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玻璃广口实验液氦杜瓦瓶的漏热和温度分布(二)

浏览次数:47发布日期:2021-03-15

总漏热减去GRS 9.两项漏热可得到从处在室温下的杜瓦瓶口向液氦的辐射传热.
3.图3给出90和q.一qh一0R+qo的实验曲线以及用上述方法得出的各项漏热随液面高度的变化曲线.从图上可见广口玻璃实验杜瓦中,从室温瓶口向下的辐射,是漏热中的*主要因素,占总漏热的85一95%左右,在口径大一些的瓶中,这项可能要更突出一
些.
图3中用虚线画的qo曲线,是按[5]用瓶壁反射系数5二0.7计算出来的,在误差不镀银的玻璃反射系数很小,约0.1一0.2左范围内和从实验数据中分出来的qo一致.右,背面镀银使反射系数提高了许多.从图上也可看出q.对漏热贡献很小,1一7mW.如果按平均热导6.8mW/cm•K7计算,沿壁向下的传热被冷气流吸收掉95%以上.
4.既然主要是顶部辐射的作用,杜瓦瓶内加挡板应有明显的作用、按照[8]挡板加在77K处*有效,图4是加铜挡板后漏热随液面高度的变化.挡板厚1mm,面积占总面积的90%、为了比较,同时给出了不加挡板的结果(*上面的一条曲线).
可见漏热确实显著下降,液面高从35cm到10cm范围内,漏热降低40一55%、按照[3」,如果在77K附近加两个相距4cm的镀银铜挡板,漏热还会进一步减小.从图上也可看出,当液面较高时(高于30cm),在总漏热中,和不加挡板不同,沿壁的固体传热占相当的比例,液面高到42cm处时,由于固体传热的增加,加挡板几乎没有什么好处了.这可能是因为顶部辐射减弱时,上升冷气流减小,同时液面高时,冷气流和壁热交换的长度也缩短了,总的使冷气流对瓶壁的冷却作用变差.后面还可以看到,室温瓶口的热辐射对上部20--30cm范围影响很大,使瓶壁产生较大的温度梯度,向下传递较多的热量,液氦杜瓦瓶长一点或液面低一点这些影响就小了.
图3漏热随液面高度的变化
图4加防辐射挡板后漏热随液面高度的变化
二、瓶内温度分布
1.瓶壁温度分布用铜铁对镍铬热电偶测量,从4.2K到300K校准到士0.5K、热电偶参考点放在液氦中,测温点焊在一可沿瓶壁滑动的细铜丝环上,小铜丝环固定在一印刷电路基板小条的一端,小条装在d6mm德银管上,可上下移动,小条另一边装有一弓形弹性
铜丝,保证小条滑动时,触点和瓶壁接触(图1).基板上还装了一对铜-康铜热电偶,测量瓶壁和中心的温差,热偶电势用UJ-26型低电阻电位差计测量.
2.图5给出不同液面高度下瓶壁的温度分布.从图中可看到一有趣的结果,即除去液面比较高(如!=43cm),温度分布有明显差别外,从液面很低(9cm)一直到杜瓦中部(35cm),液面以上瓶壁的温度分布,特别是瓶口附近20cm一段基本相
同,大体上可以用一条曲线来表示.
文献中一般认为温度分布由壁的传导及和冷气流的热交换决定,因而对液面高度及冷气流大小的变化敏感,无法解释我们的结果.我们觉得我们碰到的问题很像辐射传热中当有反射外壳存在时两物体之间的辐射换热问题,这时反射壁上的温度仅由投射其上的辐射热来决定,由于瓶口的温度是不变的,因而接近瓶口处20cm长的部分温度分布也大体上不变,瓶口的辐射成为支配瓶壁
测温点高度s(cm)
图5不同液面高度下的瓶壁温度分布一液面高43.0cm,蒸发速率63.1mW;
X-
-液面高35.8cm,蒸发速率48.4mW;
-液面高28.5cm,蒸发速率32.7mW;
-液面高18.2cm,蒸发速率25.4mW;
--液面高9.0cm,蒸发速率20.1mW.
温度分布的主要因素,这和在漏热问题中,瓶口向下的辐射占优势是一致的.为了证实这点,我们在可上下活动的防辐射挡管挡板和瓶壁有1.5mm的间隙,并不接触,从图6可见,挡板温度T,改变时,瓶温分布跟着改变,液面高度变化很大时(从8一9cm变到25一28cm),瓶壁上部温度分布基本相同,用加热器加热50mW,产生3.5倍的冷气流时,瓶口附近温度分布依然相近、文献中之所以没有讨论瓶口辐射的重要作用,我们认为这是因为文献中讨论的一般在77K以下,此时辐射影响并不严重.在我们的
实验中,当设置77K挡板后,77K以下的温度分布大体上和这类讨论相符.例如对于液面在杜瓦中部的情形,此时沿壁的传导漏热作用还显著,其它漏热附加的蒸发也不大,
 3.在液氦中设置电加热器,增加冷气流后对温度分布的影响,低温部分也和一般文献讨论相同,主要特点是液面以上接近液体温度的部分明显加长(图8),大体上是冷蒸气的质量流M和沿壁传人液氦中的热流4.的比值越大曲线越陡[6] , 图中P=(MCp) /q.由实验数据估出,C,是氦气的定压比热。不同点在于我们没有观察到[1]中壁上和液体温度一致的比较长的冷区.按照我们的蒸发量,曲线2'为81mW,相当于114cm/hr.按[1]应有15cm以上的冷区,实际上我们在2cm高度上已看到了温差,到离液面高5cm处温差已很明显,约在0.26K.4.77K的位置,在未加挡板时,由于杜瓦上部温度分布主要由顶部辐射决定,77K位置大约在x=52一55cm处,不同的液面高度,不同的冷气流大小影响较小,加挡板后,液面在杜瓦中部(l一35cm)以下时,挡板为77K的位置随液面下移而下移,变化比较明显(图9),可能是蒸发率下降,冷气流 液氦杜瓦瓶
5.图10给出液面在l-43cm以下,蒸发速率在100mW以下瓶中不同高度,瓶壁和中心的温差,不同的符测温点高度x(em)号表示不同的液面高度或蒸发速率.图9加77K挡板后温度分布的变化大体的趋势是在瓶上端,顶部辐射影一不加热;一-加热50mW、曲线边数字为液面高度(cm).响较大的区域(1一50--70cm),温差较大,1一6K.在l=35一50cm处约为0.5一1.5K,在!=35cm以下,小于0.5K,说明此处水平方向对流较好.另外温差的极性是边上冷中间热,和[4]观察到的冷蒸气沿瓶壁上升的图象是一致的.

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