高真空多層絕熱低溫容器完全真空喪失實驗及傳熱機理研究.pdf

1、高真空多層絕熱低溫容器發(fā)生突然、完全的真空喪失（下稱“低溫容器真空喪失”），是其在使用過程中遇到的一種極端工況。發(fā)生該類事故后，其絕熱夾層內(nèi)部的傳熱過程復雜，對低溫液體貯存的影響也非常大。以往針對低溫容器發(fā)生真空喪失事故后的研究大多是驗證設備的安全性與可靠性，研究結果的通用性較差，難以推廣應用；同時以往研究的重點集中在低溫容器真空喪失后宏觀量（容器的蒸發(fā)率、漏熱量、升壓速度等）的獲取上，對其內(nèi)在傳熱機理的分析與研究很少。為了全面了解發(fā)生

2、完全真空喪失事故對高真空多層絕熱低溫容器絕熱夾層絕熱及低溫液體貯存過程的影響規(guī)律，本論文對這一可能引發(fā)重大安全事故的極限工況采用實驗研究與理論分析、數(shù)值模擬相結合的方法進行更系統(tǒng)、更深入的研究，主要完成了以下研究內(nèi)容：
　?。?）提出了低溫容器真空喪失后絕熱夾層的非冷凝逐層傳熱計算模型。全面討論了可能影響低溫容器絕熱夾層傳熱的各項參數(shù)對其真空喪失后絕熱夾層傳熱造成的影響。結果表明，低溫容器外筒體壁面溫度、絕熱材料層數(shù)、破空氣體性質

3、以及絕熱材料包扎密度都是影響其完全真空喪失后絕熱夾層傳熱的關鍵因素；間隔物導熱系數(shù)對低溫容器真空喪失后絕熱夾層傳熱的影響較??；低溫容器的高度則對真空喪失后低溫容器絕熱夾層的傳熱沒有影響。
　?。?）實驗研究了低溫容器初始充滿率及絕熱材料層數(shù)對低溫容器真空喪失后絕熱夾層傳熱的影響。結果表明，絕熱材料層數(shù)對低溫容器真空喪失后液相區(qū)內(nèi)筒體外壁面的熱流密度有重要影響，而低溫容器初始充滿率對其卻沒有顯著影響。實驗結果與本文建立的傳熱模型所得

4、到計算結果的變化趨勢完全一致，驗證了計算模型的正確性。
　?。?）實驗研究了不凝結氣體、可凝結氣體、可凝華氣體及混合氣體分別作為破空介質時，對低溫容器真空喪失后絕熱夾層傳熱的影響。結果表明，可凝結氣體、可凝華氣體及混合氣體進入低溫容器的絕熱夾層后從兩個方面影響夾層內(nèi)的傳熱：一是氣體的凝結和凝華放熱使絕熱夾層的傳熱在真空喪失初始階段急劇增強；二是由凝結和凝華生成的液體和固體附著于容器的內(nèi)筒體和絕熱材料上而加強了真空喪失穩(wěn)定后的傳熱。

5、提出了凝結和凝華氣體進入低溫容器絕熱夾層后傳熱過程中綜合導熱系數(shù)（λcom）的概念，根據(jù)實驗結果獲取了二氧化碳和氧氣進入液氮容器絕熱夾層后，λcom隨時間及絕熱材料層數(shù)的變化關系式。
　?。?）實驗研究了低溫容器初始充滿率及絕熱材料層數(shù)對其真空喪失后貯存過程的影響。結果表明，低溫容器初始充滿率和絕熱材料層數(shù)都是影響低溫容器真空喪失后貯存過程的重要因素。結合實驗結果對АгафоновИ.М.提出的低溫容器升壓計算模型進行了拓展，使其

6、適用于較高熱流密度（180～220W/m2及280～320W/m2）條件下的低溫容器無排放升壓過程計算。拓展后的計算模型可以較好的計算出低溫容器真空喪失后的升壓過程(兩者間的最大相對誤差低于23％)。
　?。?）采用雙流體模型對低溫容器真空喪失后貯存過程中的液體流動及溫度分層現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬。利用該模型獲得的計算結果與實驗結果有較好的吻合度(兩者間的最大相對誤差低于3%)，能夠較為準確的描述低溫容器真空喪失后貯存介質的瞬時流動及