3.7.3. Порошково-вакуумная теплоизоляция

Порошково-вакуумная изоляция нашла широкое применение в транспортных сосудах для криогенных жидкостей и в некоторых заправочных емкостях с Т > 80 К.

При создании как криогенных емкостей, так и трубопроводов с такой изоляцией механизм передачи тепла от криогенной жидкости к наружному воздуху осуществляется через изоляционное пространство, создаваемое двумя сосудами (один в другом) и заполня­емое порошковым материалом.

Механизм передачи тепла здесь определяется тремя составляющими: теплопровод­ностью газа, теплопроводностью твердых частиц и излучением.

В качестве порошковых материалов можно использовать магнезию, минеральную вату, перлит, стекловату, кремнегель, аэрогель, мипору. На практике используют аэрогель и перлит. При вакууме 1x10^-2 мм рт. ст. перенос тепла газом при расчетах можно исключить. Экспери­ментальные данные показывают, что, начиная с давления Р = 1x10"' мм рт. ст., теплопровод­ность мало зависит от давления. При Т< 80 К. решающую роль играет теплопроводность твердых частиц, а при Т = 80-300 К основной поток тепла осуществляется путем лучистого теплообмена через порошок. Для существенного уменьшения теплопроводности (лучистого теплопереноса) в изоляцию добавляется алюминиевая или медная (что реже) пудра. Это снижает коэффициент теплопроводности порошково-вакуумной изоляции в 3-4 раза.

Теплоприток через порошково-вакуумную изоляцию может быть вычислен по формуле:

Q_п=(λ_n/δ)(T₁-T₂)√F₁xF₂

λ_n — условный коэффициент теплопроводности изоляции;

_.T₁-T₂ - температура соответственно наружного воздуха и криогенной жидкости;

F₁xF₂ — площади поверхностей, соприкасающихся с воздухом (через металл) и крио­генной жидкостью;

δ — толщина изоляции.

Как уже отмечалось, на практике в качестве заполнителей изоляционного простран­ства применяют аэрогель кремниевой кислоты и перлитовую пудру. Перлит является бо­лее крупнопористым материалом, чем аэрогель, он адсорбирует меньше газов и паров, обладает меньшей гигроскопичностью, легко вакуумируется, однако его теплопроводность быстро возрастает при ухудшении вакуума. Разработчики криогенного оборудования при использовании порошково-вакуумной изоляции предпочтение отдают перлиту.

3.7.4. Вакуумно-многослойная теплоизоляция

Вакуумно-многослойная изоляция как наиболее эффективная широко применяется в криогенном оборудовании ракетно-космических комплексов.

Многократное экранирование межстенного пространства емкостей (трубопрово­дов) приводит к резкому снижению лучистого потока. Вакуумно-многослойная изоляция состоит из большого числа слоев материала с низкой излучательной способностью, кото­рые служат экранами, отражающими тепловое излучение. Экраны разделены теплоизолирующими прокладками. В качестве основного материала такой изоляции применяют алю­миниевую фольгу и стеклоткань.

Для исключения переноса тепла газом необходимо снизить давление в теплоизоли­рующем пространстве до 1x10³ - 1x10⁴ мм рт. ст, что существенно ниже, чем при порошкововакуумной изоляции. При таком вакууме на теплопроводность многослойной изо­ляции (к) влияет лишь излучение и контактная теплопроводность слоистого материала. Для снижения теплопроводности по твердому телу (Х_т) применяют прокладочные мате­риалы малой плотности и не допускают обжатия слоев изоляции.

Теплоперенос излучением в этом виде изоляции характеризуется ее лучистой проводи­мостью. Для определения величины теплопроводности излучением (Я,_с) пользуются зависимостью:

n=N/δ— удельное число слоев фольги;

N — число слоев укладки;

i_э — степень черноты алюминиевой фольги = 0,05-0,06;

δ — толщина слоя изоляции.

Таблица 3.7.1

Основные параметры промышленной вакуумно-многослойной изоляции

Мате­риал экра­нов	Мате­риал прокла док	Количе­ство слоев	Количе­ство пакетов	Толщи­на, мм	Масса 1 м^2, кг	Тепло­содер­жание, Дж/м^2	Плотность теплового потока, Вт/м^2, при различном давлении. Па (мм рт. ст.)
							IxlO-^1(7,5x10-")	IxlO^2 (7,5x10^5)	5Х10-^2(3,8x10-")	1x10-' (7,5x10-^4)
Пленка полизтилентерефтолатная металлизированная типа ДА	Стеклобумага марки СБШС-Т	20 30 40 50 60 70 80	3 3 3 3 3 4 4	7 10 13 16 20 24 26	0,50 0,75 1,00 1,30 1,50 1,70 2,00	21х10^3 32x10^342x10^352x10^363x10^373x10^383x10^3	1,16 1,00 0,86 0,74 0,66 0,56 0,50	1,26 1,05 0,91 0,78 0,70 0,60 0,64	1,35 1,15 1,00 0,88 0,80 0,70 0,64	1,60 1,35 1,16 1,00 0,90 0,80 0,75
	Холост стекловолокнистый марки ЭВТИ-7	20 30 40 50 60 70 80	3 3 3 3 3 4 4	8 12 16 20 24 28 32	0,52 0,80 1,05 1,30 1,58 1,80 2,10	21х10^3ЗЗхЮ^343x10^356x10^365x10^377x10^385x10^3	1,52 1,16 0,92 0,76 0,69 0,62 0,58	1,60 1,20 1,00 0,84 0,76 0,69 0,65	2,20 1,48 1,14 0,94 0,86 0,77 0,72	2,40 1,88 1,42 1,17 1,06 0,95 0,90

Качество многослойной изоляции зависит от плотности укладки применяемых ма­териалов и технологии монтажа. Оптимальное число слоев изоляции на единицу толщи­ны обычно составляет 20-40 1/см.

Постоянно проводятся исследовательские работы по дальнейшему совершенствова­нию экрано-вакуумной изоляции и технологии ее создания.

В табл. 3.7.1 приведены основные параметры промышленной вакуумно-многослой-ной изоляции.