玻璃廣口實驗液氦杜瓦瓶的漏熱和溫度分布（二）

點擊次數：1521 更新時間：2021-03-15

總漏熱減去GRS 9.兩項漏熱可得到從處在室溫下的杜瓦瓶口向液氦的輻射傳熱.
3.圖3給出90和q.一qh一0R+qo的實驗曲線以及用上述方法得出的各項漏熱隨液面高度的變化曲線.從圖上可見廣口玻璃實驗杜瓦中，從室溫瓶口向下的輻射，是漏熱中的*主要因素，占總漏熱的85一95%左右，在口徑大一些的瓶中，這項可能要更突出一
些.
圖3中用虛線畫的qo曲線，是按[5]用瓶壁反射系數5二0.7計算出來的，在誤差不鍍銀的玻璃反射系數很小，約0.1一0.2左范圍內和從實驗數據中分出來的qo一致.右，背面鍍銀使反射系數提高了許多.從圖上也可看出q.對漏熱貢獻很小，1一7mW.如果按平均熱導6.8mW/cm•K7計算，沿壁向下的傳熱被冷氣流吸收掉95%以上.
4.既然主要是頂部輻射的作用，杜瓦瓶內加擋板應有明顯的作用、按照[8]擋板加在77K處*有效，圖4是加銅擋板后漏熱隨液面高度的變化.擋板厚1mm，面積占總面積的90%、為了比較，同時給出了不加擋板的結果(*上面的一條曲線).
可見漏熱確實顯著下降，液面高從35cm到10cm范圍內，漏熱降低40一55%、按照[3」，如果在77K附近加兩個相距4cm的鍍銀銅擋板，漏熱還會進一步減小.從圖上也可看出，當液面較高時(高于30cm)，在總漏熱中，和不加擋板不同，沿壁的固體傳熱占相當的比例，液面高到42cm處時，由于固體傳熱的增加，加擋板幾乎沒有什么好處了.這可能是因為頂部輻射減弱時，上升冷氣流減小，同時液面高時，冷氣流和壁熱交換的長度也縮短了，總的使冷氣流對瓶壁的冷卻作用變差.后面還可以看到，室溫瓶口的熱輻射對上部20--30cm范圍影響很大，使瓶壁產生較大的溫度梯度，向下傳遞較多的熱量，液氦杜瓦瓶長一點或液面低一點這些影響就小了.
圖3漏熱隨液面高度的變化
圖4加防輻射擋板后漏熱隨液面高度的變化
二、瓶內溫度分布
1.瓶壁溫度分布用銅鐵對鎳鉻熱電偶測量，從4.2K到300K校準到士0.5K、熱電偶參考點放在液氦中，測溫點焊在一可沿瓶壁滑動的細銅絲環上，小銅絲環固定在一印刷電路基板小條的一端，小條裝在d6mm德銀管上，可上下移動，小條另一邊裝有一弓形彈性
銅絲，保證小條滑動時，觸點和瓶壁接觸(圖1).基板上還裝了一對銅-康銅熱電偶，測量瓶壁和中心的溫差，熱偶電勢用UJ-26型低電阻電位差計測量.
2.圖5給出不同液面高度下瓶壁的溫度分布.從圖中可看到一有趣的結果，即除去液面比較高(如!=43cm)，溫度分布有明顯差別外，從液面很低(9cm)一直到杜瓦中部(35cm)，液面以上瓶壁的溫度分布，特別是瓶口附近20cm一段基本相
同，大體上可以用一條曲線來表示.
文獻中一般認為溫度分布由壁的傳導及和冷氣流的熱交換決定，因而對液面高度及冷氣流大小的變化敏感，無法解釋我們的結果.我們覺得我們碰到的問題很像輻射傳熱中當有反射外殼存在時兩物體之間的輻射換熱問題，這時反射壁上的溫度僅由投射其上的輻射熱來決定，由于瓶口的溫度是不變的，因而接近瓶口處20cm長的部分溫度分布也大體上不變，瓶口的輻射成為支配瓶壁
測溫點高度s(cm)
圖5不同液面高度下的瓶壁溫度分布一液面高43.0cm，蒸發速率63.1mW；
X-
-液面高35.8cm，蒸發速率48.4mW；
-液面高28.5cm，蒸發速率32.7mW；
-液面高18.2cm，蒸發速率25.4mW；
--液面高9.0cm，蒸發速率20.1mW.
溫度分布的主要因素，這和在漏熱問題中，瓶口向下的輻射占優勢是一致的.為了證實這點，我們在可上下活動的防輻射擋管擋板和瓶壁有1.5mm的間隙，并不接觸，從圖6可見，擋板溫度T，改變時，瓶溫分布跟著改變，液面高度變化很大時(從8一9cm變到25一28cm)，瓶壁上部溫度分布基本相同，用加熱器加熱50mW，產生3.5倍的冷氣流時，瓶口附近溫度分布依然相近、文獻中之所以沒有討論瓶口輻射的重要作用，我們認為這是因為文獻中討論的一般在77K以下，此時輻射影響并不嚴重.在我們的
實驗中，當設置77K擋板后，77K以下的溫度分布大體上和這類討論相符.例如對于液面在杜瓦中部的情形，此時沿壁的傳導漏熱作用還顯著，其它漏熱附加的蒸發也不大，
3.在液氦中設置電加熱器，增加冷氣流后對溫度分布的影響，低溫部分也和一般文獻討論相同，主要特點是液面以上接近液體溫度的部分明顯加長(圖8)，大體上是冷蒸氣的質量流M和沿壁傳人液氦中的熱流4.的比值越大曲線越陡[6] ，圖中P=(MCp) /q.由實驗數據估出，C，是氦氣的定壓比熱。不同點在于我們沒有觀察到[1]中壁上和液體溫度一致的比較長的冷區.按照我們的蒸發量，曲線2'為81mW，相當于114cm/hr.按[1]應有15cm以上的冷區，實際上我們在2cm高度上已看到了溫差，到離液面高5cm處溫差已很明顯，約在0.26K.4.77K的位置，在未加擋板時，由于杜瓦上部溫度分布主要由頂部輻射決定，77K位置大約在x=52一55cm處，不同的液面高度，不同的冷氣流大小影響較小，加擋板后，液面在杜瓦中部(l一35cm)以下時，擋板為77K的位置隨液面下移而下移，變化比較明顯(圖9)，可能是蒸發率下降，冷氣流液氦杜瓦瓶
5.圖10給出液面在l-43cm以下，蒸發速率在100mW以下瓶中不同高度，瓶壁和中心的溫差，不同的符測溫點高度x(em)號表示不同的液面高度或蒸發速率.圖9加77K擋板后溫度分布的變化大體的趨勢是在瓶上端，頂部輻射影一不加熱；一-加熱50mW、曲線邊數字為液面高度(cm).響較大的區域(1一50--70cm)，溫差較大，1一6K.在l=35一50cm處約為0.5一1.5K，在!=35cm以下，小于0.5K，說明此處水平方向對流較好.另外溫差的極性是邊上冷中間熱，和[4]觀察到的冷蒸氣沿瓶壁上升的圖象是一致的.