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深冷装置(一)

文字:[大][中][小] 2011-6-8    浏览次数:559    

前面《氦气知识介绍》是侧重于氦气在经贸流通中的需要。其中包括了液氦储运装置和实验装置。本文介绍深低温装置制造的某些知识。

深低温技术伴随气体产业而生存,因为大量工业气体都是由低温技术生产和储运的。国际上深低温装置制造技术已经成熟。国内引进技术后,苏州已能制造500升、250升的液氦杜瓦。国内也有企业通过自己的研究和探索能制造液氮温区的低温液体长程输运管道。近年,我国低温产业发展迅速,从业人员迅速增加。本文可作为对新从业人员培训资料,介绍深低温装置制造及维修中的一些常识和具体操作中的点滴经验。当然,深低温技术产业在我国还年轻,本文所及内容不少需要与同行切磋和探讨。

第 一 节  低温装置中热传播及其应对措施

人们制造深低温装置时的要求是:装置应具有一定的机械强度;适当的加工工艺;合理的成本;可以承受的漏热。一般是上述诸项要求经过权衡,作出最佳选择。本文只涉及液氦杜瓦和长程液氮传输管道的漏热及应对措施。从热传播开始。

热传播有三种形式:固体传导、气体传热和热辐射

1、固体热传导及应对

大家对电比较熟悉。在考虑固体热传导时,不论是电子导热还晶格导热,我们都可以把热和电作形象上比拟。温度差对应电位差﹝电压﹞;热量对应电量;热阻对电阻。尽管二者物理实质相差甚远,但数学表达却相似。热阻与固体材质有关,但在制造杜瓦和液氮输导装置时,前人已经为我们选定了不锈钢。不需我们再劳神。不锈钢的机械强度、工艺性能和成本都可人心愿。在通常状态下,不锈钢导热的导热率为普钢的二分之一;为铜的十分之一。在液氦温区附近,不锈钢导热率更显得优越。

当导热体两端温差固定时,导热量与导热体的长度成反比;导热量与导热体的截面成正比。为了减少导热,我们将导热体作得尽量长、截面尽量小。另一方面,在低温装置中,这导热体又是一个机械支撑器件。导热量小和支撑强度的要求相矛盾,我们就要两者兼顾。因此我们看到,液氦存储杜瓦的内胆仅靠一根薄壁颈管吊在外胆腔内。由于液氦杜瓦内胆需要的支撑强度小,液氦杜瓦不能充装液氮。这因为液氮密度比液氦大很多。长程液氮传输管节段间接口的法兰被异化。这样可以大大增长液氮温区至室温区的导热体长度,而降低导热量。用于物理实验的液氦杜瓦,一般作得尽量长﹝即细而高﹞,而液氦面被限止在内胆底部附近区域,以降低内胆壁和其他支撑结构的传导热量。

2、气体导热

不论是温差引起的气体对流还是无规的布朗运动,气体都是将高温区的热量传导到低温区。人们只能靠抽真空来降低气体的导热量。真空技术已经是通用的成熟技术。但是,抽高真空对低温装置的绝热层包扎操作有较高的要求。绝热层间的气体、绝热层质释放的气体、绝热层包扎时沾附的有机物等对真空的绝热性能都有一定的影响。曾有一个事例,本来三个小时能抽好的真空系统,这次却七个小时不能抽好;最后找出的原因是,该装置真空暴大气时,工作间在焊接沾着油污的铁板,真空腔内进入了机油焰气。可见,制造深低温装置时,包扎绝热层的环境需要很干净;操作人员应戴脱脂手套、不能在周围吸烟。皮肤分泌的油脂和有气味的气体分子,与绝热层物质的附着力强,造成抽真空困难。滞留在夹层的高分子物质,最终影响绝热层的绝热性能。

3、 热辐射

热辐射是最普遍的物理现象,但人们对它却陌生。所谓辐射,就是不需要中间介质的电磁波传播。例如,所有的现代声象通讯、阳光照耀大地、地外宇宙万物的能量交换等都是通过辐射。只是电磁波段不同而已﹝声象通讯借助于卫星﹞。本来,在常温下,物质的电荷在不停地运动,运动着的电荷就发射电磁波,不断将能量﹝即热量﹞发送出去。同时,每个确定物质又处于其它万物的电磁波照射之中,接受着外界的能量﹝即热量﹞。这个热现象称为热辐射。热辐射的结果是宇宙万物的温度趋向相等﹝即热平衡﹞。当然,热辐射输运的热量比固体传导和气体对流输运的热量小得多。

低温装置的隔热空间处于高真空时,它的低温区和室温区总是通过热辐射趋于热平衡﹝温度相等﹞。这就是高温区向低温区输送热量。采用什么措施可以阻止热辐射呢?就是用防辐射镜面层,且多层防护。众所周知,在金属中有大量自由电子,它们对电磁波有很好的反射作用﹝电磁学上称为屏蔽作用﹞。但是,热辐射照耀到金属上,只有一部分被反射,另一部分不被反射而透过反射面﹝即透射﹞。因此,人们就采用多个反射面来阻止热辐射传输热量。这就是包扎多层防辐射绝热层的原因。

反射面是金属作的,金属又是热的良导体。所以,金属反射面应作得很薄,技术上就采用镀金属膜。现在是采用涤纶镀铝薄膜和尼龙绝缘网相间放置。然而,多层绝热包扎时又招致固体热传导问题和层间气体难以抽真空问题。包扎层穿孔,缓解了抽真空的困难。为减少固体导热,包层应蓬松,尤其是最内层不要紧贴杜瓦内胆。在实际操作时,这种多层绝热的层数是有限的。降低热壁的发射本领可以有效地降低热辐射传输的热量。以上诸项都在实际操作中解决了。在用于物理实验的液氦杜瓦中,液氦面上部应装配十层左右防辐射屏。在真空夹层中,早年曾在包扎的多层防辐射绝缘金属铂﹝当时没有涤纶镀铝薄膜﹞间配置冷氦气冷却屏,现在也被省略了。因为涤纶镀铝薄膜和尼绒网构成的多层绝热是十分成熟的和有效的。透过多层绝热层的热量远远小于内胆壁和支撑结构传导的热量。

4、冷氦气冷量的利用问题

液氮装置已不考虑利用蒸汽的冷量。由于液氦的潜热小而冷氦气显热大,很多液氦装置中一般要利用冷氦气的冷量。但是,目前生产的液氦存储杜瓦的日蒸发率很容易小于百分之一,也不用冷屏来利用冷氦气的冷量了。只是在内胆颈管内设置冷氦气导流器件,使冷氦气来冷却颈管以降低颈管传导的热量。在用于物理实验的液氦杜瓦中,一般都用冷氦气冷却内胆壁,降低内胆壁从室温向低温的传输热量。在实际操作中,杜瓦上部的防辐射屏与其内胆之间留有适当缝隙,它作为冷氦气通道冷却着内胆壁。

5、 在液氦杜瓦中,内胆和外胆夹层空间有限时,一般采用防热辐射屏降低热辐射传输热量。

传输热量与热屏绝对温度的四次幂成正比。远洋运输的液氦罐就采用液氮防辐射冷屏,使辐射传输的热量降至无屏时的百分之三以下,大大降低了冷却成本。在夹层空间充裕的液氦储存杜瓦中,配置液氮冷屏不便操作,投入产出已不经济,液氮即被省略。包扎多层防辐射层足可以使液氦日蒸发量降至百分之一以下,冷氦气的冷屏也取消了。

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