真空失效對(duì)低溫容器絕熱性能的影響

陳叔平 石順寶 朱鳴 于洋 金樹峰 王鑫 吳宗禮 馬曉勇

真空失效對(duì)低溫容器絕熱性能的影響

陳叔平1石順寶1朱鳴2于洋3金樹峰1王鑫1吳宗禮1馬曉勇1

（1. 蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029； 3. 西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

針對(duì)高真空多層絕熱低溫容器真空失效問題，建立不同真空度下的傳熱計(jì)算數(shù)學(xué)模型并搭建相應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái)，使用干燥氮?dú)庾鳛槠瓶战橘|(zhì)開展真空失效試驗(yàn)研究。對(duì)幾何容積120 L、初始充滿率為50%的低溫容器，分析其夾層真空度分別為10-3、1、102、103Pa時(shí)的排放量、壓力及溫度變化，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：低溫容器壓升率、排放量及氣相溫度隨著夾層真空度的降低而升高；夾層真空度為103Pa時(shí)低溫容器熱流密度分別為102、1及10-3Pa時(shí)的1.32、12.96及122.21倍，最大排放量分別為102、1及10-3Pa的2.15、9.69、13.77倍；隨著夾層真空度的降低，低溫容器的安全隱患逐漸加劇。

低溫容器；真空失效；壓升率；排放量

被稱為“超級(jí)絕熱”的高真空多層絕熱形式憑借卓越的絕熱性能廣泛應(yīng)用于低溫容器，是高性能低溫絕熱的主要形式。由于不合理制造、不規(guī)范操作等造成低溫容器真空失效甚至完全喪失，使其絕熱性能急劇下降，嚴(yán)重威脅低溫容器的安全性能［1-2］。

高真空多層絕熱低溫容器良好真空環(huán)境的維持，可以有效避免氣體傳熱，使低溫容器總體漏熱量維持較低的水平［3-6］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)低溫容器真空良好時(shí)的貯存過程進(jìn)行了大量理論與試驗(yàn)研究，Sangeun等［7］利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件定量分析液化天然氣儲(chǔ)罐尺寸、形狀及初始充滿率對(duì)其內(nèi)流體壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響；陳亮等［8］根據(jù)熱力學(xué)平衡關(guān)系建立液氫蒸發(fā)相變理論模型，并對(duì)液氫貯箱內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，表明貯箱內(nèi)溫度分布、流動(dòng)狀態(tài)以及相變情況隨著時(shí)間的增長逐漸趨于穩(wěn)定，貯箱壁面漏熱量是影響相變的主要因素；Mansu等［9］對(duì)不同漏熱量及充滿率的液氮容器無損貯存過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析容器壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律；秦天怡等［10］建立臥式儲(chǔ)罐內(nèi)流體貯存相變理論模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的合理性。上述學(xué)者研究大多集中在低溫容器真空良好的狀況，對(duì)真空失效下的研究較少。由于低溫容器發(fā)生真空失效后夾層漏熱量、貯存介質(zhì)排放量、氣枕壓力及溫度等變化與真空良好時(shí)不盡相同，需進(jìn)一步研究其變化規(guī)律。

為此本研究通過理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，計(jì)算低溫容器夾層不同真空度時(shí)的漏熱量，分析夾層真空度對(duì)低溫容器絕熱性能和氣枕壓力的影響。本研究的結(jié)果可為處理低溫容器發(fā)生真空失效緊急事故提供參考。

1　熱流計(jì)算

高真空多層絕熱低溫容器的漏熱形式主要包括輻射換熱、絕熱材料固體導(dǎo)熱及殘留氣體傳熱。根據(jù)傅里葉定律，低溫容器熱流密度由下式計(jì)算［11］：

式中：為通過低溫容器的熱流密度，W/m2；h、c分別為環(huán)境溫度及低溫液體溫度，K；為平均表觀導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；為絕熱層的厚度，m；為氣體分子的熱力學(xué)溫度，K；r、s、g分別為輻射傳熱、層間固體導(dǎo)熱及殘留氣體傳熱的傳熱系數(shù)，W/（m·K）。

1.1　輻射傳熱

多層絕熱材料間的熱輻射主要指兩輻射屏之間輻射換熱［12］，不考慮間隔材料及層間氣體對(duì)輻射換熱影響，計(jì)算如下式：

式中，為玻爾茲曼常數(shù)，0為筒體發(fā)射系數(shù)，s為輻射屏發(fā)射系數(shù)，為輻射屏屏數(shù)。

1.2　固體導(dǎo)熱

多層絕熱材料間固體導(dǎo)熱與包扎壓力有關(guān)，包扎壓力越大其接觸熱阻越小［13］，絕熱層中固體導(dǎo)熱的傳熱系數(shù)計(jì)算如下式：

式中，c為層間單位面積壓緊力，Pa。

1.3　殘留氣體傳熱

1.3.1氣體對(duì)流換熱

多層絕熱材料中氣體的對(duì)流換熱屬于有限空間內(nèi)自然對(duì)流換熱，主要取決于以輻射屏間距為特征參數(shù)的格拉曉夫數(shù)［14］，其計(jì)算如下：

式中：為重力加速度，m/s2；為氣體的體積膨脹系數(shù)，1/K；Δ為相鄰兩輻射屏之間的溫差，K；為相鄰兩輻射屏的間距，m；為氣體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

大量理論分析及試驗(yàn)結(jié)果表明［15］，有限空間中的氣體< 2860時(shí)，自然對(duì)流換熱可以完全被防止，呈現(xiàn)為純粹氣體導(dǎo)熱的狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算分析，間隔為1mm、輻射屏數(shù)為26層的兩輻射屏內(nèi)氣體以導(dǎo)熱的方式傳熱。

1.3.2氣體導(dǎo)熱

氣體導(dǎo)熱主要由分子的移動(dòng)及相互碰撞而產(chǎn)生，與它的流態(tài)有很大的關(guān)系，常以克努森數(shù)n來表征［16］：

式中：為氣體分子的平均自由程，cm；為氣體分子動(dòng)力黏度，Pa·s；為氣體分子壓力，Pa；為氣體的相對(duì)分子質(zhì)量；0為標(biāo)準(zhǔn)條件下氮?dú)獾酿ざ?；值與氣體種類相關(guān)，氮?dú)馊?07；為氣體溫度，℃。

根據(jù)克努森數(shù)n的大小，將氣體流態(tài)分成4個(gè)狀態(tài)，不同狀態(tài)下的傳熱計(jì)算如下：

（1）連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)的氣體導(dǎo)熱（n<0.01）。該狀態(tài)下氣體分子之間相互碰撞的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氣體分子與壁面間碰撞的幾率［17］，熱傳導(dǎo)過程如圖1所示，熱導(dǎo)率計(jì)算如下：

圖1　連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)下熱傳導(dǎo)示意圖

（2）中間壓強(qiáng)區(qū)（滑流狀態(tài)和轉(zhuǎn)變狀態(tài)）的氣體導(dǎo)熱（0.01

式中：0為大氣壓下氣體的熱導(dǎo)率，可由式（9）確定；為熱適應(yīng)系數(shù)；系數(shù)=（9-5）/4。

（3）自由分子狀態(tài)的氣體導(dǎo)熱（n>10）。此狀態(tài)下，氣體分子之間相互碰撞的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣體分子與器壁碰撞的幾率，熱傳導(dǎo)過程如圖2所示。此時(shí)，熱導(dǎo)率不再?zèng)Q定于氣體分子之間的能量交換，而是決定于氣體分子與壁面的能量交換情況［20］，計(jì)算如下式：

圖2　自由分子狀態(tài)熱傳導(dǎo)示意圖

2　試驗(yàn)裝置及方法

2.1　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，主要由試驗(yàn)容器、真空失效形成系統(tǒng)、真空機(jī)組、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

1—試驗(yàn)容器； 2—電子臺(tái)秤顯示器； 3—無紙記錄儀； 4—安全閥； 5—?dú)怏w流量計(jì)； 6—低溫制冷機(jī)； 7—熱陰極電離規(guī)； 8—熱傳導(dǎo)式電阻真空規(guī)； 9—自增壓低溫容器； 10—空溫式翅片管汽化器； 11—真空機(jī)組； 12—多層絕熱體； 13—電子臺(tái)秤

數(shù)據(jù)采集主要包括對(duì)內(nèi)容器排放量、內(nèi)容器壓力及氣相空間溫度變化的測(cè)量采集，溫度傳感器1、2位置及液位高度如圖4所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、無紙記錄儀及傳感器組成，具體實(shí)驗(yàn)儀器的規(guī)格參數(shù)見表1。

圖4　溫度傳感器位置、液位高度示意圖

表1　試驗(yàn)儀器規(guī)格參數(shù)

2.2　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)的主要目的是獲得高真空多層絕熱低溫容器不同真空度下的排放量、壓力及溫度變化數(shù)據(jù)。試驗(yàn)容器初始充滿率為50%，夾層真空度分別為10-3、1、102、103Pa。考慮到試驗(yàn)安全性及空氣破空后進(jìn)入夾層，水蒸氣發(fā)生相變使傳熱更復(fù)雜的問題，采用干燥氮?dú)膺M(jìn)行破空。

2.3　熱流計(jì)算

試驗(yàn)中可通過測(cè)量蒸發(fā)氣體的排放量獲得低溫容器的熱流［21］，計(jì)算如下式：

3　結(jié)果及討論

3.1　熱流變化

假定低溫容器多層絕熱體層數(shù)及層間壓緊力等保持不變，由式（1）-（15）計(jì)算得出平均表觀導(dǎo)熱系數(shù)、各傳熱形式占比及熱流密度隨夾層真空度的變化，如圖5所示。殘留氣體導(dǎo)熱占比、平均表觀導(dǎo)熱系數(shù)及熱流密度隨夾層真空度的降低而升高；層間輻射傳熱占比及固體導(dǎo)熱占比隨夾層真空度的降低而降低。當(dāng)夾層真空度高于1 Pa時(shí)，主要傳熱形式為層間輻射傳熱和固體導(dǎo)熱；當(dāng)夾層真空度低于1 Pa時(shí)，主要傳熱形式為殘留氣體導(dǎo)熱。熱流密度變化與平均表觀導(dǎo)熱系數(shù)變化是一致的，當(dāng)夾層真空度為103Pa時(shí)，熱流密度與平均表觀導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大，熱流密度分別是102、1、10-3Pa時(shí)的1.32、12.96、112.21倍（氣體導(dǎo)熱為主要導(dǎo)熱形式，占比高達(dá)95%以上），真空度的持續(xù)降低對(duì)熱流密度與平均表觀導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小。

圖5　熱流密度及各傳熱形式占比隨真空度的變化

3.2　排放量變化

低溫容器在常壓貯存過程中，不同真空度下的排放量變化如圖6所示。排放量隨著真空度的降低而增大，不同真空度下排放量的最大值及穩(wěn)定值也有較大差別，如表2所示。當(dāng)真空度高于1 Pa時(shí)，低溫容器排放量基本維持不變；當(dāng)真空度降低至102Pa和103Pa時(shí)，低溫容器排放量迅速增大，達(dá)到最大值后略有降低并維持一定值。

由表2可知，低溫容器真空失效后排放量的增加非常明顯，最高可達(dá)到初始時(shí)刻的13.77倍。這是因?yàn)榈蜏厝萜鲓A層真空度降低時(shí)，夾層氣體流態(tài)發(fā)生變化，漏熱急劇增加導(dǎo)致排放量增加。當(dāng)夾層真空度降低至103Pa時(shí)，低溫容器外壁面出現(xiàn)明顯結(jié)霜現(xiàn)象，如圖7所示。

圖6　不同真空度下排放量隨時(shí)間的變化

表2　低溫容器真空失效前后排放量變化關(guān)系

圖7　低溫容器出現(xiàn)的結(jié)霜現(xiàn)象

常壓貯存過程中溫度1、2的變化如圖8所示。隨著夾層真空度的降低，1、2逐漸升高。對(duì)比圖8（a）、圖8（b）發(fā)現(xiàn)，1、2存在10～15 K的差距，說明低溫容器氣相空間存在明顯的熱分層現(xiàn)象。夾層真空度為10-3Pa時(shí)，因低溫容器絕熱性能良好，1、2基本上分別維持在105 K、118 K；夾層真空度為1 Pa時(shí)，1、2上升緩慢，80 min內(nèi)大約升高5 K；夾層真空度降為102Pa及103Pa時(shí)，1、2上升加快，80 min內(nèi)大約升高10～15 K。這是因?yàn)閵A層真空度降低，低溫容器漏熱急劇增大，導(dǎo)致氣相空間溫度快速升高。

圖8　常壓貯存過程中T1、T2隨時(shí)間的變化

3.3　壓力變化

低溫容器在帶壓貯存過程中，不同真空度下的壓力變化如圖9所示。壓升率隨著夾層真空度的降低而增大。夾層真空度較高時(shí)（<1 Pa），氣體流態(tài)為自由分子狀態(tài)，其導(dǎo)熱系數(shù)較小，低溫容器漏熱維持一較低值，導(dǎo)致壓力緩慢升高；夾層真空度較低時(shí)（>1 Pa），氣體流態(tài)為連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)，其導(dǎo)熱系數(shù)較大，低溫容器漏熱較高，導(dǎo)致壓力快速升高。當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)至26 min、夾層真空度為103Pa時(shí)，內(nèi)容器壓力為0.082 9 MPa，分別是真空度為102、1、10-3Pa時(shí)壓力的1.29、2.96、5.49倍，并且隨著時(shí)間的增長差距逐漸增大。

圖9　不同真空度下壓力隨時(shí)間的變化

帶壓貯存過程中溫度1、2的變化如圖10所示。1、2隨夾層真空度的降低而逐漸升高。當(dāng)夾層真空度為10-3Pa和1 Pa時(shí)，溫度上升較為平緩，60 min內(nèi)大約升高5 K；當(dāng)夾層真空度為102Pa和103Pa時(shí)，溫度快速升高且初始時(shí)刻溫度上升更為迅速，20 min內(nèi)大約升高10～15 K。造成這一現(xiàn)象的原因是，初始時(shí)刻破空氣體攜帶大量熱量被低溫容器內(nèi)氣相空間氣體吸收。

圖10　帶壓貯存過程中T1、T2隨時(shí)間的變化

對(duì)比圖8、圖10發(fā)現(xiàn)，低溫容器發(fā)生真空失效，帶壓貯存過程中氣相空間溫度變化明顯高于常壓貯存。當(dāng)夾層真空度為10-3Pa和1 Pa時(shí)，60 min內(nèi)帶壓貯存1、2升高比常壓貯存大約高5 K；當(dāng)夾層真空度為102Pa和103Pa時(shí)，20 min內(nèi)帶壓貯存1、2升高比常壓貯存大約高5～10 K。形成這一現(xiàn)象的原因是，常壓貯存過程中大量氣體攜帶熱量排出，致使溫度變化較平緩。

3.4　理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖11可知，夾層真空度較高時(shí)，熱流密度理論值與試驗(yàn)值吻合較好，隨著真空度的降低，誤差逐漸增大。這是由于真空度較低時(shí)低溫容器漏熱顯著，引起液氮大量蒸發(fā)，管路中蒸發(fā)氣體排放不及時(shí)造成內(nèi)容器壓力升高，同時(shí)液氮飽和溫度也隨之增大。此時(shí)的熱流分為兩部分：一部分為過冷液體溫度升高所需的顯熱，另一部分為液體汽化所需的潛熱，因計(jì)算中假設(shè)液氮溫度不變，造成試驗(yàn)值與理論值偏差逐漸增大。

圖11　理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

4　結(jié)論

（1）隨著真空度的降低，夾層氣體流態(tài)從自由分子轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)介質(zhì)狀態(tài)，漏熱急劇增大。夾層真空度為103Pa時(shí)的熱流密度分別為102、1及10-3Pa時(shí)的1.32、12.96及112.21倍，此時(shí)氣體導(dǎo)熱為主要漏熱形式，占比達(dá)95%以上。

（2）帶壓貯存過程中，低溫容器壓升率隨著夾層真空度的降低而增大；常壓貯存過程中，低溫容器排放量隨夾層真空度的降低而增大。夾層真空度為103Pa時(shí)的最大排放量分別為102、1及10-3Pa時(shí)的2.15、9.69、13.77倍。

（3）低溫容器發(fā)生真空失效后不同貯存工況下氣相空間的溫度變化存在較大差異，帶壓貯存氣相空間溫度變化明顯高于常壓貯存。

（4）理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，該理論模型可以較好地反映出低溫容器不同真空度下的熱流變化情況，可指導(dǎo)低溫容器發(fā)生真空失效緊急事故的處理。

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Influence of Vacuum Failure on Heat-Insulating Property of Cryogenic Vessels

CHEN Shuping1SHI Shunbao1ZHU Ming2YU Yang3JIN Shufeng1WANG Xin1WU Zongli1MA Xiaoyong1

（1. School of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu，China；2. China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029，China；3. School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

Aiming at the vacuum failure of high-vacuum multilayer insulated cryogenic vessel, this paper established a mathematical model for calculating the heat transfer of the annular space with different vacuum failure degrees. A test platform on the vacuum failure insulation performance of cryogenic vessels was built up. The experiment used dry nitrogen as leaking gas to fill the annular space of a 120 L cryogenic vessel with 50% initial filling rate. The boil-off gas, pressure and temperature variations were analyzed when the vacuum degrees of annular space were 10-3, 1, 102, and 103Pa. The results were verified by theoretical calculation. The result shows that the pressure rise rate, boil-off gas and the temperature of ullage in the inner vessels increase with the decrease of vacuum degree of annular space. When the vacuum degree is 103Pa, the heat flow density of the cryogenic vessel is 1.32, 12.96, and 122.21 times of that in 102, 1 and 10-3Pa, respectively. The maximum boil-off gas is 2.15, 9.69 and 13.77 times of that in 102, 1 and 10-3Pa, respectively. With the decrease of the annular space of vacuum degree, the potential safety hazards of cryogenic vessels are gradually aggravated.

cryogenic vessel；vacuum failure；pressure rise rate；boil-off gas

Supported by the National Key Research and Development Program of China（2017YFC0805601） and the Gansu Youth Science and Technology Fund Program（21JR7RA269）

TB658

1000-565X（2022）07-0136-08

10.12141/j.issn.1000-565X.210668

2021-10-20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0805601）；甘肅省青年科技基金資助項(xiàng)目（21JR7RA269）

陳叔平（1964-），男，教授，主要從事低溫貯運(yùn)技術(shù)及設(shè)備研究。E-mail： chensp@lut.cn