劉根倉 汪榮順

1 引言

隨著低溫絕熱技術的不斷發(fā)展和應用，低溫容器的應用也越來越廣泛［1-3］。從絕熱類型分，常見的低溫容器絕熱主要有4種類型:普通堆積絕熱、高真空絕熱、真空粉末絕熱和高真空多層絕熱［4］。高真空多層絕熱因其比真空粉末絕熱的性能更好，容器更加輕便，且加工工藝比高真空多屏絕熱又簡單許多，被廣泛應用于工業(yè)、民用等各個領域。

國內(nèi)外低溫容器的設計、制造以及工業(yè)化批量生產(chǎn)已經(jīng)達到了一定規(guī)模，并且向著更大的規(guī)模發(fā)展［5］，因此對于低溫容器的規(guī)范和性能評估也變得更加重要。包括國際標準化組織在內(nèi)的各個國家都相應的建立了一系列關于低溫絕熱容器的標準，包括設計、制造、使用和性能評估都有相應的規(guī)范。其中對于低溫容器的絕熱性能的評估又尤為重要，因為這不僅直接關系到低溫容器廠家和用戶的切身利益，而且對與低溫容器的合理使用有重要的指導作用。為此國際標準化組織專門制定了評價低溫絕熱容器絕熱性能的標準性文件［6］。

評價低溫容器絕熱性能的指標主要為漏熱率、靜態(tài)日蒸發(fā)率、保存時間和升溫升壓率，其中應用最廣泛的是低溫容器的靜態(tài)日蒸發(fā)率指標。根據(jù)國家標準對低溫絕熱壓力容器的規(guī)定［7］，每種容積的低溫容器都有規(guī)定的最高靜態(tài)日蒸發(fā)率指標，如果高于這個指標，則不允許生產(chǎn)和使用這種容器，因此準確測量和計算低溫容器的日蒸發(fā)率顯得尤為關鍵。影響日蒸發(fā)率的因素很多，比如環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、低溫容器充滿率，但由于環(huán)境壓力的變化幅度較小且充滿率能實現(xiàn)一致性，使得環(huán)境溫度成為最突出的影響因素?，F(xiàn)行的國家標準也對環(huán)境溫度的影響進行了線性修正，但效果不盡理想。本文對常溫環(huán)境下的日蒸發(fā)率進行了測量并通過改變環(huán)境溫度得到相應的日蒸發(fā)率變化規(guī)律，旨在明確環(huán)境溫度對高真空多層絕熱的性能影響規(guī)律，并對進一步修正環(huán)境溫度與日蒸發(fā)率之間的關系給出一定參考和借鑒。

2 實驗裝置與流程

由于實驗需要在不同的溫度環(huán)境下進行，所以設計了恒溫水箱，將整個低溫容器放入水箱中，采用水浴的方法達到控制容器外壁溫度的目的。具體的實驗臺系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗臺系統(tǒng)圖

整個實驗系統(tǒng)包括3個部分。(1)研究對象—液氮容器:采用東亞牌YDS-30L液氮容器，容器內(nèi)部通過頂部直徑50 mm的瓶口與外界相通，配套泡沫瓶塞。實驗時用專門的密封瓶塞將管口密封，只通過導管將低溫蒸氣引出，與質(zhì)量流量計連接。(2)溫度控制部分:包括水箱、加熱器和溫控儀。水箱為不銹鋼材質(zhì)，底部安裝2個1 kW的加熱器。四周采取了保溫隔熱措施，減少水箱的漏熱。溫控儀為PID控制器，K型熱電偶測量水溫，控制加熱器的通斷，控制精度為±1℃。為了實現(xiàn)低于環(huán)境溫度下的實驗測量，本實驗還包括一組0℃環(huán)境溫度，即在水箱中為此冰水混合態(tài)進行相關實驗。(3)測量部分:采用美國Alicat Scientific公司M-5SLPM-D型質(zhì)量流量計進行氮氣流量測量，精度為 ±(0.8% ×讀數(shù)+0.2% ×滿量程)。

實驗分為兩個階段。第1階段測量常溫環(huán)境中液氮容器日蒸發(fā)率的規(guī)律。第2部分將液氮容器放置在水箱中，控制水的溫度，測量在不同的溫度環(huán)境下液氮容器的蒸發(fā)率。實驗時，容器中液氮充滿率為90%，容器內(nèi)低溫蒸氣壓力為環(huán)境壓力。將容器放置于水箱中或大氣環(huán)境中，水位控制在容器的提手部位，容器外壁溫度為水箱中的水溫和大氣環(huán)境溫度。靜置48 h，為容器與環(huán)境之間建立熱平衡過程。建立平衡后，記錄蒸氣流量數(shù)據(jù)不小于24 h。

3 試驗結果與討論

3.1 常溫環(huán)境下日蒸發(fā)率的周期性規(guī)律

圖2中數(shù)據(jù)為容器靜置48 h平衡后連續(xù)3天的蒸氣流量數(shù)據(jù)。由圖可見，蒸氣的體積流量隨時間發(fā)生周期性的變化，每天出現(xiàn)2次高峰和2次低谷。2次高峰值一次出現(xiàn)在2:00左右，一次出現(xiàn)在14:00左右;兩次低谷值一次出現(xiàn)在8:00左右，一次出現(xiàn)在20:00左右。

圖2 常溫環(huán)境下蒸氣流量隨時間的波動變化Fig.2 Evaporation vapor flow rate change during per measuring period under room temperature

引起蒸氣流量變化的主要因素有環(huán)境溫度和環(huán)境壓力，因此將蒸氣流量、環(huán)境溫度和環(huán)境壓力隨時間的變化曲線繪制在同一個圖中進行比較，如圖3所示。環(huán)境壓力的波動曲線與流量曲線之間有一定的關系，通過對比可以看出，兩者在一定程度上具有反相的關系。當環(huán)境壓力高時，蒸氣流量反而低，而當環(huán)境壓力降低時，蒸氣流量升高。這是因為環(huán)境壓力高時，容器內(nèi)外的壓力差變小，抑制氣體外流;而當環(huán)境壓力降低時，容器內(nèi)外壓力差變大，氣體加速外流。

圖3 蒸氣流量變化與環(huán)境壓力和環(huán)境溫度的關系Fig.3 Comparison of evaporation vapor flow rate and corresponding ambient pressure and temperature

雖然環(huán)境壓力的波動引起了蒸氣流量的波動，但是以24 h為一個周期來看，蒸氣流量的平均值基本上保持不變，即容器的日蒸發(fā)率保持不變，這是因為環(huán)境的溫度變化不大。綜合來看，環(huán)境溫度影響的是蒸氣流量每天的平均值，而環(huán)境壓力的波動影響了蒸氣流量的瞬態(tài)變化。日蒸發(fā)率是與蒸氣流量有關的平均值，環(huán)境壓力的波動因此不會明顯影響日蒸發(fā)率的測量。

3.2 環(huán)境溫度對日蒸發(fā)率的影響

本組實驗分別取0℃、30℃、40℃和50℃，4種實驗工況。不同環(huán)境溫度下低溫蒸氣流量波動變化的曲線和平均流量值見圖4。結果顯示蒸氣流量的平均值與環(huán)境溫度之間基本上是線性關系，環(huán)境溫度越高，蒸汽流量則越大。如果將上述蒸氣流量的平均值對環(huán)境溫度進行最小二乘法線性擬合可以得到如下的關系式:

式中:t為環(huán)境溫度，℃。擬合直線與實驗數(shù)據(jù)之間的相關系數(shù)達到0.998。雖然在實驗的溫度范圍內(nèi)蒸氣流量與環(huán)境溫度之間線性度很好，但是在更大的范圍內(nèi)這個擬合的公式卻不適用。比如將環(huán)境溫度-196℃(即液氮溫度)帶入公式得到蒸氣流量為負值，這顯然是不可能的。所以本試驗工況下推導的蒸氣流量與環(huán)境溫度間的關聯(lián)關系具有一定的局限性。

圖4 不同環(huán)境溫度下的蒸氣流量曲線和平均值Fig.4 Evaporation vapor flow rate under different ambient temperature

4 環(huán)境溫度對高真空多層絕熱性能影響的理論分析

低溫絕熱研究的內(nèi)容主要是熱量傳遞的3種方式:導熱，對流和輻射。高真空多層絕熱形式將低溫容器夾層抽成高真空，通常真空度達到1 mPa以下，大大減少了氣體導熱和氣體熱對流。通過采用低導熱系數(shù)的間隔層和高反射率的反射屏疊合形成絕熱材料，從減少固體導熱和輻射傳熱的層面上進一步提高絕熱性能［8］。研究表明［9］:高真空多層絕熱結構的漏熱途徑主要包括:絕熱材料的漏熱、底部支撐及頸管漏熱;支撐結構漏熱包括輻射和導熱2部分。由于高真空作用，自由氣體分子很難形成對流換熱，則通過絕熱材料的漏熱途徑也以輻射和導熱為主。可見，環(huán)境溫度對高真空多層絕熱性能的影響主要通過輻射和導熱2個途徑進行。

國家標準里面已經(jīng)有關于日蒸發(fā)率的測量和修正的關系式［10］，其修正方法如下所示:

式中:α0為靜態(tài)日蒸發(fā)率，%/d;α為實驗測得的日蒸發(fā)率，%/d;Tn為修正值，對于液氮Tn=216 K;T1為實驗時的環(huán)境溫度，K;T2低溫液體溫度，K。

國家標準里面采用的修正方法為溫差的線性修正。實際上國際標準化組織指定的測量低溫容器靜態(tài)日蒸發(fā)率的標準中，所采用的修正方法對環(huán)境溫度也是線性修正。

線性的修正方法能較好地調(diào)節(jié)導熱對高真空多層絕熱性能影響的份額，但卻不適合用于修正輻射換熱的影響。基于上述分析，建議加入輻射換熱關系的相關修正式，即研究Q=k1(TW-TS)+k2(T4W-T4S)的修正效果。

5 總結與展望

本文就環(huán)境溫度對高真空多層絕熱性能的影響進行了試驗測量及理論分析后，主要得到如下結論:

(1)環(huán)境溫度影響的是蒸氣流量每日的平均值，而環(huán)境壓力的波動影響了蒸氣流量的瞬態(tài)變化。

(2)靜態(tài)日蒸發(fā)率隨著環(huán)境溫度的升高而變大。

由于環(huán)境溫度通過導熱和輻射2個途徑同時影響高真空多層絕熱絕熱性能，現(xiàn)行的國家標準或國際標準中對環(huán)境溫度的線性修訂未綜合考慮輻射的作用，因此下一階段的工作重點將致力于靜態(tài)蒸發(fā)率測量中新的環(huán)境溫度修正方案的驗證。

1 畢龍生.低溫容器應用進展及發(fā)展前景(一)［J］.真空與低溫，1999，5(3):125-134.

2 畢龍生.低溫容器應用進展及發(fā)展前景(二)［J］.真空與低溫，1999，5(4):187-192.

3 畢龍生.低溫容器應用進展及發(fā)展前景(三)［J］.真空與低溫，2000，6(1):1-7.

4 徐 烈，方榮生，馬慶芳，等.低溫容器——設計、制造與使用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1987.

5 魏 蔚，汪榮順.國內(nèi)外液化天然氣輸運容器發(fā)展狀態(tài)［J］.低溫與超導，2005，33(2):39-43.

6 國際標準化組織.ISO 21014:2006(E)Cryogenic vessels— Cryogenic insulation performance［S］.國際標準化組織，2006.

7 國家低溫容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心.GB 18842-2001低溫絕熱壓力容器［S］.北京:中國標準出版社，2002.

8 魏 蔚，汪榮順.高真空多層絕熱被的性能及其量熱器的試驗研究［J］.低溫與超導，2007(1):21-24.

9 李 陽，王彩莉，汪榮順.低溫絕熱氣瓶的有限元熱分析與試驗研究［J］.低溫工程，2008(1):41-44.

10 國家低溫容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心.GB/T 18443.5—2001低溫絕熱壓力容器試驗方法靜態(tài)蒸發(fā)率測量［S］.北京:中國標準出版社，2002.