打孔高真空多層絕熱被的傳熱機理及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的開發(fā)研究.pdf

1、隨著低溫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣，低溫容器對絕熱性能的要求越來越高，在絕熱方式方面，高真空多層絕熱的研究已經(jīng)有半個多世紀的歷史，將高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)用于低溫容器的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)也有三十余年的時間，國內(nèi)外學(xué)者們已經(jīng)認識到結(jié)構(gòu)和工藝對多層絕熱的重要影響。但是，傳統(tǒng)的多層絕熱結(jié)構(gòu)使用單一種類的反射材料和隔熱材料，對于物性不同的反射材料在不同溫區(qū)下所表現(xiàn)出的性能差異沒有重視；在某一特定多層絕熱結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，僅限于間隔一層和使用一種隔熱材料，對反射屏之間間

2、隔多層隔熱材料和間隔多種不同的隔熱材料沒有深入研究。在多層絕熱結(jié)構(gòu)的傳熱計算方面，理論計算的結(jié)果與實驗測量的數(shù)據(jù)相比有很大偏差，實驗測試和低溫容器工程應(yīng)用所獲得的比熱流之間更是存在較大差異，且這種差異由于多層絕熱結(jié)構(gòu)工藝的不穩(wěn)定性而變化，使得多層絕熱的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用無規(guī)律可循，實驗室獲得的絕熱性能也很難復(fù)制到低溫容器上。
　　低溫液體貯運容器在工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用中所關(guān)注的焦點為安全性和可靠性，即所采用的多層絕熱結(jié)構(gòu)在長期的使用過程中具有

3、良好的絕熱性能，同時批量化制造的低溫容器具有穩(wěn)定的絕熱性能。針對低溫容器的使用狀況，采用合理的絕熱結(jié)構(gòu)和符合多層絕熱結(jié)構(gòu)特點的裝配工藝，是確保低溫液體貯運容器安全、可靠的關(guān)鍵。本文針對這一課題開展工作，針對低溫液體貯運容器所用的打孔多層絕熱材料的傳熱機理開展實驗研究，目標是獲得以絕熱被方式組合的多層絕熱結(jié)構(gòu)，其性能隨結(jié)構(gòu)和材料變化的關(guān)系規(guī)律，以及環(huán)境溫度的變化對多層絕熱被性能的影響。
　　多層絕熱結(jié)構(gòu)的研究方法往往為理論研究與量熱

4、試驗研究相結(jié)合的方式。傳統(tǒng)的量熱試驗研究中，所使用的量熱器能夠測試的多層傳熱面積，與移動式低溫容器實際應(yīng)用的面積相差兩到三個數(shù)量級，因此理論測試的結(jié)果與工程實際應(yīng)用往往有很大差距。另外，量熱器所處的環(huán)境溫度和大氣壓力，與移動式低溫貯運容器所處的環(huán)境條件有差異，環(huán)境條件的波動使得所測試的絕熱結(jié)構(gòu)的漏熱性能不穩(wěn)定。此外，對于高真空多層絕熱所能夠達到的極限絕熱程度尚無專門研究，對工程應(yīng)用所能夠達到的上限沒有界定。
　　為了獲得打孔多層絕

5、熱材料的傳熱規(guī)律并應(yīng)用于各種低溫容器，本文從以下幾個方面開展工作，并取得了一定的成果：
　　首先，通過理想假設(shè)建立起高真空多層絕熱的理論模型，并對理論模型的傳熱過程及環(huán)境溫度變化對理論模型傳熱過程的影響進行了分析。該理論模型的建立，界定了高真空多層絕熱方式的極限絕熱能力；環(huán)境溫度對高真空多層絕熱的影響分析結(jié)果顯示，在理論模型下考慮了發(fā)射率的影響之后，環(huán)境溫度的修正規(guī)律不是內(nèi)外壁溫度的T4差關(guān)系，而是內(nèi)外壁溫度的T4.38差關(guān)系；<

6、br>　　其次，在傳統(tǒng)量熱器實驗測試的基礎(chǔ)上，設(shè)計建造了可測試傳熱面積為0.8478m2的工程量熱器，并在工程量熱器上進行了多種打孔多層絕熱材料結(jié)構(gòu)的比熱流和層間溫度分布測試，其中：反射材料分別采用鋁箔和雙面鍍鋁薄膜，隔熱材料分別為干法紙和玻璃纖維紙，組合中所采用的反射屏層數(shù)從10層到90層不等。通過大量的量熱器試驗數(shù)據(jù)歸納整理，建立了適合打孔絕熱被結(jié)構(gòu)的高真空多層傳熱計算模型，并對絕熱被中材料的種類和層數(shù)及環(huán)境溫度變化對計算模型傳熱過

7、程的影響進行了分析。
　　第三，在采用工程量熱器測試隔熱材料低溫下的接觸傳熱系數(shù)和導(dǎo)熱熱阻時，發(fā)現(xiàn)不同隔熱材料復(fù)合比單一材料復(fù)合能獲得更高的接觸熱阻，可獲得更好的絕熱性能，通過計算模型的分析，找出了打孔多層絕熱材料的優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)，并提出了高真空多層絕熱的復(fù)合結(jié)構(gòu)，作為打孔多層絕熱被在低溫容器上產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的依據(jù)；
　　最后，在高真空多層絕熱計算模型的研究基礎(chǔ)上，提出了打孔絕熱被制作方法，將絕熱被和復(fù)合的多層絕熱結(jié)構(gòu)成果應(yīng)用在低

8、溫絕熱氣瓶、LNG罐箱、液氧罐、液氫罐等不同類型低溫容器上。通過對多種低溫容器在不同環(huán)境溫度下靜態(tài)蒸發(fā)率的性能測試和有限元分析結(jié)果，計算出打孔高真空多層絕熱被工程應(yīng)用時的漏熱量，驗證了本文所建立的計算模型合理性與準確性。
　　通過打孔多層絕熱材料的傳熱機理及復(fù)合結(jié)構(gòu)高真空多層絕熱被的應(yīng)用研究，建立了更符合低溫容器產(chǎn)品實際的計算模型，提出了復(fù)合多層絕熱結(jié)構(gòu)的新觀點，并對其傳熱機理進行了試驗驗證，該模型的傳熱過程分析及絕熱被結(jié)構(gòu)比熱流