保温瓶瓶胆真空度与保温性能的关系

保温瓶瓶胆真空度与保温性能的关系� 杨锡良 潘星龙 沈国华 高龙关 �复旦大学 方兴平 周恩光 �芜湖光华玻璃厂 一 摘 一 要 观察了保温瓶瓶胆在动态真空系统中热损失与抽、气压 强 ! 之问 的关系 。 实验发现瓶胆保温度 少钊刃。随时间 ∀ 呈指数衰减。 从对数坐标图中求出该衰 减系数或温度下降率 #∃ 得 出 。 随 % 的变化规律。 结果指出& �∋ 当压强 % 大于 ∋ ( 一, 毛时, “ 与 % 关系不大 ) �∗ 当压强 % 在 ∋ ( 一。毛数量级时, “ 随 % 成正比减小 ) �+ 当压强 尸 小于 ∋( 一”毛时 , “ 与 % 墓本无关。 结合气体分子热传导公式, 讨论 了实验结果 。 , − . / .0 # 12 3 4 5 .如盯. . 4 6 # 7 7 8 8 刃口 # 4 9 : . # 1∃ / . 1. 4 ;23 4 3 ∀ , −. < 扣口( ∃ / .∀ 200; 而叩 = 奋如啊 %# ” =峋一加夕 刀爪娜 >淤确瀚 > #3 ?3 4≅ 哪。” �− 峨#4 Α 4 2一21力 Β# 呵 五呵洲即 名爪川 Χ介夕协叩 �口皿鳍七肪 . 0曰∃ 习即加灯 , Δ − 一五8 Ε 5 ;1< # . 1 , − . 73 << . 0# 123 4 3 ∀ 1− . − .#1 一∋( ΦΦ 3∀ 1− .Γ 3; < .皿∋Φ 8 4 9. < 9 Η4 #Γ 记 Ι朗. 8恤咖9 2123 4 ; ϑ 21−<. ;%. . 1 13 1− . %< .; ;8 < . % 3 ∀ Ι# .. 8 8 Γ #2< %8 Γ % −#; 5. . 4 3加. < Ι . 9 ∃ Κ1 ∋Φ ∀3 8 4 9 1− # 1 1−. − .#1 一< .1. 4咖4 , 一全。 9.一 .匆扣4 . 4 12# 0卜#; 1−. 幻Γ . 1 24 7< . #; . ; ∃Λ Η 咖让山Μ 1− . 9# 1# 24 ∋(多甘21− Γ 记 333 < 92 山#权拍 , 比。 #计.4 8#1 Ν3 4 73. 击Ο2日4 1 3< 1. 功%. <# 1二.9 .3 全.#; 24 ≅ <# 1. # 汤 35 场4 .9 · Κ1 ∋Φ ;02 ΠΔ4 妙 1− , 企尸 <. 0#1 234 38 <Ι. 击−# 1, ‘�∋ 1−. < . ∋Φ 021 10. . 3 << .0 #12 34 5 . 1ϑ. . 4 # #4 9 % #; 102 . %< .;; 8 < . % Θ ∋( 一∗ 13 < < ) �∗ 1− . Ι#0 8 . 3∀ # Ι # < 2.; 加 .# <0Η ϑ 21− % ϑ −. 4 1− . %< .;; 肚. % 拍 24 1−. 3 < 9. < 3 ∀ ∋ (一 + 13 < < �+ 1− . Ι # 08. Π∀ # # 0Γ 3;1 Ρ . .那 1Γ. − # 4 ≅. 9 #; 1− . %< .;; 8 < . % Σ ∋ (一 + 13 < < ∃,−. 馏川加 − #Ι. 5. .4 92 叻8 ;; . 9 运 的立以以加4 ϑ 21 − 1−. −. #1 浑冲9如123 4 ∀3 < Γ 80 成 , 3∀ ≅#; Γ Π0. 3 80 朗 份 ∋Μ Τ+ 年 ∋( 月 ∗ ∗ 日收到 。 Υ ’ 一 2 玻璃与据 瓷 ∋∗ 卷 ∋ 期 一、 前 ς Ω ‘Ω目 对一个储放着万 克水的保温瓶 , 它的温度下降为 & 刃 一乌 一黛 Ξ 黛 Ξ 黛卫 义性 』∗ 卫 �∋ 式中, Ψ 为保温瓶总的热量损失 , Ζ 为保温瓶胆隔层内气体分子运动所造成的热量损失 , 场 为保温瓶内热水的红外热辐射引起的热量损失 , 场 为其它的热量损失�如瓶塞、石棉粒等引 起的热量损失 。 显然 , 对一个确定的保温瓶 , 即在瓶胆尺寸 、银膜厚度及瓶塞等均 已确定的情况下 , 提高 保温性能的唯一途径就是采用合理的抽气系统及排气规范 , 获得较为理想的瓶胆真空度以 减少 由于气体分子热传导引起的热量损失。 本文以 Φ 磅保温瓶为例 , 近似计算了不同压强下的温度下降值 , 并给出了热量损失与压 强关系的实验曲线。 二、 气体分子热传导分析 �一 气体热传导方程 为 了分析保温瓶胆隔层内气体压强对保温性能的影响, 对一处于室温为 +(( “[ 、 瓶内 装满 + ∴+ “[ 沸水的 ] 磅保温瓶由于气体分子热传导损失引起的温度下降作一定量 的近 似 计算。 一 二 当瓶胆隔层 内的气体分子处于分子态即气体分子的平均 自由程大于其隔层距离时 , 由 气体分子热传导引起的热量损失 Ψ0 可 由下式给出& Ψ& ς 入· % · �,’ 一, 3 �∗ 上式中, 尹 为瓶胆隔层内气体分子的平均温度 �。[ , 几 为环境温度 �“[ , 尸 为瓶胆隔层 内的气体压强 �毛 , 入为在温度 , , 时气体分子的热传导系数 �卡 ⊥ 厘米 , ·秒 · 度 · 毛 。 在 ∗ ∴ + “[ 时气体分子的热传导系数 场 可由表查得 , 处于温度为 ,’ 的气体分子热传导 系数与 入。的关系为 ⊥ ∗ ∴ +入ς 场心 _ 币∴ ς , Ω ∃ �+ �二 气体导热热损失与真空度的关系 在分子态的气体分子 , 气体分子之间的碰撞完全可以忽略 , 气体分子将直接与内、 外胆 碰撞。 假设与内、外胆碰撞的气体分子进行充分的能量交换 , 分别具有 +∴+ “[ 与 +�= “[ 的 温度 , 则瓶胆隔层内气体分子的平均温度可近似认为 & , , 一合�, · Ξ 、 , 一 + +”·”。[ �⎯ ] 磅保温瓶的内外胆面积可认为近似相等 , 表面积 召为 ( ∃ ∋ 平方米 , 假设瓶胆经排气封 离后内部的残余气体主要为氮气 , 其热传导系数 场 为 + ∃ Μ ∴ 火 ∋ ( 一” 卡⊥厘米 , ∃ 秒 , 度 ·毛。 将上述数据代入式 �∗ , 再考虑到瓶胆的内表面积 , 可以得到 & · ∋Τ · 玻璃与搪充 拐 卷 ∋ 期 Υ Υ ⊥, 获了 , Υ Υ Υ Υ Υ Υ Υ 、 Υ Υ Υ Υ Υ Υ Υ ‘ ∃ 、叻 ∃ 杨丫畜拓了 ’必“往。一 “ΑΠ ∃ 尸 ’(∃ ∋ 二 ⎯∃ ∴ 又 ∋少 ’尸 于卡 ⊥小时 �Φ 如 Φ 磅保温瓶内盛以 ∗ 千克的沸水 , 当压强为 0 α ∋( 一, 毛时 , 由式�Φ 得到 Ψ& 为 ⎯ ∃ ∴ 千 卡⊥ 小时 , 代入式 �∋ 得到此时一小时的温度下降为 ∗∃ ⎯ Π Ο , 如瓶胆夹层内的压强降至 Κ = ∋ ( 一“毛 , 则保温瓶在这种条件下一小时内 由于 气体 分子 热传导 引起 的温度 下 降仅 为 ( ∃ ∗ ⎯ 3Ο 上述简单的计算给出一个结论 & 在分子态的条件下 , 如只考虑气体分子的热传导损失 , 那么降低瓶胆夹层内的气体压强将大大改善它的保温性能。 然而 , 上述热传导分析究竟在 多大程度上反映了保温瓶瓶胆实际的热损失情况 , 我们进行了以下实验考察。 三、 , 实 验 测 定 �一 测且装盆 ∃ 卜 考虑到静态测试时由于瓶胆内壁的吸放气引起的压强波动, 因此采用图 ∋ 所示的简易 动态真空系统。 抽气系统采用 ∋ ∗( 升⊥秒四级油扩散泵配以 β= β一⎯ 机械泵 , 二只瓶胆分别 为不露光的瓶胆及未镀银的瓶胆。 测试时调节阀门 , 改变它的流导 , 就可以使保温瓶处于不 同的压强下 。 �二 测试结果 为使保温瓶 良好去气 , 在测试前 , 将接在测试系统上的保 温瓶 擂入 电加 热棒进行 ;(( ( Ο 烘烤除气 ∋ Φ 分钟 , 然后再启动机械泵 、 扩散泵抽气 , 同时瓶胆连续烘烤 ∋ 小时 , 待冷 却后调节时门 , 使瓶胆隔层平衡在所需要的压强, 注入沸水 , 测试 ∗⎯ 小时内的温度变化 , 作 ∋(Μ �全一甲。 ς ‘曲线 , 结果如图 ∋所示 , 得到在确定的压强下 , 保温瓶内热水温度随时间呈 指数衰减。 未镀银的瓶胆其很度下降则与压强无关 ∃ 图 ∋ 曲线可由下列数学式子表达 & , 一 ,( ς �+ ∴+ 一 ,3 . 一‘ 伯 �丫�占 匕工丫芍 丹仁� ,卜 卜 图 ! 瓶胆内温度 立一 ! ∀ # ∃ % &一 ∋ (匕竹 ) 一∗ + ! , 一) ( − . . 占一/ + ! , 一0 ( − . . 1 2% − .. � 图 3 。 4 1 关系曲线 2. 一几 4 2) 5 ) 一(, � 侈喇� 玻璃与据 瓷 !3 卷 ( 与时间的关系 召一! 父 ! , 4 , ( −.. 绪4一5 + ! , 一 ) ( − . . # 一∗ ∃ ! , 一 , ( − . . ! 期 式中全 为时刻 感保温瓶内热水温度 , , 。为室温。 、 在其他条件固定的情况下 , 。 仅与压强有 关 ) “ 表征该保温瓶的温度下降速率。 四 、 结论 与讨 论 �一 结论 由上迷实验结果可得出如下结论 & �∋ 未镀银的瓶胆 , 其热辐射损失远大于气体分子热传导损失 , 故 。 与压强 户光关 。 �∗ 瓶胆夹层内压强低于 ∋ 只功一”毛时, 保温性能基本上已与压强无关 , 亦即气体分子 热传导引起的热量损失和其它热量损失相比 已较小。 �+ 瓶胆夹层内压强高于 0 α ∋( “ , 毛时, Υ 由于气体分子热传导引起的热量损失已十 分 大 , 且与压强的关系不大 。 �匀 瓶胆夹层内压强处于 ∋ (招 毛数量级时 , 保温瓶内热水温度随时间的衰减基本上与 压强呈线性关系 。 �二 讨论 ∋ ∃ 现在进一步讨论式�∗ 成立的条件。 由气体分子运动论得到 , 气体分子平均自由程 和压强的关系式为 & Φ 丫 ∋ ( 一 + 人 ς一厂 �∴ 此处 入为气体分子平均自由程�厘米 , % 为压强�毛 。当瓶胆夹层内气体分子处于分子态时 , 即其平均自由程大于其隔层间距时 , 式 �∗ 才成 立 , 即热量损失与压强成线牲关系, 压强愈低 , 热量损失愈小。 对 Φ 磅保温瓶 , 其内、 外胆间 距约为 Φ 毫米 , 代入式�∴ 可得到压强低矛 工只 ∋ ( 一, 毛时才呈现分子态性质。 实验得到瓶胆 内压强处于 ∋( 一”毛数量级时 , 保温瓶内热水温度随时间的衰减基本上与压强呈线性关系 , 与式 �∗ 理论计算相符合。 ∗ ∃ 当压强进一步降至 0 α 03“ 毛 以下时 , 尽管 Ψ, 随气体压 强的降低而线性地减小 , 但 是由于式 �∋ 中的其它两项热量损失 �Ψ& Ξ Ψ+ 此时 已远大于 Ψ, , 所 以图 ∗ 中 # 值基本上不 再随压强变化, 这也就说明了在保温瓶胆的排气过程中, 无必要去追求过低的瓶胆压强的道 理 。 + ∃ 在压强高于 ∋ 火 ∋ ( 一“ 毛范围, 尽管随着压强的提高, 使得瓶胆隔层内气体分子数 目 增加, 即携带热量的媒质增多 , 似乎使气体分子热传导增加, 但是另一方面 , 由于气体分子密 度的提高, 使得气体分子间单位时间的碰撞数增加 , 这样从高温的内表面到外瓶胆 , 气体分 子所需的时间亦相应增大 , 因而从宏观角度看 , 此时单位时间内的热量损失 已不随压强的提 高而增大了。 ⎯ ∃ 目前国内普遍采用的机械泵、 扩散泵的保温瓶排气系统 , 保温瓶排气封离时的压强 一般多为 ∋犷“毛的数量级 ) 因而选择合理的排气规范 , 在此范围内获得尽可能低的压强 , 将 有利于保温瓶保温性能的提高 。 追求过低的压强�低于 ∋ (“ 毛 , 从实验结果和理论分析来看都是不必要的。 · 勿 ∃ 玻璃与搪 瓷 ∋ ∗ 卷 ∋ 期