通過分析影響真空度的主要因素及其影響規(guī)律,針對不同的影響因素提出了各自有利真空獲取和維持的解決方案,并將各措施具體地與抽真空工藝過程控制各環(huán)節(jié)相匹配,從而制定出較為科學(xué)的現(xiàn)行抽真空工藝流程。通過剖析現(xiàn)有工藝的局限性和研究成果,對抽真空工藝的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢提出建議。

1、引言

　　隨著低溫絕熱儲運(yùn)行業(yè)的發(fā)展日趨成熟,對影響低溫絕熱貯運(yùn)的各項研究也蓬勃開展起來。低溫絕熱主要分堆積絕熱、真空粉末(纖維)絕熱、高真空多層絕熱和高真空多屏絕熱幾種絕熱形式。其中高真空多層絕熱因絕熱性能好、工藝簡便獲得青睞,在小型低溫絕熱容器,乃至低溫槽車等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用,并具有逐步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢。

　　在影響多層絕熱性能的諸多因素中,真空度起到十分關(guān)鍵的作用。研究表明,當(dāng)真空度較低即P > 10Pa時,真空度變化對熱導(dǎo)率的影響不大;當(dāng)真空度為10 - 10^{- 2} Pa區(qū)間,隨著真空度的提高,熱導(dǎo)率急速下降;當(dāng)真空度優(yōu)于10^-3 Pa時,熱導(dǎo)率趨近恒定值。因此,一般夾層的表觀真空度要優(yōu)于10^{- 2} Pa,多層絕熱才能充分發(fā)揮效果,達(dá)到良好的絕熱目的,如圖1所示。

　　獲取好的真空度成為制造優(yōu)質(zhì)高真空多層絕熱容器的關(guān)鍵之一,這就對抽真空工藝提出了苛刻的要求。抽真空過程不僅要求對夾層結(jié)構(gòu)及內(nèi)部各材料的物性和功能有全面的認(rèn)識和理解,還要求確保工藝本身的科學(xué)性及穩(wěn)定性。分析了影響真空的主要因素,就目前的抽真空工藝現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述,通過剖析現(xiàn)有工藝的局限性和研究成果,對抽真空工藝的發(fā)展提出了新看法。

圖1　多層絕熱的表觀真空度與有效熱導(dǎo)率的關(guān)系

2、影響真空的主要因素

2.1、多層絕熱材料

　　在高真空多層絕熱系統(tǒng)中,多層絕熱材料多采反射材料與間隔物相交替的組合方式。反射材料大多采用高反射率的鍍鋁薄膜等,充分利用其高反射率來減少輻射傳熱。而間隔物則用熱導(dǎo)率小的材料如尼龍網(wǎng)、玻璃纖維等,以增大接觸熱阻。同時還可將絕熱材料波紋化形成多層膜�；蛞詼炀]薄膜為基體,一面鍍鋁作為反射層,另一面涂以熱導(dǎo)率小的顆粒狀無機(jī)物SiO2 作為屏間隔物,以減小固體導(dǎo)熱,以上方法從不同程度上都能提高了絕熱性能。

　　多層絕熱材料的纏繞和包扎對抽真空的影響十分明顯。層數(shù)及密度過少不利于絕熱性能,但層數(shù)及密度的增加會造成抽真空阻力的增大,層間氣體不易被抽走,亦會由于層間真空度不佳而影響絕熱性能。常用的纏繞方法有兩種,其一是“螺旋”式纏繞法,其二是“筒體竹節(jié)”式纏繞法,真空技術(shù)網(wǎng)曾經(jīng)有一文中對第一種方法給出了詳細(xì)描述。無論采用何種方法,都要求包扎均勻,并控制理想的層密度。

　　抽真空前的多層絕熱材料應(yīng)進(jìn)行規(guī)模化干燥處理。目的是除去材料中的水分,脫除材料生產(chǎn)過程中附著的油脂、蠟、堿等影響抽空的物質(zhì),加快材料放氣,縮短將來的抽空時間。將經(jīng)烘烤反射材料的放氣特性與未烘烤前進(jìn)行實驗比較后,得出材料經(jīng)烘烤后更容易抽至高真空,提高層間真空度。

2.2、筒體漏放氣

　　除了筒體自身會和多層絕熱材料一樣發(fā)生放氣現(xiàn)象外,通過筒體的漏氣速率對真空度的影響也不可忽視。通過筒體漏入的氣體主要是空氣,盡管其中含有少量的He, Ne, H2 , 但這些氣體都極不易被吸附�？諝庵饕�通過焊縫和各與夾層連通的密封結(jié)構(gòu)等渠道進(jìn)入夾層。因而在抽真空前,必須檢漏,確保真空夾層具有優(yōu)良的密封性,從源頭上杜絕筒體漏氣對真空度的影響。

2.3、吸附劑

　　再好的絕熱容器也不可避免地存在一定程度上的材料和筒體漏放氣。使用吸附劑對于獲得并保持夾層在低溫下的真空度起到重要作用。夾層真空度壽命在很大程度上取決于吸附劑的特性、裝入量及其作用是否充分發(fā)揮。活性碳和5A 分子篩是低溫絕熱真空夾層中常用的兩種吸附劑,國內(nèi)外許多學(xué)者給出了兩者在低溫低壓下吸附N2、O2、Ar, H2、He、Ne等氣體的吸附等文獻(xiàn)。N2、O2、Ar是空氣的主要成分,He、Ne在空氣中含量極少,但對高真空多層絕熱的危害不容忽視; H2 則是夾層放氣的主要組分。在漏氣(N2、O2、Ar)和材料放氣(主要是H2 )的兩個因素中,考慮到現(xiàn)有吸附劑在液氧、液氮溫度下不能吸附H2(吸附容量極小) ,目前常采用吸H2 劑(例如一氧化鈀)。

3、現(xiàn)行的主要抽真空工藝

　　目前,低溫高真空多層絕熱容器主要采取加熱和置換相結(jié)合的抽真空工藝。圖2給出了一套抽真空工藝流程。從中不難看出加熱爐I用來對絕熱容器進(jìn)行加熱,而加熱爐II和III則用來加熱置換氣體,置換氣體選用氮?dú)狻?/p>

圖2　抽真空工藝流程示意圖(范例)

3.1、抽真空工藝對設(shè)備的基本要求

　　抽真空系統(tǒng)一般由抽空工裝、抽空裝置、真空測量、溫度測量和控制等組件組成。抽空裝置一半包括抽氣管路、閥門、真空泵或真空機(jī)組等。真空測量主要指真空計。對于主泵和前級泵的選配主要根據(jù)所需抽速和時間來選取。抽真空涉及的管路所用材料應(yīng)滿足以下條件:

　　(1)氣密性好;

　　(2)內(nèi)部表面吸氣量盡量少,若有吸氣應(yīng)易于除氣;

　　(3)化學(xué)性能穩(wěn)定;

　　(4)熱穩(wěn)定性好;

　　(5)避免能儲氣的死角。

3.2、夾層加熱

　　加熱可以活化吸附劑,釋放被吸附劑吸附的殘余氣體。在高溫下,氣體的分子動能加強(qiáng),有利于被抽吸。同時高溫加速了材料的放氣速率,為日后真空度的維持提供了保障。對夾層的加熱可通過兩種途徑實現(xiàn):外加熱和內(nèi)加熱方式。圖2中所選用的為外加熱方式。外加熱方式通常在絕熱容器外筒體上包裹加熱毯,而內(nèi)加熱方式則是向內(nèi)容器內(nèi)放入加熱棒。兩種方式都無法直接加熱內(nèi)容器壁面和夾層多層絕熱材料。通常多層絕熱材料貼附在內(nèi)筒體外壁面上,當(dāng)夾層壓力較低時,外筒體壁面經(jīng)過夾層傳遞到絕熱材料上的熱量很少,主要通過輻射換熱。相比較,采用內(nèi)加熱時,內(nèi)容器內(nèi)受熱氣體與內(nèi)壁面對流換熱,再經(jīng)由固體導(dǎo)熱將熱量傳遞給絕熱材料,這種方式加熱更為直接。對內(nèi)加熱抽空方式的容器內(nèi)筒體進(jìn)行了溫度場測量,研究結(jié)果表明,盡管內(nèi)部氣體溫度分層十分明顯,但內(nèi)筒體受熱較為均勻,這也就意味絕熱材料受熱均勻。

　　實踐證明,在抽真空過程中加熱,升高材料的溫度是加速材料表面出氣、縮短排氣時間的最有效的方法。但真空絕熱容器的加熱不能過高,因為絕熱材料、容器中的一些釬焊件,以及一些密封元件等不能經(jīng)受高的溫度。通常,鍍鋁滌綸薄膜在空氣環(huán)境下的加熱溫度不能高于100 ℃,在真空或氮?dú)鈿夥罩械募訜釡囟纫孕∮?50 ℃為宜�？梢�,高真空多層絕熱低溫容器的加熱溫度不能高于150 ℃。因而有必要制定合適的加熱方法,以提高容器的抽氣質(zhì)量和縮短抽氣時間。

　　抽真空過程開始前,應(yīng)使容器夾層空間所有元件(構(gòu)成夾層空間的器壁表面、吸附劑、玻璃紗、鍍鋁薄膜以及玻璃布) ,最均衡地加熱到可能的最高溫度,并且要在整個抽空過程中維持這個溫度。這就是在抽空前要實行預(yù)熱。假若是在抽空過程中將夾層空間的元件加熱到給定的溫度,則要費(fèi)很長的時間才能達(dá)到所需溫度,因為隨著真空度提高,絕熱性能改善,普通雙層容器即變成杜瓦容器 。

3.3、夾層置換

　　在多層絕熱材料中吸附了大量的不凝性氣體,這些氣體的不斷釋放會使絕熱空間的真空變惡劣,并使絕熱性能降低。由于這些氣體也不易被吸附劑吸附,只有通過抽離夾層空間才能確保維持夾層真空度。通過通入大量干燥高純度易冷凝或易吸附氣體進(jìn)行置換可實現(xiàn)該目的。目前常用的高純度干燥氣體為CO2 和N2。

　　CO2 冷凝真空是向真空夾層中充入常壓CO2 ,在低溫工作時CO2 冷凝結(jié)霜以獲得真空的一種方法。早在20世紀(jì)60年代,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局進(jìn)行了冷凝真空的試驗研究,認(rèn)為CO2、SO2 和NO是3種較為適用的氣體,最后選用CO2 作為冷凝真空用氣體,因為CO2 易于獲得相當(dāng)純的狀態(tài),價格低,無毒性,其窒息性低于SO2 和NO。除了CO2 外,高純度干燥N2也是常用的置換氣體。高純度干燥N2 造價低,易于獲取,且對環(huán)境無害,同時,在低溫環(huán)境下,吸附劑可大量吸附N2 ,從而維持真空度。

　　在向夾層空間通入置換氣體時,應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

　　(1)置換氣體必須相當(dāng)干燥(如干燥的高純氮?dú)�、高純度二氧化碳�(xì)獾? ;

　　(2)置換氣體放進(jìn)絕熱腔時速度要緩慢,否則容易會沖壞多層絕熱材料而惡化絕熱性能;

　　(3)盡可能采用經(jīng)加熱的氣體進(jìn)行置換,這樣既可以防止水汽生成,又可以進(jìn)一步活化吸附劑;

　　(4)通入置換氣體后,應(yīng)關(guān)閉各閥門,停止抽真空一段時間,使得夾層內(nèi)充分換熱及置換。研究表明, CO2 置換抽真空方法的抽真空時間雖然較長,但在日蒸發(fā)率、冷態(tài)真空度和日蒸發(fā)率這幾個方面的表現(xiàn)都優(yōu)于單純的抽真空方法。配合加熱環(huán)節(jié)后,能縮短抽空時間。

4、抽真空工藝總結(jié)與展望

　　抽真空工藝的好壞直接影響真空度的獲得與維持�，F(xiàn)行的抽真空工藝?yán)�用加熱與置換相結(jié)合的方式,可以較好較快地實現(xiàn)高真空,但在應(yīng)用上也存在一定的局限性。

　　(1)加熱方式的選擇。對于小型立式低溫絕熱容器,可以采用推薦的內(nèi)加熱抽真空工藝,但對于臥式儲罐或大型低溫容器,主要采用外加熱方式,若采用合理的內(nèi)筒內(nèi)管路布置,同樣可以采用內(nèi)加熱抽空。

　　(2)夾層溫度的控制。夾層吸附劑除氣溫度越高越容易活化,而過高的溫度對容器釬焊部分以及多層絕熱材料的性能都不利,因而選取理想的加熱最高溫度很關(guān)鍵。其次,目前對夾層內(nèi)的溫度難以監(jiān)控,無法判定夾層實際溫度,所以在加熱時如何控制確保夾層溫度恒定及加熱氣體的流場分布處于合理狀態(tài)也是日后研究的一個方向。

　　(3)抽真空工藝的規(guī)模化設(shè)計。在低溫絕熱容器批量生產(chǎn)流水線上,要實現(xiàn)規(guī)�；�抽真空工藝,則要求對工藝流程進(jìn)行合理設(shè)計,包括置換氣體加熱系統(tǒng)、氣體流量控制系統(tǒng)、夾層加熱系統(tǒng)等的規(guī)劃。隨著對真空理論的完善和對抽真空工藝認(rèn)識的深入,工藝中現(xiàn)有的問題和限制會隨著理論和經(jīng)驗的積累逐步得到解決和完善,進(jìn)一步解決低溫壓力容器制造過程中抽真空的瓶頸問題和降低抽空過程的能耗。