Page 43 - 《真空与低温》2025年第5期

582 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

匀性更优。液氮和液氢预冷过程中壁面最低温度 其壁面最大温差极值较小且出现时间早。而液氢
相近，液氢预冷壁面温差较大主要源于两者的壁面 预冷时，罐内流场两侧涡旋尺寸相仿，低温 BOG
最高温度的差异。液氮预冷时，罐内流场形成一大 到达壁面温度最高点的路径长，冷量消耗大，壁
一小涡旋，小涡旋运动路径短，低温 BOG 到达壁面 面温度最高点区域获得冷量较少，降温更慢。加之
温度最高点的过程中冷量消耗少，壁面温度最高点 壁面温度极值点的距离远，内部传热路径长，热
区域获得更多冷量，降温更快。加之壁面温度极值 量传递较慢，其壁面最大温差极值较大且出现时
点的距离较近，内部传热路径较短，热量传递较快， 间晚。

温度/K 温度/K 温度/K
293.0 279 247
292.5 276 244
292.0 273 241
238
270
291.5 267 235
291.0 264 232
229
290.5 261 226
290.0 258 223
255
289.5 252 220
217
289.0 249 214
288.5 246 211
288.0 y 243 y 208 y
240
287.5 237 205
202
287.0 （a）t=0.5 h z 234 （b）t=10 h x z 199 （c）t=20 h z
图 8 液氢预冷时不同时刻内壁面温度分布
Fig. 8 Temperature distribution of inner wall surface at different moments

300 覆盖范围，使低温介质分布更均匀，改善罐内流体
280 100 的流动状态，同步提升降温速率和预冷均匀性。此
260 外，在喷嘴数量固定的情况下，喷淋环直径增大会
80
240 LN 2 壁面最低温度
LN 2 壁面最高温度 导致喷嘴间距增加，这会减弱液氮汽化形成的低
温度/K 200 LH 2 壁面最低温度 （1 325.91） 60 温差/K 温 BOG 之间的相互干扰，有效减缓流体流动过程
220
（1 747.79）
LH 2 壁面最高温度
LN 2 壁面最大温差
180 LH 2 壁面最大温差 40 中的速度衰减，使近壁面流体保持更高的动能，增
160 强流体与壁面之间的换热效率，实现降温速率与预
20
140
冷均匀性的双重提升。综上，增大喷淋环直径对降
120 0
0 5 10 15 20 温速率和预冷均匀性均有积极影响。因此，在球罐
时间/h
结构强度及成本条件允许的情况下，建议优先选择
图 9 壁面最大温差随时间变化 较大直径的喷淋环。
Fig. 9 Maximum wall temperature difference over time

10
对比分析表明，液氮预冷过程中，罐内流体形 290
280 9
成的非对称流场能有效加快壁面高温区域的冷却 280 温度/K
270 279 8
速率，从而抑制局部过热现象，减小壁面最大温差， 260 3.2 m 7
4.2 m
提高预冷均匀性。 温度/K 250 5.2 m 278 2.8 2.9 时间/h 3.1 3.2 6 温降速率/ （K·h −1 ）
3.0
3.2 m
4.2 m
2.2 喷淋环结构及出口位置的影响 240 5.2 m 5
230
2.2.1 喷淋环直径的影响 220
210 4
图 10 为不同喷淋环直径下球罐温度随时间的
200 3
变化曲线。球罐的降温速率与喷淋环直径成正比， 0 5 10 15
直径越大，降温速率越快。不同喷淋环直径下壁面 时间/h
最大温差随时间变化如图 11 所示，壁面最大温差 图 10 不同喷淋环直径下球罐温度及降温速率变化
与喷淋环直径成反比，直径越大，壁面最大温差越 Fig. 10 Spherical tank temperature and temperature drop rate
小，预冷更加均匀。增大喷淋环直径能够扩大喷淋 change at different diameter of spray ring