Sobre a taxa de evaporação diária Dewar de baixa temperatura

A taxa de evaporação diária do Dewar é o parâmetro técnico mais importante para avaliar o desempenho do isolamento térmico do Dewar, que pode refletir mais intuitivamente o desempenho de preservação a frio do Dewar. O padrão nacional exige o limite superior da taxa de evaporação diária estática (pressão de trabalho 1,0-1,6Mpa) do Dewar adiabático multicamadas de alto vácuo contendo nitrogênio líquido, consulte a Tabela 1:

Tabela 1 Limite superior da taxa de evaporação diária estática de Dewar adiabático multicamadas de alto vácuo

É de grande importância para o projeto e operação do Dewar estudar as mudanças de temperatura e pressão no Dewar e determinar a taxa de evaporação diária do Dewar sob pressão de trabalho por meio de experimentos. Este artigo discute o efeito da pressão Dewar na taxa de evaporação diária e revela quantitativamente a lei de variação da taxa de evaporação diária com a pressão por meio de pesquisa experimental.

1 Efeito da pressão na taxa de evaporação diária

De um modo geral, a taxa de evaporação de um recipiente criogênico refere-se à taxa de evaporação de uma quantidade apropriada de líquido criogênico contido no recipiente após atingir o equilíbrio térmico sob condições padrão (0°C). Geralmente é calculado por , por isso também é chamado de taxa de evaporação diária, ou seja, a relação entre a quantidade de líquido evaporado em 24 horas e o volume nominal do recipiente.

A influência da pressão na taxa diária de evaporação é refletida principalmente na diferença de temperatura e no calor latente de vaporização. No estado estacionário, a pressão de saturação Dewar corresponde à temperatura de saturação. Quanto maior a pressão de saturação, maior a temperatura de saturação, menor a diferença de temperatura com o ambiente e menor a transferência de calor. Mas, ao mesmo tempo, o calor latente de vaporização sob a pressão de saturação também é reduzido, e a taxa de evaporação diária é a razão entre a transferência de calor e o calor latente de vaporização. Portanto, é necessário realizar análises qualitativas e quantitativas da taxa de evaporação diária por meio de experimentos para fornecer uma base para aplicações práticas de engenharia.

2. Dispositivo experimental e processo experimental

2.1 Introdução ao dispositivo experimental

Neste experimento, o medidor de fluxo de massa foi usado para medir o fluxo de massa de Dewar sob cinco pressões diferentes e, em seguida, a taxa de evaporação diária foi calculada. O Dewar usado no experimento é um Dewar adiabático multicamadas de baixa temperatura e alto vácuo de 175L produzido por um fabricante nacional.

A estrutura de suporte Dewar, o tanque interno e o invólucro externo são todos feitos de aço inoxidável austenítico, e o método de isolamento térmico multicamada de alto vácuo é adotado, e os materiais de isolamento térmico são folha de alumínio e fibra de vidro. A parte superior do Dewar é equipada com uma válvula de entrada e saída de líquido, uma válvula de ar, uma válvula de reforço e uma válvula de ventilação, e um auto-reforço e um vaporizador são instalados no interior. O volume geométrico é 175L, o volume efetivo é 157L; o diâmetro interno do forro é de 450 mm; o diâmetro interno da casca é de 500mm

O comprimento da mangueira entre a válvula reguladora de pressão e o medidor de vazão é de 5 metros, que desempenha o papel de vaporização e redução de pressão. Além disso, cabe ressaltar que o instrumento utilizado para medir a vazão no experimento é um medidor de vazão mássica modelo M-5SLPM-D produzido pela Alicat Scientific nos Estados Unidos, com precisão de ±0,05SLPM (litro padrão /minuto), e pode automaticamente Os dados são registrados, de modo que os requisitos de medição sejam totalmente atendidos.

2.2 Procedimento de medição

(1) O meio de teste é nitrogênio líquido e a taxa de enchimento é de 90%. Abra a válvula de ventilação Dewar, feche outras válvulas no Dewar e deixe repousar por 48 horas;

(2) Quando a pressão dentro do Dewar estiver estável na pressão normal, conecte a mangueira à válvula de ventilação e conecte o medidor de fluxo de massa. Preste atenção ao aperto da conexão;

(3) Depois de observar que o fluxo de gás nitrogênio líquido está estável, comece a registrar os dados;

(4) O medidor de vazão de massa registra continuamente por 48 horas;

(5) Após a medição da pressão atmosférica, feche a válvula de respiro, desconecte a mangueira da válvula de respiro e conecte a válvula reguladora de pressão à válvula de respiro;

(6) Quando a válvula de ventilação estiver fechada, abra a válvula auxiliar Dewar. Quando a pressão manométrica Dewar mostrar em torno de 0,3Mpa, feche a válvula de reforço;

(7) Ajuste a válvula reguladora de pressão, ajuste a pressão de abertura da válvula reguladora de pressão para 0,23Mpa e deixe repousar por 24 horas;

(8) Após a estabilização, conecte a mangueira à válvula reguladora de pressão, conecte o medidor de fluxo de massa e comece a registrar os dados.

(9) Depois de registrar por 48 horas, feche a válvula de ventilação, pressurize novamente e repita as etapas (6) a (8) para registrar a taxa de fluxo de massa sob a pressão Dewar de 0,54MPa, 1,08MPa e 1,47Mpa

3. Resultados experimentais e análises

As cinco pressões no experimento são: pressão normal, 0,23 MPa, 0,54 MPa, 1,08 Mpa e 1,47 Mpa. Para tornar os resultados experimentais mais precisos, cada pressão é registrada continuamente por 48 horas

Sob condições de descarga natural estática e estável, a taxa de evaporação diária aumenta com o aumento da pressão Dewar. Isso é exatamente o oposto do que acontece sob condições de pressão. Em termos simples, à medida que a pressão aumenta, a temperatura de saturação correspondente aumenta, a diferença de temperatura entre o líquido no Dewar e o ambiente diminui e a transferência de calor diminui. Mas, ao mesmo tempo, o calor latente de vaporização diminui com o aumento da temperatura de saturação. Isso leva a uma conclusão completamente oposta à condição de retenção de pressão.

Também podemos tirar uma conclusão importante: o impacto das mudanças no ambiente externo na taxa de evaporação diária é retardado com o tempo. A temperatura ambiente atinge o mínimo por volta das três horas da manhã, teoricamente falando, a taxa de evaporação deveria ser a mínima neste horário, e a taxa de evaporação da Figura 4 atinge o valor mínimo às sete horas da manhã; da mesma forma, a temperatura ambiente é mais alta às duas horas da tarde, enquanto na Figura 4 A taxa de evaporação atinge seu valor mais alto às dez horas da noite. Isso ocorre porque o desempenho do isolamento térmico do Dewar usado no experimento é muito bom e leva um período de tempo para que a mudança da temperatura ambiente tenha um impacto significativo na taxa de evaporação do Dewar.