真空多层缠绕小储罐绝热性能

这是一篇关于真空多层缠绕小储罐绝热性能的思维导图，主要内容包括：传热机理，真空度，真空性能保持，多层绝热材料，绝热性能表征。

真空多层缠绕小储罐绝热性能

• 传热机理
  • 辐射60% 《基于高真空VD-MLI 技术的低温容器传 热及结构分析》
    • 所有温度高于绝对零度（-273.15°C）的物体都会向外辐射热量
    • 外罐壁（常温端）会以红外辐射的形式向温度极低的内罐壁辐射热量。温差越大，辐射传热越显著。在高真空环境下，这是最主要的热量传入方式。
    • 制造工艺
      • 外壳与内胆之间的表面抛光至镜面，以减少辐射传热，同时还有利于真空的获得，内胆悬挂于颈管上，减少固体的热传导，其蒸发率一般为0.12~0.2%。《低温容器与真空技术》
  • 对流
    • 真空度越高，气体分子越少，对流越弱。高真空环境，几乎忽略此项。
  • 传导40% 《基于高真空VD-MLI 技术的低温容器传 热及结构分析》
    • 固体传导
      • 内罐壳体与外罐壳体之间连接的支撑构件（一般为玻璃钢）5%
      • 颈管（内外罐连接处）
        • 对于颈管来说，增加颈管长度和 减薄颈管厚度可有效减少低温储罐热量损失，同时在一定范围内增加 保温层厚度也是减少低温储罐热量损失的有效措施。《低温储罐保温能力和承载能力的研究》
        • 计算结果表明, 对于本例容器, 通过颈管的传热 量占到总传热量的41. 7 %, 是影响容器漏热流量的 主要因素, 因此, 必须设法减少颈管的传热。根据影 响颈管传热的各个因素, 目前减少颈管的传热可以 采用的方法如下:①采用低导热系数的材料。②减 薄管壁。③增长管长。④增加内壁的粗糙度并作涂 黑处理。⑤颈管外壁抛光。⑥加绝热层。《低温容器的漏热分析与实验研究》
        • 多屏真空绝热原理
      • 管路
        • 通过测量获得罐体几何数据‚进而计算得到通过 高真空绝热层的漏热量Ｑ1为68．716Ｗ 和通过管路 系统的导热量Ｑ2为2．182Ｗ。对于通过支承结构的导热量Ｑ3‚在工况1下计 算得漏热量为82．522Ｗ‚则全模型漏热量为82．522 ×2＝165．044Ｗ（2）在低温容器支承结构的设计上‚在不影响结 构强度和刚度的前提下‚应尽量减小支承件之间的接 触面积。《高真空多层绝热低温容器整体热分析及试验验证》
      • 缠绕层本身是松软的多孔结构，固体接触点很少，导热路径长且曲折，有效降低了通过固体材料的导热。
    • 气体传导
      • 真空度越高，气体分子越少，传导越弱。高真空环境，几乎忽略此项。
• 真空度
  • 规范1：GB/T 18442的高性能要求，制造过程中的真空度需要达到 1×10⁻² Pa 量级
  • 规范2：JB/T 4780-2020《液化天然气罐式集装箱》，移动式真空绝热深冷压力容器（如LNG罐箱、罐车）的相关标准，2×10⁻² Pa（即 0.02 Pa）
  • 真空保持：5年
  • 抽真空的方法
    • 置换气
      • CO2
        • 用CO2换气加热抽空，时间缩短为单纯加热抽空（简短抽空）的1/18。《低温容器二氧化碳唤起加热抽空工艺的研究》
      • N2
        • 绝热材料放气是造成低温容器真空夹层真空失效、绝热性能恶化的主要原因。利用自建的材料放气速率实验装置，对绝热材料的放气特性、残余气体成分及影响因素进行了实验研究。实验结果表明: 绝热材料的放气特性曲线符合非金属材料扩散放气模型，残余气体成分包括H2O、N2、O2及CO2，且主要成分为H2O; 真空夹层内的 真空度越高，材料的放气速率越大; 材料表面粗糙度越大，其放气速率越大; 氮气置换空气的抽真空工艺亦可引起绝热材料的放气速率大幅度提升。《低温容器真空夹层中绝热材料放气特性实验研究》
    • 温度
      • 加热温125℃效果最优，尤其是在更换旋片泵机油之后，同时考虑到加热烘房设备的实际漏热情况，故加热温度设定在100℃－120℃， 最为有利。系统抽至低温容器的封结真空度＜0.02Pa，未烘干的需多耗时近6小时，效率降低了28%。《夹层水气对低温容器抽真空效能影响的探讨与研究》
    • 通常采用的排气工艺：单纯排气工艺，2.抽空加热排气工艺，3.空气预加热排气工艺，4.气体热冲洗和间断排气新工艺（用抽真空泵（机械泵），到达一定压力换扩散泵）《多层绝热低温容器的抽气技术》
  • 结论
    • 结论1：( 1) 内罐壁面的平均热流密度和内罐中液氮温度升高速率随低温容器夹层真空度降低而增大。当夹层真空度高于10－ 2Pa 时，通过内罐壁面的平均热流密度随夹层真空度的降低几乎不发生变化，夹层真空度处于10－2Pa～10 Pa 之间时对通 过内罐壁面的平均热流密度影响较大，夹层真空度低于10 Pa 时对通过内罐壁面的平均热流密度影响较小。《低温容器夹层真空度对内罐压升率的影响研究》
    • 结论2：当初始充满率为 50% 时，绝热夹层真空度为 1 000 Pa 时的压升率分别是 100，1，0． 001 Pa 的 1． 36 倍、2． 66 倍、5． 27 倍; 《高真空多层绝热低温容器绝热夹层真空度对内容器压升率的影响》
• 真空性能保持
  • 目的：毕龙生等对6346只低温容器的调查统计结果表明：真空性能恶化是造成低温容器性能下降和失效的最主要原因。
  • 真空规管对残余气体影响
    • 热极真空管在正常工作时灯丝会与残留的少量气体 发生 化 学 反 应，10 min 后氢气量比原来上升了 238% 。《真空规管对低温容器残余气体影响的实验研究》
  • 吸附剂
    • 化学吸附
      • 吸氢剂
        • 氧化铜
          • Ｃ ｕＯ 需要在一定温度加热才可以达到除氢的目的， 直接放入低温设备的真空夹层内很难满足。《吸气剂在高真空绝热类低温容器中的应用及其吸附性能研究综述》
        • 一氧化钯
          • 按照5年气体量计算用量
        • 放气源1：金属材料
        • 放气源2：环氧玻璃钢
        • 放气源3：热阴极真空规管
    • 物理吸附（范德瓦尔力）
      • 分子筛
        • 5A分子筛
          • 按照5年气体量计算用量
        • 夹层体积为0.038m3的低温绝热储罐使用5A分子筛作为吸附剂时所需质量为 410g，使用Ni-5A分子筛作为吸附剂时所需质量为326g，降低了20.4%的吸附剂含量。《基于多层绝热低温储罐漏放气分析的高效吸附剂的研究》
      • 活性炭
        • 氧气液罐不能用活性炭？
        • 活性炭吸附具有一定不可逆性。《活性炭和5A分子筛的特性及其在获得与保持低温容器夹层真空度中的作用》
      • 在90k(-183°C)和10^-4mm汞柱下,活性炭吸附N2的能力约为0.6cm^3/g;活性炭和5A分子筛对N2,O2,Ar,Ne，H2的吸附属于同样的数量级。《活性炭和5A分子筛的特性及其在获得与保持低温容器夹层真空度中的作用》
    • 物理吸附+化学吸附
      • 银分子筛、银吸气剂
        • 王健等测试了Ａ ｇ４ ０ ０ 和国产银分子筛在高真空多层绝热设备中吸氢性能、吸附容量、达到平衡时间、平衡压强关系， 见表７ 。实验结果表明两种载银吸气剂吸附类型均属于Ｌ ａｎｇｍｕｒｉ 吸附， 且吸附系数和饱和吸附量分别为： ８ ． ２ ８ ０ ０ 、２ ９ ． ４ ５ ｍＬ ／ ｇ 和０ ． ２ ２ ４ ２ 、２ １ ． ６ ３ ｍＬ ／ ｇ 。证实了这类载银吸气剂可以代替昂贵的Ｐ ｄＯ 吸氢剂应用于高真空多层绝热低温储罐中。《吸气剂在高真空绝热类低温容器中的应用及其吸附性能研究综述》
    • 最终得出 15% 的 Ag2 O 和 85% 的 PdO 共同做吸气剂使用，综合效果最佳。《吸气剂在低温容器中应用的研究进展》
  • 主要原因
    • 绝热材料放气是造成低温容器真空夹层真空失效、绝热性能恶化的主要原因。《低温容器真空夹层中绝热材料放气特性实验研究》
    • 大多数金属材料中都含有在冶炼过程中溶入的H2，当金属表面处于真空状态下时，H2气及其吸附气会慢慢释放出来。多层绝热材料在真空下也会不断放出气体，主要成分为氢气真空度下降的主要原因。《高真空多层绝热二氧化碳低温容器真空寿命与绝热性能分析》
    • 3) 上述( 1) 放气在经过抽真空过程可以一定程度上的消除。气源大部分是来自材料本身放出的氢气，在低温低压下氢气会随着时间缓慢放出，占总漏放气量的70 ～ 80%。Young． Calder 等［13］在研究不锈钢放气特性时发现没有经过加热的不锈钢放气速率约为1. 33 ? 10 － 8 Pa?L /( S?cm2 ) 。Dennison等［13］继续研究表明: 不锈钢在经过放气一年之后放气率下降到1. 33 ? 10 － 9 Pa?L /( S?cm2 ) ，其中99%是氢气，没有被烘烤过的碳钢放气率为1. 33 ?10 － 7 ～ 1. 33 ? 10 － 8 Pa?L /( S?cm2 ) 。Ｒeid 等［13］对多层绝热用铝箔的放气进行过研究，把铝箔置于温 度九十多度、高真空下进行放气测试，结果表明在高真空低温工况下真空度的影响不大，可以不考虑。《吸气剂在低温容器中应用的研究进展》
    • H2气则是夹层材料放气的宝要组分。试验研究表的， 不锈钢、碳钢、铝、铜等金属材料的放气组分中， 氢气占有很大比例。绝热材料如玻璃纤维纸、石英布等钩放气成分中， 气所占的比例也很大。例如， 据 资料介绍， 美国肯尼迪航天 中心曾对 39B发射场 10根真空多层绝热液氢管道真空夹层残留气体的组分作过分析， 其中绝大多数管道的 气含量在 80%以上。《活性炭和5A分子筛的特性及其在获得与保持低温容器夹层真空度中的作用》
• 多层绝热材料
  • 多层缠绕的材料通常是具有高反射率（如铝箔、镀铝聚酯薄膜）和低导热系数（如玻璃纤维纸、尼龙网）的复合材料交替叠层组成。
  • 铝箔做反射层，玻璃纤维纸作为间隔材料的阻燃型复合式绝热材料单元在高真空多层绝热结构中得到广泛的应用。
  • 填充气凝胶粉末
  • 缠绕紧度
    • 多层缠绕绝热层间隙很重要（缠绕松紧度）；太紧也不行，反射面接触间隔层《真空多层————粉末绝热》
  • 变密度多层缠绕方案
    • 应用Ｌｏｃｋｈｅｅｄ 分析模型对不同边界温度、不同层数下的多层绝热材料的 绝热性能进行预测，得到最佳层密度和最小热流密度；在层数一定的条件下，应用Ｌａｙｅｒ⁃ｂｙ⁃ｌａｙｅｒ 传热模型对等密度和变密度多层绝热方案的绝热性 能进行预测，分析获得了两种实用性较高的多层绝热方案。《低温容器用多层绝热材料的绝热性能研究进展》
    • （有图标证明）：为探究真空失效条件下，不同气体和夹层真空度对多层绝热传热性能的影响，搭建了真空失效实验平台，针对反 射层为50层的变密度多层绝热，采用N2，Air，Ar，CO2作为破空气体，开展了真空度为10-1，10，102，103 Pa 的真空失效试 验，并测得低温液体蒸发率和热边界温度的变化，获得了变密度多层绝热表观导热系数。《真空失效下变密度多层绝热传热性能试验研究》
    • 由表3可知，本试验多层绝热的表观导热系数与文献结果均处于同一数量级，且其表观导热系数相比于文献减小了5.5%，其原因为本试验中的多层绝热采用变密度结构布置，虽然相比于文献减少了10层反射层，但其绝热性能有所提升，同时反映了该试验系统的准确性。《真空失效下变密度多层绝热传热性能试验研究》
• 绝热性能表征
  • 静态蒸发率
    • 充满率
      • 试验结论：在上升到相同压 力时‚初始充满率越高的条件下‚容器无排放储存低温液体的时间越长‚且其压 力上升幅度较低充满率的小。分析其原因是初始充满率高的液体所占体积较大‚ 在吸收相同的热量后绝大部分热量用于增加液体的内能‚而只有少部分用于汽化 液体故初始充满率高的情况下其无排放储存时间长‚压力上升速度慢。初始充满 率低的情况则与之相反。《低温容器内压力变化规律的研究》
      • 不同充满率对储罐蒸发率的影响是不同的，通过实验研究找到了徐烈提到的最佳充满率的值是0.81，当超过这个值后储罐的蒸发率不降反增；《低温储罐蒸发率影响因素与计算方法研究》
    • 环境温度
      • 影响最大《低温储罐蒸发率影响因素与计算方法研究》
    • 环境压力
      • 对试验中得到的蒸发量与环境温度和环境压强的变化关系进行了分析‚认为环境温 度的波动虽然是容器内蒸发量波动的内因‚但表观蒸发量的波动受大气压变化的影响更大‚呈即时的相反关系。《低温容器蒸发率试验及蒸发量波动分析》
      • 瞬时蒸发流量的波动主要是受到环境压力 变化的影响，环境温度仅仅影响的是蒸发流量的平均 值。容器漏热越小，液体量越多，那么环境压力变化 的影响就越明显。《环境压力对低温容器蒸发流量的理论分析和试验验证》
    • 漏热量（传热量）
  • 维持时间