上海交通大学-制冷原理与技术--3-3

第三节低温绝热,3.3.1低温绝热原理,3.3.2堆积绝热,3.3.3高真空绝热,3.3.4真空粉末（或纤维）绝热,3.3.5高真空多层绝热,3.3.6高真空多屏绝热,3.3.7各类绝热方法比较,3.3.8低温贮运,3.3.9低温绝热容器的设计方法,第三节低温绝热,低温贮运流体被液化并纯化到一定水平后就必须设法贮存和运输。,低温液体的运输一般有两种方法：,(1)用低温槽车或低温容器运送。,(2)管道输送,低温贮运设备的关键在于其绝热形式和特定的结构设计。,3.3.1低温绝热原理,“绝热”并不是完全的热隔绝，只是把热量传递(导热,对流和幅射)减少到尽可能低的程度。,低温绝热可分为五种类型：,(1)堆积绝热；(2)高真空绝热；(3)真空粉末（或纤维）绝热；(4)高真空多层绝热；(5)高真空多屏绝热。,表3-8:泡沫绝热材料的表观热导率,设冷热边界温度分别为77K和300K.,表3-9粉末或纤维型堆积绝热的表观热导率设冷热边界温度分别为90K和300K,3.3.2堆积绝热,堆积绝热一般可分为泡沫型绝热和粉末或纤维型绝热两种类型。,泡沫型绝热材料(如泡沫聚氨脂、泡沫聚苯乙烯、泡沫玻璃、橡胶等)为非均质材料，其导热率主要取决于其密度以及发泡气体，此外还有绝热层的平均温度。,粉末或纤维型绝热的主要缺点是水蒸汽和空气能通过绝热层渗入到冷表面，除非设置蒸汽阻挡层即防潮层。,3.3.3高真空绝热,采用真空绝热即能消除传热的两个主要因素即固体导热和气体对流换热。,两表面之间的辐射传热可由斯蒂芬玻尔兹曼定律描述：,(3-133),对于低温容器,对于同心球体或圆柱体,通过在冷热两表面之间间隔辐射屏(一般为高反射率的材料)可大大减少热辐射。,(3-135),高真空绝热中，内外容器壳体之间传热量Q可表示为：,(3-136),(3-137),式中的分别为气体分子在表面的温度适用系数(见表3-10),(3-138),若冷表面积近似等于热表面积，则,表3-10不同温度下几种气体的a值,表3-11计算系数,与,3.3.4真空粉末（或纤维）绝热,图3-134气体压力对真空粉末（目珠光砂）绝热性能的影响。残余气体为氮气，绝热层冷热侧温度分别为和。,典型绝热层的表观热导率于气体压力的关系示于图3-134,真空粉末中掺入铜或铝片(包括颗粒)可有效地抑制辐射热，该类绝热被称为真空阻光剂粉末绝热,在室温和液氮温区内真空粉末绝热性能优于单纯的高真空绝热。,密度(,0.95,1.90,1.60,0.59,1.20,1.70,表3-12真空粉末(或纤维)绝热的表观热导率，冷热二侧温度分别为77K和300K,残余气体压力小于0.1Pa。,层密度(,3.7,7.8,3.4,1.4,1.4,1.5,0.92,表3-13:几种典型的多层绝热表观热导率,对应冷热边界分别为77K和300K,残余气体压力小于1.3mPa。,3.3.5高真空多层绝热,图3-135典型真空多层绝热与残余气体压力的关系绝热层密度24层/cm,冷热边界分别为77K和300K,从3-135图中可以看到为保证其高效的绝热性能，真空度应达0.01Pa以上。,多层绝热体密度取决于辐射屏的厚度和密度所采用的间隔物材料以及层密度，可用下式表示,(3-141),高真空多层绝热的热量传递主要由热辐射和绝热层内固体热导组成，表观热导率可表示为,(3-142),3.3.6高真空多屏绝热,图3-136蒸汽冷却屏低温贮存容器,NEXT,如图3-136所示，挥发的蒸汽可以带走一部分传入的热量，其效果取决于挥发气体的显热于潜热之比,分析如下：从室温传给蒸汽冷却屏的热量,(3-143),(3-144),屏与内胆之间的传热可类似地表达成,(3-145),排气吸收的显热为,(3-146),由能量平衡方程,(3-147),并由式(3-143)、(3-144)和(3-146)得,设,则,即,(3-148),图3-137带汽冷屏的低温贮存容器的汽冷屏温度比与热导比的关系,表3-14低温介质的显热与潜热比,图3-137所示，值越大，汽冷屏温降越大,表3-14所示，液氦容器采用蒸汽冷却屏效果最为显著，而对其它液体的容器，其效果不是太明显,图3-138具有汽冷屏的漏热与无汽冷屏的漏热之比随热导比的关系,若通过汽冷屏的蒸汽质流量，则汽冷屏屏温比为,具有汽冷屏的漏热与无汽冷屏的漏热之比为,该表达式可画成图3-138形式,(3-149),(3-150),图3-139大口径多屏绝热液氦杜瓦,1.不锈钢内胆，壁厚0.5mm;2.铜屏，厚0.5mm3.铝屏(厚)由厚的填炭纸隔开,3.3.7各类绝热方法比较,各种绝热方法在低温系统中都有广泛应用，相应其优缺点概括如下：,1、堆积绝热,(a)泡沫型优点：成本低,有一定的机械强度,不需真空罩缺点：热膨胀率大，热导率会随时间变化。,(b)粉末或纤维型优点：成本低，易用于不规则形状，不会燃烧缺点：需防潮层，粉末沉降易造成热导率增大,2、高真空绝热,优点：易于对形状复杂的表面绝热，预冷损失小,3、真空粉末（或纤维）绝热,优点：不需要太高的真空度，易于对形状复杂的表面绝热,缺点：需持久的高真空,边界表面的辐射率要小,缺点：震动负荷和反复热循环后易沉降压实,4、多层绝热,优点：绝热性能优裕，重量轻，与粉末绝热比相对预冷损失小，稳定性好,5、高真空多屏绝热,优点：绝热性能最优,缺点：费用较大，难以对复杂形状绝热，抽成高真空不易，抽空工艺较复杂,缺点：仅对于液氦或液氢容有较显著的效果，结构复杂，成本较高,3.3.8低温贮运,(1)容器本体(2)低温液体的注入、排出及蒸发气体回收系统(3)检查仪表及管道阀门配件(4)安全设施(5)其它附件,低温贮运设备的总体结构一般包括：,1、绝热形式,一般可按下列原则决定：,(1)低沸点的液体贮存采用高效绝热形式(2)大型形容器选用成本低的绝热形式(3)运输式及轻便型容器应采用重量轻、体积小的绝热形式(4)形状复杂的容器一般不选用高真空多层绝热(5)间隙使用或短期使用的容器宜采用高真空绝热(6)中、小容量的液氦容器尽可能采用高真空多屏绝热结构,2、结构材料,低温容器内胆的结构材料必须保证在低温下足够的机械性能，即必须强度高，抗冲击性能好。,低温容器的外壳一般可选用价廉的碳钢(如16MnR等),连接内外壳体的管道等构件常用热导率低的不锈钢、蒙乃尔合金等,3、支撑构件,低温容器设计中内外筒体的支撑固定是一个关键问题,支撑构件常选用热导率低而强度高的材料如玻璃钢、不锈钢等,受拉伸的构件两固定端应留有一定的活动余隙，否则由于内胆的冷收缩拉杆受力太大，会在两固定端产生很大应力。,图3-140低温贮运设备内外壳支撑构件的典型例子,NEXT,NEXT,4、管道,图3-141低温贮运设备的管道设置,方法(1)常用于多层绝热容器，通过分别将冷热端的真空空间延伸至内容器和外壳外侧中去的办法使管子的冷热端之间有一个较大的长度，管子相应具备一定的收缩余量；,方法(2)设计不合理，内胆液体中管线水平部分将有蒸汽冷凝，冷凝的液体可沿水平管流向热端，在热端蒸发，从而导致管线冷热端之间的蒸发冷凝对流传热过程，产生很大的热流,图3-141示出了4种管道连接方法：,方法(3)采用了一垂直上升弯头可避免(2)中的对流问题，采用一波纹管用以冷热收缩补偿，由于波纹管设在绝缘层中，因而难以修理，相应可靠性较差，不到万不得已，一般不采用,方法(4)为最佳设置，与(3)相比，将波纹管设置在容器壳体外侧，因而修理方便,5、容器的排液,低温容器的液体排放一般有三种方法：,(a)内胆的自增压；(b)外部气体对容器内胆的加压；(c)液泵输送。,图3-142示出了这三种输液方式,图3-142低温容器的三种输液方式,6、安全装置,大型低温贮运设备的安全装置主要有：,(1)内胆安全阀(2)内胆防爆膜装置(3)绝热夹套防爆膜装置,见图3-143,图3-143低温贮槽上的基本安全装置,NEXT,内胆安全阀通常为弹性安全阀，它的尺寸由下式决定(美国ASME标准）,(3-151),值得注意的是安全阀有：,全启式和微启式两种,(1)对全启式安全阀,(2)对微启式安全阀,平面型密封面,锥形密封面,内胆防爆膜装置与安全阀并列布置，其起到当安全阀失灵或容量不够造成内胆过压时第二道安全保护作用，其爆破压力一般为内胆设计表压的120%,绝热夹套防爆膜装置用于防止外壳受破坏或内胆因外部受压而变形。一般来说，夹套防爆装置的爆破压力设计为0.0350.05MPa表压,3.3.9低温绝热容器的设计方法,低温绝热容器设计中主要应考虑两个方面，即热设计和结构设计。,1、热设计,低温容器的热设计包括绝热结构设计的各类热流计算。一般都包括下列几个方面的热流量：,(i)残余气体分子的热导Q1,(ii)绝热空间及管口的辐射传热Q2,表3-15在时,不同情况下的Fe,C=7.39,C=6.67,C=1.135,C=1.55,表3-16低温容器常用材料的辐射率,(iii)机械构件的热导Q3,对于没有冷气冷却的构件，Q3可写成,或写成,(3-152)