱保溫的應(yīng)用實(shí)例

以氯氣CL2為例：

（1） 氣體鋼瓶加熱毯的加熱溫度為30攝氏度。

（2）30攝氏度的CL2飽和蒸氣壓為9bar，CL2鋼瓶實(shí)際出口壓力8bar左右。

（3）減壓閥前后管路加熱溫度為32攝氏度，減壓后管路CL2壓力實(shí)際為7bar左右。

（4）室外CL2管路長(zhǎng)度約為500米。

通過(guò)以上條件可以將室外管路分兩段加熱，靠近鋼瓶側(cè)一段250米管路加熱溫度設(shè)定為35攝氏度，靠近使用端一段250米管路加熱溫度設(shè)定為38攝氏度?？紤]到室外加熱帶熱量的流失問(wèn)題，需要固定好加熱帶后再管路外包保溫棉，保溫棉外用鋁箔紙覆蓋。溫度感應(yīng)器放置在加熱帶中段位置，防止加熱不均勻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每米加熱帶功率為90W.h為宜。通過(guò)這種加熱方式可以有效避免管路CL2氣體積液現(xiàn)象。

5結(jié)論

通過(guò)本文分別分析了低蒸氣壓氣體鋼瓶加熱的重要性是為了滿足氣體使用端流量壓力的使用需求;以及大部分氣體通過(guò)減壓閥會(huì)產(chǎn)生焦耳-湯姆孫正效應(yīng)，所以需要通過(guò)加熱抵消氣體膨脹降溫帶來(lái)的減壓閥結(jié)露結(jié)冰影響;最后介紹了管路加熱保溫防止氣體溫度降低而產(chǎn)生的氣體液化問(wèn)題。經(jīng)過(guò)了鋼瓶的加熱，減壓閥的加熱，管路的加熱，低蒸氣壓氣體可以以穩(wěn)定的流量穩(wěn)定的壓力供應(yīng)給使用端使用，從而解釋了完整的低蒸氣壓氣體輸送系統(tǒng)加熱的原理與方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]北師大版初二物理：汽化和液化教學(xué)設(shè)計(jì).

[2]高中學(xué)科輔導(dǎo)：物質(zhì)的量和氣體摩爾體積.