打孔高真空多層絕熱被的傳熱機(jī)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(jì)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(rèn)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(jī)理開展實驗研究，目標(biāo)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(dá)到的極限絕熱程度尚無專門研究，對工程應(yīng)用所能夠達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確性。
　　通過打孔多層絕熱材料的傳熱機(jī)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(jī)理進(jìn)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