CN107300430B - 一种真空绝热低温管漏热量测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空绝热低温管漏热量的测量装置和测量方法，包括两对称的辅助试验段以及采集气体流量的气体流量计，通过分别测量两辅助段的漏热量以及两辅助段加上试验管的整体漏热量，然后计算两者差值的方法从而得到被测真空绝热低温管的漏热量。本发明能有效克服现有技术中测量漏热量操作难度大、测量不准确或计算不准确的问题，从而使得试验人员能够准确测得真空绝热低温管的漏热量，为真空绝热低温管在实际使用过程中能够安全有效地运行提供了保障。

Description

一种真空绝热低温管漏热量测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种流体输送管道的测试装置，更具体地说，它涉及一种真空绝热低温管漏热量的测量装置及其测量方法。

背景技术

真空绝热低温管主要应用于空分装置、炼钢厂、液化天然气（LNG）接受站、LNG加气站、航天发射基地等场合，输送介质包括液氢（LH₂）、液氧(LOX)、液氮（LIN）、液氩（LAr）、液化天然气(LNG)、液氦（LHe）等。其中液氢（LH₂）、液化天然气(LNG)是易燃易爆介质，如果出现真空绝热低温管泄漏、超压工作等不安全工况将有可能造成人员冻伤、窒息、爆炸等重大事故，因此确保真空绝热低温管的安全有效运行显得尤为重要。

真空绝热低温管根据漏热量的大小来反映管道的绝热性能优劣，绝热性能的好坏直接影响到真空绝热低温管是否能够正常安全地运行。目前测量真空绝热低温管漏热量的方法主要有两种：一种是流量计法，另一种是表面温度计算法。当采用流量计法测量时，需往真空绝热低温管内管充注深冷液体，并直接将流量计与低温管相连，通过单位时间内深冷液体的蒸发量来计算真空绝热低温管的漏热量，然而由于低温管内管的表面积与体积之比往往很大，因此管内深冷液体蒸发速率极快，很难使低温管道处于充满深冷液体的状态，因此实际灌液操作难度大，测量无法准确测量。表面温度计算法通过采集低温管壁面的温度以及相应的环境温度，依靠理论计算，计算得出漏热量，表面温度计算法将复杂的实际换热过程简化为简单的换热过程来进行计算，因此计算结果也不能完全反映真空绝热低温管真实的漏热量。

发明内容

本发明提出了一种方便实际操作且能够准确测量漏热量的测量装置及其测量方法，克服现有技术中流量计法实际操作难度大、测量不准确以及表面温度计算法将复杂的实际换热过程简化为简单的换热过程所带来的计算不准确性。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种真空绝热低温管漏热量测量装置，该测量装置包括测量辅助段蒸发气体流量装置和测量辅助段加上试验管整体蒸发气体流量装置；所述测量辅助段蒸发气体流量装置的结构是：包括对称设置的辅助试验段，该辅助试验段为双层容器，且其上下端各有一敞口，夹层抽真空；所述辅助试验段的上敞口密封连接辅助段法兰盖，其下敞口通过法兰相互密封连接；所述辅助段法兰盖上均设有出气口，该出气口通过管道和升温器相连，该升温器出口分别和三通接头的两通相连，三通接头的第三通出口与气体流量计相连；深冷液体容器和一侧的辅助试验段管道连通，该管道上设有加液阀；

所述测量辅助段加上试验管整体蒸发气体流量装置的结构为：包括对称设置的辅助试验段，该辅助试验段为双层容器，且其上下端各有一敞口，夹层抽真空；所述辅助试验段的上敞口密封连接辅助段法兰盖，其下敞口分别通过法兰和试验管两端密封连接；所述辅助段法兰盖上均设有出气口，该出气口通过管道和升温器相连，该升温器出口分别和三通接头的两通相连，三通接头的第三通出口与气体流量计相连；深冷液体容器和一侧的辅助试验段管道连通，该管道上设有加液阀；所述试验管上安装真空阀，该真空阀出口处分别与高真空规管及带接口的真空阀相连，高真空规管与真空计相连。

所述试验管的长度为6米。

一种增加辅助试验段的真空绝热低温管漏热量的测量方法，包括如下步骤：

1）首先将两辅助试验段对接，往里充注深冷液体，充液结束后静置6小时。

2）系统达到稳定之后，记录稳定后的流量计出口处流量q₁。

3）再次往系统（试验段加辅助段）充注深冷液体，充液结束后静置6小时。

4）系统达到稳定之后，记录稳定后的流量计出口处流量q₂。

5）利用q₁、q₂计算检测试验管道的漏热量Q₀,结合测试期间采集到的环境温度、大气压力以及真空绝热低温管的绝热方式（高真空绝热、粉末或纤维真空绝热、高真空多层绝热）计算标态漏热量Q₂₀。

所述增加辅助试验段的真空绝热低温管漏热量具体计算方法如下：

当采用湿式气体流量计时

按式（1）计算：

……………………（1）

式中：

——测试漏热量，单位为瓦（W）；

—— 辅助试验段蒸发气体体积流量平均值，单位为立方米每秒（m³/s）；

—— 辅助试验段加试验管蒸发气体体积流量平均值，单位为立方米每秒（m³/s）；

——流量计的校正系数，标定时给定值；

—— 标准大气压（101.325kPa）、273.15K下试验介质的气体密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；

T——流量计入口温度日平均值，单位为开尔文（K）；

P——流量计入口压力日平均值，单位为兆帕（MPa）；

h_fg——流量计入口压力日平均值下饱和液体的汽化潜热，单位为焦每千克（J/kg）。

当采用气体质量流量计时

按式（2）计算：

……………………………（2）

——测试漏热量，单位为瓦（W）；

—— 辅助试验段蒸发气体质量流量平均值，单位为千克每秒（kg/s）；

—— 辅助试验段加试验管蒸发气体质量流量平均值，单位为千克每秒（kg/s）；

——流量计的校正系数，标定时给定值；

h_fg——流量计入口压力日平均值下饱和液体的汽化潜热，单位为焦每千克（J/kg）。

本发明的有益效果是，本新型实用真空绝热低温管漏热量测试方法，通过测量系统整体漏热量及辅助段漏热量，通过两者相减的方法得出被检管道的漏热量。该方法能有效克服现有技术中流量计法实际操作难度大、测量不准确以及表面温度计算法计算不准确的问题，从而使得试验人员能够准确测得真空绝热低温管的漏热量，为真空绝热低温管在实际使用过程中能够有效安全地运行提供了保障。

附图说明

图1为本发明连接试验真空绝热低温管的结构示意图；

其中1—放空阀；2—深冷液体容器；3—加液阀；4—法兰盖；5—升温器；6—三通接头；7—压力计；8—温度计；9—气体流量计；10、11－辅助试验段；12－法兰；13－试验管；14－真空阀；15－高真空规管；16—真空计；17－带接口的真空阀。

图2为本发明两辅助段相连的结构示意图；

其中1—放空阀；2—深冷液体容器；3—加液阀；4—法兰盖；5—升温器；6—三通接头；7—压力计；8—温度计；9—气体流量计；10、11－辅助试验段；12－法兰。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细地说明本发明。

本发明包括检测漏热量的试验管、辅助试验段、法兰（KF或CF）、真空阀、高真空规管、真空计、带接口的真空阀、辅助段法兰盖、加液阀、深冷液体容器、放空阀、升温器、三通接头、温度计、压力计、气体流量计等元器件。

参照图1、2 ，一种真空绝热低温管漏热量测量装置，该测量装置包括测量辅助段蒸发气体流量装置和测量辅助段加上试验管整体蒸发气体流量装置；所述测量辅助段蒸发气体流量装置的结构是：包括对称设置的辅助试验段10，该辅助试验段10为双层容器，且其上下端各有一敞口，夹层抽真空；所述辅助试验段10的上敞口通过法兰（KF或CF）密封连接辅助段法兰盖4，其下敞口通过法兰（KF或CF）12相互密封连接；所述辅助段法兰盖4上均设有出气口，该出气口通过管道和升温器5相连，管道与升温器及出气口之间采用金属卡箍进行密封；该升温器5出口分别和三通接头6的两通相连，三通接头6的第三通出口与气体流量计9相连；深冷液体容器2和一侧的辅助试验段10管道连通，该管道上设有加液阀3；

所述测量辅助段加上试验管整体蒸发气体流量装置的结构为：包括对称设置的辅助试验段10，该辅助试验段10为双层容器，且其上下端各有一敞口，夹层抽真空；所述辅助试验段10的上敞口密封连接辅助段法兰盖4，其下敞口分别通过法兰12和试验管13两端密封连接；所述辅助段法兰盖4上均设有出气口，该出气口通过管道和升温器5相连，该升温器5出口分别和三通接头6的两通相连，三通接头6的第三通出口与气体流量计9相连；深冷液体容器2和一侧的辅助试验段10管道连通，该管道上设有加液阀3；所述试验管13上安装真空阀14，该真空阀14出口处分别与测量真空度用的高真空规管15及接检漏仪与真空机组的带接口的真空阀17相连，高真空规管15与真空计16相连。高真空规管采集到的真空度读数通过真空计显示。

试验管13为试验对象，由内管及外壳组成，夹层抽真空，内管及外壳之间通过绝热支撑件支撑，内管带有会随温度变化膨胀收缩的金属膨胀节，内管外与辅助试验段通过法兰连接（KF或CF，CF为金属铜圈密封,KF为橡胶圈密封）相连。

所述试验管13的长度为6米。试验管长度过短，则试验管所占的漏热量在辅助段加试验管总漏热量中的比重就会过小，将导致测量的不准确性；试验管长度过长，则会增大试验管内管面积与管内体积的比值，当这个比值过大时会导致试验管内无法充满液氮，对测试结果也会造成影响。

上述升温器将辅助段通过法兰盖排出的低温气体通过水浴的方法进行复温，低温气体通过两升温器复温为常温气体。

所述深冷液体容器2上设置有放空阀1，用于排放低温气体。

所述气体流量计9采用湿式气体流量计或气体质量流量计。当采气体质量流量计时，流量计能准确测量气体的质量流量。

所述气体流量计9采用湿式气体流量计时，该气体流量计9处配装温度计8、压力计7，用于测量气体的温度及压力。

一种真空绝热低温管漏热量的测量方法，其特征在于：是采用通过测量辅助试验段的蒸发气体流量以及测量辅助试验段加上试验管的整体蒸发气体流量，利用两者差值计算真空绝热低温管漏热量的方法；具体步骤如下：

a. 往测量辅助段蒸发气体流量装置系统中充注深冷液体，充液结束后静置6小时；

b.系统达到稳定之后，记录稳定后的流量计出口处流量q₁；

c.往辅助段加上试验管整体蒸发气体流量装置系统充注深冷液体，充液结束后静置6小时；

d.系统达到稳定之后，记录稳定后的流量计出口处流量q₂；

e.利用q₁、q₂计算检测试验管道的漏热量Q₀,结合测试期间采集到的环境温度、大气压力以及真空绝热低温管的绝热方式计算标态漏热量；

所述增加辅助试验段的真空绝热低温管漏热量具体计算方法如下：

当采用湿式气体流量计时

按式（1）计算：

……………………（1）

式中：

——测试漏热量，单位为瓦（W）；

—— 辅助试验段蒸发气体体积流量平均值，单位为立方米每秒（m³/s）；

—— 辅助试验段加试验管蒸发气体体积流量平均值，单位为立方米每秒（m³/s）；

——流量计的校正系数，标定时给定值；

—— 标准大气压（101.325kPa）、273.15K下试验介质的气体密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；

T——流量计入口温度日平均值，单位为开尔文（K）；

P——流量计入口压力日平均值，单位为兆帕（MPa）；

h_fg——流量计入口压力日平均值下饱和液体的汽化潜热，单位为焦每千克（J/kg）。

当采用气体质量流量计时

按式（2）计算：

……………………………（2）

——测试漏热量，单位为瓦（W）；

—— 辅助试验段蒸发气体质量流量平均值，单位为千克每秒（kg/s）；

—— 辅助试验段加试验管蒸发气体质量流量平均值，单位为千克每秒（kg/s）；

——流量计的校正系数，标定时给定值；

h_fg——流量计入口压力日平均值下饱和液体的汽化潜热，单位为焦每千克（J/kg）。

步骤e中所述的绝热方式为高真空绝热、粉末或纤维真空绝热或高真空多层绝热。

标态（标准环境状态）下漏热量

的计算方法：

标态下的高真空多层绝热漏热量

应按式（3）计算：

…………………（3）

式中：

——标态下漏热量，单位为瓦（W）；

——接头对的总漏热量，单位为瓦（W）；

Ts —— 标准大气压（101.325kPa）下深冷液体饱和温度，单位为开尔文（K）；

T₁——试验时平均环境温度，单位为开尔文（K）；

T₂——试验时被检件内平均压力对应的深冷液体饱和温度，单位为开尔文（K）。

标态下的粉末或纤维真空绝热漏热量

应按式（4）计算：

……………………………（4）

式中：

——标态下漏热量，单位为瓦（W）；

——接头对的总漏热量，单位为瓦（W）；

Ts —— 标准大气压（101.325kPa）下深冷液体饱和温度，单位为开尔文（K）；

T₁——试验时平均环境温度，单位为开尔文（K）；

T₂——试验时被检件内平均压力对应的深冷液体饱和温度，单位为开尔文（K）。

标态下的高真空绝热漏热量

应按式（5）计算：

........................（5）

式中：

——标态下漏热量，单位为瓦（W）；

——接头对的总漏热量，单位为瓦（W）；

Ts —— 标准大气压（101.325kPa）下深冷液体饱和温度，单位为开尔文（K）；

T₁——试验时平均环境温度，单位为开尔文（K）；

T₂——试验时被检件内平均压力对应的深冷液体饱和温度，单位为开尔文（K）。

本发明的具体操作过程为：

首先将图2中两辅助试验段10通过分子泵机组进行抽真空处理，当辅助试验段10内的常温真空度优于0.01Pa时，停止抽空，封闭抽空口。

将两辅助试验段10的下敞口通过法兰（KF或CF）对接，辅助试验段10通过支撑架支撑固定，并检查法兰对接的密封性。深冷液体容器2通过加液阀3往里辅助试验段10中充注深冷液体。由于两辅助试验段刚开始处于常温阶段，需要缓慢加注深冷液体使其预冷，操作过程人员应佩戴防护眼罩及手套，防止低温冻伤。当辅助段内深冷液体不再剧烈沸腾后，完全打开加液阀3，向辅助试验段10正常灌液，直至深冷液体充满率（深冷液体体积与两辅助段内容积的比值）为95%以上时，充液结束。充液结束后打开辅助段上敞口法兰盖4，至少静置6小时。

静置结束后，再次通过深冷液体容器2向辅助试验段10补充深冷液体，直至深冷液体充满率（深冷液体体积与两辅助段内容积的比值）为95%以上，充液结束完成后关闭加液阀3。然后将两辅助试验段10上敞口分别与法兰盖4通过法兰（KF或CF）连接，并且确认密封有效。

在法兰盖4及对称的另一法兰盖的中心出气口处各自连接一塑料软管，辅助试验段10内的深冷液体由于吸收外界的热量导致部分深冷液体气化为低温气体，低温气体通过法兰盖4的出气口进入塑料软管，塑料软管与法兰盖4出气口通过金属抱箍确保其密封性可靠。两根塑料软管分别通过升温器5使塑料软管中的低温气体升温为常温气体，升温器5采用水浴式升温器。

从升温器5引出的两塑料软管通过金属抱箍与三通接头6相连，常温气体通过三通接头6进入气体流量计9，使用气体流量计9测量单位时间内排出的气体流量，记录数据间隔应不大于10min，并记录流量计示值、环境温度、大气压力。通过压力计7、温度计8记录通过气体流量计气体的温度和压力，且记录数据的时间应为6h。测量流量与6h之前流量对比，当两者差值小于5%时，认为系统达到稳定，此时记录稳定后的出口处流量q₁。

流量q₁记录完成之后，通过自然蒸发的方法使辅助试验段10的深冷液体排空，当辅助试验段10内无深冷液体后，使用热空气或热氮气对辅助试验段10进行内部吹扫，使其加速恢复至常温状态，待辅助试验段10恢复常温之后拆开其间的法兰连接，将图1中的需检测漏热量的试验管13两端分别与辅助试验段10通过法兰连接，连接完成后确认各连接处密封无误。测漏热量的试验管13取6米长度，目的是让真空绝热低温管的漏热量与辅助试验段的漏热量相近，进一步提高漏热量的测量准确性。

深冷液体容器2通过加液阀3往里辅助试验段10及需检测漏热量的试验管13中充注深冷液体。由于系统刚开始处于常温阶段，需要缓慢加注深冷液体使其预冷，操作过程人员应佩戴防护眼罩及手套，防止低温冻伤。当系统内深冷液体不再剧烈沸腾后，完全打开加液阀3，向系统正常灌液，直至深冷液体充满率（深冷液体体积与两辅助试验段10的内容积及需检测漏热量的试验管13的内容积之和的比值）为95%以上时，充液结束。充液结束后，打开试验管13上的真空阀14，在真空计16上读取高真空规管15采集到的真空度读数，当读取到的真空度读数优于0.01Pa时，方可进行下一步操作。如果真空度读数高于0.01Pa，需将分子泵机组与带接口的真空阀17相连，当分子泵系统稳定运行后打开带接口的真空阀17，观察真空计16，直至试验管13内的真空度优于0.01Pa，然后关闭带接口的真空阀17，停止分子泵系统运行。

确认试验管13真空度优于0.01Pa之后，打开辅助试验段10上敞口法兰盖4，至少静置6小时。静置结束后，再次通过深冷液体容器2向辅助试验段10及试验管13补充深冷液体，直至深冷液体充满率为95%以上，充液结束完成后关闭加液阀3。然后将两辅助试验段10上敞口与法兰盖4通过法兰（KF或CF）连接，并且确认密封有效。

在法兰盖4的中心出气口处各自连接一塑料软管，辅助试验段10及试验管13内的深冷液体由于吸收外界的热量导致部分深冷液体气化为低温气体，低温气体通过法兰盖4的出气口进入塑料软管，塑料软管与法兰盖4出气口通过金属抱箍确保其密封性可靠。两根塑料软管分别通过升温器5，使塑料软管中的低温气体升温为常温气体，升温器5采用水浴式升温器。

从升温器5引出的两塑料软管通过金属抱箍与三通接头6相连，常温气体通过三通接头6进入气体流量计9，使用气体流量计9测量单位时间内排出的气体流量，记录数据间隔应不大于10min，并记录流量计示值、环境温度、大气压力。通过压力计7、温度计8记录通过气体流量计气体的温度和压力，且记录数据的时间应为6h。测量流量与6h之前流量对比，当两者差值小于5%时，认为系统达到稳定，此时记录稳定后的出口处流量q₂。

利用q₁、q₂计算所需检测的试验管道漏热量Q₀,计算公式见式（1）及式（2）。然后结合测试期间采集到的环境温度、大气压力以及真空绝热低温管的绝热方式根据式（3）、式（4）、式（5）计算真空绝热低温管的标态漏热量Q₂₀。

Claims (7)

1.一种真空绝热低温管漏热量测量装置，其特征在于：该测量装置包括测量辅助段蒸发气体流量装置和测量辅助段加上试验管整体蒸发气体流量装置；所述测量辅助段蒸发气体流量装置的结构是：包括对称设置的辅助试验段（10），该辅助试验段（10）为双层容器，且其上下端各有一敞口，夹层抽真空；所述辅助试验段（10）的上敞口密封连接辅助段法兰盖（4），其下敞口通过法兰（12）相互密封连接；所述辅助段法兰盖（4）上均设有出气口，该出气口通过管道和升温器（5）相连，该升温器（5）出口分别和三通接头（6）的两通相连，三通接头（6）的第三通出口与气体流量计（9）相连；深冷液体容器（2）和一侧的辅助试验段（10）管道连通，该管道上设有加液阀（3）；

所述测量辅助段加上试验管整体蒸发气体流量装置的结构为：包括对称设置的辅助试验段（10），该辅助试验段（10）为双层容器，且其上下端各有一敞口，夹层抽真空；所述辅助试验段（10）的上敞口密封连接辅助段法兰盖（4），其下敞口分别通过法兰（12）和试验管（13）两端密封连接；所述辅助段法兰盖（4）上均设有出气口，该出气口通过管道和升温器（5）相连，该升温器（5）出口分别和三通接头（6）的两通相连，三通接头（6）的第三通出口与气体流量计（9）相连；深冷液体容器（2）和一侧的辅助试验段（10）管道连通，该管道上设有加液阀（3）；所述试验管（13）上安装真空阀（14），该真空阀（14）出口处分别与高真空规管（15）及带接口的真空阀（17）相连，高真空规管（15）与真空计（16）相连。

2.根据权利要求1所述的一种真空绝热低温管漏热量测量装置，其特征在于：所述试验管（13）的长度为6米。

3.根据权利要求1所述的一种真空绝热低温管漏热量测量装置，其特征在于：所述深冷液体容器（2）上设置有放空阀（1）。

4.根据权利要求1所述的一种真空绝热低温管漏热量测量装置，其特征在于：所述气体流量计（9）采用湿式气体流量计或气体质量流量计。

5.根据权利要求1所述的一种真空绝热低温管漏热量测量装置，其特征在于：所述气体流量计（9）采用湿式气体流量计时，该气体流量计（9）处配装温度计（8）、压力计（7）。

6.如权利要求1所述的一种真空绝热低温管漏热量测量装置的测量方法，其特征在于：是采用通过测量辅助试验段的蒸发气体流量以及测量辅助试验段加上试验管的整体蒸发气体流量，利用两者差值计算真空绝热低温管漏热量的方法；具体步骤如下：

a. 往测量辅助段蒸发气体流量装置系统中充注深冷液体，充液结束后静置6小时；

b.系统达到稳定之后，记录稳定后的流量计出口处流量q₁；

c.往辅助段加上试验管整体蒸发气体流量装置系统充注深冷液体，充液结束后静置6小时；

d.系统达到稳定之后，记录稳定后的流量计出口处流量q₂；

e.利用q₁、q₂计算检测试验管道的漏热量Q₀,结合测试期间采集到的环境温度、大气压力以及真空绝热低温管的绝热方式计算标态漏热量；

增加的所述辅助试验段的真空绝热低温管漏热量具体计算方法如下：

当采用湿式气体流量计时

按式（1）计算：

……………………（1）

式中：

——测试漏热量，单位为瓦（W）；

—— 辅助试验段蒸发气体体积流量平均值，单位为立方米每秒（m³/s）；

—— 辅助试验段加试验管蒸发气体体积流量平均值，单位为立方米每秒（m³/s）；

——流量计的校正系数，标定时给定值；

—— 标准大气压（101.325kPa）、273.15K下试验介质的气体密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；

T——流量计入口温度日平均值，单位为开尔文（K）；

P——流量计入口压力日平均值，单位为兆帕（MPa）；

h_fg——流量计入口压力日平均值下饱和液体的汽化潜热，单位为焦每千克（J/kg）；

当采用气体质量流量计时

按式（2）计算：

……………………………（2）

——测试漏热量，单位为瓦（W）；

—— 辅助试验段蒸发气体质量流量平均值，单位为千克每秒（kg/s）；

—— 辅助试验段加试验管蒸发气体质量流量平均值，单位为千克每秒（kg/s）；

——流量计的校正系数，标定时给定值；

h_fg——流量计入口压力日平均值下饱和液体的汽化潜热，单位为焦每千克（J/kg）。

7.根据权利要求6所述的一种真空绝热低温管漏热量测量装置的测量方法，其特征在于：步骤e中所述的绝热方式为高真空绝热、粉末或纤维真空绝热或高真空多层绝热。

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