朱浩唯 黃永華 李 駿 吳靜怡 李 鵬

(1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所上海市低溫技術(shù)與測試應(yīng)用服務(wù)平臺 上海 200240)(2上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201108)

1 引言

高真空多層絕熱技術(shù)(MLI)［1－4］憑借其優(yōu)越的絕熱性能在低溫液體儲存領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在考慮近地軌道推進(jìn)劑長期存儲技術(shù)時(shí)，由于存在現(xiàn)成的高真空環(huán)境，因此，使用多層絕熱可有效地減少進(jìn)入儲箱的漏熱，是低溫推進(jìn)劑在軌存儲的理想絕熱方式。鑒于發(fā)生升空過程以及在軌運(yùn)行的特殊性，地面應(yīng)用中常規(guī)的多層絕熱材料布置方式不僅不能達(dá)到強(qiáng)度、重量和絕熱性能等多參數(shù)最優(yōu)配置水平，甚至可能無法勝任應(yīng)用條件。變密度多層絕熱是一種有潛力的改進(jìn)技術(shù)。

多層絕熱材料通常由幾十層被間隔的低放射率防輻射層組成，間隔物為低熱導(dǎo)率材料。防輻射層一般為鋁箔、單層或雙層鍍鋁的聚氨酯薄膜。間隔層則有玻璃纖維布、滌綸絲網(wǎng)、T型紙和P型紙等。

多層絕熱系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)是復(fù)雜的，包含了輻射傳熱、固體導(dǎo)熱、殘余氣體導(dǎo)熱以及對流換熱。很難以一個(gè)統(tǒng)一且精確的模型對多層絕熱的傳熱進(jìn)行計(jì)算。Krishnaprakas［5］通過對不同種配置的 MLI中熱流的擬合簡化了4種傳熱的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，論證了熱導(dǎo)率和發(fā)射率的相關(guān)性。Mikhal’chenko等人［6］對殘余氣體在多層絕熱中對溫度和壓強(qiáng)的影響做了實(shí)驗(yàn)及理論闡述。Kokkolaras［7］對傳熱過程當(dāng)中的熱力學(xué)參數(shù)做了優(yōu)化，并得出一套算法來計(jì)算多層絕熱系統(tǒng)。

從已有的理論分析［4，8］可以看出，在絕熱材料的高溫段，輻射熱流占了總熱流的絕大部分;相對地，固體導(dǎo)熱、氣體導(dǎo)熱以及氣體對流則可以忽略不計(jì)。而在絕熱材料的低溫段，相鄰防輻射屏之間的固體導(dǎo)熱所占的比例明顯增大，輻射熱流所占的比重則越來越小。因此，對于一定數(shù)量的防輻射屏和間隔材料，如何選擇徑向(絕熱材料厚度方向)的層密度分布，對于絕熱層的絕熱性能有很大的影響。本研究建立了一套低溫用真空多層絕熱材料性能測試裝置，用于研究變密度多層絕熱材料的特性規(guī)律。以內(nèi)密外疏的層密度分布方式為例，實(shí)驗(yàn)研究了絕熱層內(nèi)的溫度分布和漏熱率情況，初步驗(yàn)證了試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性和理論模型的正確性。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

研究所建立的穩(wěn)態(tài)液氮蒸發(fā)圓柱型量熱器如圖1所示，用于對高真空多層絕熱材料的傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其中，外筒體(真空殼體)采用夾層結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)布置常規(guī)多層絕熱材料并抽真空至10－4Pa量級以盡量減少筒內(nèi)測試系統(tǒng)和外界環(huán)境之間的換熱。筒內(nèi)的測試系統(tǒng)主要由上保護(hù)腔、測試腔、下保護(hù)腔和熱源鋁屏組成。上下保護(hù)腔內(nèi)都加注液氮用來隔斷測試腔在軸向的輻射換熱，同時(shí)消除在該方向的邊界效應(yīng)。此外，控制上下保護(hù)腔的背壓使其稍高于測試腔的背壓以防止從測試腔蒸發(fā)的氣體在穿越上保護(hù)腔的管道中冷凝，實(shí)際采用鼓泡器來控制實(shí)現(xiàn)。絕熱層熱端布置有帶電加熱的鋁屏作為均勻的熱端輻射壁(鋁屏在豎直方向覆蓋下保護(hù)腔、測試腔和上保護(hù)腔，避免在測試腔段發(fā)生邊緣效應(yīng))。鋁屏上按螺旋狀纏繞有薄膜電加熱帶，根據(jù)需要提供所需加熱功率，并在其外層粘貼鋁箔膠帶紙以使電加熱的熱量更好地傳遞給鋁屏。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先控制鋁屏溫度到目標(biāo)值，當(dāng)整個(gè)絕熱系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，根據(jù)測得的測試腔出口氣體流量，可間接獲得穿透測試段外側(cè)包裹的絕熱層樣品的熱流量，從而評價(jià)絕熱系統(tǒng)的性能。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of LN2boil-off apparatus

圖2為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)物圖。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由4部分組成:抽真空系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、液體充注系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。抽真空系統(tǒng)為分子泵機(jī)組，常溫下將筒內(nèi)的真空度提高到10－3Pa以上量級，從而消除氣體導(dǎo)熱和對流的影響。測量系統(tǒng)由鉑電阻溫度計(jì)PT100、FS4001小流量氣體流量傳感器以及真空電離規(guī)組成，分別用于測量絕熱層內(nèi)各處的溫度數(shù)據(jù)、測試腔出口蒸發(fā)液氮的流量數(shù)據(jù)以及筒內(nèi)的真空度。控制系統(tǒng)根據(jù)鋁屏的溫度來調(diào)節(jié)輸出到薄膜電加熱帶的功率從而達(dá)到控制鋁屏溫度的目的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由Keithley 2700多通道數(shù)據(jù)采集儀和PC計(jì)算機(jī)組成，用來記錄溫度和流量的變化過程。液體充注系統(tǒng)用來控制保護(hù)腔和測試腔內(nèi)的液氮液位，確保保護(hù)腔和測試腔始終處于較高的液位以防止由于液位過度下降而影響測試結(jié)果。

所用的多層絕熱為雙層鍍鋁的聚氨酯薄膜和T型紙間隔物組成的復(fù)合材料(雙層鍍鋁的聚氨酯薄膜厚度為0.01 mm，T型紙薄膜厚度為0.1 mm)。在靠近冷邊界處，采用1層鍍鋁聚氨酯薄膜和1層T型紙交錯(cuò)的方式纏繞多層絕熱材料，共布置9層。在靠近熱邊界處，采用1層鍍鋁聚氨酯薄膜和5層T型紙交錯(cuò)的方式纏繞多層絕熱材料，同樣布置9層。在絕熱層外側(cè)進(jìn)行限位，以防止絕熱層在系統(tǒng)抽空過程中由于筒內(nèi)壓強(qiáng)的不均勻而發(fā)生層位置的變化，絕熱層總厚度為12 mm。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Experimental setup under test with liquid nitrogen

在液氮充注過程中，先對上下保護(hù)腔進(jìn)行液氮充注，然后對測試腔進(jìn)行液氮充注，充注過程非常緩慢以防止過大熱應(yīng)力的產(chǎn)生以及溫度和流量的劇烈波動(dòng)。待足夠長時(shí)間后絕熱測試系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)漏熱率可由式(1)計(jì)算(由于背壓約為101.325 kPa，故認(rèn)為氣體處于理想氣體狀態(tài)):

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過程中，依次將熱端輻射背景鋁屏的溫度控制在35、50、65和80℃，其對應(yīng)的熱邊界溫度(即最外層防輻射層的溫度)依次為279、285、293和301 K。記錄絕熱層內(nèi)各測溫點(diǎn)溫度和測試腔出口流量的變化過程，25小時(shí)后溫度變化速率達(dá)到0.001 K/min，認(rèn)為已達(dá)穩(wěn)定工況。同時(shí)，始終確保上保護(hù)腔有充足的液位以防止測試腔出現(xiàn)縱向漏熱的情況。

3.1 絕熱層溫度分布在降溫過程中的變化規(guī)律

為了解液氮充注過程中冷量在多層絕熱材料內(nèi)的傳遞規(guī)律，圖3繪制了熱邊界溫度為285 K時(shí)各層溫度隨時(shí)間的變化曲線(其它熱端控溫情況類似)。其中，各溫度計(jì)位置如表1所列。其它熱邊界溫度情況類似。

圖3 絕熱層降溫曲線Fig.3 Cooling process within multilayer insulation

表1 各溫度計(jì)在絕熱層中的位置Table 1 Position of each thermometer

從圖3中可以看出，絕熱層需要很長的時(shí)間才進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。剛開始沖注液氮時(shí)，由于測試裝置本身的熱容大，各層的溫度下降得比較緩慢，之后隨著液氮進(jìn)一步注入，各層溫度開始迅速下降。其中，越靠近冷邊界溫度下降得越快，越靠近熱邊界溫度下降得越慢。約12 h后各層溫度接近穩(wěn)態(tài)溫度，其變化趨于緩慢。最后，在18 h后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(以最后達(dá)到穩(wěn)定的T7為例，從18 h至25 h共下降0.5 K)。在整個(gè)降溫過程中，靠近冷邊界的那一層最先達(dá)到平衡;而越遠(yuǎn)離冷邊界，其達(dá)到平衡所需的時(shí)間就越長。

3.2 絕熱層穩(wěn)態(tài)溫度分布規(guī)律的討論與研究

根據(jù)之前的理論分析［4］，內(nèi)密外疏布置方式的絕熱層內(nèi)溫度分布近似為拋物線。本實(shí)驗(yàn)中絕熱層內(nèi)的溫度分布如圖4所示，與理論預(yù)測曲線分布趨勢吻合。以熱邊界溫度為279 K時(shí)的溫度分布為例，在靠近熱邊界的8.0 mm厚度中，溫度下降了50 K左右，而在靠近冷邊界的4.0 mm厚度中，溫差則約為150 K。為了更加直觀地揭示熱邊界溫度變化給絕熱層內(nèi)溫度分布帶來的影響，圖5還給出了熱邊界溫度為285、293和301 K(分別對應(yīng)鋁片 50、65和80℃)時(shí)絕熱層溫度分布的差值(以熱邊界溫度為279 K時(shí)的溫度分布為基準(zhǔn)):冷邊界處溫度梯度最大，之后隨著l的增大而不斷減小，并最終在熱邊界處達(dá)到最小。

圖4 不同熱輻射屏溫度對應(yīng)的絕熱層溫度分布Fig.4 Temperature distribution at different warm boundary temperatures

圖5 鋁屏溫度升高時(shí)絕熱層內(nèi)部各溫度變化Fig.5 Temperature increments within the multilayer insulation

圖6給出了熱邊界溫度為301.64 K時(shí)，實(shí)測絕熱層溫度分布與理論計(jì)算值［4］的比較情況。對比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩者趨勢一致，在熱邊界附近吻合極好;而在冷邊界處，兩條曲線出現(xiàn)比較大的偏差:理論曲線溫度明顯低于實(shí)驗(yàn)曲線，且其分布曲線趨近于一條直線，而實(shí)驗(yàn)曲線的斜率則有一個(gè)從大到小的漸變過程。此外，在層密度變化的交界處，理論曲線的溫度斜率有明顯的變化，而實(shí)驗(yàn)曲線在該交界處的過渡則比較光滑。造成這種差別的原因主要有兩個(gè)方面:一是間隔材料的熱導(dǎo)率實(shí)際會隨著溫度的下降而減小;二是由于冷邊界處間隔材料會受冷收縮，導(dǎo)致間隔材料纖維之間以及相鄰兩層間隔材料之間的接觸面積減小，使得接觸熱阻變大(等效于間隔材料的導(dǎo)熱率進(jìn)一步減小)。而在先前的理論計(jì)算中，沒有考慮這兩種變化所產(chǎn)生的影響，使得冷邊界處的理論溫度分布曲線偏離實(shí)驗(yàn)曲線。針對間隔材料等效熱導(dǎo)率隨溫度下降而顯著減小的規(guī)律，將原迭代計(jì)算中使用的間隔材料熱導(dǎo)率進(jìn)行了修正，其結(jié)果在圖中用虛線表示。可以看到，改進(jìn)之后的溫度分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近。

圖6 理論和實(shí)驗(yàn)的絕熱層溫度分布Fig.6 Difference between experimental and theoretical temperature distributions

圖7 熱流隨熱邊界溫度的變化關(guān)系Fig.7 Heat flux vs.warm boundary temperature

3.3 熱流隨熱邊界溫度的變化規(guī)律

為進(jìn)一步研究這種內(nèi)密外疏布置方式的絕熱性能，圖7列出了單位面積熱流密度隨熱邊界溫度變化的實(shí)驗(yàn)和理論曲線，均大致呈線性關(guān)系。迭代計(jì)算(包括修正后的迭代計(jì)算)所得熱流值是根據(jù)層與層模型［4］計(jì)算得到的。其中，修正后迭代法計(jì)算出熱流值與實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)接近，且斜率也吻合。圖中所謂公式計(jì)算法即通過一維傅里葉簡單模型計(jì)算:

式中:Keff為復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)，其值為1.2×10－4W/(m·K)(由材料的供應(yīng)商提供)，Δx為絕熱層的厚度，其值為0.012 m，ΔT為冷邊界和熱邊界的溫差。計(jì)算所得曲線的斜率則稍小于實(shí)驗(yàn)曲線的斜率。這是由于公式中所使用的材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)是假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)布置方式(一層防輻射屏夾一層間隔材料)的單一導(dǎo)熱系數(shù)，與本實(shí)驗(yàn)中所使用的布置方式有所區(qū)別。即同樣的厚度中，采用本實(shí)驗(yàn)中的層密度布置方式所包含的防輻射屏數(shù)比采用標(biāo)準(zhǔn)布置方式所得到的防輻射屏數(shù)更少。

4 結(jié)論

通過對采用內(nèi)密外疏方式布置的多層絕熱材料的實(shí)驗(yàn)測量，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)裝置的可行性。發(fā)現(xiàn)在沿絕熱層厚度方向靠近熱邊界的很大范圍內(nèi)，溫度都比較平緩且大致呈線性關(guān)系;而在靠近冷邊界的小厚度范圍內(nèi)，存在極大的溫差，冷邊界處1/6厚度的絕熱材料承擔(dān)了絕熱功能的75%。同時(shí)，這種趨勢會隨著熱邊界溫度的升高而變得越發(fā)明顯。這與理論預(yù)測結(jié)論一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果促進(jìn)了對多層材料熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系的考慮，使得進(jìn)行熱導(dǎo)率修正之后的層與層模型可更好地用于指導(dǎo)層密度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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