不同种类破空气体对高真空多层绝热低温容器真空丧失后传热的影响

朱 鸣 于忠杰 徐 彬 汪荣顺

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

不同种类破空气体对高真空多层绝热低温容器真空丧失后传热的影响

朱 鸣 于忠杰 徐 彬 汪荣顺

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

通过实验，分别利用氮气、空气、氧气和氦气作为破空气体，对高真空多层绝热低温容器在真空完全丧失后的漏热进行了研究。结果表明，多层绝热结构对于绝热真空完全丧失后的低温容器能够起到一定的保护作用，初始和最终漏热和渗入到绝热真空夹层中气体的性质密切相关。

高真空复合多层绝热 真空丧失 排放率 热流密度

1 引言

随着低温绝热技术的不断发展，低温容器已在工业领域中广泛使用。目前低温容器中应用较多的绝热形式是高真空多层绝热，这种绝热结构采用低辐射率的反射屏与低导热率的间隔物交替组成，从而大幅度减少辐射漏热和接触导热，实现高效绝热。然而，大量研究证明［1］，良好的夹层真空度是保证高真空多层绝热良好绝热性能的关键。高真空多层绝热低温容器壳体一旦破裂，绝热真空将被破坏，容器漏热量急剧增加，容器内压力迅速升高，产生事故危险。由于低温容器盛装各种不同的低温液体，为了模拟由于内容器和外容器的壁面破裂导致的真空丧失事故，实验中采用了氮气、空气、氧气和氦气作为破空气体，研究了盛装液氮的低温容器在完全真空丧失下的漏热，实验中的绝热层数为10层，初始充满率为95%。

2 实验介绍

实验中使用的实验台如图1所示。液氮容器内筒总高800 mm，直径450 mm，总容积为111 L，侧面面积1.12 m2。采用高真空多层绝热结构，材料为双面镀铝薄膜与干法纸的组合，共包裹10层。内筒上部为保温桶，加满液氮以消除颈部漏热影响。在容器排气管道上安装安全阀及压力传感器，实验过程中由液氮蒸发生成的氮气由于温度较低，需要经过一个空气换热器后进入气体质量流量计，测量范围0—1 500 SLPM(标准升/分钟)、精度±0.1%。

图1 实验装置示意图1.真空机组;2.气瓶;3.冷阱;4.缓冲罐;5-8.真空挡板阀;9.绝热材料;10.称重仪;11.加液管;12.压力变送器;13.安全阀;14.背压阀;15.航空接头;16.低温容器外壁面;17.换热器;18.气体质量流量计;19.Keithley温度采集系统;20.计算机。Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

实验分如下步骤进行:

(1)首先对夹层抽空，直至夹层内压力低于10-2Pa;

(2)开始液氮充注，充满率95%，静置24 h，待液氮达到热稳定状态;

(3)将破空气体经真空挡板阀快速导入真空夹层，同时流量计测量气体流量;

(4)实验结束，罐体复温，重复步骤(1)、(2)和(3)。

3 实验结果与分析

高真空多层绝热低温绝热容器完全真空丧失后的排放率急剧增加是其绝热夹层漏热量增大的一种直观表现。实验中采用不凝结气体(氮气和氦气)和凝结气体(空气和氧气)进入低温容器的绝热夹层，模拟低温容器完全真空丧失事故。

3.1 漏热量计算

液氮容器的漏热率可以由蒸发率计算得出，由于实验过程中液氮容器内部的液体温度及体积的影响，由气体流量计测得的蒸发率计算得到的漏热率要小于实际漏热率。故测得的蒸发率需经过修正［2-4］:

式中:ρl为液氮密度，kg/m3;ρg为氮气密度，kg/m3;m·为流量计测得的排放率，kg/s;vg为氮气比容，m3/kg;Δρg为相邻时间间隔内的气体密度差，kg/m3;Δτ 为时间步长，s。

考虑到液氮的升温，则通过绝热层的总漏热量Q和液氮浸没面积处热流密度q计算如下:

式中:ml为液氮的质量，kg;cp为等压比热容，kJ/(kg·K);ΔTl为相邻测量间隔内液氮的温度差，K;γ为汽化潜热，kJ/kg;Al为液氮浸没的内筒体的面积，m2。

3.2 不凝结气体破空

从图2可以看出，当不凝结气体(氮气和氦气)进入真空夹层后，排放率迅速增加，大约10—12 min后，排放率达到了最大值。在排放率下降的过程中，呈线性下降趋势，主要的原因是液氮连续蒸发导致了内容器中的液氮量减少。从图中可以看出，用氦气破空测得的排放率和热流密度要远大于用氮气破空测得的量，这主要是由于氦气的热导率比氮气要高。

图2 不凝结气体破空的排放率和热流密度Fig.2 Venting rate and heat flux after non-condensable gases leaking into jacket

3.3 凝结气体破空

图3描述了当凝结气体(空气和氧气)进入真空夹层后，排放率和热流密度迅速增加，大约20 min后，两者达到最大值。值得注意的是，当空气破空时，排放率和热流密度达到最大值后逐渐趋于稳定，变化过程比较平缓;当氧气破空时，排放率和热流密度达到最大值后迅速降低，变化过程比较剧烈，曲线出现明显的尖点。空气和氧气的传热系数相差不大，但两者破空时排放率和热流密度出现很大差异的主要原因是氧气在接触低温界面时将全部凝结，而空气中只有部分的气体凝结，比如氧气和水蒸气。

图3 凝结气体破空的排放率和热流密度Fig.3 Venting rate and heat flux after condensable gases leaking into jacket

3.4 不凝结气体和凝结气体破空的排放率与热流密度的比较

图4比较了不凝结气体与凝结气体破空时排放率和热流密度。从图中可以看出，氮气破空时排放率与热流密度和空气破空时排放率与热流密度非常接近，这主要是因为空气中含有大约78%的氮气，但是空气破空时排放率与热流密度要大，因为空气中含有氧气和水蒸气，这两种气体凝结会放出热量。从图中也可以看出，氮气破空后排放率和热流密度最低，空气破空其次，氦气破空比空气破空大，氧气破空时最大，因此，低温绝热容器真空丧失后的排放率和热流密度受破空气体的性质影响很大。

图4 不凝结气体与凝结气体破空的排放率和热流密度Fig.4 Venting rate and heat flux after condensable andnon-condensable gases leaking into jacket

4 结论

搭建了低温绝热容器真空丧失实验系统，使用氮气、空气、氦气以及氧气为破空气体，使高真空多层绝热结构的真空破坏，实验测得了真空丧失后的排放率并计算了热流密度。实验结果表明，破空气体的种类对于低温绝热容器真空丧失后的排放率和热流密度有很大的影响，氧气破空时排放率最高，漏热量最大，其次为氦气、空气和氮气。特别要指出的是氧气进入绝热夹层后会大量凝结放热，因此其排放率和漏热量相比其它气体破空时大很多，空气进入绝热夹层虽然也会凝结，但由于空气的成分不单一，所以排放率和漏热量相对氧气要小;同时，由于氦气的热导率大于空气，故排放率和漏热量相对空气破空时要大。

1 杨 磊，汪荣顺.高真空多层绝热低温容器真空丧失试验研究［J］. 压力容器，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

中国博士后科学基金项目(20070410722)资助。

朱 鸣，男，33岁，博士研究生。