低温真空截止阀真空性能分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安航天动力试验技术研究所 作者:张磊

  介绍了真空截止阀在低温环境下真空度的性能,对低温真空度和传热进行了分析探讨,通过实验计算为低温真空阀在生产加工和实际应用中提供了有利的指导和理论依据,对于低温材料选择,结构设计具有一定参考价值。

  低温真空截止阀主要应用在对低温液体的操作与控制中,由于低温液体的饱和温度极低,因此对低温液体来说,不可避免有热量进入,为了尽量减少热损耗,低温液体的贮存、运输以及流量控制都采用了优良的绝热真空结构,就绝热真空结构而言,其关键在于如何长时间有效地保持其阀体夹层的真空度在一个较为理想的状态下,成为国内外低温真空技术研究的重点和难点。针对真空截止阀在实际生产使用过程中,如何保持较高真空度方面做了大量实验和分析研究。

1、真空夹层气体特性

  真空截止阀的真空部分主要由内阀体和外阀体的中间夹层组成,夹层中气体越多,对流传热就越剧烈,为减少对流换热的影响,要对夹层进行抽真空处理,残余气体的传热属于气体的能量迁移,对于真空夹层的气体导热随着夹层压强的不同,气体的导热机理不相同。真空夹层的残余气体的传热分三种情况,分别是:低真空、中真空和高真空,就高真空而言,气体分子的平均自由程大于容器尺寸,分子间相互碰撞的几率很低,分子与界面的碰撞比分子间的相互碰撞频繁得多,气体中各处温度相等,气体分子可以由一个壁面飞向另一个壁面,每个分子在两个壁面之间飞渡传输热量,传热量与单位时间内飞渡的分子数成正比,即气体的导热率与气体的密度成正比,与压强成正比,在高真空区实际上不存在对流热交换,高真空的气体导热属于自由分子导热,导热率最小。对于同轴圆筒夹层气体导热,单位时间内的传热表达式为:

低温真空截止阀真空性能分析

低温真空截止阀真空性能分析

2、低温下吸附剂对真空度的影响

  对于真空多层绝热阀,随着使用时间的延长,夹层内真空度会慢慢降低。夹层的气体并不是一类气体分子,而是多种气体的混合物,夹层气体的主要来源是内、外不锈钢管的放气,缠绕层、内外管支撑及其它固体杂质的放气。金属的放气是夹层气体的主要来源,金属放气主要成分是氢。实验对实际真空阀门残留气体取样分析,夹层中气体组成的含量依次为氢、氮、氧、氩、水蒸气、二氧化碳和氦气,其中,氢的含量最高,可达到95%。

  在液氢温度下,除氢和极少量的氦外,氮、氧、氩、水蒸气、二氧化碳等其它所有气体均被冷凝成固体,同时由于吸附剂的作用,夹层中只有少量氢存在。在液氧温度下,分子筛对氢的吸附能力很差,其它所有的杂质气体均被分子筛所吸附或者被凝固。由于氢来源于真空阀封口时残存气体和氦质谱检漏的氦气,氦的含量极微,可以近似认为在液氧温度下真空夹层内全部为氢。在液氧温度下,5A 分子筛对氢的吸附能力很差,每克分子筛吸附氢的量仅为0.01cm3(标态),可以近似认为不吸附。而在液氧温度下,分子筛对氧、氮、氩均有相当好的吸附能力。在液氢温度下,分子筛对氢的吸附能力就变得非常强,在20K 温度和1.33×10-4 Pa 下,分子筛对氢的吸附容量大于160cm3(标态)/g。因为压力越高,分子筛吸附能力越强,所以在液氧温度下,夹层压力更高(>1.33×10-4 Pa)时,分子筛对氧、氮、氩的吸附容量最低都要大于1cm3(标态)/g。

3、低温下气体压强与漏热分析

  根据常温下夹层氢气组分的体积百分比计算出夹层氢的分压,然后根据分压计算出夹层内氢的比容,而常温下和液氧温度下夹层内氢的比容是相同的,然后根据氢比容不变这一条件,计算出在液氧温度下夹层内氢气的压力。因为此时夹层内只有氢气为气态,氢的压力也就是液氧温度下真空阀夹层的压力。然后根据液氧温度下真空阀夹层的压力、结构尺寸,夹层缠绕层数计算出真空阀的固体导热、辐射传热、对流换热量,最终求得在不同初始真空度下真空阀换热量。基于表1 可以看出,真空阀夹层常温气压在0.1Pa 以下时,残余气体对流换热所产生的热损失才与导热和辐射热在同一个数量级,真空阀抽至0.01Pa 时,气体对流换热所产生的热损失只占

表1 夹层压强与氢含量下总漏热

低温真空截止阀真空性能分析

  基于表1 可以看出,真空阀夹层常温气压在0.1Pa 以下时,残余气体对流换热所产生的热损失才与导热和辐射热在同一个数量级,真空阀抽至0.01Pa 时,气体对流换热所产生的热损失只占总热损失的10%以下,此时辐射所引起的热损失成为真空阀漏热的主要因素,继续抽真空,真空阀的总漏热量几乎没有降低,所以当真空夹层内抽至0.01Pa 时,继续抽真空对阀绝热性能的提升很小,夹层的氢含量对真空阀总漏热有影响,随着氢含量的升高,真空阀在低温下的漏热量升高,真空阀夹层常温气压在1Pa 以上时真空管总漏热量基本与氢含量成倍比关系,真空阀夹层常温气压在0.1Pa 以下时,真空阀总漏热量与氢含量几乎没关系。

4、阀体内残余气体传热实验分析

  液氧,液氢在经过真空管道及真空截止阀后,1-2 小时对真空阀残余气体漏热与常温下夹层压强进行了测试,实验计算结果表明夹层低温压强对应的常温压强,与夹层中氢含量和吸附剂的吸附能力密切相关,如果吸附剂的装填量足够多,也即吸附剂在低温下能够吸附气体的量大于夹层中可能存在的不凝性气体的量,对液氢输送中,可允许稍低的真空度。常温夹层压强在40Pa以上残余气体漏热与压力成非线性关系,如图1所示。同时在夹层低压强的状态对残余气体的漏热进行了计算分析如图2 和图3,实验结果表明低压状态下残余气体的漏热与夹层压强成线性关系,常温下夹层压强降低阀体内残余气的漏热变化幅度较低。

低温真空截止阀真空性能分析

图1 DN150 低温真空阀残余气体导热与夹层压强的关系

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图2 DN150 低温真空阀在低压强下的导热关系

低温真空截止阀真空性能分析

图3 DN150 低温真空阀在低压强下的导热关系

5、小结

  通过对低温绝热真空阀夹层内真空度分析,得到了影响真空度的主要原因,为真空阀在生产与加工环节提供了理论依据, 对低温阀门生产过程中低温材料的选则,以及如何长期有效保持阀门夹层内真空度提出了理论依据和指导。

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