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玻璃廣口實驗液氦杜瓦瓶的漏熱和溫度分布(二)

點擊次數(shù):877 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(shù)5二0.7計算出來的,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)和從實驗數(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,同時給出了不加擋板的結(jié)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(nèi),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(jìn)一步減小.從圖上也可看出,當(dāng)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(dāng)?shù)谋壤好娓叩?2cm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(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(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、熱電偶參考點放在液氦中,測溫點焊在一可沿瓶壁滑動的細(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,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(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(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(chǎn)生3.5倍的冷氣流時,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)為這是因為文獻(xiàn)中討論的一般在77K以下,此時輻射影響并不嚴(yán)重.在我們的
實驗中,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.由實驗數(shù)據(jù)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(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(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.

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