液氢在大气压下的沸点低至20.4K。因此,为了储存液态氢,需要一种具有高绝热效率的绝热方法。本文不仅介绍了保温工程,还介绍了如何根据储罐的用途和类型选择储罐。随着这种低温容器越来越常见,它还描述了用于储存和运输的两用容器。

1.液态氢罐的隔热

如果两个地方之间有温差,热量就会从高到低转移。假设大气温度为293K,与液氢的温差为273K。

如果液氢储存在未隔热的储罐中,它会迅速蒸发,因为这种蒸发是在每升7.56千卡的潜热下发生的。与每升58.1千卡液氧的蒸发潜热相比,在仅蒸发1升液氧所需的热量下,将蒸发多达7.68升液氢。

在制造用于储存此类超低温物质的容器时,必须采用有效的隔热方法以最大程度地减少外部热量的流入。

传热过程可分为以下几类:

•通过金属或其他固体的渗透而传导。

•通过气流传输进行对流。

•通过电磁波等形式的转移产生的辐射。

因此,为了拦截传热,必须对三种不同形式的传热采取有效措施:

“传导”是指流经低温内壳和大气温度部件(如内壳支架、管道、液位计、温度计和压力计)之间连接材料的总热量。

由于这种热传导的热值等于所有现有材料的横截面积、导热系数和温度梯度的乘积,因此可以通过选择性地使用导热系数低的材料作为支架或管道来最小化热流入,并且可以通过增加长度来最小化其横截面积。

通常,对于诸如铜和铝的金属材料,热导率倾向于在20K至30K左右增加。由于较高纯度的材料导热性更好,因此必须谨慎选择该材料及其应用方法。

“对流”可以看作是罐的外壳和内壳之间的气体流动,也可以看作是填充到内壳下部的液态氢或在上部流动的气态氢的流动。

装入罐中的液态氢和气态氢的对流在某种程度上是不可避免的。唯一可能的方法是通过减小储罐内壳和外壳之间的温差来减少液体和气体的对流。

通过从储气罐之间的空间排出气体并将其转化为完全真空,可以防止热量流过对流的主要部分。然而,尽管热量流入取决于真空度,但热量流入在100KPa至100Pa的低真空水平下明显保持不变,而热量流入在50Pa至1Pa的真空水平下大大减少。

当压力低于0.1Pa时,压力会进一步降低。由于对流热流入与压力和温差成正比,因此应尽可能保持较低的压力。

通常,必须密封真空罐。因此,为了防止金属材料老化可能导致的真空恶化,也就是说,由于金属表面的脱气作用,真空罐的下部配有一个吸附剂,该吸附剂直接接触罐内壳体。

然后,这些废气被选择并在低温下具有增加的吸附能力的吸附剂吸附和去除。该过程称为真空隔热方法。

一种这样的方法是用低电导率的粉状绝缘材料填充真空罐。细粉状的材料会阻碍气体的分子运动,从而防止热量传递到低温侧。近年来,珍珠岩由于其安全性,低成本,易于包装和更好的性能而经常被用作粉末材料。

即使真空度高一位数,珍珠岩填充的真空绝热方法在抑制热量流入方面同样有效。

一种较旧的常用方法是用低电导率的绝缘材料覆盖储罐的外部,以减轻由于对流引起的气体流入,尽管这种方法目前很少用于液氢隔热。

“辐射”是在储罐内壳和外壳之间的内部真空层中发生的现象。因为热量或热能以电磁波的形式通过空间从高温下的外壳内表面转移到低温下的内壳外表面,所以希望使表面积最小化并使用一种在工作温度下总辐射率小的材料。过去,通过使用镀层厚度小的镀银层可以降低辐射水平真空箱表面的辐射率。由于绝缘技术已经取得了巨大的进步,这种做法如今很少使用。

减少从外壳的高温表面到低温表面的热传递的另一种方法是在箱之间插入屏蔽板。在该方法中,垂直于热传递方向涂覆具有高反射率的薄铝膜或蒸镀铝膜,并且将具有低导热率的膜间隔物插入铝膜之间并卷绕作为绝缘材料以防止热短路。一层膜与另一层膜接触引起的电路短路。

金属反射膜和垫片的厚度约为10μM和100μM这称为层压多层真空绝缘方法。它是最著名的工业绝缘方法,广泛用于与液氢相关的设备中。

当金属反射器和绝缘绝缘体交替多层缠绕时,真空层中仍有较大的表面积。这将导致更长的排气路径,从而延长抽真空时间。通过屏蔽膜,每30×A 30mm直径约2mm的方孔可缩短此时间,而不会降低绝缘效果。

除上述方法外,还有其他用于潜热较小的流体的方法,例如液氦或液氢,例如通过使用液氮防护罩防止大气中的热量从零件流入的方法,或利用屏蔽气体的显热。

如上所描述的,各种绝缘措施被用于处理低温流体。

2.按用途选择液态氢储罐

储罐可以按用途分为以下四类。

1)与液化厂相连并邻近液化厂的储罐,在将液态氢运出到消耗区之前,将其用作产品运输的基础。在确定存储容量时,必须适当考虑可用的液化和运输容量以及工厂停机时间,以进行工厂维护和检查。

2)与1)中规定的条件类似,港口的储罐用于接收由油轮从国外散装运输的液态氢。储罐用作运输产品的基础,但未连接到液化厂。容量由一个承运人的交付量和所需的存储容量作为供应基础来确定。

3)在消耗场所内安装的储罐。储罐的容量和类型均根据相关因素确定,例如估计的储罐数量。消耗,工作压力和液体消耗的条件(例如,是否以液体,气体或两者兼有的方式消耗)。

4)实验室用少量液体的储存容器,可以是带有脚轮的手提式或手提式运输工具。

理想情况下,所有用于任何目的的储罐或容器均应尽可能地绝缘。

然而,实际上,由于技术上的困难,蒸发损失和从经济上考虑,通常将填充珍珠岩的真空绝热类型用于情况1)和2),而将叠层多层真空绝热类型用于情况3)和4)。

叠层多层真空绝热方法的罐的蒸发损失远小于其他方法。但是,制造此类储罐的最大能力约为150 kL。

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