復合絕熱低溫容器性能與真空喪失后的熱響應研究.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存容器，復合絕熱低溫容器應運而生。復合絕熱結(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式低溫容器的廣泛應用，儲運過程中發(fā)生真空喪失事故也隨之增加，因此研究復合絕熱低溫容器性能與真空喪失后的熱響應顯得尤為重要。本文圍繞這兩方面，采用實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合進行深入研究，主

2、要完成以下內(nèi)容并給出相應結(jié)果如下:
　　 (1)通過改變復合絕熱中絕熱材料層數(shù)和夾層真空度，實驗研究了復合絕熱低溫容器蒸發(fā)率與復合絕熱結(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，當絕熱材料層數(shù)為10層時，絕熱夾層內(nèi)真空度從10-3數(shù)量級變化到10-1數(shù)量級時，復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、推導出復合絕熱結(jié)構(gòu)在夾層真空度變化時的傳熱計算模型，并計算得到含有10層絕熱材料的復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復合絕熱結(jié)構(gòu)的比熱流，計算結(jié)果與實驗結(jié)果較為吻合，計算模型中將玻璃纖維棉與最外層絕熱材料視為完全接觸，由此造成了計算值與實驗值的誤差。
　　 (3)根據(jù)復合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后的傳熱機理，建立復合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后絕熱夾層傳熱計算模型，并編寫相應的計算程序。采用兩只不同夾層寬度和容積

4、的復合絕熱低溫容器，分別使用氮氣、氦氣和環(huán)境空氣為破空氣體進行絕熱真空喪失實驗，實驗結(jié)果與計算結(jié)果對比表明，絕熱真空喪失初始階段實驗結(jié)果與計算結(jié)果誤差較大，這主要是建立模型時假設(shè)夾層壓力等于環(huán)境壓力造成的，很短時間后實驗進入穩(wěn)定階段，在該階段模型能夠較為準確地反映復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，排放實驗中復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的值。整個實驗過程中高真空多層絕熱低溫容器內(nèi)筒體外壁面和對應多層材料的溫度都要高于復合絕熱低溫容器相應的溫度，破空穩(wěn)定后復合絕熱低溫容器與高真空多層絕熱低溫容器對應位置溫度之差的平均值表明復合絕熱結(jié)構(gòu)在低溫容器絕熱真空喪失后具有抗熱沖擊性。無排放實驗中，相同初始充滿率下，復合絕熱低溫容器真空喪失后內(nèi)筒體內(nèi)壓力上升到達安全閥起跳壓力的時間將近是高真空多層絕熱低溫容器的2倍。因此，如在實際使用中一旦發(fā)生絕熱真空喪

6、失事故，復合絕熱結(jié)構(gòu)的抗熱沖擊性能更有利于事故救援。
　　 (5)相同復合絕熱結(jié)構(gòu)、不同容積低溫容器在相同初始充滿率時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)為破空氣體進行破空實驗，研究絕熱真空喪失后復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。實驗結(jié)果表明，相同復合絕熱結(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，破空穩(wěn)定后液相區(qū)熱流密度與對應夾層溫度分布較為接近。
　　 (6)實驗研究了復合絕熱結(jié)構(gòu)中不同多層絕熱材料層數(shù)與破空氣體對復合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后無排放過程中低溫液體熱響應的影響。結(jié)果表明，復合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后無排放過程中壓力上升可以分為三個階段: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排放時

8、間也增加，且氮氣破空時無排放時間比空氣破空時要長。對于復合絕熱低溫容器，無論氮氣還是空氣破空，在整個無排放過程中，內(nèi)筒體外壁面上、中、下三個測溫點自上而下逐漸降低。
　　 (7)復合絕熱低溫容器絕熱真空喪失后的無排放過程中，復合絕熱低溫容器內(nèi)氣液交界面以下為過冷液體區(qū)，過冷液體區(qū)內(nèi)各測溫點到達其最大過冷度的時間相同，距離氣液交界面越遠，過冷度越大?？諝馄瓶諘r低溫液體出現(xiàn)最大過冷度的時間比氮氣破空時短，而且空氣破空時液體的最大過冷