Тема 20. Роль тепловой изоляции в низкотемпературных системах

В технике низких температур так же, как и в теплотехнике, для уменьшения нежелательного теплообмена между системой и окружающей средой используется тепловая изоляция. В теплотехнике изоляция уменьшает потери теплоты от изолируемого объекта в окружающую среду; в технике низких температур она, наоборот, препятствует притоку теплоты из окружающей среды к объекту, имеющему более низкую температуру. Различие, заключающееся в направлении теплового потока, проходящего через изоляцию, существенного значения не имеет. В обоих случаях к качеству изоляции предъявляются одинаковые требования – она должна обладать как можно большим сопротивлением тепловому потоку.

К качеству низкотемпературной изоляции предъявляются весьма жесткие требования. Это связано со спецификой области низких температур. Если теплотехника имеет дело с весьма большим диапазоном температур, исчисляемым тысячами градусов, то в распоряжении техники низких температур находится около 300 К. Однако тепловой поток, имеющий в одном случае температуру выше, а в другом на столько же градусов ниже, чем температура окружающей среды Т_о.с., неодинаково термодинамически ценен.

Действительно, если, например, в теплосиловой установке происходит потеря q = 1Вт теплоты на температурном уровне Т=599,9К (при Т_о.с.=300К), то это будет эквивалентно в идеальном случае уменьшению ее мощности примерно на 0,5Вт

Вт

При такой же разности температур в случае низкотемпературной установки, т.е. при DТ=Т-Т_{о.с .}=299,9К=0,1-300=299,9К, при Т =0,1К, для компенсации теплопритока через изоляцию в 1 Вт потребуются затраты мощности:

Вт

Для области Т>Т_{о.с .} потеря 1 Вт теплоты при Т® будет эквивалентна потери мощности, стремящейся также к 1 Вт.

В низкотемпературной области при Т ®0 К величина Dl, затрачиваемая для отвода 1 Вт теплопритока, стремится к ¥.

Из сказанного следует особая важность роли изоляции в технике низких температур. Однако с повышением качества изоляции возрастает ее стоимость, дороже обходится и обслуживание устройств с высококачественной изоляцией.

Поэтому выбор изоляции требует технико-экономической оптимизации.

Тепловой поток, поступающий к единице поверхности изолируемого объекта, определяется из уравнения:

,

где l - коэффициент теплопроводности изоляции;

d - толщина изоляции;

DТ – разность температур между наружным и внутренним слоями изоляции.

При постоянных значениях DТ и d значение q зависит только от l.

В технике низких температур в качестве изоляционных используются волокнистые, зернистые и ячеистые материалы. Их l =0,02-0,05 Вт/(м×К).

Передача теплоты через изоляцию идет как по твердому скелету изоляционного материала, так и через газ, заполняющий пустоты. С увеличением пористости изоляции ее теплопроводность приближается к теплопроводности газа, заполняющего поры. При крупных порах возникает конвекция газа, приводящая к существенному увеличению теплопроводности. Поэтому в технике низких температур применяют мелкопористую изоляцию.

В качестве волокнистых изоляционных материалов применяют минеральную и стеклянную вату, шелковые очесы. Наиболее дешевый материал – минеральная вата, получаемая плавлением горных пород (гранита, кварцита) или шлака металлургических печей с последующим раздувом расплава струей пара или воздуха. Диаметр волокон 6-10 мкм, длина 3¸20 мм.

Стеклянную вату получают из расплавленной стеклянной шихты. Диаметр волокон 30-50 мкм. Чем тоньше волокно, тем лучше изоляционные свойства.

Минеральная и стеклянная вата негорючи. При монтажных работах могут поражать кожу и органы дыхания человека.

Шелковые очесы, полученные как отходы шелкопрядильной промышленности, не имеют этого недостатка, однако они значительно дороже.

Зернистые или порошкообразные материалы применяют, в основном, для изоляции сосудов, содержащих низкотемпературные жидкости. Наиболее распространенные из них – перлит и аэрогель кремниевой кислоты.

Вспученный перлит – материал, полученный в результате обжига кремнеземистых горных пород вулканического происхождения. Содержит»70% двуокиси кремния, 10-15% глинозема, 4-8% окислов калия и натрия и др. примеси. В необожженном перлите находится также несколько процентов воды. При нагревании до 700-1000⁰С порода размягчается, а вода переходит в пар, вспучивая массу материала.

Аэрогель кремниевой кислоты получают смешиванием раствора жидкого стекла с серной кислотой. Это дешевый и качественный материал, однако при попадании в него капельной влаги меняется его структура и увеличивается теплопроводность.

Из ячеистых материалов наибольшее применение получили пенополистирол и пенополиуритан. Эти пенопласты имеют замкнутые поры, в которых в результате вспенивания материала остаются легкоконденсируемые газы – аммиак, двуокись углерода и т.д. При низких температурах происходит конденсация газов, заполняющих поры, с образованием в них вакуума, что улучшает изоляционные свойства пенопластов.

Пенопласты выпускаются в виде плит. Изоляцию пенопластом можно совместить с процессом его получения. Для этого изолируемые участки аппаратов, трубопроводов заключают в кожух, в который затем помещаются компоненты, необходимые для образования пенопласта. В результате реакции шихта вспенивается и пенопласт плотно приклеивается к изолируемым участкам. Прочность такого склеивания настолько велика, что, несмотря на различные коэффициенты линейного расширения материалов, отставания пенопласта от металла не происходит при охлаждении до температуры 80К с последующим нагревом до Т_о.с..

Существенно снизить коэффициент теплопроводности изоляционного слоя можно, удалив газ, заполняющий поровое пространство той или иной изоляции.

Через газовую среду в изоляции передача теплоты осуществляется конвекцией, теплопроводностью и излучением. Если удалить газ, то конвекция и теплопроводность практически будут исключены. Останется только теплопередача излучением. Таким образом, можно существенно повысить термическое сопротивление изоляции.

Чтобы существенно улучшить изоляционные свойства волокнистых и порошковых материалов, достаточно понизить давление в изоляционном пространстве до 5-1 Па. При таких значениях давления конвекция практически полностью исключается, уменьшается теплопроводность оставшегося газа, увеличивается сопротивление тепловому потоку в местах контакта частиц изоляционного материала.

Для снижения теплопритока излучением в порошковую вакуумную изоляцию добавляют обычно бронзовую или алюминиевую пудру в количестве до 50% по объему.

Изоляционные свойства вакуума впервые были использованы в 1874 г. английским физиком Дж.Дьюаром при создании тепловой изоляции калориметра.

Для хранения низкотемпературных жидкостей французский ученый Д’Арсонваль в 1887 г. разработал двустенный стеклянный сосуд с вакуумным пространством между стенками. Сам Дьюар применил вакуумную изоляцию только в 1892 г., т.е. на 5 лет позже. Приоритет создания вакуумной изоляции оспаривается до сих пор. В этом споре побеждают англичане, т.к., занявшись вакуумной изоляцией Дьюар внес два существенных усовершенствования, повысивших ее качество.

Первое связано с уменьшением теплопритока излучением от теплой стенки сосуда к холодной. Он предложил посеребрить поверхности стенок, обращенные в вакуумное пространство. Так ему удалось уменьшить коэффициент теплового излучения стенок в 25 раз и соответственно понизить теплоприток излучением в 5 раз.

Второе усовершенствование связано с предложением поместить в вакуумную полость активированный уголь. Адсорбционная способность угля значительно возрастает по мере снижения температуры. Адсорбент при заливке криогенной жидкости в сосуд охлаждается и дополнительно поглащает часть оставшегося в вакуумной полости газа. Вакуум в результате увеличивается, теплопроводность остаточных газов снижается. Давление остаточных газов обычно не превышает 10^-2¸10^-3 Па.

Эти два усовершенствования Дьюара оказались настолько удачны, что сосуды его конструкции практически без изменений широко применяются до настоящего времени. Общепринято сосуды с высоковакуумной изоляцией, независимо от материала стенок, называть сосудами Дьюара или просто дьюарами.

Однако теплоприток излучением, даже при высоком вакууме, приводит к значительным потерям, особенно при хранении и транспортировании криогенов с низкими температурами кипения (водород, гелий). В связи с этим в высоковакуумном изоляционном пространстве металлических сосудов Дьюара стали размещать экраны. Их изготавливают из теплопроводных материалов, имеющих малый коэффициент теплового излучения. Экраны бывают охлаждаемые и неохлаждаемые. В любом случае они не должны иметь контакта со стенками сосуда.

Экранирование холодных стенок позволило резко уменьшить теплоприток излучением. Так, установка одного охлаждаемого жидким азотом экрана в сосудах для хранения жидкого водорода и гелия уменьшает теплоприток излучением в 150-200 раз. В случае установки одного неохлаждаемого (пассивного) экрана с тем же коэффициентом теплового излучения, что и стенки сосуда, теплоприток излучением уменьшается вдвое, при установке n экранов – соответственно в n+1 раз.

Развитие конструкций пассивного экранирования привело к созданию многослойной экранновакуумной изоляции (ЭВТИ). Она представляет собой чередующиеся слои тонких металлических экранов (обычно алюминиевая фольга толщиной 6-30 мкм) с прокладочным материалом низкой теплопроводности. Многослойная экранно-вакуумная изоляция, размещенная в вакуумной полости сосуда, обладает чрезвычайно низким коэффициентом теплопроводности.

Области целесообразного использования различных типов изоляции:

1. Насыпная изоляция, работающая под атмосферным давлением – крупные холодосистемы с температурой не ниже 80К.

2. Вакуумно-порошковая изоляция – крупные системы вплоть до гелиевых температур (4,2К); небольшие системы с минимальной температурой до 8К (сосуды для хранения и перевозки жидкого азота и кислорода, небольшие воздухоразделительные и ожижительные установки).

3. ЭВТИ – установки для получения и хранения криогенов, имеющих температуру ниже 20К.