本發(fā)明涉及一種真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置及方法，屬于真空絕熱深冷容器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)氣體儲(chǔ)運(yùn)由氣態(tài)高壓存儲(chǔ)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯罾湟夯鎯?chǔ)，深冷液化存儲(chǔ)最大的優(yōu)越性在于儲(chǔ)存密度大、運(yùn)輸效率高以及氣體較為純凈等。低溫液體通常儲(chǔ)存于具有真空夾套的雙層壁深冷容器內(nèi)，深冷容器內(nèi)容器一般選用不銹鋼材質(zhì)，外容器選用碳鋼或不銹鋼材質(zhì)。深冷行業(yè)中許多儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，例如低溫罐箱、低溫槽罐車以及臥式固定儲(chǔ)罐等都采用高真空多層絕熱，該絕熱方式能夠最大程度減低氣體對(duì)流傳熱與輻射傳熱。然而，深冷容器的內(nèi)外容器必須要靠支撐結(jié)構(gòu)連接，真空環(huán)境下對(duì)流與輻射傳熱量遠(yuǎn)小于內(nèi)外容器間的固體支撐連接構(gòu)件(環(huán)氧玻璃鋼管)處的傳熱量。在低溫液體儲(chǔ)運(yùn)過程中，玻璃鋼管支撐件與內(nèi)外容器直接接觸而產(chǎn)生熱橋，熱橋的導(dǎo)熱量是深冷容器絕熱性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)，這就必須掌握玻璃鋼管支撐件與內(nèi)外容器的接觸導(dǎo)熱熱阻，才能準(zhǔn)確計(jì)算該熱橋的導(dǎo)熱量。然而，目前關(guān)于如何測試高真空深多層絕熱深冷容器內(nèi)玻璃鋼管支撐件與內(nèi)外容器之間接觸熱阻的資料比較匱乏，尚無一種針對(duì)性的試驗(yàn)裝置能有效解決該問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置及方法，測試高真空多層絕熱深冷環(huán)境下不同加載載荷與熱端溫度時(shí)不同材料試件的不同位置的溫度分布，評(píng)價(jià)不同材料直接接觸時(shí)受不同載荷與熱端溫度時(shí)的傳熱性能，得到其接觸導(dǎo)熱熱阻。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，其特征是包括：

外腔體；

內(nèi)腔體，呈封閉狀并充注低溫液體，其置于外腔體內(nèi)，并與外腔體之間形成真空夾層，所述內(nèi)腔體的上部成凹槽形，低溫液體的液面高出凹槽底部；

法蘭蓋板，與所述外腔體的上部密封連接，所述法蘭蓋板與外腔體之間以及凹槽內(nèi)均抽真空；

至少一個(gè)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組，設(shè)置在所述凹槽中，導(dǎo)熱試驗(yàn)組采用管狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組包括由下至上依次相接的第一種材料與第二種材料，在所述第二種材料的頂面熱接觸一個(gè)加熱器，所述加熱器的上面連接有力傳感器，所述力傳感器的上端穿出所述法蘭蓋板后連接有負(fù)載；在每個(gè)所述第一種材料以及每個(gè)所述第二種材料中均沿軸向間隔布置數(shù)個(gè)熱電偶。

所述的真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，其中：所述負(fù)載是液壓缸或電動(dòng)絲桿，在法蘭蓋板上固定有輔助罩，以提供負(fù)載的施力支點(diǎn)。

所述的真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，其中：在凹槽底部與內(nèi)腔體底部之間設(shè)有加強(qiáng)支撐，還在內(nèi)腔體底部與外腔體底部之間設(shè)有絕熱支撐。

所述的真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，其中：所述內(nèi)腔體連接有加液管與排放管，用于向內(nèi)腔體內(nèi)充注低溫液體。

所述的真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，其中：在力傳感器的上端還套接有一個(gè)波紋管，所述波紋管的一端與所述力傳感器的上端密封連接，另一端與所述法蘭蓋板焊接。

所述的真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，其中：所述法蘭蓋板上還設(shè)有加熱導(dǎo)線集線器與熱電偶線集線器，所述加熱器的導(dǎo)線能夠通過所述加熱導(dǎo)線集線器保持氣密性地穿出所述法蘭蓋板，所述熱電偶的導(dǎo)線能夠通過所述熱電偶線集線器保持氣密性地穿出所述法蘭蓋板。

所述的真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，其中：所述外腔體的側(cè)面設(shè)有抽真空口和真空測試口，抽真空口連接真空機(jī)組，真空測試口連接真空規(guī)管。

所述的真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，其中：第一種材料與第二種材料均為管狀，第一種材料與第二種材料的對(duì)接端設(shè)有相互配合的環(huán)形臺(tái)階，能夠通過環(huán)形臺(tái)階的相互嵌卡，

所述的真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，其中：在凹槽內(nèi) 還填充有絕熱材料。

本發(fā)明還提供一種真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)方法，其中，其使用前述真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，并包括如下步驟：

1)在室溫下把第一種材料、第二種材料裝配成導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組；將導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組連同加熱器固定到凹槽中；

2)在加熱器上放置力傳感器，裝配時(shí)使法蘭蓋板與外腔體密封連接；真空測試口接上真空規(guī)管，抽真空口連接真空機(jī)組，然后將真空規(guī)管、力傳感器以及熱電偶分別接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3)將夾層抽真空；

4)往內(nèi)腔體中加注低溫液體，并使低溫液體的液面高出凹槽底部；

5)添加負(fù)載，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，當(dāng)10分鐘內(nèi)第一種材料、第二種材料的溫度變化均小于0.5℃時(shí)，開始記錄數(shù)據(jù)；

6)調(diào)節(jié)加熱器的電流，改變加熱器的溫度；

7)逐步增加負(fù)載，獲取第一種材料、第二種材料的溫度-時(shí)間曲線。

本發(fā)明通過載荷加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同材料試件不同作用力下的相互接觸，待支撐試件在真空深冷環(huán)境下達(dá)到熱平衡后測試其軸向溫度分布。依靠試驗(yàn)裝置內(nèi)的力傳感器可以精確讀取加載載荷大小，同時(shí)波紋管能夠產(chǎn)生加載載荷時(shí)需要的形變，由于安裝了力傳感器，波紋管產(chǎn)生形變時(shí)的作用力影響因素已被排除。依靠裝置內(nèi)設(shè)置的圓盤加熱器可以改變熱端溫度，形成不同傳熱溫差。由于試驗(yàn)中采用了深冷容器內(nèi)實(shí)際使用的玻璃鋼管支撐件，因此，根據(jù)試驗(yàn)中測得的溫度分布，評(píng)定玻璃鋼管支撐件與不銹鋼及碳鋼的接觸導(dǎo)熱熱阻，能夠更準(zhǔn)確地為真空絕熱深冷容器的支撐結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

附圖說明

圖1是真空深冷容器內(nèi)支撐材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置的組裝圖；

圖2是管狀試件接觸端結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：外腔體a；內(nèi)腔體b；凹槽c；法蘭蓋板d；絕熱支撐1；加強(qiáng)支撐2；不銹鋼管試件3；玻璃鋼管試件4；熱電偶5；液面6；圓盤加熱器7；力傳感器8；外絕熱材料9；內(nèi)絕熱材料10；波紋管11；加熱導(dǎo)線集線器12；熱電偶線集線器13；排放管14；加液管15；負(fù)載16；輔助罩17；抽真空口18；真空測試口19。

具體實(shí)施方式

圖1所示為真空深冷環(huán)境下玻璃鋼管支撐件與不銹鋼或碳鋼接觸導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置的裝配圖，為了方便說明，此處以玻璃鋼管支撐件與不銹鋼接觸導(dǎo)熱為例，圖2為玻璃鋼管支撐件與不銹鋼在試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的裝配示意圖。此時(shí)玻璃鋼管支撐件放置與熱端溫度處。玻璃鋼管支撐件與碳鋼接觸導(dǎo)熱應(yīng)將玻璃鋼放置于冷端溫度處，其余不變。現(xiàn)結(jié)合圖1所示的玻璃鋼管支撐件與不銹鋼接觸導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置，說明其結(jié)構(gòu)如下，其包括：

外腔體a，其側(cè)面設(shè)有抽真空口18和真空測試口19；

內(nèi)腔體b，呈封閉狀，其置于外腔體a內(nèi)，并與外腔體a之間具有夾層，所述內(nèi)腔體b連接有加液管15與排放管14，用于向內(nèi)腔體b中加注低溫液體；所述內(nèi)腔體b的上部設(shè)計(jì)成凹槽c，低溫液體的液面6應(yīng)當(dāng)至少高出凹槽c底部；所述凹槽c凹入內(nèi)腔體b內(nèi)部，使凹槽c底面處的不銹鋼板能夠完全浸泡在低溫液體中，從而保證了溫度穩(wěn)定性；

法蘭蓋板d，與所述外腔體a的上部密封連接；通過用真空機(jī)組連接外腔體a上的抽真空口18，可使所述夾層獲取較高真空度，降低內(nèi)腔體b向外的傳熱效率，減少低溫液體的損耗；

至少一個(gè)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組，設(shè)置在所述凹槽c中，每個(gè)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組包括由下至上依次相接的：第一種材料與第二種材料，在所有所述第二種材料的頂面一同熱接觸一個(gè)圓盤加熱器7，所述圓盤加熱器7的上面連接有力傳感器8，所述力傳感器8的上端穿出所述法蘭蓋板d后連接有負(fù)載16；在圖1所示的實(shí)施例中，設(shè)有兩個(gè)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組，每個(gè)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組中的第一種材料、第二種材料分別采用不銹鋼管試件3與玻璃鋼管試件4；不論采用何種材料制成的材料試件，在每個(gè)所述第一種材料以及每個(gè)第二種材料中均沿軸向間隔布置有數(shù)個(gè)熱電偶5。

在上述實(shí)施例中，所述負(fù)載16是由液壓缸或電動(dòng)絲桿來實(shí)現(xiàn)的，在法蘭蓋板d上固定有輔助罩17，以提供負(fù)載16的施力支點(diǎn)。

其中，為了避免導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組在加載時(shí)將凹槽c底部壓破，在凹槽c底部與內(nèi)腔體b底部之間對(duì)應(yīng)于每一個(gè)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組的位置設(shè)有一個(gè)加強(qiáng)支撐2，還在內(nèi)腔體b底部與外腔體a底部之間設(shè)有絕熱支撐1，絕熱支撐1的材質(zhì)為非金屬，在保持絕熱的同時(shí)，可以起到很好的穩(wěn)固作用。

此外，在力傳感器8的上端還套接有一個(gè)波紋管11，所述波紋管11的一端 與所述力傳感器8的上端密封連接，另一端與所述法蘭蓋板d焊接，如此一來，在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著負(fù)載16大小的變化，導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組的長度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，但通過波紋管11的相應(yīng)伸縮，可以適應(yīng)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組的長度變化，始終保持力傳感器8與法蘭蓋板d之間的氣密性。

而且，所述法蘭蓋板d上還設(shè)有加熱導(dǎo)線集線器12與熱電偶線集線器13，所述圓盤加熱器7的導(dǎo)線能夠通過所述加熱導(dǎo)線集線器12保持氣密性地穿出所述法蘭蓋板d，所述熱電偶5的導(dǎo)線能夠通過所述熱電偶線集線器13保持氣密性地穿出所述法蘭蓋板d。

另外，為了更好的絕熱，在導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組與凹槽c內(nèi)壁之間填充有外絕熱材料9，可以消除凹槽c內(nèi)壁面溫度對(duì)測試結(jié)果的影響；在各個(gè)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組之間填充有內(nèi)絕熱材料10，可以消除凹槽c底面溫度對(duì)測試結(jié)果的影響。

再請(qǐng)參閱圖2所示，為了保證不銹鋼管試件3與玻璃鋼管試件4保持密切熱接觸，不銹鋼管試件3與玻璃鋼管試件4的對(duì)接端設(shè)有相互配合的環(huán)形臺(tái)階，通過環(huán)形臺(tái)階的相互嵌卡，能夠避免不銹鋼管試件3與玻璃鋼管試件4的對(duì)接端在負(fù)載16作用發(fā)生錯(cuò)位而影響導(dǎo)熱效率。

而本發(fā)明提供的真空環(huán)境內(nèi)材料接觸界面導(dǎo)熱試驗(yàn)方法包括如下步驟：

1)在室溫下把試樣(包括第一種材料、第二種材料)裝配成導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組；將導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)組連同圓盤加熱器7固定到凹槽8中，并填充外絕熱材料9與內(nèi)絕熱材料10；

2)在圓盤加熱器7上放置力傳感器8，蓋上法蘭蓋板d，使其與外腔體a密封連接；真空測試口19接上真空規(guī)管，抽真空口18連接真空機(jī)組，然后將真空規(guī)管、力傳感器8以及熱電偶13分別接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3)啟動(dòng)真空機(jī)組對(duì)夾層抽真空，夾層真空度應(yīng)滿足常溫下不高于10^-1pa數(shù)量級(jí)的要求，充裝低溫液體后不高于10^-2pa數(shù)量級(jí)的要求。

4)往內(nèi)腔體b中加注低溫液體直至排放口噴液，即液體已加滿。如果常溫加注低溫液體時(shí)，先用低溫氣體吹掃內(nèi)腔體b，待內(nèi)腔體b冷卻后再加入液體，避免內(nèi)腔體b由于溫度急劇降低后迅速冷收縮而損壞。

5)啟動(dòng)負(fù)載16，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，當(dāng)10分鐘內(nèi)第一種材料、第二種材料的溫度變化均小于0.5℃時(shí)，認(rèn)為傳熱穩(wěn)定，開始記錄數(shù)據(jù)。

6)調(diào)節(jié)圓盤加熱器7的電流，以控制圓盤加熱器7的溫度。

7)逐步增加負(fù)載，獲取第一種材料、第二種材料的溫度-時(shí)間曲線。

玻璃鋼管支撐件在真空深冷環(huán)境中與不銹鋼和碳鋼間的接觸導(dǎo)熱對(duì)深冷設(shè)備的設(shè)計(jì)和絕熱性能評(píng)估均有著非常重要的參考作用。本試驗(yàn)裝置及方法立足于獲取高真空多層絕熱深冷容器內(nèi)玻璃鋼管支撐與內(nèi)外容器接觸導(dǎo)熱性能而設(shè)計(jì)。由于涉及到夾層絕熱真空，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備密封真空要求較高，特別是在波紋管連接處以及集線器安裝處的密封均給予足夠重視。本試驗(yàn)方法與試驗(yàn)裝置結(jié)合力傳感器和溫度加熱控制，保證加載載荷的精確讀取以及傳熱溫差的穩(wěn)定。