杜瓦的日蒸發(fā)率是評(píng)價(jià)杜瓦絕熱性能最重要的技術(shù)參數(shù)，能夠較為直觀(guān)地反映杜瓦的保冷性能。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)盛裝液氮的高真空多層絕熱杜瓦靜態(tài)日蒸發(fā)率的上限值（工作壓力1.0－1.6Mpa）要求見(jiàn)表1：
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公稱(chēng)容積（L）
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10
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25
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50
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100
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150
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175
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200
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300
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450
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靜態(tài)日蒸發(fā)率（≤％/d）
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5.5
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4.2
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3.0
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2.8
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2.5
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2.1
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2.0
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1.9
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1.9
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對(duì)于低溫杜瓦日蒸發(fā)率的研究，前人做了部分相關(guān)工作。測(cè)量了自然排放和憋壓排放兩種狀態(tài)下的蒸發(fā)率。憋壓狀態(tài)下壓力升高蒸發(fā)速度會(huì)降低。但未得出自然排放下的數(shù)據(jù)和結(jié)論。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，杜瓦日蒸發(fā)率是會(huì)變化的。根據(jù)漏熱方程計(jì)算了不同充滿(mǎn)率下的儲(chǔ)存壓力和漏熱量之間的關(guān)系，指出容器的熱容量和熱耗隨著設(shè)計(jì)壓力的升高而增大，甚至?xí)^(guò)運(yùn)輸設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)要求。分析了車(chē)載LNG燃料儲(chǔ)罐加注過(guò)程中熱量的漏入過(guò)程，提出可將蒸汽重新液化以降低儲(chǔ)罐壓力，防止天然氣的蒸發(fā)以降低運(yùn)輸成本。
自然排放狀態(tài)時(shí)杜瓦儲(chǔ)存壓力下的日蒸發(fā)率值、其具體影響及變化規(guī)律還鮮有介紹。研究杜瓦內(nèi)溫度和壓力的變化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定工作壓力下杜瓦的日蒸發(fā)率對(duì)于杜瓦的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都有重要意義。本文探討了杜瓦壓力對(duì)日蒸發(fā)率的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究定量揭示出日蒸發(fā)率隨壓力的變化規(guī)律。
1 壓力對(duì)日蒸發(fā)率的影響
通常所說(shuō)的低溫容器的蒸發(fā)率，是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（
式中，α為日蒸發(fā)率，單位％ld；M為
引起杜瓦內(nèi)液體蒸發(fā)的原因是由于從外界吸收了熱量。根據(jù)熱量平衡關(guān)系可得：
方程左側(cè)為通過(guò)杜瓦的絕熱材料和機(jī)械構(gòu)件導(dǎo)入液體的總熱流，右側(cè)為總熱流所引起的杜瓦內(nèi)液體的蒸發(fā)。式中，K為有效導(dǎo)熱系數(shù)，S為表面積，為環(huán)境溫度與杜瓦內(nèi)飽和溫度的差值，
為絕熱層厚度。M為液體的蒸發(fā)量；Y為低溫液體的汽化潛熱。
壓力對(duì)日蒸發(fā)率的影響主要體現(xiàn)在溫差和汽化潛熱上。在穩(wěn)定狀態(tài)下，杜瓦內(nèi)飽和壓力與飽和溫度相對(duì)應(yīng)。飽和壓力高，飽和溫度也越高，與環(huán)境的溫差縮小，傳熱量減小。但同時(shí)飽和壓力下的汽化潛熱也降低，而日蒸發(fā)率為傳熱量與汽化潛熱的比值。因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)日蒸發(fā)率做出定性和定量分析，為實(shí)際的工程應(yīng)用提供依據(jù)。
2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)流程
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介
本實(shí)驗(yàn)用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量了杜瓦在五種不同壓力下的質(zhì)量流量，進(jìn)而計(jì)算日蒸發(fā)率值。實(shí)驗(yàn)所用杜瓦為國(guó)內(nèi)某廠(chǎng)家生產(chǎn)的175L低溫高真空多層絕熱杜瓦，如圖1所示。
1－放空閥 2－增壓閥，用氣閥（重疊）3－液體進(jìn)出口閥 4－頸管
5－吸附劑 6－內(nèi)容器 7－外殼 8－底部支座 9－底部支承
圖1杜瓦實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
杜瓦支承結(jié)構(gòu)和內(nèi)膽、外殼均采用奧氏體不銹鋼，采用高真空多層絕熱方式，絕熱材料使用鋁箔和玻璃纖維。杜瓦上部設(shè)有液體進(jìn)出口閥、用氣閥、增壓閥和放空閥，內(nèi)部設(shè)有自增壓器和汽化器。幾何容積175L，有效容積157L；內(nèi)膽內(nèi)徑450mm；外殼內(nèi)徑500mm。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖2所示。
1－低溫絕熱杜瓦 2－調(diào)壓閥（常壓下不使用） 3－氣體質(zhì)量流量計(jì)
圖2 杜瓦日蒸發(fā)率測(cè)量裝置
大氣壓力表和溫度計(jì)未顯示于圖2中；調(diào)壓閥和流量計(jì)間的軟管長(zhǎng)度為5米，起到汽化和降壓的作用。另外，需要說(shuō)明的是，實(shí)驗(yàn)中用于計(jì)量流量的儀表是由美國(guó)Alicat Scientific公司生產(chǎn)的型號(hào)為M-5SLPM-D的質(zhì)量流量計(jì)，精度為±0.05SLPM（標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘），且可以自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，因此完全能滿(mǎn)足測(cè)量要求。
2.2 測(cè)量程序
（1）測(cè)試介質(zhì)選用液氮，充滿(mǎn)率為90%。打開(kāi)杜瓦放空閥，關(guān)閉杜瓦上其他閥門(mén)，靜置48h；
（2）杜瓦內(nèi)壓力穩(wěn)定為常壓時(shí)，將軟管連接至放空閥，并連接質(zhì)量流量計(jì)。注意連接的密封性；
（3）觀(guān)察液氮?dú)怏w流量穩(wěn)定后，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)；
（4）質(zhì)量流量計(jì)連續(xù)記錄48h；
（5）常壓測(cè)量結(jié)束之后，關(guān)閉放空閥，將軟管與放空閥斷開(kāi)，并將調(diào)壓閥連接至放空閥；
（6）放空閥關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，打開(kāi)杜瓦增壓閥。當(dāng)杜瓦表壓顯示為0.3Mpa附近時(shí)，關(guān)閉增壓閥；
（7）調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，將調(diào)壓閥開(kāi)啟壓力調(diào)節(jié)至0.23Mpa，并靜置24h；
（8）穩(wěn)定后將軟管連接至調(diào)壓閥，并連接質(zhì)量流量計(jì)，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。
（9）記錄48h之后，關(guān)閉放空閥，重新增壓，再重復(fù)（6）到（8）步驟記錄杜瓦壓力為0.54MPa、1.08MPa、1.47Mpa下的質(zhì)量流量。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)處理
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如采用質(zhì)量流量計(jì)以及液氮作為測(cè)量介質(zhì)，則日蒸發(fā)率的計(jì)算公式為[6]：
（3）
式中，
為氣體質(zhì)量流量；
為流量計(jì)的校正系數(shù)；
為1.013kPa下飽和液氮的密度；
為杜瓦的有效容積；
為1.013kPa下液氮的飽和溫度；
為環(huán)境溫度；
為杜瓦內(nèi)液氮飽和溫度。
根據(jù)（2）式，
，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同的杜瓦，漏熱量與傳熱溫差成正比。在測(cè)得常壓下的日蒸發(fā)率后，根據(jù)漏熱量與溫差的正比關(guān)系，可算得其他高壓下日蒸發(fā)率的理論值[7]。
（4）
其中，下標(biāo)0代表常壓，1代表其他高壓。
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)中的五種壓力分別是：常壓、0.23 MPa、0.54 MPa、1.08 Mpa和1.47 Mpa，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，每個(gè)壓力都連續(xù)記錄48h。測(cè)得的蒸發(fā)率值如下圖：
圖3 常壓下的蒸發(fā)率隨時(shí)間的變化
圖 4 高壓下蒸發(fā)率隨時(shí)間的變化
圖3為常壓下的蒸發(fā)率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，液氮的平均日蒸發(fā)率為1.90％。根據(jù)表1，175L儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率上限值為2.1%。因此該杜瓦的絕熱指標(biāo)已達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。圖4為高壓下的蒸發(fā)率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，圖中出現(xiàn)間斷部分，是因?yàn)殡S著液體的蒸發(fā)及氣體的排放，杜瓦內(nèi)壓力會(huì)有所降低，以至達(dá)不到調(diào)壓閥的開(kāi)啟壓力，氣體質(zhì)量流量降低至零。之后杜瓦內(nèi)液體吸收環(huán)境的熱量蒸發(fā)，使得壓力又有所回升，到達(dá)調(diào)壓閥開(kāi)啟壓力后，氣體又重新開(kāi)始排放。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的四種高壓下的平均日蒸發(fā)率見(jiàn)下表，結(jié)合公式（4）計(jì)算理論值，并得出相對(duì)誤差：
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壓力（Mpa）
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日蒸發(fā)率實(shí)驗(yàn)值（％/d）
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日蒸發(fā)率理論值（％/d）
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相對(duì)誤差（％）
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0.23
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2.26
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1.96
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15.17
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0.54
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2.28
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2.07
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9.88
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1.08
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2.33
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2.28
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2.28
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1.47
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2.52
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2.47
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2.31
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根據(jù)表2可以看出，在靜態(tài)穩(wěn)定的自然排放條件下，日蒸發(fā)率隨著杜瓦內(nèi)壓力的增大而升高。這與憋壓條件下的情況完全相反。簡(jiǎn)單看來(lái)，由于壓力的升高，對(duì)應(yīng)的飽和溫度升高，杜瓦內(nèi)液體與環(huán)境的溫差減小，傳熱量降低。但同時(shí)汽化潛熱隨著飽和溫度的升高而降低。這導(dǎo)致出現(xiàn)與憋壓條件完全相反的結(jié)論。
圖4中，高壓下的蒸發(fā)率的波動(dòng)隨著壓力的升高而增大。0.23Mpa下的日蒸發(fā)率較平穩(wěn)，而1.47Mpa時(shí)日蒸發(fā)率明顯出現(xiàn)上下峰值。這是由于隨著壓力的升高，杜瓦內(nèi)氣體和液體的流動(dòng)狀態(tài)更加劇烈和復(fù)雜，平衡和穩(wěn)定所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。
此外，由表2中結(jié)果可以看出，計(jì)算的理論蒸發(fā)率值比實(shí)際測(cè)量值要小,這主要是由于各項(xiàng)傳熱的復(fù)雜性以及傳熱計(jì)算中忽略了杜瓦其他構(gòu)件的輻射及管道和閥門(mén)結(jié)霜等的影響。但由此產(chǎn)生的誤差值都在允許的誤差范圍內(nèi)。
由曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)我們還能得出一個(gè)重要結(jié)論：外界環(huán)境的變化對(duì)日蒸發(fā)率的影響隨著時(shí)間有所延遲。環(huán)境溫度在凌晨三點(diǎn)左右達(dá)到最低，理論上講此時(shí)蒸發(fā)率應(yīng)最小，而圖4中的蒸發(fā)率在早晨七點(diǎn)達(dá)到最低值；同樣地，下午兩點(diǎn)時(shí)環(huán)境溫度最高，而圖4中在晚上十點(diǎn)時(shí)蒸發(fā)率達(dá)到最高值。這是由于實(shí)驗(yàn)所用杜瓦的絕熱性能非常良好，環(huán)境溫度的變化需要一段時(shí)間之后才能對(duì)杜瓦的蒸發(fā)率產(chǎn)生明顯的影響。
