《低溫絕熱技術(shù)》

低溫技術(shù)基礎(chǔ)陳

曦Chenxistudy@163.com上海理工大學(xué)2011年5月4

低溫絕熱技術(shù)低溫絕熱原理堆積絕熱高真空絕熱真空粉末（或纖維）絕熱高真空多層絕熱高真空多屏絕熱各類絕熱方法比較低溫貯運(yùn)低溫絕熱容器的設(shè)計(jì)方法低溫貯運(yùn)流體被液化并純化到一定水平后就必須設(shè)法貯存和運(yùn)輸。低溫液體的運(yùn)輸一般有兩種方法：

(1)用低溫槽車或低溫容器運(yùn)送(2)管道輸送低溫貯運(yùn)設(shè)備的關(guān)鍵在于其絕熱形式和特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。4.1

低溫絕熱原理“絕熱”并不是完全的熱隔絕，只是把熱量傳遞

(導(dǎo)熱,對(duì)流和幅射)減少到盡可能低的程度。低溫絕熱可分為五種類型：

(1)堆積絕熱高真空絕熱真空粉末（或纖維）絕熱

(4)高真空多層絕熱(5)高真空多屏絕熱表4-1 泡沫絕熱材料的表觀熱導(dǎo)率（設(shè)冷熱邊界溫度分別為77K和300K）泡沫塑料密度(kg/m3)熱導(dǎo)率(W/mK)聚氨脂110.033聚苯乙烯39460.0330.026橡

膠800.036硅(石英）1600.055玻

璃1400.0354.2

堆積絕熱堆積絕熱一般可分為泡沫型絕熱和粉末或纖維型絕熱兩種類型。泡沫型絕熱材料(如泡沫聚氨脂、泡沫聚苯乙烯、泡沫玻璃、橡膠等)為非均質(zhì)材料，其導(dǎo)熱率主要取決于其密度以及發(fā)泡氣體，此外還有絕熱層的平均溫度。粉末或纖維型絕熱的主要缺點(diǎn)是水蒸汽和空氣能通過(guò)絕熱層滲入到冷表面，除非設(shè)置蒸汽阻擋層即防潮層。4.3

高真空絕熱采用真空絕熱即能消除傳熱的兩個(gè)主要因素即固體導(dǎo)熱和氣體對(duì)流換熱。兩表面之間的輻射傳熱可由斯蒂芬—玻爾茲曼定律描述：(4.1)對(duì)于低溫容器對(duì)于同心球體或圓柱體通過(guò)在冷熱兩表面之間間隔輻射屏(一般為高反射率的材料)可大大減少熱輻射。(4.2)高真空絕熱中，內(nèi)外容器殼體之間傳熱量Q可表示為：(4.3)(4.4)分別為氣體分子在表面的溫度適用系數(shù)式中的(見(jiàn)表3-2)若冷表面積 近似等于熱表面積 ，則(4.5)表4-2不同溫度下幾種氣體的a值溫度(K)氦氣(He)氫氣(

)氖氣(

)空氣(Air)3000.290.290.660.8～0.9770.420.530.831.00200.590.971.001.0041.00///表4-3計(jì)算系數(shù)氣體種類空氣與的范圍<400K<360K300～77K77～20K任意<360K1.1931.1183.9612.9862.1011.1144.4

真空粉末（或纖維）絕熱圖4-1 氣體壓力對(duì)真空粉末（目珠光砂）絕熱性能的影響殘余氣體為氮?dú)?冷熱二側(cè)溫度分別為77K和300K典型絕熱層的表觀熱導(dǎo)率于氣體壓力的關(guān)系示于圖4-1。在室溫和液氮溫區(qū)內(nèi)真空粉末絕熱性能優(yōu)于單純的高真空絕熱。真空粉末中摻入銅或鋁片(包括顆粒)可有效地抑制輻射熱，該類絕熱被稱為真空阻光劑粉末絕熱。絕熱材料密度(

）熱導(dǎo)率(

)細(xì)珠光砂1800.95×粗珠光砂641.90×氣凝膠801.60×硅酸鈣2100.59×鍋黑灰2001.20×玻璃纖維501.70×表4-4 真空粉末(或纖維)絕熱的表觀熱（冷熱二側(cè)溫度分別為77K和300K,殘余氣體壓力小于0.1Pa）表4-5幾種典型的多層絕熱表觀熱導(dǎo)率（對(duì)應(yīng)冷熱邊界分別為77K和300K,殘余氣體壓力小于1.3mPa）絕熱層密度層熱導(dǎo)率(

)6μ鋁箔+0.15mm玻璃纖維203.76μ鋁箔+2mm人造纖維布107.86μ鋁箔+2mm尼龍布113.48.7μ鋁箔+填炭玻璃纖維紙301.450μ單面噴鋁植物纖維紙401.420μ雙面噴鋁滌綸薄膜751.58μ單面噴鋁進(jìn)口滌綸薄膜1210.924.5

高真空多層絕熱圖4-2典型真空多層絕熱與殘余氣體壓力的關(guān)系絕熱層密度24層/cm,冷熱邊界分別為77K和300K從4-2圖中可以看到為保證其高效的絕熱性能，真空度應(yīng)達(dá)0.01Pa以上。多層絕熱體密度取決于輻射屏的厚度和密度所采用的間隔物材料以及層密度，可用下式表示(4.6)高真空多層絕熱的熱量傳遞主要由熱輻射和絕熱層內(nèi)固體熱導(dǎo)組成，表觀熱導(dǎo)率可表示為(4.7)4.6

高真空多屏絕熱圖4-3蒸汽冷卻屏低溫貯存容器如圖4-3所示，揮發(fā)的蒸汽可以帶走一部分傳入的熱量，其效果取決于揮發(fā)氣體的顯熱于潛熱之比。分析如下：從室溫傳給蒸汽冷卻屏的熱量(4.8)(4.9)屏與內(nèi)膽之間的傳熱可類似地表達(dá)成：(4.10)排氣吸收的顯熱為：(4.11)由能量平衡方程(4.12)并由式(3-8)、(3-10)和(3-11)得設(shè)則即(4.15)(4.13)(4.14)圖4-4帶汽冷屏的低溫貯存容器的汽冷屏溫度比與熱導(dǎo)比的關(guān)系介質(zhì)72.96.376.401.140.87表4-6低溫介質(zhì)的顯熱與潛熱比圖4-4所示， 值越大，汽冷屏溫降越大。表4-6所示，液氦容器采用蒸汽冷卻屏效果最為顯著，而對(duì)其它液體的容器，其效果不是太明顯。圖4-5 具有汽冷屏的漏熱與無(wú)汽冷屏的漏熱之比隨熱導(dǎo)比的關(guān)系，則汽冷屏若通過(guò)汽冷屏的蒸汽質(zhì)流量屏溫比為：(4.16)具有汽冷屏的漏熱與無(wú)汽冷屏的漏熱之比為：(4.17)該表達(dá)式可畫成圖3-5形式不銹鋼內(nèi)膽，壁厚0.5mm；銅屏，厚0.5mm；鋁屏(厚 )由厚 的填炭紙隔開。圖4-6大口徑多屏絕熱液氦杜瓦4.7

各類絕熱方法比較各種絕熱方法在低溫系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用，相應(yīng)其優(yōu)缺點(diǎn)概括如下：Ⅰ堆積絕熱

(a)泡沫型優(yōu)點(diǎn)：成本低,有一定的機(jī)械強(qiáng)度,不需真空罩。缺點(diǎn)：熱膨脹率大，熱導(dǎo)率會(huì)隨時(shí)間變化。(b)粉末或纖維型優(yōu)點(diǎn)：成本低，易用于不規(guī)則形狀，不會(huì)燃燒。缺點(diǎn)：需防潮層，粉末沉降易造成熱導(dǎo)率增大。高真空絕熱優(yōu)點(diǎn)：易于對(duì)形狀復(fù)雜的表面絕熱，預(yù)冷損失小。缺點(diǎn)：需持久的高真空,邊界表面的輻射率要小。真空粉末（或纖維）絕熱優(yōu)點(diǎn)：不需要太高的真空度，易于對(duì)形狀復(fù)雜的表面絕熱。缺點(diǎn)：震動(dòng)負(fù)荷和反復(fù)熱循環(huán)后易沉降壓實(shí)。多層絕熱優(yōu)點(diǎn)：絕熱性能優(yōu)裕，重量輕，與粉末絕熱比相對(duì)預(yù)冷損失小，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：費(fèi)用較大，難以對(duì)復(fù)雜形狀絕熱，抽成高真空不易，抽空工藝較復(fù)雜。高真空多屏絕熱優(yōu)點(diǎn)：絕熱性能最優(yōu)。缺點(diǎn)：僅對(duì)于液氦或液氫容有較顯著的效果，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。4.8

低溫貯運(yùn)低溫貯運(yùn)設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)一般包括：容器本體低溫液體的注入、排出及蒸發(fā)氣體回收系統(tǒng)檢查儀表及管道閥門配件

(4)安全設(shè)施(5)其它附件4.8.1

絕熱形式一般可按下列原則決定：(1)低沸點(diǎn)的液體貯存采用高效絕熱形式

(2)大型形容器選用成本低的絕熱形式(3)運(yùn)輸式及輕便型容器應(yīng)采用重量輕、體積小的絕熱形式(4)形狀復(fù)雜的容器一般不選用高真空多層絕熱(5)間隙使用或短期使用的容器宜采用高真空絕熱(6)中、小容量的液氦容器盡可能采用高真空多屏絕熱結(jié)構(gòu)4.8.2

結(jié)構(gòu)材料低溫容器內(nèi)膽的結(jié)構(gòu)材料必須保證在低溫下足夠的機(jī)械性能，即必須強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。低溫容器的外殼一般可選用價(jià)廉的碳鋼(如16MnR等)。連接內(nèi)外殼體的管道等構(gòu)件常用熱導(dǎo)率低的不銹鋼、蒙乃爾合金等。4.8.3

支撐構(gòu)件低溫容器設(shè)計(jì)中內(nèi)外筒體的支撐固定是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題支撐構(gòu)件常選用熱導(dǎo)率低而強(qiáng)度高的材料如玻璃鋼、不銹鋼等。受拉伸的構(gòu)件兩固定端應(yīng)留有一定的活動(dòng)余隙，否則由于內(nèi)膽的冷收縮拉桿受力太大，會(huì)在兩固定端產(chǎn)生很大應(yīng)力。圖4-7低溫貯運(yùn)設(shè)備內(nèi)外殼支撐構(gòu)件的典型例子4.8.4

管道圖4-8低溫貯運(yùn)設(shè)備的管道設(shè)置圖4-8示出了4種管道連接方法：方法(1)常用于多層絕熱容器，通過(guò)分別將冷熱端的真空空間延伸至內(nèi)容器和外殼外側(cè)中去的辦法使管子的冷熱端之間有一個(gè)較大的長(zhǎng)度，管子相應(yīng)具備一定的收縮余量；方法(2)設(shè)計(jì)不合理，內(nèi)膽液體中管線水平部分將有蒸汽冷凝，冷凝的液體可沿水平管流向熱端，在熱端蒸發(fā)，從而導(dǎo)致管線冷熱端之間的蒸發(fā)—冷凝對(duì)流傳熱過(guò)程，產(chǎn)生很大的熱流；方法(3)采用了一垂直上升彎頭可避免(2)中的對(duì)流問(wèn)題，采用一波紋管用以冷熱收縮補(bǔ)償，由于波紋管設(shè)在絕緣層中，因而難以修理，相應(yīng)可靠性較差，不到萬(wàn)不得已，一般不采用；方法(4)為最佳設(shè)置，與(3)相比，將波紋管設(shè)置在容器殼體外側(cè)，因而修理方便。4.8.5

容器的排液低溫容器的液體排放一般有三種方法：內(nèi)膽的自增壓外部氣體對(duì)容器內(nèi)膽的加壓

(c)液泵輸送圖4-9

表示出了這三種輸液方式圖4-9低溫容器的三種輸液方式4.8.6

安全裝置大型低溫貯運(yùn)設(shè)備的安全裝置主要有：(1)內(nèi)膽安全閥

(2)內(nèi)膽防爆膜裝置(3)絕熱夾套防爆膜裝置見(jiàn)圖4-10圖4-10低溫貯槽上的基本安全裝置內(nèi)膽安全閥通常為彈性安全閥，它的尺寸由下式?jīng)Q定(美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)）(4.18)值得注意的是安全閥有：全啟式和微啟式兩種(1)對(duì)全啟式安全閥(2)對(duì)微啟式安全閥平面型密封面錐形密封面(4.19)(4.20)(4.21)(4.22)內(nèi)膽防爆膜裝置與安全閥并列布置，其起到當(dāng)安全閥失靈或容量不夠造成內(nèi)膽過(guò)壓時(shí)第二道安全保護(hù)作用，其爆破壓力一般為內(nèi)膽設(shè)計(jì)表壓的120%。絕熱夾套防爆膜裝置用于防止外殼受破壞或內(nèi)膽因外部受壓而變形。一般來(lái)說(shuō)，夾套防爆裝置的爆破壓力設(shè)計(jì)為0.035~0.05MPa表壓。4.9

低溫絕熱容器的設(shè)計(jì)方法低溫絕熱容器設(shè)計(jì)中主要應(yīng)考慮兩個(gè)方面，即熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。4.9.1

熱設(shè)計(jì)低溫容器的熱設(shè)計(jì)包括絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各類熱流計(jì)算。一般都包括下列幾個(gè)方面的熱流量：殘余氣體分子的熱導(dǎo)Q1絕熱空間及管口的輻射傳熱Q2序號(hào)兩表面的形狀Fe1無(wú)限長(zhǎng)同心圓筒,半徑為r1,r2,內(nèi)圓筒計(jì)為12半徑為r1、r2的同心球面,內(nèi)球面計(jì)為13無(wú)限長(zhǎng)兩平行表面4面1被比它大得多的面2所包圍,1、2表面形狀不定表4-7在F1-2=1時(shí),不同情況下的FeC=1.135×材料名稱表面與加工情況4K20K77K300K備注鋁拋光的光潔表面0.0110.018C=0.037.39×n=0.667粗糙表面0.055鋁箔0.018滌綸薄膜雙面噴鋁0.04紫銅拋光的干凈表面0.010.016C=0.0306.67×n=0.292銅箔0.011不銹鋼0.020.050.08C=n=0.3421.55×黃銅拋光的干凈表面0.0180.0290.03n=0.125表4-8低溫容器常用材料的輻射率機(jī)械構(gòu)件的熱導(dǎo)Q3①對(duì)于沒(méi)有冷氣冷卻的構(gòu)件，Q3可寫成或?qū)懗?4.23)(4.24)②對(duì)于冷氣冷卻的構(gòu)件，如頸管導(dǎo)熱,則需引入冷量回收因子進(jìn)行計(jì)算材料\溫區(qū)(K)77～3004～3004～771～40.1～1尼龍0.310.270.170.0060.001派力克斯玻璃0.820.680.250.060.006不銹鋼12.310.34.50.20.06康銅2018140.4