填炭纸在高真空多层绝热中液氮温度下的吸气性能测试

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海交通大学制冷与低温工程研究所 作者:谢斯卫

  通过实验获得了填炭纸在液氮温度下对N2 和H2 两种气体的等温吸附线,结果表明: 填炭纸对N2 的吸附效果非常好,对H2 的吸附效果较差,相同平衡压力下对N2 的吸附量比对H2 的吸附量高出1~ 2 个数量级,且在填炭纸外包上绝热材料能大大提高其对气体的吸附能力,尤其是对N2 的吸附量能提高1~ 2个数量级,对H2 的吸附量也能提高1 倍以上,填炭纸对H2 的吸附效果是活性炭的3~ 15 倍。用Temkin 吸附式对等温吸附线进行拟合,得到了填炭纸在10-4~ 10 Pa 范围内适用的对N2 和H2 两种气体的等温吸附方程式。

  高真空多层绝热又称/超级绝热,是目前低温压力容器广泛采用的绝热方式之一。绝热夹层的真空度是保证真空绝热低温容器之绝热性能的关键因素,为了达到良好的绝热目的,一般要求夹层真空度在1× 10- 2 Pa 以上。而夹层材料的放气和容器的漏气,会导致夹层真空度逐渐降低,从而影响容器的绝热性能。因此,夹层高真空度的维持关系到压力容器的使用寿命。在夹层设置吸附剂对于有效保持夹层空间的真空度具有重要的作用,夹层的真空寿命很大程度上取决于吸附剂的特性、装入量以及能否充分发挥作用等。引起夹层真空度变化的主要原因是内外筒体漏气和夹层材料放气。漏入夹层的气源是空气,而N2和O2 占空气组分的99%,因此漏入夹层的气体主要为N2 和O2,文献表明液氮温度下活性炭对N2 和O2 的吸附能力差别不大,所以只需选取其中一种气体做吸附测试。另外,国内外的大量测试表明 ,低温压力容器的金属材料及多层绝热材料,在100 摄氏度以上热环境中,真空放气一段时间后,放气组分中H2 占放气的70% ,并且高真空多层绝热容器的夹层内的放气量远远大于实际的漏气量,H2 是影响夹层真空度下降的主要原因,因此,在低温低压下,吸气剂吸附N2 和H2 的能力对夹层真空度的维持显得至关重要。

  填炭纸作为一种优良的间隔材料被广泛地应用在低温容器中,其不仅具有很好的绝热效果,更重要的是其在低温下的吸气性能能有效降低绝热材料的层间压强,从而大大降低绝热材料的表观导热系数。填炭纸在低温下的吸附原理为物理吸附,因此需紧贴内筒体的外壁放置,这样填炭纸的温度会降低到接近低温液体的温度,从而提高其吸附气体的能力。

  尽管活性碳为紧贴内筒外壁放置,但受环境漏热的影响,填炭纸的温度并不是都等于低温液体的温度,远离内筒外壁填炭纸的温度要比靠近内筒外壁填炭纸的温度高,且环境漏热越大,温差越大。文献指出,当活性碳的温度从77 K 上升到90 K 时,其吸附气体的能力会大大降低,因此,填炭纸的温度能否都保持在低温液体的温度直接影响到其吸附气体的能力。要保证全部填炭纸的温度都接近低温液体的温度须尽可能地减少从环境漏入到填炭纸中的热量。本次实验将通过在填炭纸外包裹多层绝热材料的方法来研究环境漏热对填炭纸吸附能力的影响。

  图1 为典型多层绝热表观导热系数和压强之间的关系,当真空度较低即p > 10 Pa 时,真空度变化对热导率的影响不大; 当真空度为10~ 10- 2 Pa 区间时,随着真空度的提高,热导率急速下降; 当真空度优于10- 3 Pa 时,热导率趋近恒定值。因此,获得填炭纸在10- 4~ 10 Pa 区间的等温吸附线具有非常重要的意义。

多层绝热材料有效导热率与残余气体压力的关系

图1 多层绝热材料有效导热率与残余气体压力的关系

  3、结论

  (1) 77 K 温度下,填炭纸对N2 的吸附效果很好,对H2 的吸附效果较差,相同平衡压力下对N2 的吸附量比对H2 的吸附量高出1~ 2 个数量级,这是N2在77 K 温度下的填炭纸中被大量冷凝吸附所致。

  (2) 77 K 温度下,在填炭纸外包上绝热材料能显著提高其对气体的吸附效果,尤其是对N2 的吸附量能提高1~ 2 个数量级,对H2 的吸附量也能提高1 倍以上。

  (3) 77 K 温度下,填炭纸对N2 的吸附效果较活性炭差,但填炭纸对H2 的吸附效果是活性炭的3~ 15倍,对低温容器夹层真空度的维持具有重要的意义。

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