基于高真空VD-MLI技术的低温容器传热及结构分析

发布时间：2017-09-12 02:39

  本文关键词：基于高真空VD-MLI技术的低温容器传热及结构分析

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【摘要】：随着科学技术的发展和工农业生产的需要,低温技术已成为国防建设、国民经济和科学研究等诸多领域不可或缺的技术。作为二十一世纪发展迅速的航天科学技术,无论从地面火箭发射,卫星环境试验,空间对地观察以及深空探测,甚至空间资源开发等都离不开低温技术的支持。在低温液体长时间、大容量储存过程中,由于低温液体的沸点温度远低于周围环境温度,尽管对储存和运输低温液体的容器采取了高性能的绝热措施,但低温液体的蒸发仍是不可避免的。热量不断通过容器壁、附属管件等传递到容器内部,引起低温液体蒸发产生BOG,导致低温液体组分、热力学性质发生变化,且随着BOG的不断产生,容器内压力和温度升高,将对容器产生不利影响。因此,低温容器的绝热性能在很大程度上是制约低温技术发展的关键问题。为了保持低温容器内部压力稳定,避免容器破坏,需将BOG排出容器外部,这既不利于低温液体的无损储存,缩短了低温液体的储运周期,同时还造成资源浪费和环境污染。美国国家航空航天局低温研究者针对空间飞行器低温推进剂储存提出了低温液体ZBO储存技术,低温容器绝热层采用SOFI与VD-MLI组合的高性能绝热层结构,支撑采用热阻大的PODS,绝热层和支撑无法解决的外部传热量则采用耦合于小型低温制冷机的热交换器从容器内移出,实现对低温液体冷却和BOG冷凝再液化。该技术有效控制了低温液体蒸发量,保证了低温液体高效、安全储存和运输,实现了低温液体长时间零蒸发损耗储存的目的。根据低温液体ZBO储存中BOG再液化技术试验研究的需要,本课题设计搭建低温液体BOG再液化系统试验装置,将VD-MLI技术用于低温容器的绝热,拟对基于高真空VD-MLI技术的低温容器传热及结构进行研究。首先,对采用高真空VD-MLI技术的低温容器传热进行研究,分析各结构漏热对低温容器绝热性能的影响。结果表明采用VD-MLI低温容器漏热量很小,满足制冷系统要求;同时,在低温容器结构漏热中,颈管漏热占总漏热量的51.8%,是影响低温容器绝热性能的主要因素。其次,运用ANSYS有限元软件对采用高真空VD-MLI技术的低温容器进行热结构耦合分析,研究热载荷和力载荷耦合作用下容器热应力分布规律,发现最大热应力发生在内容器上封头与颈管连接处,并且向容器直筒段与封头连接处的方向减小,而周向热应力大小不变。运用等效线性化处理方法对最大热应力截面进行分类研究,表明最大热应力截面强度满足要求。最后,借助低温液体BOG再液化系统试验装置对基于高真空VD-MLI技术的低温容器夹层漏放气速率和蒸发率进行了试验测量,并拟合得到室温下夹层材料放气速率与时间的函数关系式。此外,还由测试的蒸发率计算了低温容器漏热量,其结果与理论传热分析得到的漏热量基本一致,进一步验证了理论传热分析的正确性及合理性。本文研究结果为低温液体BOG再液化系统试验装置结构的优化和制冷系统的设计提供理论依据,也为后续开展低温液体BOG再液化技术研究奠定了理论基础和试验条件,对低温液体ZBO储存技术的研究具有重要意义。
【关键词】：低温容器 VD-MLI技术 BOG再液化 传热分析 热结构耦合分析
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-15
• 主要符号表15-18
• 第1章 绪论18-28
• 1.1 课题研究背景及意义18-20
• 1.2 低温容器绝热技术20-23
• 1.2.1 绝热技术发展20-21
• 1.2.2 绝热形式分类21-22
• 1.2.3 绝热材料22-23
• 1.3 VD-MLI结构研究23-24
• 1.4 高真空多层绝热低温容器结构传热研究24-26
• 1.5 低温容器应力分析研究26-27
• 1.6 本文主要研究内容27-28
• 第2章 低温液体BOG再液化系统试验装置28-39
• 2.1 低温液体BOG再液化系统试验装置结构及工艺流程28-29
• 2.2 抽真空系统29-30
• 2.3 低温液体储存系统30-32
• 2.4 主动制冷系统32-35
• 2.4.1 低温制冷机32-33
• 2.4.2 低温传热元件33-35
• 2.5 被动热防护系统35-36
• 2.6 数据传输及显示系统36-37
• 2.7 本章小结37-39
• 第3章 基于高真空VD-MLI技术的低温容器结构传热分析与计算39-51
• 3.1 低温容器筒体传热39-45
• 3.1.1 低温液体与内容器之间传热39-40
• 3.1.2 内容器传热40
• 3.1.3 绝热夹层内传热40-43
• 3.1.3.1 残余气体导热41
• 3.1.3.2 辐射换热41-42
• 3.1.3.3 固体导热42
• 3.1.3.4 夹层内总传热42-43
• 3.1.4 外容器传热43
• 3.1.5 低温容器筒体总的传热量43-45
• 3.2 支撑传热45
• 3.3 管路传热45-46
• 3.4 颈管传热46-49
• 3.4.1 有限元模型的建立及网格划分47
• 3.4.2 物性参数及边界条件47
• 3.4.3 数值模拟结果的温度场分布47-48
• 3.4.4 颈管热流密度场及总传热量48-49
• 3.5 低温容器总漏热量49
• 3.6 本章小结49-51
• 第4章 基于高真空VD-MLI技术的低温容器热结构耦合分析51-59
• 4.1 热结构耦合有限元模型52-53
• 4.1.1 三维几何模型52-53
• 4.1.2 网格划分53
• 4.2 材料特性及边界条件53-54
• 4.2.1 材料特性53-54
• 4.2.2 边界条件54
• 4.3 热结构耦合模拟结果54-58
• 4.3.1 温度场分布54-55
• 4.3.2 热应力场分布55-56
• 4.3.3 强度理论、应力分类及各类应力强度许用极限56-57
• 4.3.3.1 强度理论56
• 4.3.3.2 应力分类56-57
• 4.3.3.3 各类应力强度及许用极限57
• 4.3.4 应力分析结果57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 基于高真空VD-MLI技术的低温容器夹层漏放气速率及蒸发率试验研究59-69
• 5.1 夹层漏放气速率试验59-64
• 5.1.1 试验原理及方法59
• 5.1.2 试验设备59-60
• 5.1.3 试验要求60
• 5.1.4 试验步骤60-61
• 5.1.5 低温容器真空夹层漏气判断和真空状态下材料放气模型61-62
• 5.1.5.1 真空夹层漏气判断61-62
• 5.1.5.2 真空状态下材料放气模型62
• 5.1.6 试验结果及分析62-64
• 5.2 低温容器蒸发率试验64-67
• 5.2.1 实验原理及方法64
• 5.2.2 实验设备64-65
• 5.2.3 试验要求65
• 5.2.4 试验步骤65-66
• 5.2.5 试验结果及分析66-67
• 5.3 本章小结67-69
• 结论与展望69-71
• 参考文献71-76
• 致谢76-77
• 攻读学位期间发表的论文77

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本文编号：834619