通過(guò)分析影響真空度的主要因素及其影響規(guī)律,針對(duì)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(guò)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(guò)剖析現(xiàn)有工藝的局限性和研究成果,對(duì)抽真空工藝的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)提出建議。

1、引言

　　隨著低溫絕熱儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)的發(fā)展日趨成熟,對(duì)影響低溫絕熱貯運(yùn)的各項(xiàng)研究也蓬勃開(kāi)展起來(lái)。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(jiǎn)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(shì)。

　　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(shí),真空度變化對(duì)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(shí),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(duì)抽真空工藝提出了苛刻的要求。抽真空過(guò)程不僅要求對(duì)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(shí)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(guò)剖析現(xiàn)有工藝的局限性和研究成果,對(duì)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(lái)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(shí)還可將絕熱材料波紋化形成多層膜。或以滌綸薄膜為基體,一面鍍鋁作為反射層,另一面涂以熱導(dǎo)率小的顆粒狀無(wú)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(duì)抽真空的影響十分明顯。層數(shù)及密度過(guò)少不利于絕熱性能,但層數(shù)及密度的增加會(huì)造成抽真空阻力的增大,層間氣體不易被抽走,亦會(huì)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(duì)第一種方法給出了詳細(xì)描述。無(wú)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)�；�干燥處理。目的是除去材料中的水分,脫除材料生產(chǎn)過(guò)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(lái)的抽空時(shí)間。將經(jīng)烘烤反射材料的放氣特性與未烘烤前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(huì)和多層絕熱材料一樣發(fā)生放氣現(xiàn)象外,通過(guò)筒體的漏氣速率對(duì)真空度的影響也不可忽視。通過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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�；钚蕴己�5A 分子篩是低溫絕熱真空夾層中常用的兩種吸附劑,國(guó)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(duì)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(gè)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(lái)對(duì)絕熱容器進(jìn)行加熱,而加熱爐II和III則用來(lái)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(duì)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(cè)量、溫度測(cè)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(cè)量主要指真空計(jì)。對(duì)于主泵和前級(jí)泵的選配主要根據(jù)所需抽速和時(shí)間來(lái)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(chǔ)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(dòng)能加強(qiáng),有利于被抽吸。同時(shí)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(duì)夾層的加熱可通過(guò)兩種途徑實(shí)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(wú)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(shí),外筒體壁面經(jīng)過(guò)夾層傳遞到絕熱材料上的熱量很少,主要通過(guò)輻射換熱。相比較,采用內(nèi)加熱時(shí),內(nèi)容器內(nèi)受熱氣體與內(nèi)壁面對(duì)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(duì)內(nèi)加熱抽空方式的容器內(nèi)筒體進(jìn)行了溫度場(chǎng)測(cè)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(shí)踐證明,在抽真空過(guò)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(shí)間的最有效的方法。但真空絕熱容器的加熱不能過(guò)高,因?yàn)榻^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�(jiàn),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(shí)間。

　　抽真空過(guò)程開(kāi)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(gè)抽空過(guò)程中維持這個(gè)溫度。這就是在抽空前要實(shí)行預(yù)熱。假若是在抽空過(guò)程中將夾層空間的元件加熱到給定的溫度,則要費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到所需溫度,因?yàn)殡S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(huì)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(guò)抽離夾層空間才能確保維持夾層真空度。通過(guò)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(shí)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(shí)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局進(jìn)行了冷凝真空的試驗(yàn)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?yàn)镃O2 易于獲得相當(dāng)純的狀態(tài),價(jià)格低,無(wú)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(jià)低,易于獲取,且對(duì)環(huán)境無(wú)害,同時(shí),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(shí),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)狻⒏呒兌榷�氧化碳�(xì)獾? ;

　　(2)置換氣體放進(jìn)絕熱腔時(shí)速度要緩慢,否則容易會(huì)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(shí)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(shí)間雖然較長(zhǎng),但在日蒸發(fā)率、冷態(tài)真空度和日蒸發(fā)率這幾個(gè)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)于臥式儲(chǔ)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(guò)高的溫度對(duì)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(duì)夾層內(nèi)的溫度難以監(jiān)控,無(wú)法判定夾層實(shí)際溫度,所以在加熱時(shí)如何控制確保夾層溫度恒定及加熱氣體的流場(chǎng)分布處于合理狀態(tài)也是日后研究的一個(gè)方向。

　　(3)抽真空工藝的規(guī)�；�設(shè)計(jì)。在低溫絕熱容器批量生產(chǎn)流水線上,要實(shí)現(xiàn)規(guī)�；�抽真空工藝,則要求對(duì)工藝流程進(jìn)行合理設(shè)計(jì),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(duì)真空理論的完善和對(duì)抽真空工藝認(rèn)識(shí)的深入,工藝中現(xiàn)有的問(wèn)題和限制會(huì)隨著理論和經(jīng)驗(yàn)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(guò)程中抽真空的瓶頸問(wèn)題和降低抽空過(guò)程的能耗。