首页 >> 行业知识 >> 制氮机(制氮设备)真空度探讨

制氮机(制氮设备)真空度探讨

1  真空粉末绝热低温贮槽工作真空度
真空粉末绝热的真空属于低真空, 要求真空度
在67Pa 以上。尽管在工作时剩余气体的分子平均
自由程大于粉末间隙, 导热系数与剩余气体压力成
正比, 但由于粉末绝热的特点: 珠光砂为白色颗
粒, 固体导热路径曲折又局部接触, 构成了无数的
反幅射屏, 降低了幅射传热。真空粉末绝热是将固
体导热、分子对流传热以及辐射传热的总和维持在
一个水平上, 其影响因素是多方面的。只要把真空
度控制在一定的范围, 夹层压力对总体导热系数影
响很小。通过实验得出的表观平均导热系数与夹层
压力的关系曲线如图1 、2 、3 所示。
图1  真空粉末绝热材料表观平均导热系数珚K与压力P 的关系
1 —高压气凝胶, 堆积密度124kg/ m3  2 —常压气凝胶, 堆积密度
120kg/ m3  3 —气相胶, 堆积密度290kg/ m3  4 —珠光砂, 堆积密
度130kg/ m3  5 —蛭石, 堆积密度300kg/ m3
图2  真空粉末绝热材料表观平均导热系数珚K与压力P 的关系
1 —气凝胶 2 —酚醛树脂球 3 —炭黑 4 —硅藻土
5 —珠光砂(温度: 76K~300K, 填充气: 氮)
6 —气凝胶(温度: 20K~76K, 填充气: 氦)
  从图1 可以看出: 当真空度上升至1313Pa 以上
时,表观平均导热系数曲线接近于一条水平直线;
图3  珠光砂的表观平均导热系数珚K与压力P 的关系
1 —堆积密度为73~77kg/ m3  2 —堆积密度为60~70kg/ m3
3 —堆积密度为130kg/ m3
图2 表明真空度上升至113Pa 以上时斜率大大减小,
真空度到0113Pa 以上时已经完全近似于一条水平直
线; 图3 反映的是3 种充填密度珠光砂表观平均导
热系数与真空度的关系曲线, 导热系数虽然随充填
珠光砂的密度不同有大小, 但是当真空度上升到
13Pa 以上时, 3 条曲线都趋于水平, 真空度的继续
升高对导热系数的影响已经很微小。
国产和日本产珠光砂在不同真空度下的导热系
数见表1 。
表1  珠光砂在不同真空度下的导热系数单位: 11163W/ (m·K)
堆积密度
/ (kg/ m3)
粒度/ 目温度/ K
真空度/ Pa
大气压133 ×102 133 ×101 133 ×100 133 ×10 - 1 133 ×10 - 2 133 ×10 - 3
73~77 20~40
130 40~80
60~70 (日本) 粒状
77~310

01024 010232 010191 010147 0100153 0100148 0100144
010254 010228 0100354 0100138 0100104 01000885 —
010215 010195 0100626 0100174 0100149 0100138 —
  从表1 中看出, 当真空度在13Pa 以上时, 真
空度的提高对降低导热系数的作用已不明显。
大量资料和实际使用都证明, 真空粉末绝热低
温液体贮槽的工作真空度在1~67Pa 范围内都具有
良好的绝热性能, 在1Pa 的基础上再继续提高其工
作真空度, 对降低绝热材料的表观平均导热系数已
无实际意义。
2  漏率是保证真空寿命的关键
无论采用何种工艺、何种技术制造的真空容
器, 都要从外部环境漏入流体介质, 使其真空度降
低, 时间越长, 真空度就越低。要保证真空容器的
真空寿命, 就必须规定其漏率, 因此漏率是根据真
空寿命确定的。
刚制作好的低温液体贮槽, 有两个原因会引起
其真空夹层真空度降低: ①是内、外筒壳体漏气;
②是夹层材料放气。夹层材料放气是暂时的, 充装
低温液体后将加速放气, 而且会很快停止放气。而
只要夹层处于真空状态, 漏气现象就一直存在, 漏
气对真空度的影响是长久的, 所以应该特别注意。
封结真空度(抽空结束时真空夹层压力平衡后
的常温压力) 是低温液体贮槽要考核的硬性指标,
这个指标的高低关系到低温液体贮槽的制造成本。
现以10m3 、100m3 低温液体贮槽为例, 说明封结
真空度对低温液体贮槽真空寿命的影响。真空寿命
t 通常按公式(1) 计算:
t =
( p2 - p1) V n
3115 ×107 q
(1)
式中: p1 ———工作时的初始真空度(按封结真空
度降低1 个数量级计) , Pa ;
p2 ———真空粉末绝热失效真空度, 取67Pa ;
V ———真空夹层容积, L ;
q ———规定的漏率, Pa·L/ s ;
n ———夹层珠光砂所占体积, 取017 。
按式(1) 计算的10m3 、100m3 低温液体贮槽
的真空寿命见表2 。其中: 10m3 贮槽: V =
11000L , q = 310 ×10 - 3 Pa·L/ s ; 100m3 贮槽: V
= 60000L , q = 116 ×10 - 3Pa·L/ s。
表2  封结真空度对低温液体贮槽真空寿命的影响
  夹层漏率对低温液体贮槽真空寿命的影响见表
3 、4 。计算条件: 封结真空度为40Pa , 初始工作
真空度为4 Pa 。
表3  夹层漏率对10m3 低温液体贮槽真空寿命的影响
夹层总漏率/ ( Pa·L/ s) 真空寿命/ a
310 ×10 - 3 511
218 ×10 - 3 5147
216 ×10 - 3 5189
214 ×10 - 3 6139
210 ×10 - 3 7166
118 ×10 - 3 815
116 ×10 - 3 916
  由表2 可知, 封结真空度由40Pa 上升到4Pa ,
封结真空度提高了10 倍, 但10m3 低温液体贮槽
的真空寿命只增加了013 年、100m3 低温液体贮槽
表4  夹层漏率对100m3 低温液体贮槽真空寿命的影响
夹层总漏率/ ( Pa·L/ s) 真空寿命/ a
118 ×10 - 2 4164
116 ×10 - 2 5123
114 ×10 - 2 5197
112 ×10 - 2 6197
111 ×10 - 2 7160
110 ×10 - 2 8136
019 ×10 - 2 9129
的真空寿命只增加了0133 年。由表3 可知, 10m3
低温液体贮槽的漏率由310 ×10 - 3 Pa·L/ s 下降到
214 ×10 - 3Pa·L/ s , 漏率要求只提高了016Pa·L/ s ,
而真空寿命却增加了1129 年; 由表4 可知,
100m3 低温液体贮槽漏率由116 ×10 - 2Pa·L/ s 降低
到112 ×10 - 2Pa·L/ s , 漏率要求只提高了014Pa·L/ s ,
而真空寿命却增加了1174 年。由此可见, 提高封
结真空度对增加低温液体贮槽真空寿命的程度非常
有限, 降低漏率才是增加其真空寿命的有效措施。
3  国家标准对封结真空度的要求比较
我国从1981 年首次制定的《固定式真空粉末
绝热贮槽》(JB/ TQ 260 —81) 行业标准, 到现在
的《低温绝热压力容器》( GB 18442) 国家标准,
总计4 个版本, 各版本标准对封结真空度的要求见
表5 。
表5  4 个版本标准对低温液体贮槽封结真空度的要求比较
  JB/ TQ 260 —81 标准是我国真空粉末绝热低温
液体贮槽的第一个企业标准, 当时在我国低温液体
贮槽的制造刚刚由试制迈向批量生产, 没有考虑其
有效容积大小, 封结真空度均定为2167Pa ; 《固定
式真空粉末绝热低温液体贮槽》(ZBJ 76003 —88 、
JB/ T 9072 —1999) 是低温液体贮槽标准的第二、
三版, 对封结真空度按贮槽的容积做了分档, 并且
突破了2167Pa 的界限, 放宽到不低于4Pa ; 低温
液体贮槽标准的第四版, 即GB 18442 —2001 国家
标准, 进一步放宽了对封结真空度的要求。
但总的来说, 标准要求的封结真空度还是偏
高, 需要大幅度降低才能与真空粉末绝热特性相适
应, 这也是减少能耗、降低成本应该考虑的问题。
4  调整封结真空度指标的可行性和意义
封结真空度是常温测量值, 当贮槽中充入低温
液体后, 一方面由于夹层气体的冷缩, 另一方面由
于珠光砂具有吸附作用, 夹层真空度将上升1~2
个数量级, 即当封结真空度为40Pa 时, 充入低温
液体后夹层真空度可以上升至4Pa 以上。
我国的低温液体贮槽制造业经过30 多年的发
展, 有效容积从几百升发展到几百立方米, 贮存低
温液体介质从氧、氮、氩扩大到几乎涵盖所有低温
液体, 生产厂家也已扩大到数十家, 设计和制造低
温液体贮槽的技术已基本成熟。但是, 由于过分地
看重提高封结真空度对放气的作用, 增加了不必要
的抽空时间。例如, 一个600L 的低温液体容器
(贮槽) , 真空夹层抽空至10Pa 封结, 真空寿命为
619 年; 抽空至1Pa 封结, 真空寿命为7 年, 真空
寿命仅增加了1 个多月。可是为了达到1Pa 封结的
目标, 冬天至少要多花10 多天时间进行抽空, 夏
天需要多花20 多天到1 个月的时间, 即多用1 个
月的抽空时间去延长1 个月的真空寿命。早在20
世纪80 年代, 宝钢从国外引进低温液体贮槽, 其
封结真空度就为40Pa , 初始工作真空度为617Pa 。
综合比较国内外同类低温液体贮槽产品, 对于
有效容积在5m3 以上的低温液体贮槽, 国内的封
结真空度要求是国外的4~8 倍。而不必要地提高
封结真空度, 延长了抽空时间, 造成了时间和能源
的浪费, 增加了制造成本。
5  结束语
正规的低温液体贮槽生产厂家, 对制造的产品
都严格按标准进行考核。标准具有控制性, 且影响
面很广, 因此建议降低标准中对封结真空度的要
求, 对GB 18442 —2001 标准规定的封结真空度指
标, 在现有基础上降低2 ~8 倍(有效容积小于
5m3 的贮槽宜按2 倍降低) 。这样既能满足真空粉
末绝热性能的要求, 又能降低生产成本, 对低温液
体贮槽制造业的降耗节能大有裨益, 经济效益显
著。 
参考文献:
[1 ] 化学工业部第四设计院主编. 深冷手册[M] . 北京:
化学工业出版社, 1979.
[2 ] GB 18442 —2001 低温绝热压力容器[ S] .
[3 ] JB/ T 9072 —1999 固定式真空粉末绝热低温液体贮槽
[ S] .
[4 ] ZBJ 76003 —88 固定式真空粉末绝热低温液体贮槽
[ S] .
[5 ] JB/ TQ 260 —81 固定式真空粉末贮槽[ S] .