填炭紙?jiān)诟哒婵斩鄬咏^熱中液氮溫度下的吸氣性能測(cè)試

2013-08-17 謝斯衛(wèi) 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所

　　通過實(shí)驗(yàn)獲得了填炭紙?jiān)谝旱獪囟认聦?duì)N2 和H2 兩種氣體的等溫吸附線，結(jié)果表明: 填炭紙對(duì)N2 的吸附效果非常好，對(duì)H2 的吸附效果較差，相同平衡壓力下對(duì)N2 的吸附量比對(duì)H2 的吸附量高出1~ 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，且在填炭紙外包上絕熱材料能大大提高其對(duì)氣體的吸附能力，尤其是對(duì)N2 的吸附量能提高1~ 2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)H2 的吸附量也能提高1 倍以上，填炭紙對(duì)H2 的吸附效果是活性炭的3~ 15 倍。用Temkin 吸附式對(duì)等溫吸附線進(jìn)行擬合，得到了填炭紙?jiān)?0^-4~ 10 Pa 范圍內(nèi)適用的對(duì)N2 和H2 兩種氣體的等溫吸附方程式。

　　高真空多層絕熱又稱/超級(jí)絕熱，是目前低溫壓力容器廣泛采用的絕熱方式之一。絕熱夾層的真空度是保證真空絕熱低溫容器之絕熱性能的關(guān)鍵因素，為了達(dá)到良好的絕熱目的，一般要求夾層真空度在1× 10^{- 2} Pa 以上。而夾層材料的放氣和容器的漏氣，會(huì)導(dǎo)致夾層真空度逐漸降低，從而影響容器的絕熱性能。因此，夾層高真空度的維持關(guān)系到壓力容器的使用壽命。在夾層設(shè)置吸附劑對(duì)于有效保持夾層空間的真空度具有重要的作用，夾層的真空壽命很大程度上取決于吸附劑的特性、裝入量以及能否充分發(fā)揮作用等。引起夾層真空度變化的主要原因是內(nèi)外筒體漏氣和夾層材料放氣。漏入夾層的氣源是空氣，而N2和O2 占空氣組分的99%，因此漏入夾層的氣體主要為N2 和O2，文獻(xiàn)表明液氮溫度下活性炭對(duì)N2 和O2 的吸附能力差別不大，所以只需選取其中一種氣體做吸附測(cè)試。另外，國內(nèi)外的大量測(cè)試表明，低溫壓力容器的金屬材料及多層絕熱材料，在100 攝氏度以上熱環(huán)境中，真空放氣一段時(shí)間后，放氣組分中H2 占放氣的70% ，并且高真空多層絕熱容器的夾層內(nèi)的放氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際的漏氣量,H2 是影響夾層真空度下降的主要原因，因此，在低溫低壓下，吸氣劑吸附N2 和H2 的能力對(duì)夾層真空度的維持顯得至關(guān)重要。

　　填炭紙作為一種優(yōu)良的間隔材料被廣泛地應(yīng)用在低溫容器中，其不僅具有很好的絕熱效果，更重要的是其在低溫下的吸氣性能能有效降低絕熱材料的層間壓強(qiáng)，從而大大降低絕熱材料的表觀導(dǎo)熱系數(shù)。填炭紙?jiān)诘蜏叵碌奈皆頌槲锢砦剑虼诵杈o貼內(nèi)筒體的外壁放置，這樣填炭紙的溫度會(huì)降低到接近低溫液體的溫度，從而提高其吸附氣體的能力。

　　盡管活性碳為緊貼內(nèi)筒外壁放置，但受環(huán)境漏熱的影響，填炭紙的溫度并不是都等于低溫液體的溫度,遠(yuǎn)離內(nèi)筒外壁填炭紙的溫度要比靠近內(nèi)筒外壁填炭紙的溫度高，且環(huán)境漏熱越大，溫差越大。文獻(xiàn)指出，當(dāng)活性碳的溫度從77 K 上升到90 K 時(shí)，其吸附氣體的能力會(huì)大大降低，因此，填炭紙的溫度能否都保持在低溫液體的溫度直接影響到其吸附氣體的能力。要保證全部填炭紙的溫度都接近低溫液體的溫度須盡可能地減少從環(huán)境漏入到填炭紙中的熱量。本次實(shí)驗(yàn)將通過在填炭紙外包裹多層絕熱材料的方法來研究環(huán)境漏熱對(duì)填炭紙吸附能力的影響。

　　圖1 為典型多層絕熱表觀導(dǎo)熱系數(shù)和壓強(qiáng)之間的關(guān)系，當(dāng)真空度較低即p > 10 Pa 時(shí)，真空度變化對(duì)熱導(dǎo)率的影響不大; 當(dāng)真空度為10~ 10^{- 2} Pa 區(qū)間時(shí)，隨著真空度的提高，熱導(dǎo)率急速下降; 當(dāng)真空度優(yōu)于10^{- 3} Pa 時(shí)，熱導(dǎo)率趨近恒定值。因此，獲得填炭紙?jiān)?0^{- 4}~ 10 Pa 區(qū)間的等溫吸附線具有非常重要的意義。

多層絕熱材料有效導(dǎo)熱率與殘余氣體壓力的關(guān)系