本文關(guān)鍵詞：基于高真空VD-MLI技術(shù)的低溫容器傳熱及結(jié)構(gòu)分析

  更多相關(guān)文章： 低溫容器 VD-MLI技術(shù) BOG再液化 傳熱分析 熱結(jié)構(gòu)耦合分析

【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要,低溫技術(shù)已成為國(guó)防建設(shè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)。作為二十一世紀(jì)發(fā)展迅速的航天科學(xué)技術(shù),無(wú)論從地面火箭發(fā)射,衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn),空間對(duì)地觀察以及深空探測(cè),甚至空間資源開發(fā)等都離不開低溫技術(shù)的支持。在低溫液體長(zhǎng)時(shí)間、大容量?jī)?chǔ)存過(guò)程中,由于低溫液體的沸點(diǎn)溫度遠(yuǎn)低于周圍環(huán)境溫度,盡管對(duì)儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)蜏匾后w的容器采取了高性能的絕熱措施,但低溫液體的蒸發(fā)仍是不可避免的。熱量不斷通過(guò)容器壁、附屬管件等傳遞到容器內(nèi)部,引起低溫液體蒸發(fā)產(chǎn)生BOG,導(dǎo)致低溫液體組分、熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,且隨著BOG的不斷產(chǎn)生,容器內(nèi)壓力和溫度升高,將對(duì)容器產(chǎn)生不利影響。因此,低溫容器的絕熱性能在很大程度上是制約低溫技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。為了保持低溫容器內(nèi)部壓力穩(wěn)定,避免容器破壞,需將BOG排出容器外部,這既不利于低溫液體的無(wú)損儲(chǔ)存,縮短了低溫液體的儲(chǔ)運(yùn)周期,同時(shí)還造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。美國(guó)國(guó)家航空航天局低溫研究者針對(duì)空間飛行器低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)存提出了低溫液體ZBO儲(chǔ)存技術(shù),低溫容器絕熱層采用SOFI與VD-MLI組合的高性能絕熱層結(jié)構(gòu),支撐采用熱阻大的PODS,絕熱層和支撐無(wú)法解決的外部傳熱量則采用耦合于小型低溫制冷機(jī)的熱交換器從容器內(nèi)移出,實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫液體冷卻和BOG冷凝再液化。該技術(shù)有效控制了低溫液體蒸發(fā)量,保證了低溫液體高效、安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸,實(shí)現(xiàn)了低溫液體長(zhǎng)時(shí)間零蒸發(fā)損耗儲(chǔ)存的目的。根據(jù)低溫液體ZBO儲(chǔ)存中BOG再液化技術(shù)試驗(yàn)研究的需要,本課題設(shè)計(jì)搭建低溫液體BOG再液化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置,將VD-MLI技術(shù)用于低溫容器的絕熱,擬對(duì)基于高真空VD-MLI技術(shù)的低溫容器傳熱及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。首先,對(duì)采用高真空VD-MLI技術(shù)的低溫容器傳熱進(jìn)行研究,分析各結(jié)構(gòu)漏熱對(duì)低溫容器絕熱性能的影響。結(jié)果表明采用VD-MLI低溫容器漏熱量很小,滿足制冷系統(tǒng)要求;同時(shí),在低溫容器結(jié)構(gòu)漏熱中,頸管漏熱占總漏熱量的51.8%,是影響低溫容器絕熱性能的主要因素。其次,運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)采用高真空VD-MLI技術(shù)的低溫容器進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析,研究熱載荷和力載荷耦合作用下容器熱應(yīng)力分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)最大熱應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)容器上封頭與頸管連接處,并且向容器直筒段與封頭連接處的方向減小,而周向熱應(yīng)力大小不變。運(yùn)用等效線性化處理方法對(duì)最大熱應(yīng)力截面進(jìn)行分類研究,表明最大熱應(yīng)力截面強(qiáng)度滿足要求。最后,借助低溫液體BOG再液化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置對(duì)基于高真空VD-MLI技術(shù)的低溫容器夾層漏放氣速率和蒸發(fā)率進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量,并擬合得到室溫下夾層材料放氣速率與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式。此外,還由測(cè)試的蒸發(fā)率計(jì)算了低溫容器漏熱量,其結(jié)果與理論傳熱分析得到的漏熱量基本一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了理論傳熱分析的正確性及合理性。本文研究結(jié)果為低溫液體BOG再液化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),也為后續(xù)開展低溫液體BOG再液化技術(shù)研究奠定了理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)條件,對(duì)低溫液體ZBO儲(chǔ)存技術(shù)的研究具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：低溫容器 VD-MLI技術(shù) BOG再液化 傳熱分析 熱結(jié)構(gòu)耦合分析
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK124
【目錄】：

• 摘要8-10
• Abstract10-15
• 主要符號(hào)表15-18
• 第1章 緒論18-28
• 1.1 課題研究背景及意義18-20
• 1.2 低溫容器絕熱技術(shù)20-23
• 1.2.1 絕熱技術(shù)發(fā)展20-21
• 1.2.2 絕熱形式分類21-22
• 1.2.3 絕熱材料22-23
• 1.3 VD-MLI結(jié)構(gòu)研究23-24
• 1.4 高真空多層絕熱低溫容器結(jié)構(gòu)傳熱研究24-26
• 1.5 低溫容器應(yīng)力分析研究26-27
• 1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容27-28
• 第2章 低溫液體BOG再液化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置28-39
• 2.1 低溫液體BOG再液化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及工藝流程28-29
• 2.2 抽真空系統(tǒng)29-30
• 2.3 低溫液體儲(chǔ)存系統(tǒng)30-32
• 2.4 主動(dòng)制冷系統(tǒng)32-35
• 2.4.1 低溫制冷機(jī)32-33
• 2.4.2 低溫傳熱元件33-35
• 2.5 被動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)35-36
• 2.6 數(shù)據(jù)傳輸及顯示系統(tǒng)36-37
• 2.7 本章小結(jié)37-39
• 第3章 基于高真空VD-MLI技術(shù)的低溫容器結(jié)構(gòu)傳熱分析與計(jì)算39-51
• 3.1 低溫容器筒體傳熱39-45
• 3.1.1 低溫液體與內(nèi)容器之間傳熱39-40
• 3.1.2 內(nèi)容器傳熱40
• 3.1.3 絕熱夾層內(nèi)傳熱40-43
• 3.1.3.1 殘余氣體導(dǎo)熱41
• 3.1.3.2 輻射換熱41-42
• 3.1.3.3 固體導(dǎo)熱42
• 3.1.3.4 夾層內(nèi)總傳熱42-43
• 3.1.4 外容器傳熱43
• 3.1.5 低溫容器筒體總的傳熱量43-45
• 3.2 支撐傳熱45
• 3.3 管路傳熱45-46
• 3.4 頸管傳熱46-49
• 3.4.1 有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分47
• 3.4.2 物性參數(shù)及邊界條件47
• 3.4.3 數(shù)值模擬結(jié)果的溫度場(chǎng)分布47-48
• 3.4.4 頸管熱流密度場(chǎng)及總傳熱量48-49
• 3.5 低溫容器總漏熱量49
• 3.6 本章小結(jié)49-51
• 第4章 基于高真空VD-MLI技術(shù)的低溫容器熱結(jié)構(gòu)耦合分析51-59
• 4.1 熱結(jié)構(gòu)耦合有限元模型52-53
• 4.1.1 三維幾何模型52-53
• 4.1.2 網(wǎng)格劃分53
• 4.2 材料特性及邊界條件53-54
• 4.2.1 材料特性53-54
• 4.2.2 邊界條件54
• 4.3 熱結(jié)構(gòu)耦合模擬結(jié)果54-58
• 4.3.1 溫度場(chǎng)分布54-55
• 4.3.2 熱應(yīng)力場(chǎng)分布55-56
• 4.3.3 強(qiáng)度理論、應(yīng)力分類及各類應(yīng)力強(qiáng)度許用極限56-57
• 4.3.3.1 強(qiáng)度理論56
• 4.3.3.2 應(yīng)力分類56-57
• 4.3.3.3 各類應(yīng)力強(qiáng)度及許用極限57
• 4.3.4 應(yīng)力分析結(jié)果57-58
• 4.4 本章小結(jié)58-59
• 第5章 基于高真空VD-MLI技術(shù)的低溫容器夾層漏放氣速率及蒸發(fā)率試驗(yàn)研究59-69
• 5.1 夾層漏放氣速率試驗(yàn)59-64
• 5.1.1 試驗(yàn)原理及方法59
• 5.1.2 試驗(yàn)設(shè)備59-60
• 5.1.3 試驗(yàn)要求60
• 5.1.4 試驗(yàn)步驟60-61
• 5.1.5 低溫容器真空夾層漏氣判斷和真空狀態(tài)下材料放氣模型61-62
• 5.1.5.1 真空夾層漏氣判斷61-62
• 5.1.5.2 真空狀態(tài)下材料放氣模型62
• 5.1.6 試驗(yàn)結(jié)果及分析62-64
• 5.2 低溫容器蒸發(fā)率試驗(yàn)64-67
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)原理及方法64
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備64-65
• 5.2.3 試驗(yàn)要求65
• 5.2.4 試驗(yàn)步驟65-66
• 5.2.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析66-67
• 5.3 本章小結(jié)67-69
• 結(jié)論與展望69-71
• 參考文獻(xiàn)71-76
• 致謝76-77
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文77

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