玻璃廣口實(shí)驗(yàn)液氦杜瓦瓶的漏熱和溫度分布二

點(diǎn)擊次數(shù)：2028 更新時(shí)間：2021-03-15

總漏熱減去GRS 9.兩項(xiàng)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(shí)驗(yàn)曲線以及用上述方法得出的各項(xiàng)漏熱隨液面高度的變化曲線.從圖上可見廣口玻璃實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(shù)5二0.7計(jì)算出來的，在誤差不鍍銀的玻璃反射系數(shù)很小，約0.1一0.2左范圍內(nèi)和從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中分出來的qo一致.右，背面鍍銀使反射系數(shù)提高了許多.從圖上也可看出q.對漏熱貢獻(xiàn)很小，1一7mW.如果按平均熱導(dǎo)6.8mW/cm•K7計(jì)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(nèi)加擋板應(yīng)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(shí)給出了不加擋板的結(jié)果(*上面的一條曲線).
可見漏熱確實(shí)顯著下降，液面高從35cm到10cm范圍內(nèi)，漏熱降低40一55%、按照[3」，如果在77K附近加兩個(gè)相距4cm的鍍銀銅擋板，漏熱還會(huì)進(jìn)一步減小.從圖上也可看出，當(dāng)液面較高時(shí)(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(dāng)?shù)谋壤好娓叩?2cm處時(shí)，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?yàn)轫敳枯椛錅p弱時(shí)，上升冷氣流減小，同時(shí)液面高時(shí)，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(chǎn)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(diǎn)或液面低一點(diǎn)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(nèi)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(zhǔn)到士0.5K、熱電偶參考點(diǎn)放在液氦中，測溫點(diǎn)焊在一可沿瓶壁滑動(dòng)的細(xì)銅絲環(huán)上，小銅絲環(huán)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(dòng)，小條另一邊裝有一弓形彈性
銅絲，保證小條滑動(dòng)時(shí)，觸點(diǎn)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(jì)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(jié)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(xiàn)中一般認(rèn)為溫度分布由壁的傳導(dǎo)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(jié)果.我們覺得我們碰到的問題很像輻射傳熱中當(dāng)有反射外殼存在時(shí)兩物體之間的輻射換熱問題，這時(shí)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(diǎn)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(fā)速率63.1mW；
X-
-液面高35.8cm，蒸發(fā)速率48.4mW；
-液面高28.5cm，蒸發(fā)速率32.7mW；
-液面高18.2cm，蒸發(fā)速率25.4mW；
--液面高9.0cm，蒸發(fā)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(yōu)勢是一致的.為了證實(shí)這點(diǎn)，我們在可上下活動(dòng)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(shí)，瓶溫分布跟著改變，液面高度變化很大時(shí)(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(chǎn)生3.5倍的冷氣流時(shí)，瓶口附近溫度分布依然相近、文獻(xiàn)中之所以沒有討論瓶口輻射的重要作用，我們認(rèn)為這是因?yàn)槲墨I(xiàn)中討論的一般在77K以下，此時(shí)輻射影響并不嚴(yán)重.在我們的
實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)設(shè)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(shí)沿壁的傳導(dǎo)漏熱作用還顯著，其它漏熱附加的蒸發(fā)也不大，
3.在液氦中設(shè)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(xiàn)討論相同，主要特點(diǎn)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(zhì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估出，C，是氦氣的定壓比熱。不同點(diǎn)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(qū).按照我們的蒸發(fā)量，曲線2'為81mW，相當(dāng)于114cm/hr.按[1]應(yīng)有15cm以上的冷區(qū)，實(shí)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(shí)，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(shí)，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(fā)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(fā)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(diǎn)高度x(em)號表示不同的液面高度或蒸發(fā)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(shù)字為液面高度(cm).響較大的區(qū)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?qū)α鬏^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.