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(jìn)行了分析探討，通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算為低溫真空閥在生產(chǎn)加工和實(shí)際應(yīng)用中提供了有利的指導(dǎo)和理論依據(jù)，對于低溫材料選擇，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定參考價值。

　　低溫真空截止閥主要應(yīng)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(jìn)入，為了盡量減少熱損耗，低溫液體的貯存、運(yùn)輸以及流量控制都采用了優(yōu)良的絕熱真空結(jié)構(gòu)，就絕熱真空結(jié)構(gòu)而言，其關(guān)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(nèi)外低溫真空技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對真空截止閥在實(shí)際生產(chǎn)使用過程中，如何保持較高真空度方面做了大量實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(jìn)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(dǎo)熱隨著夾層壓強(qiáng)的不同，氣體的導(dǎo)熱機(jī)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(nèi)飛渡的分子數(shù)成正比，即氣體的導(dǎo)熱率與氣體的密度成正比，與壓強(qiáng)成正比，在高真空區(qū)實(shí)際上不存在對流熱交換，高真空的氣體導(dǎo)熱屬于自由分子導(dǎo)熱，導(dǎo)熱率最小。對于同軸圓筒夾層氣體導(dǎo)熱，單位時間內(nèi)的傳熱表達(dá)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(nèi)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(nèi)、外不銹鋼管的放氣，纏繞層、內(nèi)外管支撐及其它固體雜質(zhì)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(shí)驗(yàn)對實(shí)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(dá)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(zhì)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(zhì)譜檢漏的氦氣，氦的含量極微，可以近似認(rèn)為在液氧溫度下真空夾層內(nèi)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(biāo)態(tài))，可以近似認(rèn)為不吸附。而在液氧溫度下，分子篩對氧、氮、氬均有相當(dāng)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(qiáng)，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(biāo)態(tài))/g。因?yàn)閴毫υ礁�，分子篩吸附能力越強(qiáng)，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(biāo)態(tài))/g。

3、低溫下氣體壓強(qiáng)與漏熱分析

　　根據(jù)常溫下夾層氫氣組分的體積百分比計(jì)算出夾層氫的分壓，然后根據(jù)分壓計(jì)算出夾層內(nèi)氫的比容，而常溫下和液氧溫度下夾層內(nèi)氫的比容是相同的，然后根據(jù)氫比容不變這一條件，計(jì)算出在液氧溫度下夾層內(nèi)氫氣的壓力。因?yàn)榇藭r夾層內(nèi)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(jù)液氧溫度下真空閥夾層的壓力、結(jié)構(gòu)尺寸，夾層纏繞層數(shù)計(jì)算出真空閥的固體導(dǎo)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(chǎn)生的熱損失才與導(dǎo)熱和輻射熱在同一個數(shù)量級，真空閥抽至0.01Pa 時，氣體對流換熱所產(chǎn)生的熱損失只占

表1 夾層壓強(qiáng)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(chǎn)生的熱損失才與導(dǎo)熱和輻射熱在同一個數(shù)量級，真空閥抽至0.01Pa 時，氣體對流換熱所產(chǎn)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(dāng)真空夾層內(nèi)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(guān)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(guān)系。

4、閥體內(nèi)殘余氣體傳熱實(shí)驗(yàn)分析

　　液氧，液氫在經(jīng)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(qiáng)進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表明夾層低溫壓強(qiáng)對應(yīng)的常溫壓強(qiáng)，與夾層中氫含量和吸附劑的吸附能力密切相關(guān)，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(qiáng)在40Pa以上殘余氣體漏熱與壓力成非線性關(guān)系，如圖1所示。同時在夾層低壓強(qiáng)的狀態(tài)對殘余氣體的漏熱進(jìn)行了計(jì)算分析如圖2 和圖3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明低壓狀態(tài)下殘余氣體的漏熱與夾層壓強(qiáng)成線性關(guān)系，常溫下夾層壓強(qiáng)降低閥體內(nèi)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(dǎo)熱與夾層壓強(qiáng)的關(guān)系

圖2 DN150 低溫真空閥在低壓強(qiáng)下的導(dǎo)熱關(guān)系

圖3 DN150 低溫真空閥在低壓強(qiáng)下的導(dǎo)熱關(guān)系

5、小結(jié)

　　通過對低溫絕熱真空閥夾層內(nèi)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(chǎn)與加工環(huán)節(jié)提供了理論依據(jù)， 對低溫閥門生產(chǎn)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(nèi)真空度提出了理論依據(jù)和指導(dǎo)。