復(fù)合絕熱低溫容器性能與真空喪失后的熱響應(yīng)研究.pdf

1、由于低溫行業(yè)的快速發(fā)展，低溫介質(zhì)亟需絕熱性能好、絕熱真空獲得方便等效率較高的儲(chǔ)存容器，復(fù)合絕熱低溫容器應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)就是在低溫容器內(nèi)容器外壁面包扎多層絕熱材料，在多層絕熱材料最外面與外容器內(nèi)壁面之間填充玻璃纖維棉而構(gòu)成。隨著低溫槽車等移動(dòng)式低溫容器的廣泛應(yīng)用，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中發(fā)生真空喪失事故也隨之增加，因此研究復(fù)合絕熱低溫容器性能與真空喪失后的熱響應(yīng)顯得尤為重要。本文圍繞這兩方面，采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合進(jìn)行深入研究，主

2、要完成以下內(nèi)容并給出相應(yīng)結(jié)果如下:
　　 (1)通過(guò)改變復(fù)合絕熱中絕熱材料層數(shù)和夾層真空度，實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合絕熱低溫容器蒸發(fā)率與復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)中絕熱材料層數(shù)和夾層真空度的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)絕熱材料層數(shù)為10層時(shí)，絕熱夾層內(nèi)真空度從10-3數(shù)量級(jí)變化到10-1數(shù)量級(jí)時(shí)，復(fù)合絕熱低溫容器的蒸發(fā)率總低于高真空多層絕熱低溫容器的蒸發(fā)率。在滿足低溫產(chǎn)品絕熱性能的前提下，選擇復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)將有助于節(jié)約抽真空成本。
　　 (2)基于傳熱原理

3、推導(dǎo)出復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)在夾層真空度變化時(shí)的傳熱計(jì)算模型，并計(jì)算得到含有10層絕熱材料的復(fù)合絕熱低溫容器多層材料絕熱層內(nèi)各反射屏的溫度和通過(guò)復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)的比熱流，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，計(jì)算模型中將玻璃纖維棉與最外層絕熱材料視為完全接觸，由此造成了計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差。
　　 (3)根據(jù)復(fù)合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后的傳熱機(jī)理，建立復(fù)合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后絕熱夾層傳熱計(jì)算模型，并編寫相應(yīng)的計(jì)算程序。采用兩只不同夾層寬度和容積

4、的復(fù)合絕熱低溫容器，分別使用氮?dú)?、氦氣和環(huán)境空氣為破空氣體進(jìn)行絕熱真空喪失實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，絕熱真空喪失初始階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果誤差較大，這主要是建立模型時(shí)假設(shè)夾層壓力等于環(huán)境壓力造成的，很短時(shí)間后實(shí)驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)定階段，在該階段模型能夠較為準(zhǔn)確地反映復(fù)合絕熱低溫容器真空喪失后絕熱夾層內(nèi)的溫度分布，這與模型的假設(shè)條件是一致的。
　　 (4)絕熱材料層數(shù)和破空氣體相同時(shí)，排放實(shí)驗(yàn)中復(fù)合絕熱低溫容器的排放率和熱流密度都低

5、于高真空多層絕熱低溫容器相應(yīng)的值。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高真空多層絕熱低溫容器內(nèi)筒體外壁面和對(duì)應(yīng)多層材料的溫度都要高于復(fù)合絕熱低溫容器相應(yīng)的溫度，破空穩(wěn)定后復(fù)合絕熱低溫容器與高真空多層絕熱低溫容器對(duì)應(yīng)位置溫度之差的平均值表明復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)在低溫容器絕熱真空喪失后具有抗熱沖擊性。無(wú)排放實(shí)驗(yàn)中，相同初始充滿率下，復(fù)合絕熱低溫容器真空喪失后內(nèi)筒體內(nèi)壓力上升到達(dá)安全閥起跳壓力的時(shí)間將近是高真空多層絕熱低溫容器的2倍。因此，如在實(shí)際使用中一旦發(fā)生絕熱真空喪

6、失事故，復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)的抗熱沖擊性能更有利于事故救援。
　　 (5)相同復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)、不同容積低溫容器在相同初始充滿率時(shí)分別使用液氮溫度下不凝結(jié)氣體（He和N2）、可凝結(jié)氣體（Ar和O2）、可凝華氣體(CO2)以及混合氣體(Air)為破空氣體進(jìn)行破空實(shí)驗(yàn)，研究絕熱真空喪失后復(fù)合絕熱低溫容器的排放率、液相區(qū)熱流密度和絕熱夾層內(nèi)的溫度分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)、不同容積低溫容器分別使用不凝結(jié)氣體、凝結(jié)氣體、凝華氣體和混合氣體

7、破空時(shí)，破空穩(wěn)定后液相區(qū)熱流密度與對(duì)應(yīng)夾層溫度分布較為接近。
　　 (6)實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)中不同多層絕熱材料層數(shù)與破空氣體對(duì)復(fù)合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后無(wú)排放過(guò)程中低溫液體熱響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，復(fù)合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后無(wú)排放過(guò)程中壓力上升可以分為三個(gè)階段:內(nèi)容器壓力緩慢上升階段、內(nèi)容器壓力快速升高并且壓力升高的速度逐漸加快階段和安全閥正常工作階段。隨著復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)中絕熱材料層數(shù)的增加，低溫容器真空喪失后的無(wú)排放時(shí)

8、間也增加，且氮?dú)馄瓶諘r(shí)無(wú)排放時(shí)間比空氣破空時(shí)要長(zhǎng)。對(duì)于復(fù)合絕熱低溫容器，無(wú)論氮?dú)膺€是空氣破空，在整個(gè)無(wú)排放過(guò)程中，內(nèi)筒體外壁面上、中、下三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)自上而下逐漸降低。
　　 (7)復(fù)合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后的無(wú)排放過(guò)程中，復(fù)合絕熱低溫容器內(nèi)氣液交界面以下為過(guò)冷液體區(qū)，過(guò)冷液體區(qū)內(nèi)各測(cè)溫點(diǎn)到達(dá)其最大過(guò)冷度的時(shí)間相同，距離氣液交界面越遠(yuǎn)，過(guò)冷度越大?？諝馄瓶諘r(shí)低溫液體出現(xiàn)最大過(guò)冷度的時(shí)間比氮?dú)馄瓶諘r(shí)短，而且空氣破空時(shí)液體的最大過(guò)冷