CN107300570A - 真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置及方法，所述装置包括：外腔体；内腔体，呈封闭状并可充注低温液体，其置于外腔体内并与外腔体共同形成真空夹层，所述内腔体上部设计成凹槽形，低温液体液面高出凹槽底部；至少一个导热实验组设置在所述凹槽中，导热实验装置安装有加热器、力传感器以及负载，在各试件材料中均沿轴向布置热电偶。本发明提供的装置与方法，能够保证加载载荷的精确读取以及传热温差的稳定，准确测量真空深冷容器内材料接触界面导热热阻。

Description

真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置及方法，属于真空绝热深冷容器技术领域。

背景技术

随着科学技术进步和经济发展，工业气体储运由气态高压存储逐渐转变为深冷液化存储，深冷液化存储最大的优越性在于储存密度大、运输效率高以及气体较为纯净等。低温液体通常储存于具有真空夹套的双层壁深冷容器内，深冷容器内容器一般选用不锈钢材质，外容器选用碳钢或不锈钢材质。深冷行业中许多储运设备，例如低温罐箱、低温槽罐车以及卧式固定储罐等都采用高真空多层绝热，该绝热方式能够最大程度减低气体对流传热与辐射传热。然而，深冷容器的内外容器必须要靠支撑结构连接，真空环境下对流与辐射传热量远小于内外容器间的固体支撑连接构件(环氧玻璃钢管)处的传热量。在低温液体储运过程中，玻璃钢管支撑件与内外容器直接接触而产生热桥，热桥的导热量是深冷容器绝热性能好坏的关键指标，这就必须掌握玻璃钢管支撑件与内外容器的接触导热热阻，才能准确计算该热桥的导热量。然而，目前关于如何测试高真空深多层绝热深冷容器内玻璃钢管支撑件与内外容器之间接触热阻的资料比较匮乏，尚无一种针对性的试验装置能有效解决该问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置及方法，测试高真空多层绝热深冷环境下不同加载载荷与热端温度时不同材料试件的不同位置的温度分布，评价不同材料直接接触时受不同载荷与热端温度时的传热性能，得到其接触导热热阻。

为实现上述目的，本发明提供一种真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其特征是包括：

外腔体；

内腔体，呈封闭状并充注低温液体，其置于外腔体内，并与外腔体之间形成真空夹层，所述内腔体的上部成凹槽形，低温液体的液面高出凹槽底部；

法兰盖板，与所述外腔体的上部密封连接，所述法兰盖板与外腔体之间以及凹槽内均抽真空；

至少一个导热实验组，设置在所述凹槽中，导热试验组采用管状结构，每个导热实验组包括由下至上依次相接的第一种材料与第二种材料，在所述第二种材料的顶面热接触一个加热器，所述加热器的上面连接有力传感器，所述力传感器的上端穿出所述法兰盖板后连接有负载；在每个所述第一种材料以及每个所述第二种材料中均沿轴向间隔布置数个热电偶。

所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其中：所述负载是液压缸或电动丝杆，在法兰盖板上固定有辅助罩，以提供负载的施力支点。

所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其中：在凹槽底部与内腔体底部之间设有加强支撑，还在内腔体底部与外腔体底部之间设有绝热支撑。

所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其中：所述内腔体连接有加液管与排放管，用于向内腔体内充注低温液体。

所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其中：在力传感器的上端还套接有一个波纹管，所述波纹管的一端与所述力传感器的上端密封连接，另一端与所述法兰盖板焊接。

所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其中：所述法兰盖板上还设有加热导线集线器与热电偶线集线器，所述加热器的导线能够通过所述加热导线集线器保持气密性地穿出所述法兰盖板，所述热电偶的导线能够通过所述热电偶线集线器保持气密性地穿出所述法兰盖板。

所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其中：所述外腔体的侧面设有抽真空口和真空测试口，抽真空口连接真空机组，真空测试口连接真空规管。

所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其中：第一种材料与第二种材料均为管状，第一种材料与第二种材料的对接端设有相互配合的环形台阶，能够通过环形台阶的相互嵌卡，

所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其中：在凹槽内还填充有绝热材料。

本发明还提供一种真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验方法，其中，其使用前述真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，并包括如下步骤：

1)在室温下把第一种材料、第二种材料装配成导热实验组；将导热实验组连同加热器固定到凹槽中；

2)在加热器上放置力传感器，装配时使法兰盖板与外腔体密封连接；真空测试口接上真空规管，抽真空口连接真空机组，然后将真空规管、力传感器以及热电偶分别接入数据采集系统。

3)将夹层抽真空；

4)往内腔体中加注低温液体，并使低温液体的液面高出凹槽底部；

5)添加负载，开启数据采集系统，当10分钟内第一种材料、第二种材料的温度变化均小于0.5℃时，开始记录数据；

6)调节加热器的电流，改变加热器的温度；

7)逐步增加负载，获取第一种材料、第二种材料的温度-时间曲线。

本发明通过载荷加载系统实现不同材料试件不同作用力下的相互接触，待支撑试件在真空深冷环境下达到热平衡后测试其轴向温度分布。依靠试验装置内的力传感器可以精确读取加载载荷大小，同时波纹管能够产生加载载荷时需要的形变，由于安装了力传感器，波纹管产生形变时的作用力影响因素已被排除。依靠装置内设置的圆盘加热器可以改变热端温度，形成不同传热温差。由于试验中采用了深冷容器内实际使用的玻璃钢管支撑件，因此，根据试验中测得的温度分布，评定玻璃钢管支撑件与不锈钢及碳钢的接触导热热阻，能够更准确地为真空绝热深冷容器的支撑结构热设计提供依据。

附图说明

图1是真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置的组装图；

图2是管状试件接触端结构示意图。

附图标记说明：外腔体A；内腔体B；凹槽C；法兰盖板D；绝热支撑1；加强支撑2；不锈钢管试件3；玻璃钢管试件4；热电偶5；液面6；圆盘加热器7；力传感器8；外绝热材料9；内绝热材料10；波纹管11；加热导线集线器12；热电偶线集线器13；排放管14；加液管15；负载16；辅助罩17；抽真空口18；真空测试口19。

具体实施方式

图1所示为真空深冷环境下玻璃钢管支撑件与不锈钢或碳钢接触导热试验装置的装配图，为了方便说明，此处以玻璃钢管支撑件与不锈钢接触导热为例，图2为玻璃钢管支撑件与不锈钢在试验系统内的装配示意图。此时玻璃钢管支撑件放置与热端温度处。玻璃钢管支撑件与碳钢接触导热应将玻璃钢放置于冷端温度处，其余不变。现结合图1所示的玻璃钢管支撑件与不锈钢接触导热试验装置，说明其结构如下，其包括：

外腔体A，其侧面设有抽真空口18和真空测试口19；

内腔体B，呈封闭状，其置于外腔体A内，并与外腔体A之间具有夹层，所述内腔体B连接有加液管15与排放管14，用于向内腔体B中加注低温液体；所述内腔体B的上部设计成凹槽C，低温液体的液面6应当至少高出凹槽C底部；所述凹槽C凹入内腔体B内部，使凹槽C底面处的不锈钢板能够完全浸泡在低温液体中，从而保证了温度稳定性；

法兰盖板D，与所述外腔体A的上部密封连接；通过用真空机组连接外腔体A上的抽真空口18，可使所述夹层获取较高真空度，降低内腔体B向外的传热效率，减少低温液体的损耗；

至少一个导热实验组，设置在所述凹槽C中，每个导热实验组包括由下至上依次相接的：第一种材料与第二种材料，在所有所述第二种材料的顶面一同热接触一个圆盘加热器7，所述圆盘加热器7的上面连接有力传感器8，所述力传感器8的上端穿出所述法兰盖板D后连接有负载16；在图1所示的实施例中，设有两个导热实验组，每个导热实验组中的第一种材料、第二种材料分别采用不锈钢管试件3与玻璃钢管试件4；不论采用何种材料制成的材料试件，在每个所述第一种材料以及每个第二种材料中均沿轴向间隔布置有数个热电偶5。

在上述实施例中，所述负载16是由液压缸或电动丝杆来实现的，在法兰盖板D上固定有辅助罩17，以提供负载16的施力支点。

其中，为了避免导热实验组在加载时将凹槽C底部压破，在凹槽C底部与内腔体B底部之间对应于每一个导热实验组的位置设有一个加强支撑2，还在内腔体B底部与外腔体A底部之间设有绝热支撑1，绝热支撑1的材质为非金属，在保持绝热的同时，可以起到很好的稳固作用。

此外，在力传感器8的上端还套接有一个波纹管11，所述波纹管11的一端与所述力传感器8的上端密封连接，另一端与所述法兰盖板D焊接，如此一来，在实验过程中，随着负载16大小的变化，导热实验组的长度也会发生相应的变化，但通过波纹管11的相应伸缩，可以适应导热实验组的长度变化，始终保持力传感器8与法兰盖板D之间的气密性。

而且，所述法兰盖板D上还设有加热导线集线器12与热电偶线集线器13，所述圆盘加热器7的导线能够通过所述加热导线集线器12保持气密性地穿出所述法兰盖板D，所述热电偶5的导线能够通过所述热电偶线集线器13保持气密性地穿出所述法兰盖板D。

另外，为了更好的绝热，在导热实验组与凹槽C内壁之间填充有外绝热材料9，可以消除凹槽C内壁面温度对测试结果的影响；在各个导热实验组之间填充有内绝热材料10，可以消除凹槽C底面温度对测试结果的影响。

再请参阅图2所示，为了保证不锈钢管试件3与玻璃钢管试件4保持密切热接触，不锈钢管试件3与玻璃钢管试件4的对接端设有相互配合的环形台阶，通过环形台阶的相互嵌卡，能够避免不锈钢管试件3与玻璃钢管试件4的对接端在负载16作用发生错位而影响导热效率。

而本发明提供的真空环境内材料接触界面导热试验方法包括如下步骤：

1)在室温下把试样(包括第一种材料、第二种材料)装配成导热实验组；将导热实验组连同圆盘加热器7固定到凹槽8中，并填充外绝热材料9与内绝热材料10；

2)在圆盘加热器7上放置力传感器8，盖上法兰盖板D，使其与外腔体A密封连接；真空测试口19接上真空规管，抽真空口18连接真空机组，然后将真空规管、力传感器8以及热电偶13分别接入数据采集系统。

3)启动真空机组对夹层抽真空，夹层真空度应满足常温下不高于10^-1Pa数量级的要求，充装低温液体后不高于10^-2Pa数量级的要求。

4)往内腔体B中加注低温液体直至排放口喷液，即液体已加满。如果常温加注低温液体时，先用低温气体吹扫内腔体B，待内腔体B冷却后再加入液体，避免内腔体B由于温度急剧降低后迅速冷收缩而损坏。

5)启动负载16，开启数据采集系统，当10分钟内第一种材料、第二种材料的温度变化均小于0.5℃时，认为传热稳定，开始记录数据。

6)调节圆盘加热器7的电流，以控制圆盘加热器7的温度。

7)逐步增加负载，获取第一种材料、第二种材料的温度-时间曲线。

玻璃钢管支撑件在真空深冷环境中与不锈钢和碳钢间的接触导热对深冷设备的设计和绝热性能评估均有着非常重要的参考作用。本试验装置及方法立足于获取高真空多层绝热深冷容器内玻璃钢管支撑与内外容器接触导热性能而设计。由于涉及到夹层绝热真空，对试验设备密封真空要求较高，特别是在波纹管连接处以及集线器安装处的密封均给予足够重视。本试验方法与试验装置结合力传感器和温度加热控制，保证加载载荷的精确读取以及传热温差的稳定。

Claims (10)

1.一种真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其特征是包括：

外腔体；

内腔体，呈封闭状并充注低温液体，其置于外腔体内，并与外腔体之间形成真空夹层，所述内腔体的上部成凹槽形，低温液体的液面高出凹槽底部；

法兰盖板，与所述外腔体的上部密封连接，所述法兰盖板与外腔体之间以及凹槽内均抽真空；

至少一个导热实验组，设置在所述凹槽中，导热试验组采用管状结构，每个导热实验组包括由下至上依次相接的第一种材料与第二种材料，在所述第二种材料的顶面热接触一个加热器，所述加热器的上面连接有力传感器，所述力传感器的上端穿出所述法兰盖板后连接有负载；在每个所述第一种材料以及每个所述第二种材料中均沿轴向间隔布置数个热电偶。

2.根据权利要求1所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其特征在于：所述负载是液压缸或电动丝杆，在法兰盖板上固定有辅助罩，以提供负载的施力支点。

3.根据权利要求1所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其特征在于：在凹槽底部与内腔体底部之间设有加强支撑，还在内腔体底部与外腔体底部之间设有绝热支撑。

4.根据权利要求1所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其特征在于：所述内腔体连接有加液管与排放管，用于向内腔体内充注低温液体。

5.根据权利要求1所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其特征在于：在力传感器的上端还套接有一个波纹管，所述波纹管的一端与所述力传感器的上端密封连接，另一端与所述法兰盖板焊接。

6.根据权利要求1所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其特征在于：所述法兰盖板上还设有加热导线集线器与热电偶线集线器，所述加热器的导线能够通过所述加热导线集线器保持气密性地穿出所述法兰盖板，所述热电偶的导线能够通过所述热电偶线集线器保持气密性地穿出所述法兰盖板。

7.根据权利要求1所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置， 其特征在于：所述外腔体的侧面设有抽真空口和真空测试口，抽真空口连接真空机组，真空测试口连接真空规管。

8.根据权利要求1所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其特征在于：第一种材料与第二种材料均为管状，第一种材料与第二种材料的对接端设有相互配合的环形台阶，能够通过环形台阶的相互嵌卡。

9.根据权利要求1所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，其特征在于：在凹槽内还填充有绝热材料。

10.一种真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验方法，其特征在于，其使用如权利要求1-9中任一项所述的真空深冷容器内支撑材料接触界面导热试验装置，并包括如下步骤：

1)在室温下把第一种材料、第二种材料装配成导热实验组；将导热实验组连同加热器固定到凹槽中；

2)在加热器上放置力传感器，装配时使法兰盖板与外腔体密封连接；真空测试口接上真空规管，抽真空口连接真空机组，然后将真空规管、力传感器以及热电偶分别接入数据采集系统。

3)将夹层抽真空；

4)往内腔体中加注低温液体，并使低温液体的液面高出凹槽底部；

5)添加负载，开启数据采集系统，当10分钟内第一种材料、第二种材料的温度变化均小于0.5℃时，开始记录数据；

6)调节加热器的电流，改变加热器的温度；

7)逐步增加负载，获取第一种材料、第二种材料的温度-时间曲线。