高真空多层绝热低温容器绝热夹层真空度对内容器压升率的影响

石顺宝，陈叔平，朱 鸣，金树峰，吴宗礼，马晓勇，高靖辉

(1.兰州理工大学 石油化工学院，兰州 730050；2.中国特种设备检测研究院,北京 100029)

0 引言

高真空多层绝热低温容器依靠卓越的绝热性能，在低温贮运方面得到广泛应用[1]。研究表明[2-5]，其绝热夹层真空度的好坏是影响低温容器绝热性能的关键因素。然而，由于不合理的设计制造、使用中的不规范操作以及某些外部撞击导致的低温容器内外壁或管路发生泄漏，造成低温容器绝热夹层真空度降低甚至完全失效，使其漏热量骤增，贮存的低温液体大量蒸发，致使内容器压力快速升高，对低温容器使用及人员的安全造成严重威胁[6-7]。

国内外许多学者针对低温容器压力变化进行了相关研究。SEO等[8]针对不同漏热量及充满率的液氮低温容器，对其无排放贮存过程进行研究，根据试验得到的低温容器增压曲线，分析了液氮低温容器无排放贮存压力变化规律；BARSI等[9]建立了一种流体力学(CFD)模型，计算不同初始充满率下液氢低温容器的自增压过程，并通过试验数据对该模型进行评价，结果表明该模型预测结果与试验结果吻合较好；赵一力等[10]通过搭建低温容器无损贮存试验平台，研究了制冷机关闭和开启两种工况下内容器温度场、压力场的变化；陈亮等[11]通过试验与仿真模拟计算相结合的方法，研究低温推进剂贮箱在地面停放阶段的压力变化及贮箱内物理过程的相互作用关系，并分析了造成液氢贮箱压力上升的主要因素。

上述学者对低温容器绝热夹层真空良好时的贮存与升压规律进行了试验研究或理论分析，而对高真空多层绝热低温容器不同真空度下的压升率鲜有研究。本文通过压升率试验研究，分析绝热夹层真空度及初始充满率对内容器压升率的影响。

1 试验装置

本试验搭建的装置如图1所示，主要包括试验用低温容器、抽真空系统、真空失效形成系统和数据采集系统。

图1 试验装置现场照片Fig.1 Photograph of the experimental device on site

试验用低温容器采用高真空多层绝热，具体参数见表1，绝热材料交错叠加均匀包扎于内容器外壁上，反射屏材料为铝箔，间隔层材料为隔热纸；真空失效形成系统主要由自增压低温容器、翅片管汽化器、过渡真空室及高真空挡板角阀组成；数据采集系统主要采集内容器的压力及温度。压力测量由超低温压力变送器及无纸记录仪组成，超低温压力变送器量程为0～0.5 MPa，其值通过电信号传送至无纸记录仪并储存在计算机中；温度的测量主要为内容器气相空间的温度测量，本试验中所采用的铂电阻温度传感器量程为73～773 K，其布置如图2所示。

表1 试验用低温容器参数Tab.1 Parameters of the cryogenic vessel for test

图2 测温点位置及液位高度示意

2 试验方案及流程

2.1 试验方案

按初始充满率分别为30%,50%,70%，绝热夹层真空度分别为0.001,1,100,1 000 Pa，开展12组试验，试验编号如表2所示。为确保试验的可比性，试验中采取以下措施：

(1)破空气体均采用温度相同的干燥氮气；

(2)低温容器加注操作完成后，静置及稳定时间保持一致；

(3)试验结束后，对低温容器进行泄压操作，保证每组试验初始压力相等。

表2 试验编号Tab.2 Test number

2.2 试验流程

(1)对绝热夹层抽真空，真空度高于10-3Pa；

(2)低温液体加注，加注完毕后静置12 h，达到热稳定状态；

(3)将干燥氮气经破空口充入绝热夹层，待其真空度达到规定值时，关闭真空阀，同时测量采集相关数据；

(4)对内容器泄压，重复上述步骤；

(5)试验结束。

3 试验结果及讨论

3.1 压力变化

图3示出绝热夹层真空度一定，不同初始充满率下，压力随时间变化曲线。可以看出，当绝热夹层真空度一定，初始充满率越高，内容器压力升高越快。绝热夹层真空度为0.001 Pa，初始充满率为30%,50%,70%，经过60 min，内容器压力分别上升至0.027 7,0.030 5,0.056 6 MPa；绝热夹层真空度为1 Pa，初始充满率为30%,50%,70%，经过60 min，内容器压力分别上升至0.049 4,0.053 6,0.072 1 MPa；绝热夹层真空度为100 Pa，初始充满率为30%,50%,70%，内容器压力升高至0.08 MPa时，所需时间分别为38,33,22 min；绝热夹层真空度为1 000 Pa，初始充满率为30%,50%,70%，内容器压力升高至0.08 MPa，所需时间分别为28,25,17 min。这是因为随着初始充满率增加，内容器气相空间减小，伴随低温介质不断蒸发，内容器压力升高加快。

(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图3 不同初始充满率时，压力随时间变化曲线Fig.3 Pressure changes with time at different initialfilling rates

图4示出压力升至特定值，所需时间随真空度变化曲线。可以看出，在绝热夹层真空度一定时，所需时间随初始充满率的增加而减小。绝热夹层真空度为0.001 Pa，压力上升至0.08 MPa，初始充满率为30%时所需时间分别为50%,70%时的1.21倍、2.86倍；绝热夹层真空度越低，升至某一特定压力所需时间越短。初始充满率为50%，压力升高至0.08 MPa时，绝热夹层真空度为0.001 Pa 所需时间分别为100,1 000 Pa时的6.91倍、9.12倍。

(a)压力0.02 MPa

(c)压力0.06 MPa

图5示出不同真空度下，压力随时间变化曲线。可以看出，在初始充满率一定时，内容器压力升高速率随绝热夹层真空度的降低而增加。其原因是低温容器绝热夹层真空度降低时，低温容器漏热量迅速增加，低温介质大量蒸发致使内容器压力迅速升高。

图6示出时间为15 min时，不同初始试验条件下内容器压力变化。由图可知，12组试验压升率Mi(i为试验编号,i=1～12)有如下关系：

(1)

(2)

结合图3分析及式(1)可知，当绝热夹层真空度一定时，内容器压升率随初始充满率的增加而增加。其原因是随着低温容器初始充满率增加，内容器气相空间减小，液体蒸发导致内容器压升率增加迅速。

结合图4,5分析及式(2)可知，当初始充满率一定时，内容器压升率随绝热夹层真空度的降低而增加。其原因是真空度降低，气体传热得到加强，漏热急剧增加，导致低温介质蒸发加快，内容器压升率增加迅速。

(a)初始充满率为30%

(b)初始充满率为50%

(c)初始充满率为70%图5 不同真空度时，压力随时间变化曲线Fig.5 Pressure changes with time under differentvacuum degrees

图6 15 min时,压力随真空度变化曲线Fig.6 Pressure changes with vacuum degree at 15 min

在低温介质蒸发过程中，气相空间满足气体状态方程，即:

PV=ZmRT

(3)

式中,P为气相空间压力，Pa；V为气相容积，m3；Z为气体压缩因子；R为气体常数，J/kg·K；T为气体温度，K。

将V=V0+Vat，m=m0+mat代入式(3)可得：

(4)

式中，P0为初始时刻压力，Pa；V0为初始时刻气相空间体积，m3；ma为单位时间被汽化的液体量，kg/s；t为时间，s；Va为与ma相对应的液体体积，m3/s。

ma=Q/h

(5)

式中，Q为漏热量，kW；h为低温介质的汽化潜热，kJ/kg。

由式(3)～(5)可知低温容器压力随时间变化存在如下关系：

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

(6)

由式(6)及试验结果分析可知，低温容器压升率与气相空间初始体积成反比,与初始压力、漏热量及贮存时间成正比，其中气相空间初始体积及漏热量对低温容器压升率的影响更为显著。

3.2 温度变化

图7示出不同真空度下，测量点T1,T2温度随时间变化曲线。T1,T2温度均上升，T2温度明显高于T1，说明气相空间温度存在分层现象，靠近上封头的温度越高。绝热夹层真空度较高时(真空度值低于1 Pa)，内容器中气相温度升高缓慢，这是因为真空度较高时，低温容器绝热性能良好，内容器吸收热量较少，气液间基本上处于一种准平衡状态；绝热夹层真空度较低时(真空度值高于1 Pa)，气相空间温度升高迅速，垂直方向温度梯度大。根据温度上升状况可分为2个阶段。

(1)第一阶段温度迅速升高。破空初始阶段，随着气体进入绝热夹层，真空度迅速下降，内容器气相空间温度有一个明显上升过程，3 min内升高5～10 K。破空初始阶段，破空气体进入绝热夹层中，因其温度远高于绝热夹层内部温度，从而放出大量热量,使温度迅速升高。

(2)第二阶段温度稳定升高。气相空间温度在经历一个快速升高过程后,会进入到一个稳定升高阶段。

(a)T1点(初始充满率为30%)

(c)T1点(初始充满率为50%)

(e)T1点(初始充满率为70%)

4 结论

(1)低温容器绝热夹层真空度一定，初始充满率增加时，气相空间减小，压升率随之增大；低温容器初始充满率一定，当绝热夹层真空度降低，夹层气体传热增强，内容器低温介质蒸发加快，压升率随之增大。

(2)低温容器气相空间存在明显温度分层现象，且大部分气体处于过热状态；低温容器绝热夹层真空度较高时(真空度值低于1 Pa)，内容器中气相温度升高缓慢；低温容器绝热夹层真空度较低时(真空度值高于1 Pa)，内容器气相温度变化有明显不同，表现出先快速升高、后稳定变化两阶段特征。