Про добову швидкість випаровування Дьюара при низькій температурі

Добова швидкість випаровування Дьюара є найважливішим технічним параметром для оцінки теплоізоляційних характеристик Дьюара, який може більш інтуїтивно відображати ефективність збереження холоду Дьюара. Національний стандарт вимагає верхньої межі статичної добової швидкості випаровування (робочий тиск 1,0-1,6 МПа) високовакуумної багатошарової адіабатичної рідини Дьюара, що містить рідкий азот, див. Таблицю 1:

Таблиця 1 Верхня межа статичної добової швидкості випаровування високовакуумного багатошарового адіабатичного Дьюара

Вивчення змін температури і тиску в Дьюарі, а також визначення добової швидкості випаровування Дьюара під робочим тиском за допомогою експериментів має велике значення для проектування та роботи Дьюара. У цій статті обговорюється вплив тиску Дьюара на добову швидкість випаровування та кількісно розкривається закон зміни добової швидкості випаровування залежно від тиску за допомогою експериментальних досліджень.

1 Вплив тиску на добову швидкість випаровування

Загалом, швидкість випаровування кріогенного контейнера означає швидкість випаровування відповідної кількості кріогенної рідини, що міститься в контейнері, після досягнення теплової рівноваги за стандартних умов (0°C). Зазвичай він обчислюється за допомогою, тому його також називають добовою швидкістю випаровування, тобто відношенням кількості рідини, що випаровується протягом 24 годин, до номінального об’єму контейнера.

Вплив тиску на добову швидкість випаровування в основному відображається на різниці температур і прихованій теплоті пароутворення. У сталому стані тиск насичення Дьюара відповідає температурі насичення. Чим вищий тиск насичення, тим вища температура насичення, менша різниця температур із навколишнім середовищем і тим менша тепловіддача. Але в той же час прихована теплота випаровування під тиском насичення також зменшується, а добова швидкість випаровування є відношенням теплопередачі до прихованої теплоти випаровування. Таким чином, необхідно провести якісний і кількісний аналіз добової швидкості випаровування за допомогою експериментів, щоб створити основу для практичних інженерних застосувань.

2. Експериментальний пристрій і експериментальний процес

2.1 Ознайомлення з експериментальним пристроєм

У цьому експерименті масовий витратомір використовувався для вимірювання масової витрати Дьюара під п’ятьма різними тисками, а потім була розрахована добова швидкість випаровування. В експерименті використовується низькотемпературний високовакуумний багатошаровий адіабатичний апарат Дьюара об’ємом 175 л вітчизняного виробника.

Опорна конструкція Дьюара, внутрішній резервуар і зовнішня оболонка виготовлені з аустенітної нержавіючої сталі, використовується високовакуумний багатошаровий метод теплоізоляції, а теплоізоляційними матеріалами є алюмінієва фольга та скловолокно. Верхня частина Дьюара оснащена клапаном впуску і випуску рідини, повітряним клапаном, нагнітальним клапаном і вентиляційним клапаном, а всередині встановлені самопідйомник і випарник. Геометричний об'єм 175 л, корисний об'єм 157 л; внутрішній діаметр вкладиша 450 мм; внутрішній діаметр корпусу 500 мм

Довжина шланга між клапаном регулювання тиску та витратоміром становить 5 метрів, що відіграє роль випаровування та зниження тиску. Крім того, слід зазначити, що приладом, який використовувався для вимірювання витрати в експерименті, є масовий витратомір моделі M-5SLPM-D виробництва Alicat Scientific у Сполучених Штатах з точністю ±0,05 SLPM (стандартний літр /хвилину) і може автоматично Дані записуються, тому вимоги до вимірювання повністю задовольняються.

2.2 Процедура вимірювання

(1) Випробовуваним середовищем є рідкий азот, а швидкість заповнення становить 90%. Відкрийте вентиляційний клапан Дьюара, закрийте інші клапани на Дьюарі та залиште на 48 годин;

(2) Коли тиск всередині ємності Дьюара стане стабільним при нормальному тиску, підключіть шланг до вентиляційного клапана та підключіть масовий витратомір. Зверніть увагу на герметичність з'єднання;

(3) Переконавшись, що потік рідкого азоту стабільний, почніть записувати дані;

(4) Масовий витратомір записує безперервно протягом 48 годин;

(5) Після вимірювання атмосферного тиску закрийте вентиляційний клапан, від'єднайте шланг від вентиляційного клапана та підключіть клапан регулювання тиску до вентиляційного клапана;

(6) Коли вентиляційний клапан закрито, відкрийте підвищувальний клапан Дьюара. Коли манометричний тиск Дьюара покаже близько 0,3 МПа, закрийте підвищувальний клапан;

(7) Відрегулюйте клапан регулювання тиску, відрегулюйте тиск відкриття клапана регулювання тиску до 0,23 МПа та дайте йому постояти протягом 24 годин;

(8) Після стабілізації підключіть шланг до клапана регулювання тиску, підключіть масовий витратомір і почніть записувати дані.

(9) Після запису протягом 48 годин закрийте вентиляційний клапан, знову створіть тиск і повторіть кроки (6)–(8), щоб записати масову швидкість потоку під тиском Дьюара 0,54 МПа, 1,08 МПа та 1,47 МПа

3. Експериментальні результати та аналіз

П’ять тисків в експерименті: нормальний тиск, 0,23 МПа, 0,54 МПа, 1,08 МПа та 1,47 МПа. Для того, щоб результати експерименту були точнішими, кожен тиск реєструється безперервно протягом 48 годин

За статичних і стабільних умов природного розряду добова швидкість випаровування збільшується зі збільшенням тиску Дьюара. Це прямо протилежне тому, що відбувається під тиском. Простіше кажучи, зі збільшенням тиску відповідна температура насичення зростає, різниця температур між рідиною в посудині Дьюара та навколишнім середовищем зменшується, а теплопередача зменшується. Але в той же час прихована теплота пароутворення зменшується з підвищенням температури насичення. Це призводить до абсолютно протилежного висновку щодо умови утримання тиску.

Також можна зробити важливий висновок: вплив змін зовнішнього середовища на добову швидкість випаровування є відстроченим у часі. Температура навколишнього середовища досягає мінімуму близько третьої години ночі, теоретично швидкість випаровування повинна бути мінімальною в цей час, а швидкість випаровування на малюнку 4 досягає мінімального значення о сьомій годині ранку; так само температура навколишнього середовища є найвищою о другій годині дня, тоді як на рисунку 4 Швидкість випаровування досягає найвищого значення о десятій годині вечора. Це пов’язано з тим, що теплоізоляційні характеристики чаші Дьюара, використаної в експерименті, дуже добрі, і потрібен період часу, щоб зміна температури навколишнього середовища суттєво вплинула на швидкість випаровування чаші Дьюара.