Г.И. Абрамов, В.М. Бродянский. Хранение и транспорт ожиженных газов

Теплофизические свойства изоляционных материалов

Влажностные и механические свойства

Влажностные свойства. Способность изоляционного материала противостоять увлажнению является в криогенной технике важным качеством. Как видно из рис. 6, коэффициент теплопроводности изоляции резко возрастает с увеличением влажности (например, для перлита более чем в 2 раза при влажности около 10% объемных). Статику и кинетику увлажнения материала определяют следующие его свойства: гигроскопичность – адсорбционная способность к водяному пару, водопоглощение – способность поглощать воду в жидком состоянии и, наконец, коэффициент диффузии водяного пара.

Движущей силой диффузии водяного пара из окружающего воздуха в изоляционный слой является разность парциальных давлений. При температуре 290K и относительной влажности воздуха 80% парциальное давление водяного пара составляет ∼10 Тор (∼136 мм вод.ст.), тогда как в изоляции, работающей при температуре ниже 200K, это давление практически можно считать равным нулю.
[Коэффициент диффузии измеряют в г/м·ч·Тор. Если количество диффундирующего пара относить не к разности парциальных давлений пара, а к разности его влагосодержаний по обе стороны изоляции, измеренной в г/м³, то коэффициент диффузии имеет размерность м²/ч или м²/с.]

Если учесть, что, например, обычный вентилятор создает напор ∼30 мм вод.ст., становится ясным, почему трудно защитить от проникновения влаги изоляционные материалы даже с очень малыми порами.

Гигроскопичность изоляционных материалов при относительной влажности воздуха 50-70%, т. е. обычных атмосферных условиях, не превышает 10%.

При низких температурах относительная влажность воздуха, заполняющего поры изоляционного материала, достигает 100%. В этих условиях многие изоляционные материалы имеют высокую гигроскопичность. Мипора и аэрогель могут адсорбировать воду в количестве 30-50% по массе. Малой гигроскопичностью обладают стеклянная вата и перлит, наиболее стойкие материалы против увлажнения - пеностекло и пенополистирол. Влажностные свойства изоляционных материалов представлены в табл. 1-3 и на рис. 8.

Таблица 1-3. Влажностные свойства теплоизоляционных материалов

В некоторых криогенных системах попадание влаги в изоляцию предотвращается тем, что изоляционный кожух герметизируется, а выравнивание давления с атмосферой проводится через специальный патрон с адсорбентом. В этом случае воздух, подсасываемый в изоляционную полость при охлаждении, практически не содержит водяного пара.

Рис. 8. Зависимость влагосодержания (W) изоляционных материалов
от относительной влажности воздуха (φ): 1 – аэрогель; 2 – мипора;
3 – пробковая плита; 4 – пенополистирол.

В тех случаях, когда газонаполненная изоляция применяется в сосудах для хранения жидких кислорода и азота, для уменьшения увлажнения изоляции производится непрерывная продувка ее потоком испаряющегося газа.

Механические свойства изоляции. Для порошкообразных материалов важны из механических свойств в первую очередь текучесть и уплотняемость.

Текучесть порошков характеризуется углом естественного откоса, т. е. углом между горизонтальной плоскостью и образующей конуса из порошка, насыпанного на эту плоскость. Чем меньше угол, тем больше текучесть порошка.

Для перлитового песка текучесть составляет ∼28°, для аэрогеля ∼19°.

Изоляционные порошки, засыпанные свободно в какой-либо объем, дают со временем усадку. Скорость и величина усадки возрастает при транспортировании емкости. При этом в изоляционном пространстве образуются пустоты и теплоприток через изоляцию увеличивается. Для уплотнения порошка и ускорения процесса усадки изолируемый объект подвергается вибрации (вертикальная, либо вибрация с синусоидальной характеристикой при частоте в несколько десятков герц с амплитудой 0,2-0,5 мм).

Большинство пористых изоляционных материалов при температуре 293K имеют предел прочности при сжатии около 50 кг/см2 и удельную ударную вязкость порядка 1-2 кг·см/см². При понижении температуры предел прочности этих материалов возрастает, а ударная вязкость уменьшается.

Следующая страница: Пример расчёта изоляции при атмосферном давлении