減少液氫容器漏熱的關(guān)鍵技術(shù)分析

妙叢，黃磊，張震

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

1 前言

液氫容器減少漏熱的技術(shù)途徑主要就是設(shè)法減少熱量通過對(duì)流、導(dǎo)熱、輻射等途徑漏入容器。低溫絕熱和高溫“保溫”雖然原理相同，但低溫絕熱在低溫領(lǐng)域內(nèi)有著特別重要的作用。首先，作為深冷介質(zhì)的液氫，沸點(diǎn)很低，汽化潛熱小，室溫環(huán)境相對(duì)液氫來說是一個(gè)很大的熱源。另外，需要耗費(fèi)很多能量才能獲得液氫。因此，為了經(jīng)濟(jì)地獲得、貯運(yùn)和使用液氫，容器要減少漏熱。不僅如此，在整個(gè)液氫實(shí)驗(yàn)中，特別是在測(cè)量與熱量有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，必須排除周圍環(huán)境的影響，這就更需要減少漏熱。在其他應(yīng)用液氫的場(chǎng)合，差不多都要涉及減少漏熱的相關(guān)技術(shù)。

本文主要介紹了幾種減少液氫容器漏熱的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括液氫容器內(nèi)外容器間絕熱型式、絕熱材料的選型、液氫容器里層與外層間支柱構(gòu)造型式、絕熱冷屏的類型。

2 液氫容器內(nèi)外容器間絕熱型式

低溫容器里層與外層間絕熱主要有堆積絕熱、高真空絕熱、真空-粉末（或纖維）絕熱和高真空多層絕熱，如圖1所示。

圖1 各種絕熱型式

其中，堆積絕熱是最先研發(fā)的一種型式，即選用導(dǎo)熱系數(shù)小的絕熱材料填裝在必須絕熱的部位，或者在絕熱材料的縫隙中充氮?dú)饣蚱渌稍锏亩栊詺怏w，特點(diǎn)是不必抽真空，可靠性高，可是，這種方法絕熱效果不如其他三種方式，不適宜液氫容器。

高真空絕熱是一種將需要絕熱的空間的真空度抽到小于1.0MPa，以減小甚至消除空間內(nèi)氣體所產(chǎn)生的對(duì)流和熱傳導(dǎo)，這樣真空環(huán)境中只剩下輻射熱一種型式的傳熱。高真空絕熱有很多優(yōu)點(diǎn)，如精簡(jiǎn)的構(gòu)造型式、布局緊湊、生產(chǎn)方便等。有些試驗(yàn)裝置使用頻度很高，而且要求快速地升降溫，這樣的裝置就比較適合選用高真空絕熱，但要想保持高的真空度很棘手，對(duì)于大型設(shè)備來說并不適合。液氫容器對(duì)漏熱量要求更高，需要更先進(jìn)的絕熱措施。

真空-粉末（或纖維）絕熱是把多孔的粉末或者纖維填充到需要絕熱的空間里，并將空間抽到比較低的真空度的一種絕熱方式。這種絕熱方式是建立在大量的研究基礎(chǔ)上的，在低真空度下粉末顆粒或纖維距離會(huì)小于氣體分子平均自由程，這樣氣體就無法對(duì)流換熱，而且小量氣體在低真空度下熱傳導(dǎo)也會(huì)變小。然而，這種方式也有缺點(diǎn)：體積大，設(shè)備比較重。由于液氫的質(zhì)量體積比很小，對(duì)于液氫容器來說，這種絕熱方式太過于浪費(fèi)空間。

高真空多層絕熱是在真空夾層中裝有很多防輻射屏（反射率很高的金屬膜），以此降低輻射熱的一種絕熱型式，根據(jù)史蒂芬-玻爾茲曼定律，按照熱平衡的原理，并假設(shè)發(fā)射率相同的條件下，在安裝n個(gè)屏以后，輻射熱流就可以減少（n+1）倍。現(xiàn)有的液氫容器一般都選擇這種絕熱型式。

各種絕熱型式的有效導(dǎo)熱系數(shù)見圖2所示。

圖2 各種絕熱型式的有效導(dǎo)熱系數(shù)（W/K·m）

3 絕熱材料選型

高真空多層絕熱材料由高反射性、低輻射率的屏材料和導(dǎo)熱系數(shù)低的間隔材料所組成。屏材料一般用鋁箔，也有用表面噴鍍鋁的塑料薄膜的；間隔材料常用尼龍網(wǎng)、無堿玻璃纖維布(紙)、指物纖維紙等。

多層材料也可以選用單面噴鍍金屬膜塑料薄膜或波紋型的噴鋁薄膜。目前，國(guó)內(nèi)研制了鋁箔紙，單面涂二氧化硅的鍍鋁薄（又稱GS-80）、填炭紙等新型絕熱材料。表1為常見的多層復(fù)合絕熱材料特性，表2為常見組合多層材料的絕熱特性。

表1 多層復(fù)合絕熱材料特性

表2 組合多層材料的絕熱特性

多層真空絕熱的效率在很大程度上取決于屏材料和間隔材料的種類、結(jié)構(gòu)和厚度，當(dāng)然施工現(xiàn)場(chǎng)的纏繞安裝質(zhì)量也對(duì)絕熱性能產(chǎn)生了很大影響。纏繞過程中，需要保證層與層之間保證足夠的間隙，通常纏繞密度為10～50層/cm。隨著纏繞層數(shù)的增加，絕熱性能逐漸增加，但達(dá)到一定層數(shù)后便趨于不變。如圖3所示為多層絕熱的熱流密度與絕熱層數(shù)的關(guān)系。

除了總厚度的影響，單位厚度內(nèi)的層數(shù)，也就是纏繞密度對(duì)絕熱效果影響也很大，一般隨著纏繞密度的增加，輻射傳熱會(huì)減弱，多層絕熱材料之間的表觀導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)隨之降低，但如果絕熱材料被壓得太緊，固體導(dǎo)熱便開始增加，最終會(huì)抵消掉輻射熱的減少量，表現(xiàn)為表觀導(dǎo)熱系數(shù)增大。具體多層絕熱材料的熱導(dǎo)率隨層密度的變化如圖4所示。

圖4 多層絕熱材料的熱導(dǎo)率隨層密度的變化

4 液氫容器里層與外層間支柱構(gòu)造型式

液氫容器內(nèi)結(jié)構(gòu)布置形式，在很大程度上決定于內(nèi)外容器之間的相對(duì)固定方法。通常，內(nèi)容器通過懸掛裝置或者支座固定在外容器上，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮多種載荷，包括使用工況容器本體重量以及液氫重量、實(shí)驗(yàn)工況液氮重量（如有）、運(yùn)輸工況下交通工具加速及制動(dòng)帶來的沖擊載荷，此外，還要考慮地震載荷以及風(fēng)載荷以及內(nèi)容器低溫變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。最重要的，液氫容器內(nèi)外容器間支撐結(jié)構(gòu)的漏熱是需要重點(diǎn)考慮的，支撐結(jié)構(gòu)漏熱大概可以占整個(gè)液氫容器漏熱的1/3左右。因此，支撐結(jié)構(gòu)既要保證支撐強(qiáng)度要求，也必須保證漏熱量少。因此，支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)常選用不銹鋼保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)，加入玻璃鋼等接觸塊增大熱阻，減少漏熱。

內(nèi)外容器之間的懸掛裝置可以做成桿式、管式或者鎖鏈?zhǔn)健D5為臥式容器拉桿支撐結(jié)構(gòu)，拉桿材料選用高強(qiáng)度的不銹鋼，內(nèi)外容器通過四個(gè)拉桿將內(nèi)外容器固定在一起，容器頂部采用壓縮桿型式，這樣既保證了容器裝滿液氫時(shí)產(chǎn)生的冷縮量，又減少了內(nèi)外容器的接觸面積，從而減少了漏熱。圖6為管式或鎖鏈?zhǔn)綉覓煅b置，內(nèi)外容器通過懸掛裝置連接在一起，由于懸掛裝置比較長(zhǎng)，漏熱量減少。

圖5 臥式液氫容器拉桿支撐結(jié)構(gòu)

圖6 管式或鎖鏈?zhǔn)綉覓煅b置

再介紹支座，圖7為液氫容器常用的支座，包括底部支撐及側(cè)支撐。圖示底部支撐（右側(cè)）為兩根鋼管分別支撐著內(nèi)外容器，且兩根鋼管只有底部接觸，增加了傳熱路徑，以減少漏熱。圖示側(cè)支撐（左側(cè)）為玻璃鋼或其他導(dǎo)熱系數(shù)小的管狀支撐，通過減少接觸面積和更換為導(dǎo)熱系數(shù)小的支撐材質(zhì)來降低漏熱。

圖7 底部支撐與側(cè)支撐（支座）

5 絕熱冷屏的類型

隨著低溫液體長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，每天都會(huì)有少量的冷氣蒸發(fā)損耗，如果將這部分冷氣體進(jìn)行利用，可進(jìn)一步減少漏熱。利用揮發(fā)蒸汽冷卻的汽冷屏作為作為內(nèi)外容器之間的絕熱夾層，可有效抑制熱量從熱壁向冷壁傳輸。通常冷屏可分為單屏和多屏兩種，如圖8所示為單層冷屏，將冷屏和冷氣排出管相連，排出管在冷屏內(nèi)側(cè)盤旋以增加與冷屏接觸面積，使冷屏充分冷卻。多層冷屏則是在圖示蒸氣冷卻屏外再設(shè)置1到多層冷卻屏，多層冷卻屏可起到多層絕熱輻射屏的作用。

圖8 絕熱冷屏示意圖

另外，圖示為液氫蒸氣冷卻屏，還有用其他冷卻液體（比如液氮）作為冷屏冷量的冷屏安裝方式，缺點(diǎn)是需要額外的冷卻介質(zhì)容器，占用空間更大，經(jīng)濟(jì)效益不明顯，且難以滿足用戶實(shí)際廠內(nèi)設(shè)施配置情況。

6 結(jié)語

（1）液氫容器內(nèi)外容器間絕熱型式宜選用高真空多層絕熱。（2）隨著絕熱材料纏繞層數(shù)的增加，絕熱性能逐漸增加，但達(dá)到一定層數(shù)后便趨于不變，纏繞密度為10～50層/cm。（3）隨著絕熱層纏繞密度的增加，多層絕熱材料之間的表觀導(dǎo)熱系數(shù)先降低后增大。（4）液氫容器里層與外層間支柱構(gòu)造型式一般為拉桿或拉鏈與底部支撐和側(cè)支撐的組合。（5）液氫容器絕熱冷屏宜選用蒸氣冷卻屏（多層或單層）。