填炭紙在高真空多層絕熱中液氮溫度下的吸氣性能測試

2013-08-17 謝斯衛上海交通大學制冷與低溫工程研究所

　　通過實驗獲得了填炭紙在液氮溫度下對N2 和H2 兩種氣體的等溫吸附線，結果表明: 填炭紙對N2 的吸附效果非常好，對H2 的吸附效果較差，相同平衡壓力下對N2 的吸附量比對H2 的吸附量高出1~ 2 個數量級，且在填炭紙外包上絕熱材料能大大提高其對氣體的吸附能力，尤其是對N2 的吸附量能提高1~ 2個數量級，對H2 的吸附量也能提高1 倍以上，填炭紙對H2 的吸附效果是活性炭的3~ 15 倍。用Temkin 吸附式對等溫吸附線進行擬合，得到了填炭紙在10^-4~ 10 Pa 范圍內適用的對N2 和H2 兩種氣體的等溫吸附方程式。

　　高真空多層絕熱又稱/超級絕熱，是目前低溫壓力容器廣泛采用的絕熱方式之一。絕熱夾層的真空度是保證真空絕熱低溫容器之絕熱性能的關鍵因素，為了達到良好的絕熱目的，一般要求夾層真空度在1× 10^{- 2} Pa 以上。而夾層材料的放氣和容器的漏氣，會導致夾層真空度逐漸降低，從而影響容器的絕熱性能。因此，夾層高真空度的維持關系到壓力容器的使用壽命。在夾層設置吸附劑對于有效保持夾層空間的真空度具有重要的作用，夾層的真空壽命很大程度上取決于吸附劑的特性、裝入量以及能否充分發揮作用等。引起夾層真空度變化的主要原因是內外筒體漏氣和夾層材料放氣。漏入夾層的氣源是空氣，而N2和O2 占空氣組分的99%，因此漏入夾層的氣體主要為N2 和O2，文獻表明液氮溫度下活性炭對N2 和O2 的吸附能力差別不大，所以只需選取其中一種氣體做吸附測試。另外，國內外的大量測試表明，低溫壓力容器的金屬材料及多層絕熱材料，在100 攝氏度以上熱環境中，真空放氣一段時間后，放氣組分中H2 占放氣的70% ，并且高真空多層絕熱容器的夾層內的放氣量遠遠大于實際的漏氣量,H2 是影響夾層真空度下降的主要原因，因此，在低溫低壓下，吸氣劑吸附N2 和H2 的能力對夾層真空度的維持顯得至關重要。

　　填炭紙作為一種優良的間隔材料被廣泛地應用在低溫容器中，其不僅具有很好的絕熱效果，更重要的是其在低溫下的吸氣性能能有效降低絕熱材料的層間壓強，從而大大降低絕熱材料的表觀導熱系數。填炭紙在低溫下的吸附原理為物理吸附，因此需緊貼內筒體的外壁放置，這樣填炭紙的溫度會降低到接近低溫液體的溫度，從而提高其吸附氣體的能力。

　　盡管活性碳為緊貼內筒外壁放置，但受環境漏熱的影響，填炭紙的溫度并不是都等于低溫液體的溫度,遠離內筒外壁填炭紙的溫度要比靠近內筒外壁填炭紙的溫度高，且環境漏熱越大，溫差越大。文獻指出，當活性碳的溫度從77 K 上升到90 K 時，其吸附氣體的能力會大大降低，因此，填炭紙的溫度能否都保持在低溫液體的溫度直接影響到其吸附氣體的能力。要保證全部填炭紙的溫度都接近低溫液體的溫度須盡可能地減少從環境漏入到填炭紙中的熱量。本次實驗將通過在填炭紙外包裹多層絕熱材料的方法來研究環境漏熱對填炭紙吸附能力的影響。

　　圖1 為典型多層絕熱表觀導熱系數和壓強之間的關系，當真空度較低即p > 10 Pa 時，真空度變化對熱導率的影響不大; 當真空度為10~ 10^{- 2} Pa 區間時，隨著真空度的提高，熱導率急速下降; 當真空度優于10^{- 3} Pa 時，熱導率趨近恒定值。因此，獲得填炭紙在10^{- 4}~ 10 Pa 區間的等溫吸附線具有非常重要的意義。

多層絕熱材料有效導熱率與殘余氣體壓力的關系