高真空多层绝热低温容器内吸气剂的吸气特性研究

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随着低温技术的不断发展,高真空多层绝热凭借其卓越的绝热性能,在低温储运领域中得到了广泛的应用。为了达到良好的绝热目的,一般要求夹层真空度保持在10-2Pa以上。而内外筒体的漏气以及金属材料和多层绝热材料的放气会导致夹层真空度的逐渐降低,从而影响容器的绝热性能。在夹层设置吸气剂对于有效保持夹层空间的真空度具有重要作用,夹层的真空寿命很大程度上取决于吸气剂的特性、装入量以及能否充分发挥作用等。大量研究表明,高真空多层绝热低温容器真空夹层中残留的气体主要为H2和N2等,因此,研究不同吸气剂在不同放置条件下对这两种气体的吸附特性,对合理选择吸气剂种类、精确计算装入量以及使其充分发挥作用有着重要的意义。本文对活性炭、填炭纸以及5A分子筛这3种常见的吸附剂的吸气性能进行了实验研究,重点测试分析了它们在77K温度下对N2和H2的吸附性能,获得了10-410Pa压力区间的等温吸附线,并对其进行拟合,同时测试了多层绝热材料的包裹对吸附剂吸气性能的影响。结果表明,这三种吸附剂对N2的吸附效果很好,对H2的吸附效果较差,多层绝热材料的包裹与否对这三种吸气剂的吸气性能影响极大。由于活性炭、填炭纸以及5A分子筛77K下对H2的吸附量都太小,本文又对吸氢效果较好的PdO粉末进行了吸氢测试,获得了10-410Pa压力区间PdO对H2的等温吸附线,并对其进行拟合,还测试了用干法纸包裹PdO时对其吸氢性能影响。结果表明,PdO对H2的吸附性能比活性炭、填炭纸和5A分子筛对H2的吸附性能好很多。在不同平衡压力下,PdO对H2的吸附量是填炭纸的几十倍,是活性炭和5A分子筛的几百倍甚至上千倍;不包干法纸时PdO对H2的吸附量是包干法纸时的1.5倍左右。PdO具有比较好的吸H2效果,可以满足高真空多层绝热低温容器夹层内吸附H2要求,但PdO价格昂贵,不利于大规模地应用和产品成本的降低。因此,作者经过试验测试后,提出了一种新型的吸氢剂——氧化铜粉末,同时设计了一种用于高真空多层绝热低温容器中的外置式高效除氢装置,与CuO粉末配套使用。对CuO粉末在高真空多层绝热真空夹层中的吸H2性能做测试后,得出了以下结论:(1)氧化铜粉末是一种全新的可用于高真空多层绝热低温容器的吸氢剂。在200℃左右的条件下,CuO可与真空夹层内的H2发生化学反应,从而达到去除H2的效果,生成的H2O可由5A分子筛吸附。(2)在5A分子筛配合使用的条件下,CuO对H2的吸附量很大,能达到接近CuO与H2发生化学反应的理论值,远远大于其它几种吸气剂对H2的吸附量,且吸附速度快,可以在短时间内让有几千帕H2的高真空多层绝热低温容器的夹层回到10-3Pa的高真空状态。CuO对H2的吸附区间集中在10-3Pa以内,正好能够满足高真空多层绝热低温容器对夹层真空度高于10-2Pa的要求。(3)在对H2的吸附量上,CuO比活性炭、填炭纸、5A分子筛以及PdO优越很多,而且价格也便宜,但CuO吸附H2必须要在200℃及以上的温度下才能进行。针对此种情况,可在低温容器的外部设置一个专门的除氢装置来解决此问题。
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