高真空多層絕熱低溫容器絕熱夾層真空度對(duì)內(nèi)容器壓升率的影響

石順寶，陳叔平，朱 鳴，金樹峰，吳宗禮，馬曉勇，高靖輝

(1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050；2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029)

0 引言

高真空多層絕熱低溫容器依靠卓越的絕熱性能，在低溫貯運(yùn)方面得到廣泛應(yīng)用[1]。研究表明[2-5]，其絕熱夾層真空度的好壞是影響低溫容器絕熱性能的關(guān)鍵因素。然而，由于不合理的設(shè)計(jì)制造、使用中的不規(guī)范操作以及某些外部撞擊導(dǎo)致的低溫容器內(nèi)外壁或管路發(fā)生泄漏，造成低溫容器絕熱夾層真空度降低甚至完全失效，使其漏熱量驟增，貯存的低溫液體大量蒸發(fā)，致使內(nèi)容器壓力快速升高，對(duì)低溫容器使用及人員的安全造成嚴(yán)重威脅[6-7]。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)低溫容器壓力變化進(jìn)行了相關(guān)研究。SEO等[8]針對(duì)不同漏熱量及充滿率的液氮低溫容器，對(duì)其無排放貯存過程進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)得到的低溫容器增壓曲線，分析了液氮低溫容器無排放貯存壓力變化規(guī)律；BARSI等[9]建立了一種流體力學(xué)(CFD)模型，計(jì)算不同初始充滿率下液氫低溫容器的自增壓過程，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；趙一力等[10]通過搭建低溫容器無損貯存試驗(yàn)平臺(tái)，研究了制冷機(jī)關(guān)閉和開啟兩種工況下內(nèi)容器溫度場、壓力場的變化；陳亮等[11]通過試驗(yàn)與仿真模擬計(jì)算相結(jié)合的方法，研究低溫推進(jìn)劑貯箱在地面停放階段的壓力變化及貯箱內(nèi)物理過程的相互作用關(guān)系，并分析了造成液氫貯箱壓力上升的主要因素。

上述學(xué)者對(duì)低溫容器絕熱夾層真空良好時(shí)的貯存與升壓規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究或理論分析，而對(duì)高真空多層絕熱低溫容器不同真空度下的壓升率鮮有研究。本文通過壓升率試驗(yàn)研究，分析絕熱夾層真空度及初始充滿率對(duì)內(nèi)容器壓升率的影響。

1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)搭建的裝置如圖1所示，主要包括試驗(yàn)用低溫容器、抽真空系統(tǒng)、真空失效形成系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)裝置現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Photograph of the experimental device on site

試驗(yàn)用低溫容器采用高真空多層絕熱，具體參數(shù)見表1，絕熱材料交錯(cuò)疊加均勻包扎于內(nèi)容器外壁上，反射屏材料為鋁箔，間隔層材料為隔熱紙；真空失效形成系統(tǒng)主要由自增壓低溫容器、翅片管汽化器、過渡真空室及高真空擋板角閥組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集內(nèi)容器的壓力及溫度。壓力測量由超低溫壓力變送器及無紙記錄儀組成，超低溫壓力變送器量程為0～0.5 MPa，其值通過電信號(hào)傳送至無紙記錄儀并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中；溫度的測量主要為內(nèi)容器氣相空間的溫度測量，本試驗(yàn)中所采用的鉑電阻溫度傳感器量程為73～773 K，其布置如圖2所示。

表1 試驗(yàn)用低溫容器參數(shù)Tab.1 Parameters of the cryogenic vessel for test

圖2 測溫點(diǎn)位置及液位高度示意

2 試驗(yàn)方案及流程

2.1 試驗(yàn)方案

按初始充滿率分別為30%,50%,70%，絕熱夾層真空度分別為0.001,1,100,1 000 Pa，開展12組試驗(yàn)，試驗(yàn)編號(hào)如表2所示。為確保試驗(yàn)的可比性，試驗(yàn)中采取以下措施：

(1)破空氣體均采用溫度相同的干燥氮?dú)猓?/p>

(2)低溫容器加注操作完成后，靜置及穩(wěn)定時(shí)間保持一致；

(3)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)低溫容器進(jìn)行泄壓操作，保證每組試驗(yàn)初始?jí)毫ο嗟取?/p>

表2 試驗(yàn)編號(hào)Tab.2 Test number

2.2 試驗(yàn)流程

(1)對(duì)絕熱夾層抽真空，真空度高于10-3Pa；

(2)低溫液體加注，加注完畢后靜置12 h，達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)；

(3)將干燥氮?dú)饨?jīng)破空口充入絕熱夾層，待其真空度達(dá)到規(guī)定值時(shí)，關(guān)閉真空閥，同時(shí)測量采集相關(guān)數(shù)據(jù)；

(4)對(duì)內(nèi)容器泄壓，重復(fù)上述步驟；

(5)試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 壓力變化

圖3示出絕熱夾層真空度一定，不同初始充滿率下，壓力隨時(shí)間變化曲線?？梢钥闯?，當(dāng)絕熱夾層真空度一定，初始充滿率越高，內(nèi)容器壓力升高越快。絕熱夾層真空度為0.001 Pa，初始充滿率為30%,50%,70%，經(jīng)過60 min，內(nèi)容器壓力分別上升至0.027 7,0.030 5,0.056 6 MPa；絕熱夾層真空度為1 Pa，初始充滿率為30%,50%,70%，經(jīng)過60 min，內(nèi)容器壓力分別上升至0.049 4,0.053 6,0.072 1 MPa；絕熱夾層真空度為100 Pa，初始充滿率為30%,50%,70%，內(nèi)容器壓力升高至0.08 MPa時(shí)，所需時(shí)間分別為38,33,22 min；絕熱夾層真空度為1 000 Pa，初始充滿率為30%,50%,70%，內(nèi)容器壓力升高至0.08 MPa，所需時(shí)間分別為28,25,17 min。這是因?yàn)殡S著初始充滿率增加，內(nèi)容器氣相空間減小，伴隨低溫介質(zhì)不斷蒸發(fā)，內(nèi)容器壓力升高加快。

(a)真空度0.001 Pa

(b)真空度1 Pa

(c)真空度100 Pa

(d)真空度1 000 Pa圖3 不同初始充滿率時(shí)，壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Pressure changes with time at different initialfilling rates

圖4示出壓力升至特定值，所需時(shí)間隨真空度變化曲線。可以看出，在絕熱夾層真空度一定時(shí)，所需時(shí)間隨初始充滿率的增加而減小。絕熱夾層真空度為0.001 Pa，壓力上升至0.08 MPa，初始充滿率為30%時(shí)所需時(shí)間分別為50%,70%時(shí)的1.21倍、2.86倍；絕熱夾層真空度越低，升至某一特定壓力所需時(shí)間越短。初始充滿率為50%，壓力升高至0.08 MPa時(shí)，絕熱夾層真空度為0.001 Pa 所需時(shí)間分別為100,1 000 Pa時(shí)的6.91倍、9.12倍。

(a)壓力0.02 MPa

(c)壓力0.06 MPa

圖5示出不同真空度下，壓力隨時(shí)間變化曲線。可以看出，在初始充滿率一定時(shí)，內(nèi)容器壓力升高速率隨絕熱夾層真空度的降低而增加。其原因是低溫容器絕熱夾層真空度降低時(shí)，低溫容器漏熱量迅速增加，低溫介質(zhì)大量蒸發(fā)致使內(nèi)容器壓力迅速升高。

圖6示出時(shí)間為15 min時(shí)，不同初始試驗(yàn)條件下內(nèi)容器壓力變化。由圖可知，12組試驗(yàn)壓升率Mi(i為試驗(yàn)編號(hào),i=1～12)有如下關(guān)系：

(1)

(2)

結(jié)合圖3分析及式(1)可知，當(dāng)絕熱夾層真空度一定時(shí)，內(nèi)容器壓升率隨初始充滿率的增加而增加。其原因是隨著低溫容器初始充滿率增加，內(nèi)容器氣相空間減小，液體蒸發(fā)導(dǎo)致內(nèi)容器壓升率增加迅速。

結(jié)合圖4,5分析及式(2)可知，當(dāng)初始充滿率一定時(shí)，內(nèi)容器壓升率隨絕熱夾層真空度的降低而增加。其原因是真空度降低，氣體傳熱得到加強(qiáng)，漏熱急劇增加，導(dǎo)致低溫介質(zhì)蒸發(fā)加快，內(nèi)容器壓升率增加迅速。

(a)初始充滿率為30%

(b)初始充滿率為50%

(c)初始充滿率為70%圖5 不同真空度時(shí)，壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Pressure changes with time under differentvacuum degrees

圖6 15 min時(shí),壓力隨真空度變化曲線Fig.6 Pressure changes with vacuum degree at 15 min

在低溫介質(zhì)蒸發(fā)過程中，氣相空間滿足氣體狀態(tài)方程，即:

PV=ZmRT

(3)

式中,P為氣相空間壓力，Pa；V為氣相容積，m3；Z為氣體壓縮因子；R為氣體常數(shù)，J/kg·K；T為氣體溫度，K。

將V=V0+Vat，m=m0+mat代入式(3)可得：

(4)

式中，P0為初始時(shí)刻壓力，Pa；V0為初始時(shí)刻氣相空間體積，m3；ma為單位時(shí)間被汽化的液體量，kg/s；t為時(shí)間，s；Va為與ma相對(duì)應(yīng)的液體體積，m3/s。

ma=Q/h

(5)

式中，Q為漏熱量，kW；h為低溫介質(zhì)的汽化潛熱，kJ/kg。

由式(3)～(5)可知低溫容器壓力隨時(shí)間變化存在如下關(guān)系：

P=P(V0,P0,T,Q,t)

(6)

由式(6)及試驗(yàn)結(jié)果分析可知，低溫容器壓升率與氣相空間初始體積成反比,與初始?jí)毫?、漏熱量及貯存時(shí)間成正比，其中氣相空間初始體積及漏熱量對(duì)低溫容器壓升率的影響更為顯著。

3.2 溫度變化

圖7示出不同真空度下，測量點(diǎn)T1,T2溫度隨時(shí)間變化曲線。T1,T2溫度均上升，T2溫度明顯高于T1，說明氣相空間溫度存在分層現(xiàn)象，靠近上封頭的溫度越高。絕熱夾層真空度較高時(shí)(真空度值低于1 Pa)，內(nèi)容器中氣相溫度升高緩慢，這是因?yàn)檎婵斩容^高時(shí)，低溫容器絕熱性能良好，內(nèi)容器吸收熱量較少，氣液間基本上處于一種準(zhǔn)平衡狀態(tài)；絕熱夾層真空度較低時(shí)(真空度值高于1 Pa)，氣相空間溫度升高迅速，垂直方向溫度梯度大。根據(jù)溫度上升狀況可分為2個(gè)階段。

(1)第一階段溫度迅速升高。破空初始階段，隨著氣體進(jìn)入絕熱夾層，真空度迅速下降，內(nèi)容器氣相空間溫度有一個(gè)明顯上升過程，3 min內(nèi)升高5～10 K。破空初始階段，破空氣體進(jìn)入絕熱夾層中，因其溫度遠(yuǎn)高于絕熱夾層內(nèi)部溫度，從而放出大量熱量,使溫度迅速升高。

(2)第二階段溫度穩(wěn)定升高。氣相空間溫度在經(jīng)歷一個(gè)快速升高過程后,會(huì)進(jìn)入到一個(gè)穩(wěn)定升高階段。

(a)T1點(diǎn)(初始充滿率為30%)

(c)T1點(diǎn)(初始充滿率為50%)

(e)T1點(diǎn)(初始充滿率為70%)

4 結(jié)論

(1)低溫容器絕熱夾層真空度一定，初始充滿率增加時(shí)，氣相空間減小，壓升率隨之增大；低溫容器初始充滿率一定，當(dāng)絕熱夾層真空度降低，夾層氣體傳熱增強(qiáng)，內(nèi)容器低溫介質(zhì)蒸發(fā)加快，壓升率隨之增大。

(2)低溫容器氣相空間存在明顯溫度分層現(xiàn)象，且大部分氣體處于過熱狀態(tài)；低溫容器絕熱夾層真空度較高時(shí)(真空度值低于1 Pa)，內(nèi)容器中氣相溫度升高緩慢；低溫容器絕熱夾層真空度較低時(shí)(真空度值高于1 Pa)，內(nèi)容器氣相溫度變化有明顯不同，表現(xiàn)出先快速升高、后穩(wěn)定變化兩階段特征。