低溫真空截止閥真空性能分析

　　介紹了真空截止閥在低溫環(huán)境下真空度的性能，對低溫真空度和傳熱進行了分析探討，通過實驗計算為低溫真空閥在生產加工和實際應用中提供了有利的指導和理論依據，對于低溫材料選擇，結構設計具有一定參考價值。

　　低溫真空截止閥主要應用在對低溫液體的操作與控制中，由于低溫液體的飽和溫度極低，因此對低溫液體來說，不可避免有熱量進入，為了盡量減少熱損耗，低溫液體的貯存、運輸以及流量控制都采用了優(yōu)良的絕熱真空結構，就絕熱真空結構而言，其關鍵在于如何長時間有效地保持其閥體夾層的真空度在一個較為理想的狀態(tài)下，成為國內外低溫真空技術研究的重點和難點。針對真空截止閥在實際生產使用過程中，如何保持較高真空度方面做了大量實驗和分析研究。

1、真空夾層氣體特性

　　真空截止閥的真空部分主要由內閥體和外閥體的中間夾層組成，夾層中氣體越多，對流傳熱就越劇烈，為減少對流換熱的影響，要對夾層進行抽真空處理，殘余氣體的傳熱屬于氣體的能量遷移，對于真空夾層的氣體導熱隨著夾層壓強的不同，氣體的導熱機理不相同。真空夾層的殘余氣體的傳熱分三種情況，分別是：低真空、中真空和高真空，就高真空而言，氣體分子的平均自由程大于容器尺寸，分子間相互碰撞的幾率很低，分子與界面的碰撞比分子間的相互碰撞頻繁得多，氣體中各處溫度相等，氣體分子可以由一個壁面飛向另一個壁面，每個分子在兩個壁面之間飛渡傳輸熱量，傳熱量與單位時間內飛渡的分子數成正比，即氣體的導熱率與氣體的密度成正比，與壓強成正比，在高真空區(qū)實際上不存在對流熱交換，高真空的氣體導熱屬于自由分子導熱，導熱率最小。對于同軸圓筒夾層氣體導熱，單位時間內的傳熱表達式為：

2、低溫下吸附劑對真空度的影響

　　對于真空多層絕熱閥，隨著使用時間的延長，夾層內真空度會慢慢降低。夾層的氣體并不是一類氣體分子，而是多種氣體的混合物，夾層氣體的主要來源是內、外不銹鋼管的放氣，纏繞層、內外管支撐及其它固體雜質的放氣。金屬的放氣是夾層氣體的主要來源，金屬放氣主要成分是氫。實驗對實際真空閥門殘留氣體取樣分析，夾層中氣體組成的含量依次為氫、氮、氧、氬、水蒸氣、二氧化碳和氦氣，其中，氫的含量最高，可達到95%。

　　在液氫溫度下，除氫和極少量的氦外，氮、氧、氬、水蒸氣、二氧化碳等其它所有氣體均被冷凝成固體，同時由于吸附劑的作用，夾層中只有少量氫存在。在液氧溫度下，分子篩對氫的吸附能力很差，其它所有的雜質氣體均被分子篩所吸附或者被凝固。由于氫來源于真空閥封口時殘存氣體和氦質譜檢漏的氦氣，氦的含量極微，可以近似認為在液氧溫度下真空夾層內全部為氫。在液氧溫度下，5A 分子篩對氫的吸附能力很差，每克分子篩吸附氫的量僅為0.01cm3(標態(tài))，可以近似認為不吸附。而在液氧溫度下，分子篩對氧、氮、氬均有相當好的吸附能力。在液氫溫度下，分子篩對氫的吸附能力就變得非常強，在20K 溫度和1.33×10^-4 Pa 下，分子篩對氫的吸附容量大于160cm³(標態(tài))/g。因為壓力越高，分子篩吸附能力越強，所以在液氧溫度下，夾層壓力更高(>1.33×10^-4 Pa)時，分子篩對氧、氮、氬的吸附容量最低都要大于1cm³(標態(tài))/g。

3、低溫下氣體壓強與漏熱分析

　　根據常溫下夾層氫氣組分的體積百分比計算出夾層氫的分壓，然后根據分壓計算出夾層內氫的比容，而常溫下和液氧溫度下夾層內氫的比容是相同的，然后根據氫比容不變這一條件，計算出在液氧溫度下夾層內氫氣的壓力。因為此時夾層內只有氫氣為氣態(tài)，氫的壓力也就是液氧溫度下真空閥夾層的壓力。然后根據液氧溫度下真空閥夾層的壓力、結構尺寸，夾層纏繞層數計算出真空閥的固體導熱、輻射傳熱、對流換熱量，最終求得在不同初始真空度下真空閥換熱量�；�于表1 可以看出，真空閥夾層常溫氣壓在0.1Pa 以下時，殘余氣體對流換熱所產生的熱損失才與導熱和輻射熱在同一個數量級，真空閥抽至0.01Pa 時，氣體對流換熱所產生的熱損失只占

表1 夾層壓強與氫含量下總漏熱

　　基于表1 可以看出，真空閥夾層常溫氣壓在0.1Pa 以下時，殘余氣體對流換熱所產生的熱損失才與導熱和輻射熱在同一個數量級，真空閥抽至0.01Pa 時，氣體對流換熱所產生的熱損失只占總熱損失的10%以下，此時輻射所引起的熱損失成為真空閥漏熱的主要因素，繼續(xù)抽真空，真空閥的總漏熱量幾乎沒有降低，所以當真空夾層內抽至0.01Pa 時，繼續(xù)抽真空對閥絕熱性能的提升很小，夾層的氫含量對真空閥總漏熱有影響，隨著氫含量的升高，真空閥在低溫下的漏熱量升高，真空閥夾層常溫氣壓在1Pa 以上時真空管總漏熱量基本與氫含量成倍比關系，真空閥夾層常溫氣壓在0.1Pa 以下時，真空閥總漏熱量與氫含量幾乎沒關系。

4、閥體內殘余氣體傳熱實驗分析

　　液氧，液氫在經過真空管道及真空截止閥后，1-2 小時對真空閥殘余氣體漏熱與常溫下夾層壓強進行了測試，實驗計算結果表明夾層低溫壓強對應的常溫壓強，與夾層中氫含量和吸附劑的吸附能力密切相關，如果吸附劑的裝填量足夠多，也即吸附劑在低溫下能夠吸附氣體的量大于夾層中可能存在的不凝性氣體的量，對液氫輸送中，可允許稍低的真空度。常溫夾層壓強在40Pa以上殘余氣體漏熱與壓力成非線性關系，如圖1所示。同時在夾層低壓強的狀態(tài)對殘余氣體的漏熱進行了計算分析如圖2 和圖3，實驗結果表明低壓狀態(tài)下殘余氣體的漏熱與夾層壓強成線性關系，常溫下夾層壓強降低閥體內殘余氣的漏熱變化幅度較低。

圖1 DN150 低溫真空閥殘余氣體導熱與夾層壓強的關系

圖2 DN150 低溫真空閥在低壓強下的導熱關系

圖3 DN150 低溫真空閥在低壓強下的導熱關系

5、小結

　　通過對低溫絕熱真空閥夾層內真空度分析，得到了影響真空度的主要原因，為真空閥在生產與加工環(huán)節(jié)提供了理論依據， 對低溫閥門生產過程中低溫材料的選則，以及如何長期有效保持閥門夾層內真空度提出了理論依據和指導。