高真空多層絕熱低溫容器絕熱夾層真空度對內容器壓升率的影響

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 石油化工學院，蘭州 730050；2.中國特種設備檢測研究院,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，在低溫貯運方面得到廣泛應用[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鍵因素。然而，由于不合理的設計制造、使用中的不規范操作以及某些外部撞擊導致的低溫容器內外壁或管路發生泄漏，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，致使內容器壓力快速升高，對低溫容器使用及人員的安全造成嚴重威脅[6-7]。

國內外許多學者針對低溫容器壓力變化進行了相關研究。SEO等[8]針對不同漏熱量及充滿率的液氮低溫容器，對其無排放貯存過程進行研究，根據試驗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律；BARSI等[9]建立了一種流體力學(CFD)模型，計算不同初始充滿率下液氫低溫容器的自增壓過程，并通過試驗數據對該模型進行評價，結果表明該模型預測結果與試驗結果吻合較好；趙一力等[10]通過搭建低溫容器無損貯存試驗平臺，研究了制冷機關閉和開啟兩種工況下內容器溫度場、壓力場的變化；陳亮等[11]通過試驗與仿真模擬計算相結合的方法，研究低溫推進劑貯箱在地面停放階段的壓力變化及貯箱內物理過程的相互作用關系，并分析了造成液氫貯箱壓力上升的主要因素。

上述學者對低溫容器絕熱夾層真空良好時的貯存與升壓規律進行了試驗研究或理論分析，而對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研究，分析絕熱夾層真空度及初始充滿率對內容器壓升率的影響。

1 試驗裝置

本試驗搭建的裝置如圖1所示，主要包括試驗用低溫容器、抽真空系統、真空失效形成系統和數據采集系統。

圖1 試驗裝置現場照片Fig.1 Photograph of the experimental device on site

試驗用低溫容器采用高真空多層絕熱，具體參數見表1，絕熱材料交錯疊加均勻包扎于內容器外壁上，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；數據采集系統主要采集內容器的壓力及溫度。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，其值通過電信號傳送至無紙記錄儀并儲存在計算機中；溫度的測量主要為內容器氣相空間的溫度測量，本試驗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 試驗用低溫容器參數Tab.1 Parameters of the cryogenic vessel for test

圖2 測溫點位置及液位高度示意

2 試驗方案及流程

2.1 試驗方案

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，試驗編號如表2所示。為確保試驗的可比性，試驗中采取以下措施：

(1)破空氣體均采用溫度相同的干燥氮氣；

(2)低溫容器加注操作完成后，靜置及穩定時間保持一致；

(3)試驗結束后，對低溫容器進行泄壓操作，保證每組試驗初始壓力相等。

表2 試驗編號Tab.2 Test number

2.2 試驗流程

(1)對絕熱夾層抽真空，真空度高于10-3Pa；

(2)低溫液體加注，加注完畢后靜置12 h，達到熱穩定狀態；

(3)將干燥氮氣經破空口充入絕熱夾層，待其真空度達到規定值時，關閉真空閥，同時測量采集相關數據；

(4)對內容器泄壓，重復上述步驟；

(5)試驗結束。

3 試驗結果及討論

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，壓力隨時間變化曲線。可以看出，當絕熱夾層真空度一定，初始充滿率越高，內容器壓力升高越快。絕熱夾層真空度為0.001 Pa，初始充滿率為30%,50%,70%，經過60 min，內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%，經過60 min，內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%，內容器壓力升高至0.08 MPa時，所需時間分別為38,33,22 min；絕熱夾層真空度為1 000 Pa，初始充滿率為30%,50%,70%，內容器壓力升高至0.08 MPa，所需時間分別為28,25,17 min。這是因為隨著初始充滿率增加，內容器氣相空間減小，伴隨低溫介質不斷蒸發，內容器壓力升高加快。

(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，壓力隨時間變化曲線Fig.3 Pressure changes with time at different initialfilling rates

圖4示出壓力升至特定值，所需時間隨真空度變化曲線。可以看出，在絕熱夾層真空度一定時，所需時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%時所需時間分別為50%,70%時的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間越短。初始充滿率為50%，壓力升高至0.08 MPa時，絕熱夾層真空度為0.001 Pa 所需時間分別為100,1 000 Pa時的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，壓力隨時間變化曲線。可以看出，在初始充滿率一定時，內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，低溫容器漏熱量迅速增加，低溫介質大量蒸發致使內容器壓力迅速升高。

圖6示出時間為15 min時，不同初始試驗條件下內容器壓力變化。由圖可知，12組試驗壓升率Mi(i為試驗編號,i=1～12)有如下關系：

(1)

(2)

結合圖3分析及式(1)可知，當絕熱夾層真空度一定時，內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，內容器氣相空間減小，液體蒸發導致內容器壓升率增加迅速。

結合圖4,5分析及式(2)可知，當初始充滿率一定時，內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，漏熱急劇增加，導致低溫介質蒸發加快，內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，壓力隨時間變化曲線Fig.5 Pressure changes with time under differentvacuum degrees

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

在低溫介質蒸發過程中，氣相空間滿足氣體狀態方程，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，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為初始時刻壓力，Pa；V0為初始時刻氣相空間體積，m3；ma為單位時間被汽化的液體量，kg/s；t為時間，s；Va為與ma相對應的液體體積，m3/s。

ma=Q/h

(5)

式中，Q為漏熱量，kW；h為低溫介質的汽化潛熱，kJ/kg。

由式(3)～(5)可知低溫容器壓力隨時間變化存在如下關系：

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

(6)

由式(6)及試驗結果分析可知，低溫容器壓升率與氣相空間初始體積成反比,與初始壓力、漏熱量及貯存時間成正比，其中氣相空間初始體積及漏熱量對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T1,T2溫度隨時間變化曲線。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象，靠近上封頭的溫度越高。絕熱夾層真空度較高時(真空度值低于1 Pa)，內容器中氣相溫度升高緩慢，這是因為真空度較高時，低溫容器絕熱性能良好，內容器吸收熱量較少，氣液間基本上處于一種準平衡狀態；絕熱夾層真空度較低時(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。根據溫度上升狀況可分為2個階段。

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

(2)第二階段溫度穩定升高。氣相空間溫度在經歷一個快速升高過程后,會進入到一個穩定升高階段。

(a)T1點(初始充滿率為30%)

(c)T1點(初始充滿率為50%)

(e)T1點(初始充滿率為70%)

4 結論

(1)低溫容器絕熱夾層真空度一定，初始充滿率增加時，氣相空間減小，壓升率隨之增大；低溫容器初始充滿率一定，當絕熱夾層真空度降低，夾層氣體傳熱增強，內容器低溫介質蒸發加快，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象，且大部分氣體處于過熱狀態；低溫容器絕熱夾層真空度較高時(真空度值低于1 Pa)，內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(真空度值高于1 Pa)，內容器氣相溫度變化有明顯不同，表現出先快速升高、后穩定變化兩階段特征。