【碩士論文】高真空多層絕熱低溫容器真空喪失試驗(yàn)研究.pdf

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1、上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文高真空多層絕熱低溫容器真空喪失試驗(yàn)研究高真空多層絕熱低溫容器真空喪失試驗(yàn)研究摘要隨著低溫技術(shù)的不斷發(fā)展，高真空多層絕熱憑借著其卓越的絕熱性能，在低溫貯運(yùn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。然而高真空多層絕熱容器的絕熱性能主要取決于容器夾層的真空度，一旦發(fā)生事故造成容器夾層真空喪失，容器的漏熱量驟增，這將導(dǎo)致容器內(nèi)壓力迅速升高。對(duì)于一些易燃易爆和有危害的氣體來(lái)說(shuō)，安全閥開(kāi)啟后直接將氣體泄放至大氣環(huán)境中無(wú)疑十分危險(xiǎn)。目前國(guó)外的真空喪失研究主要集中在航空航天領(lǐng)域，其研究對(duì)象往往受限于航天飛行器系

2、統(tǒng)，工作特點(diǎn)以及性能要求均不同于工業(yè)用低溫容器，且目前國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此對(duì)工業(yè)用高真空多層絕熱容器的真空喪失這一極端工況進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究是十分必要的。本文介紹了針對(duì)工業(yè)175L高真空多層絕熱容器進(jìn)行真空喪失試驗(yàn)的方法。試驗(yàn)中通過(guò)更換不同層數(shù)的夾層材料來(lái)獲得不同的漏熱量，應(yīng)用敞口蒸發(fā)氣體流量測(cè)試來(lái)得到不同絕熱材料下容器真空喪失后的漏熱量。通過(guò)容器密閉升壓試驗(yàn)來(lái)獲取真空喪失后不同絕熱材料和不同初始充滿率條件下的升壓曲線，同時(shí)對(duì)安全閥的工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試?？紤]到真空喪失極端工況下氣液狀態(tài)的變化，

3、試驗(yàn)中對(duì)容器內(nèi)的氣液溫度、壓力以及容器壁面、夾層溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的綜合比較分析發(fā)現(xiàn)：容器真空喪失后的平均熱流密度是高真空絕熱條件下的數(shù)十倍；夾層材料在真空喪失條件下仍起到了一定的隔熱作用；容器增壓時(shí)大部分氣體處于過(guò)熱狀態(tài)，液體則一直處于過(guò)冷狀態(tài)并吸熱升溫，且液體在升溫過(guò)程中出現(xiàn)了熱分層現(xiàn)象；容器增壓時(shí)安全閥有三種不同的工作狀態(tài)，即增壓期、安全閥穩(wěn)定工作期、安全閥不穩(wěn)定工作期，結(jié)合這三種工作狀態(tài)本文提出了處理真空喪失事故的指導(dǎo)意見(jiàn)。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文建立了真空喪失夾層傳熱計(jì)算模型，該

4、模型計(jì)算得到的漏熱量和夾層溫度分布均與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。另外，本文還針對(duì)真空喪失后容器內(nèi)低溫液體的熱分層現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)熱分層產(chǎn)生的原因及影響因素做了進(jìn)一步的分析討論。本文所圍繞的高真空多層絕熱容器真空喪失這一極端工況的試驗(yàn)研究，無(wú)論是試驗(yàn)本身還是相關(guān)的理論分析以及數(shù)值模擬，對(duì)于處理真空喪失事故都有一定的借鑒意義和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：高真空多層絕熱；真空喪失；容器升壓；夾層傳熱；低溫液體熱分層I上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論第一章緒論1.1研究背景隨著低溫技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫液體應(yīng)用的領(lǐng)域日

5、趨廣泛，各行各業(yè)對(duì)低溫貯運(yùn)設(shè)備的需求不斷增大。高真空多層絕熱憑借著其卓越的絕熱性能，在低溫貯運(yùn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。然而高真空多層絕熱容器的絕熱性能主要取決于儲(chǔ)罐夾層的真空度，一旦發(fā)生事故造成容器殼體破裂，夾層的真空環(huán)境將被破壞，容器也就喪失了其絕熱的功能。真空喪失后低溫容器的漏熱量通[1]常是高真空絕熱狀態(tài)下的數(shù)十倍，對(duì)于廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的低溫容器來(lái)說(shuō)，此時(shí)容器的安全可靠性是一個(gè)十分值得研究的課題。在工程領(lǐng)域中，對(duì)于易燃易爆氣體、有害氣體、高純氣體和貴重氣體等液化氣體，為了避免[2]損耗以及對(duì)環(huán)

6、境造成危害，經(jīng)常采用無(wú)損儲(chǔ)存的方式貯存，即液化氣體在貯運(yùn)過(guò)程中始終處于密閉狀態(tài)。當(dāng)處于密閉狀態(tài)的高真空多層絕熱容器出現(xiàn)真空喪失事故時(shí)，急劇增加的漏熱量將使容器內(nèi)壓力迅速升高，壓力達(dá)到容器安全閥設(shè)置壓力后安全閥將起跳泄放氣體減壓。然而直接將易燃易爆氣體或有害氣體通過(guò)安全閥排放到環(huán)境大氣中無(wú)疑是十分危險(xiǎn)的。所以有必要在發(fā)現(xiàn)真空喪失事故后及時(shí)采取措施對(duì)事故加以處理，而這就需要清楚的知道低溫容器真空喪失后的傳熱特性以及升壓規(guī)律。因此，有必要對(duì)工業(yè)用高真空多層絕熱容器進(jìn)行系統(tǒng)的真空喪失試驗(yàn)，以揭示其傳熱特性和

7、升壓規(guī)律，為工程應(yīng)用設(shè)計(jì)及真空喪失事故處理提供依據(jù)。1.2研究現(xiàn)狀高真空多層絕熱低溫容器的真空喪失研究大多集中在航空航天領(lǐng)域，如太空飛行器中所用的液氫儲(chǔ)罐、燃料儲(chǔ)罐、以及太空科學(xué)試驗(yàn)設(shè)備中所應(yīng)用的低溫容器等。研究主要目的是保證低溫容器在出現(xiàn)真空喪失事故后的安全性能，研究方法以地面試驗(yàn)為主，通常也進(jìn)行相關(guān)的理論計(jì)算。由于航天器中所使用的高真空多層絕熱容器為了配合整個(gè)航天器系統(tǒng)，無(wú)論在幾何結(jié)構(gòu)、絕熱性[4]能等方面都有特殊的要求，不同與工業(yè)用的低溫貯運(yùn)容器。因此沒(méi)有可以直接參照的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行

8、大量的試驗(yàn)以確保其安全性。真空喪失試驗(yàn)所測(cè)試的項(xiàng)目主要包括容器真空喪失后容器的漏熱量、升壓、泄放流量等內(nèi)容。例如國(guó)際空間合作項(xiàng)目AlphaMagneticSpectrometer(AMS)的核心部分是一個(gè)由1.8K液氦冷卻的超導(dǎo)磁體。磁體裝在高真空絕熱的液氦儲(chǔ)罐中?？紤]到太空中的安全因素，StephenM.Harrison等人做了真空喪失試驗(yàn)研究。研究的主要目的在于測(cè)量真空喪失后的熱負(fù)荷、容器升壓速度以及泄放流量等。值得一提的是，他們針對(duì)真空喪失事故設(shè)計(jì)了一種3mm厚