Page 45 - 《真空与低温》2025年第5期

584 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

正相关。出口位置变化影响罐内流体流动，出口距 2.2.4 新型双层喷淋环结构
离中轴线越近，由于罐内涡旋流动，低温 BOG 运动 合适的喷淋结构能够提高预冷均匀性，保证预
到出口位置的路程较远，低温 BOG 在罐内停留时 冷安全。对喷淋环结构的研究发现，喷淋环主要通
间久，冷量利用更加充分，利于预冷；但同时，低温 过改变喷嘴间距、介质分布影响预冷过程。常规
气体在罐内停留时间较久，无法及时排出气体带走 的单层喷淋环结构，当喷淋环直径固定时，增加喷
热量，不利于降温。两者相互影响、共同作用，球 嘴数量会导致喷嘴间距减小，喷嘴数量过多会使得
罐降温速率与出口位置并非简单线性关系，出口位 预冷均匀性下降。因此设计一种如图 16 所示新型
置并非距中轴线越近或者越远越好。在进行出口 双层喷淋环结构，通过空间分层设计，在水平和垂
位置选择的时候，需充分考虑降温速率和预冷均匀 直方向同时增大喷嘴间距。
性的因素，当球罐降温速率较大时，更容易出现预
以喷嘴数量、直径相同的单层喷淋环结构为
冷不均匀的状况。 参照，两种喷淋结构下球罐温度及降温速率随时间

35 变化如图 17 所示。在 18 h 的预冷过程中，单层喷
2.4 m
30 3.2 m 淋环预冷时，球罐温度从 293.15 K 降至 216.54 K，
4.0 m 平均降温速率为 4.26 K/h；双层喷淋环预冷时，球罐
壁面最大温差/K 20 温 度从 293.15 K 降 至 218.69 K， 平 均 降 温 速 率 为
25
4.14 K/h。对比可见，单层喷淋环结构的降温速率
15
10
匀布置，使得预冷介质在水平方向的覆盖更均匀，
5 更快。这是因为单层喷淋环的所有喷嘴在环上均
0 从而提高球罐的降温速率。相比之下，双层喷淋环
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
时间/h 的喷嘴在垂直方向分层布置，导致预冷介质在垂直
方向分布不均匀；同时，由于每层喷嘴数量较少，水
图 15 出口位置变化时壁面最大温差随时间变化
平方向的分布均匀性也较差。因此，双层喷淋环的
Fig. 15 Maximum wall temperature difference at different
outlet position over time 整体降温速率较低。

主视图

左视图

等轴测图

俯视图

图 16 新型双层喷淋环结构示意图
Fig. 16 Structure diagram of the new double-layer spray ring

两种喷淋环结构下壁面最大温差随时间变 采用喷嘴分层布置，各喷嘴在水平方向和垂直方向
化如图 18 所示，单层喷淋环的壁面最大温差为 上的间距增大，减少了低温气体间的相互干扰，降
28.61 K，双层喷淋环为 24.91 K，相较于单层喷淋环， 低流体动能衰减速率，使罐内流体的扩散能力得到
双层喷淋环结构下的壁面最大温差值降低了约 提升，促进壁面均匀冷却，减小壁面最大温差，提高
13%，预冷均匀性得到明显提升。由于双层喷淋环 预冷均匀性。