Теплоизоляция криогенных систем

Криогенные установки, емкости с жидкими криоагентами, трубопроводы, криостатируемые объекты функционируют при температурах гораздо более низких, чем температура окружающей среды, поэтому необходимо обеспечить защиту их от теплопритоков извне. Поскольку наличие теплопритоков приводит к дополнительным затратам мощности, а также к необратимым потерям жидкого криопродукта при хранении, необходимо сводить их к минимуму. Так, для компенсации теплопритока из окружающей среды 1 Вт к криогенной системе, работающей при температуре жидкого гелия 4,2 К, необходима мощность 500 Вт.

Теплоприток 1 Вт к хранилищу жидкого гелия приводит к испарению за 1 час 1,4 литров гелия. В связи с этим к применяемой теплоизоляции предъявляют повышенные требования.

Для уменьшения теплопроводности теплоизоляции применяют изоляцию из материалов с дисперсной структурой, вакуумную теплоизоляцию, экранирование излучения.

Тепловую изоляцию, находящуюся под атмосферным давлением, применяют для систем, работающих при Т>80К, главным образом для ВРУ эта теплоизоляция характеризуется низкой стоимостью, простотой эксплуатации, относительной невысокой эффективностью. В качестве теплоизолирующей среды применяют волоконные, порошкообразные и ячеистые материалы. Теплопроводность таких материалов составляет 0,02–0,05 Вт/(м×К).

Перенос теплоты в теплоизоляции данного типа осуществляется по твердому телу (зернам, волокнам, оболочкам ячеек), также в теплоизоляции такого типа имеет место конвективный перенос теплоты газом, заполняющим свободный объем.

Теплообмен излучением в такой теплоизоляции не учитывают, т.к. теплопритоки от излучения по сравнению с другими видами теплообмена, очень незначительны.

Данный тип теплоизоляции нельзя применять при температурах ниже 80 К, т.к. при таких температурах начинается конденсация атмосферного воздуха на теплообменной поверхности, что резко ухудшает её теплоизоляционные свойства.

Для более низких температур применяют различные виды вакуумной теплоизоляции. Основная идея применения вакуума для теплоизоляции заключается в том, что перенос теплоты вследствии теплопроводности и конвекции практически исключается. Существует три вида вакуумной теплоизоляции: высоковакуумная, вакуумно-порошковая, вакуумно-многослойная.

Вакуумную теплоизоляцию применяют главным образом в сосудах Дьюара.

В общем случае теплоту Q, передаваемую изоляцией любого вида, упрощенно представляют в следующем виде:

Q = Q_T + Q_K +Q_Л, (123)

где Q_T - теплота, переносимая по твердому скелету теплоизоляционного материала по тепловым мостам; Q_K - теплота, передаваемая вследствие теплопроводности и конвекции газа, заполняющего теплоизоляцию; Q_Л - теплота, передаваемая излучением.

В вакуумной теплоизолирующей полости между двумя поверхностями с температурами T₀ и Т_х создается вакуум около 10^-4 Па.

Теплота Q_T, передаваемая по твердому телу, сохраняется только в местах соединения теплой и холодной поверхностей (по «тепловым мостам»). «Тепловые мосты» имеют особую конструкцию, их выполняют из материалов с низкой теплопроводностью, что сводит к минимуму Q_T.

Перенос теплоты газом определяется перемещением молекул газа, остающихся в изолированной полости даже при высоком вакууме. В разряженной среде механизм переноса теплоты иной, чем при высоком давлении, конвекция и теплопроводность в обычном понимании этого термина отсутствуют.

Для вакуумных полостей, в которых находятся молекулы воздуха при давлениях ниже р<10^-2 Па. Конвективный перенос тепла составит:

Q₂ = 0,93р(Т₀ – Т_х)F_x. (124)

Перенос теплоты излучением Q_Л вносит основной вклад в теплоприток. Эта составляющая определяется переносом энергии от теплой к холодной поверхности электромагнитным излучением в инфракрасной области спектра.

Излучательная способность Q_Л поверхности характеризуется степенью черноты, которая находится по формуле:

, (125)

где E и E_s - плотности потока излучения данной и абсолютно черной поверхности.

Плотность потока излучения абсолютно черной поверхности определяется по формуле:

, (126)

где = 5,7ּ10^-8 Вт/м²К⁴ - постоянная излучения абсолютно черного тела.

Значения зависят от температуры и состояния поверхности материала.

Поток излучения между замкнутыми поверхностями с температурами Т₀ и Т_х определяют по формуле Стефана-Больцмана:

, (127)

где - приведенный коэффициент черноты.

Лучистый поток можно значительно снизить путем установки экранов между поверхностями F₀ и F_x.

Для свободно установленных экранов при одинаковом коэффициенте черноты граничных поверхностей и экранов и при условии F₀= F_x суммарный приведенный коэффициент черноты рассчитывается следующим образом:

, (128)

где n - количество экранов.

Принципы такого рода экранирования излучения реализован в самом эффективном виде теплоизоляции - вакуумно-многослойной теплоизоляции. Вакуумно-многослойная теплоизоляция состоит из большого числа слоев с низкой излучательной способностью, которые служат экранами, отражающими тепловое излучение. Эти экраны разделены теплоизоляционными прокладками. В качестве экранов применяют алюминиевую фольгу и стеклоткань. В теплоизолирующем пространстве поддерживается р=10^-3 – 10^-4 Па.

Эффективная теплопроводность через такую стенку может составлять = 0,03 ¸ 0,04 мВт / (м×К).

Вакуумно-порошковая теплоизоляция широко применяется в криогенной технике и характеризуется высокой эффективностью. В порошковых материалах при атмосферном давлении около 90% теплоты переносится газом. Помещение порошков в вакуумированную полость резко снижает их теплопроводность.

Наряду с порошками в вакууме можно применять волоконные материалы (стекловату, минвату).

Применение вакуумно-порошковой изоляции эффективно по следующим причинам: этой изоляцией можно заполнить полости сложной геометрической формы; изоляция под вакуумом исключает возможность ее увлажнения, что обеспечивает стабильность теплопроводности; такая изоляция недорогая, не требует высокого вакуума.

Основной механизм переноса теплоты вакуумированных изоляционных порошках - излучение, которое ослабляется в порошках посредством поглощения и рассеяния его частицами изоляционного материала.

С целью уменьшения теплопереноса излучением к изоляционным порошкам добавляют металлические порошки, обеспечивающие многократное экранирование. такой теплоизоляции может составлять до 0,3 мВт / (м·К).

Контрольные вопросы и задания:

1. Назовите особенности теплообмена в криогенных системах.

2. Назовите принципы классификации теплообменных аппаратов криогенных систем.

3. В чем отличие рекуперативных теплообменников от регенеративных?

4. Чем обусловлено преимущественное применение теплообменников регенеративного типа в воздухоразделительных установках?

5. Какими критериями характеризуется эффективность криогенных теплообменников?

6. Что характеризует NTU?

7. Какие виды теплоизоляции используют в криогенных системах?

8. Почему теплоизоляцию, находящуюся под атмосферным давлением, нельзя использовать при температурах ниже минус 80 K?

9. За счет чего осуществляется механизм переноса теплоты в высоковакуумной теплоизоляции?

10. Какими способами уменьшают теплопритоки от излучения в вакуумированых полостях?

11. Что такое вакуумная порошковая изоляция?

12. Что такое вакуумная многослойная теплоизоляция?

Дата добавления: 2015-07-24