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主题:【原创】焊接绝热气瓶VS杜瓦瓶(罐)——液氩气瓶的接地气问题

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wangjstw
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开篇的第一句话是,我讨厌极了杜瓦罐(杜瓦瓶)这种叫法,尽管也零星看到了些许知识,但总有隔靴搔痒之感,不过瘾、不解气。顺带一句,脚踏实地地接触实验室是最近几十天的事儿,而实验室的安全和管理离不开气瓶问题。
一、瓶装(永久)气体的压缩和液化
在说气体之前,先上个图(做这样的图挺麻烦,但我敢保证它是独一无二的),让我们大致看看气瓶世界的标准架构是怎样的。

这么说吧,在我们的标准体系中,所有所有的国家标准体系被划分成了560多个技术单元(当然国际标准化组织ISO等等的也是这样做的,国内许多标委会的工作对应于ISO的某个标委会,也是一个很好的例证)。每个单元的技术管理组织叫全国××(专业)标准化技术委员会,每一个标委会都有独立的编号,如我们讨论的气瓶问题归口于全国气瓶标准化技术委员会,其简称是瓶标委,代号SAC/TC 31;新近成立的全国电子商务质量管理标准化技术委员会(就是马云同志当副手的那个)的代号是SAC/TC 563。
人类对气体的认识和研究从来就没有停止过,而气体的冷冻、保护、急救等特殊应用大多是通过气瓶的中转得以实现的。技术复杂、体系庞大的标委会还会设立些许分支机构(相应的代码是SC,与所属的标委会的代码间通常用“/”分隔)。瓶标委的分支机构和归口标准可以从下面两个重新组编过的截图(主要是为了适应论坛的宽度限制,做法是尽量压缩空白部分)中窥知一二。


大圈子绕完了,我们再说说气体的压缩和液化。我们先根据相关资料做两道简单的数学题:
1.关于氩在不同状态下的压缩倍数
瓶装气的压缩倍数为瓶压/标准大气压,如15/0.1=150(倍)。许多地方以安全为借口,只充装到12、13.5MPa左右; 对于工作压力为15MPa而充装压力明显偏低的情形,完全可以按“缺斤少两”理解。
1立方米液氩的气态化体积为1400/1.662=842.36(m3)
至此,我们看到液氩贮存、运输的经济性和方便性所在,主要是节省体系、节省空间,另外经济性上也要明显划算一些。
2.关于氩的供气速率
无缝气瓶中一般充装的是气态氩,即氩气,其输出速度只受阀门通径和减压机构的限制,供耗气量很大的仪器也没有问题,只是时间较为有限。由于40升气瓶只能充装5~6立方米的氩气,所以无缝瓶通常只供用气量较小的AAS等仪器,很少用于ICP-MS等大家伙。
虽然没有查到足够的资料,但液氩似乎不可以充装到普通无缝气瓶或焊接气瓶。这其中牵扯到低温气体的超临界理论,限于篇幅和资料限制,不再展开。
正是在这样的背景下,所谓的杜瓦瓶横穿出世。之所以不喜欢这个叫法,是因为它反映不出产品的技术特征,非得逼着人去追寻历史。跟我重点研究的厨房领域相类似,老司机爱叫公斤、爱叫杜瓦(瓶)的习惯,除了因袭相承,多多少少还有一些专业性显摆的隐含意思在里头。但要反过来看,真有些老司机知识能力和应变能力较差,无法适应标准化称谓,这是题外话,略过。
(本楼层到此)
该帖子作者被版主 阶前尘10 积分, 2经验,加分理由:鼓励原创
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2018/3/7 17:56:17 Last edit by wangjstw 举报
wangjstw
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二、保温瓶的问世及其向低温冷藏领域的深入推进
早在公元前8世纪的时候,地中海边的小渔村庞贝(换句话说,一如咱们曾经的小渔村深圳)逐渐发展为仅次于罗马的意大利第二大城。庞贝城离著名的活火山维苏威火山只有10km,但当时的著名地理学家斯特拉波断定它是一座死火山,所以建筑在火山爆熔岩上的庞贝古城从一开始就埋下了大灾的祸根。公元79年8月24日,维苏威火山爆发了……2.5万人、闻名遐迩的酒色之都庞贝古城完全消失了。在庞贝城的废墟中,人们曾挖出过一个双层容器,说明2000年前的罗马人们已经意识到双层容器能保暖了。
现代意义上的保温瓶是苏格兰物理学家和化学家詹姆斯•杜瓦爵士(Sir James Dewar)发明的。1892年,杜瓦吩咐人将玻璃吹制一个双层的玻璃容器,再玻璃胆壁间涂满银,然后抽成真空,其结果是,瓶里的液体温度的变化变得很慢很慢了。等后来加上外壳,玻璃瓶胆被保护起来,一种全新的保温瓶问世了。很快,它在实验室、医院和探险队中流行起来,并向野餐和旅行领域发展起来。1925年,留美归国的笪耀先试制成了中国历史上第一只热水瓶。而后来居上的金鼎牌热水瓶不但保持了中国热水瓶的最长生产历史、出口历史,还将产品规格系列化、多样化,并推出了医用冷藏型、军用型等专门系列。冷藏瓶的出现,成了电冰箱产业化之前最重要的冷藏用具。从这种意义上讲,每一只普通保温瓶都可以叫做杜瓦瓶,不就是为发明人的名字命名产品吗?民国时期的一个保温瓶卖五六个银元,远比今天的冰箱电视贵得多……可惜我们没有足够的考据资本,无力验证20世纪初期中外保温瓶的叫法了,只能说大致是没人叫过吧。但我想说的一句话是,杜瓦瓶这种叫法没什么时髦,有历史内涵但反映不出技术特征,没有绝热焊接气瓶的直观性,不符合技术时代的交流需求,应当摒弃。




1893年1月20日,杜瓦宣布发明了一种特殊的低温恒温器(cryostat)。到1898年,杜瓦瓶已经成功用于氢的液化,翌年又实现了固化。在这个过程中,我们看到了西方社会产品研发的速度和快速工业化的节奏,这也是我们社会比较缺乏的一种意识。这种盛低温液化气体的保温瓶,就是中间镀银、并抽成真空的玻璃容器,这种贮存低温液化气体的保温瓶被逐渐叫成了杜瓦瓶(dewars)。至于剔除易碎的玻璃、完全金属化、大容量化的发展,又经历了一个比较漫长的发展过程。以下是杜瓦瓶的原理图,不同厂家的略有差异,譬如我在下一楼层的绝热焊接气瓶标准截图中放进去的就将液位计改为液量表了,跟汽车的油表相似的那种。


杜瓦瓶(Dewars)其要结构和各部件功能如下:
①外壳:除保护内桶体外,它还与内桶体形成真空夹层以阻止瓶外热量的侵入,减少瓶内低温液体的自然汽化量;
②内胆:储备低温液体;
③汽化器:通过与外桶内壁的热交换,实现将瓶内的液态气体转化为气态;
④进出液阀:控制杜瓦瓶进行液体充灌或从瓶中排出液体;
⑤安全阀:当容器的压力大于最大工作压力时自动卸压,其起跳压力略大于最大工作压力;
⑥排放阀:在杜瓦瓶灌充液体时,用此阀排放瓶内气相空间的气体,降低瓶内压力,以便快速顺利地灌充液体。其另一作用是杜瓦瓶在储存或其他情况下发生瓶内压力超过最高工作压力时,可用此阀人工排放瓶内的气体,以降低瓶内的压力;
⑦压力表:指示瓶内筒的压力;
⑧增压阀:此阀开启后,瓶内的液体便会通过增压盘管与外筒壁进行热交换,汽化为气体,进入内筒壁上部的气相空间,使气瓶建立一定的驱动压力(内压),以便驱动瓶内的低温液体,使其流动;
⑨使用阀:用于杜瓦瓶液体汽化回路与用户用气进口端管道通路的开启,也可以用此阀控制气体的流速;
⑩液位计:比较直观地指示容器内液面的高低,安装位置应便于操作人员观察和检修。
杜瓦瓶的保温原理并不复杂,应当与普通的暖水瓶差别不大,但“实际”情况并非如此。我们现在看到的所谓结构图,几乎清一色“丢”了真空层,这已经严重违背了杜瓦发明的本义,依据这样的结构图讨论原理还为时过早。杜瓦的结构问题太大,我另发了帖子在讨论,等有了基本结论,我再回来补充这一部分内容。
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2018/2/28 15:11:54 Last edit by wangjstw
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三、名称接地气与术语标准化

产品也好,标准也罢,名称(标题)能够恰如其分地反映产品(其实标准也是产品)的功用是最基本的要求,早期的暖水瓶、热水瓶、保温瓶、暖瓶等莫不如此;简捷、易于上口也是命名的基本要求,杜瓦显然是满足了后一要求。再说绝热焊接气瓶,绝热跟保温是等义词,只是程度更高一些;保温瓶中的水温总是在缓慢下降,甚至都有结冰的可能,而绝热气瓶中液化气体的温度永远不会超过临界值,这就决定了绝热瓶的非凡而均可替代的价值;至于“焊接”,显然是隐含了金属(钢质)材质,映衬了气瓶的强度,映衬了气瓶对抗液化气体压力强度的特征……所以绝热焊接气瓶是个科学而高效的称谓。
因为杜瓦除了简捷,内涵显然是不足的,除非你掌握足够的历史知识,否则很难看出“杜瓦”的意义(当然是人名或地名的可能性是最大的);在产品极大丰富、科技飞速发展的今天,以发明人姓名命名产品的方法的缺陷日益凸显。
至此,可以作以下小结:在相互熟悉的小圈子中用杜瓦历史称谓,类似于熟悉的网友间的昵称,是可以理解和接受的;在技术交流中,强烈建议版友们尽量采用“绝热焊接气瓶”这一标准化称谓;如果追求简捷,叫绝热瓶也比杜瓦(瓶)强许多。采用标准化名称,让称谓接地气,既是一种好的习惯,也是广大技术人员的责任。
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2018/3/6 17:56:46 Last edit by wangjstw
JOE HUI
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没看明白,需要了解下杜瓦罐的结构比较重要
不忘初心
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原文由 JOE HUI(xurunjiao5339) 发表:
没看明白,需要了解下杜瓦罐的结构比较重要
年后需要处理的事儿比较多,而写这个帖子要查的资料又很多,一个一个地研究标准,一幅一幅地作图,都很是费时间,所以我只能慢些写。快了,会在老师们面前掉链子的。
非常不熟悉的地方,我也不敢乱写。
原文由 不忘初心(abcpgf) 发表:
看来还是专业人士、
专业人员的话不好说。
我碰到问题习惯于一挖到底,这样的习惯非常累人,但又一时半会改不掉,或者说还没有主动改掉的想法。
气瓶这个问题很困扰人,所以我想把它挖挖清楚。当然,这里面的难度很大。
因为业余研究的关系,我对标准比较熟悉,抓标准的思路和方法也略微多些。
这个帖子涉及到的技术问题比较多,所以我会慢些写。但只要不是特别忙,我会每天写一点的,气瓶问题已经引起了我的兴趣。
还有一点,我习惯于将内容不太矛盾的几个跟贴集中于一个帖子中回复,似乎这样能节省点视觉空间。
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2018/3/3 10:12:40 Last edit by wangjstw
光哥
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支持楼主,无论内容,版面里面已经好久没这么较真的帖子了
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原文由 光哥(xsh1234567) 发表:
支持楼主,无论内容,版面里面已经好久没这么较真的帖子了
谢谢支持,一个专家的支持对我而言无异于强心针,我会倍加珍惜您的鼓励的。
碰到麻烦了:压缩气体的密度如何得到,计算还是查表?上午到现在一直在抽空查,没有结果。
如果方便,敬请鱼和渔一并给一下,谢谢了。
timstoicpms老师的计算是:钢瓶容积是40 L,内压是13 MPa=13×106 Pa,折合成常压就是40×13×106÷105=5200 L=5.2 m3。因为无力验证,暂时未用;朦胧觉得压缩比就是压力比,有点意思。
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2018/2/24 16:28:37 Last edit by wangjstw
阶前尘
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楼主非常认真,非常难得,我等佩服!如果论坛里多些这样的版友就精彩多了
wangjstw
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原文由 阶前尘(jieqian1211) 发表:
楼主非常认真,非常难得,我等佩服!如果论坛里多些这样的版友就精彩多了
感谢阶前版主的支持,来这个论坛,阴差阳错地先从质谱版玩起了。
这个帖子中的不少内容超出了我的驾驭能力,何况我也是边学习边写作的,其中可能有没说透的地方,也不乏说错的地方,各位都是和同好们一定要多多指正。
准备关机回家时,发现帖子被阶前版主评为精华,真是有点小激动。今天是我玩这个论坛的第23天,纪念一下,感谢一并送上。
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2018/2/24 22:43:59 Last edit by wangjstw
dreamheaven
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原文由 wangjstw(wangjstw) 发表:
谢谢支持,一个专家的支持对我而言无异于强心针,我会倍加珍惜您的鼓励的。
碰到麻烦了:压缩气体的密度如何得到,计算还是查表?上午到现在一直在抽空查,没有结果。
如果方便,敬请鱼和渔一并给一下,谢谢了。
timstoicpms老师的计算是:钢瓶容积是40 L,内压是13 MPa=13×106 Pa,折合成常压就是40×13×106÷105=5200 L=5.2 m3。因为无力验证,暂时未用;朦胧觉得压缩比就是压力比,有点意思。


钢制无缝气瓶应该没有压缩比这个概念吧, 只有工作充装压力(WP)和测试压力(TP)。
无缝气瓶充装液氩的话,气瓶壁不绝热。很快会汽化到压力超出测试压力,然后出安全事故。
焊接绝热气瓶(液体)应该是“气化比”,是一升(立方)液体气化后能得到多少体积的气体。
密度的话,用状态方程算出质量,密度就知道了。只是精确计算的压缩因子是个坑。
该帖子作者被版主 阶前尘5 积分, 2经验,加分理由:讨论