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

2. Теплоизоляция, работающая при атмосферном давлении

а) Область применения, перенос тепла в изоляции

Этот вид изоляции наиболее дешев и применяется во всех криогенных системах, где температура изолируемого объекта не ниже температуры конденсации атмосферного воздуха (81,8K). В противном случае на холодной поверхности воздух будет конденсироваться, что вызовет резкое ухудшение теплофизических свойств изоляции. Такая изоляция используется в установках сжижения и разделения природного газа и других углеводородных соединений, воздуха, в некоторых сосудах для жидкого метана, кислорода, аргона и воздуха. Основное практическое преимущество такой изоляции – возможность не производить ее герметизацию.

Пусть внутри изоляции находится низкотемпературная аппаратура или какая-нибудь из перечисленных выше криогенных жидкостей. Температура холодной стенки равна Т₂ (рис. 1), температура наружной стенки – Т₁, очевидно, что Т₂<Т₁. [Так как тепловой поток всегда направлен из окружающей среды к холодной поверхности с температурой Т₂, температура наружной стенки Т₁, всегда ниже температуры окружающей среды Т_ос; разница температур Т_ос-Т₁ невелика, поэтому практически можно принимать температуру наружной стенки равной температуре окружающей среды, т. е. Т₁= Т_ос.]

Между стенками 1 и 2 находится воздух. Плотность воздуха, находящегося у холодной стенки, выше его плотности около тепловой стенки. Если пространство между стенками свободно, то возникает конвекция воздуха, в результате которой тепло переносится от 1 к 2 (схематично этот процесс показан ка рис. 1а).

Рис. 1. Принципиальная схема теплоизоляции, работающей при атмосферном давлении:
1 - наружный контейнер; 2 - внутренний сосуд;
3, 4, 5 - соответственно волокнистая, порошкообразная и пористая изоляция

Поместим в пространство между 1 и 2 изоляцию, т. е. материал, имеющий низкое значение коэффициента теплопроводности. [Обычно применяются материалы с коэффициентом теплопроводности менее 0,05 Вт/м·град при температуре ниже 273K. ] Это могут быть материалы, имеющие, как волокнистую структуру, так и порошки, или кусковые пористые материалы (3, 4 и 5 на рис. 1б).

Изоляция между 1 и 2 резко снижает конвективный теплообмен. Передача тепла Q' в этом случае происходит в основном за счет теплопроводности воздуха, находящегося в пустотах изоляции, и теплопроводности самой изоляции. В результате тепловой поток извне существенно уменьшается.

При тепловом расчете такой изоляции пользуются так называемым «эффективным» коэффициентом теплопроводности изоляции. Сложный механизм передачи тепла условно заменяют наиболее простым – теплопроводностью. На специальных установках [3] экспериментально определяется «эффективный» коэффициент теплопроводности изоляции и в тепловых расчетах пользуются его величиной. Так как коэффициент теплопроводности самого материала изоляции выше, чем коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха, то «эффективный» коэффициент теплопроводности газонаполненной изоляции не может быть в принципе ниже коэффициента теплопроводности неподвижного воздуха и сравнение с ним мажет служить для объективной оценки качества газонаполненной изоляции.

В том случае, когда температура холодной поверхности установки ниже 81,8K, свободный объем изоляции может быть заполнен газом, не конденсирующимся при этой температуре. [Такой метод употребляется только тогда, когда создание вакуума в изоляции нежелательно; во всех остальных случаях, поскольку кожух все равно герметичен, используется один из видов более эффективной вакуумной изоляции.]

Тепловой поток через газонаполненную изоляцию вычисляется по обычным уравнениям теплопроводности. В случае цилиндра:

,  (1-2)

где Н - высота цилиндра;
λ - эффективный коэффициент теплопроводности изоляции в диапазоне от Т₁ до Т₂,
ΔT=Т₁-Т₂ ;
D₁ и D₂ - наружный и внутренний диаметр изоляции.

Для шара

,  (1-3)

где δ - толщина изоляции;
F₁ и F₂ - площади внешней и внутренней поверхности.

Формула (1-3) может применяться и к изоляции отличающейся по форме от шаровой в тех случаях, когда отношение толщины изоляции к наименьшему размеру изолируемого аппарата не менее 0,2-0,15.

Следующая страница: Изоляционные материалы и их свойства