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

4. Вакуумно-порошковая и вакуумно-волокнистая изоляция

в) Применяемые материалы и их свойства

К материалам для вакуумно-порошковой изоляции предъявляется ряд специальных требований. К ним, помимо низкого коэффициента теплопроводности и малой объемной массы, относятся отсутствие легколетучих примесей, негорючесть, медленное возрастание теплопроводности при ухудшении вакуума.

В настоящее время для вакуумно-порошковой изоляции применяются, в основном, аэрогель кремневой кислоты и перлит.

Некоторые показатели этих материалов приведены в табл. 1-6.

Достоинство аэрогеля - низкий коэффициент теплопроводности, сравнительно медленно возрастающей при увеличении давления. Аэрогель имеет относительно малую плотность, составляющую для промышленной марки 40-60 кг/м³.

Таблица 1-6. Характеристика порошков для вакуумно-порошковой изоляции

Увеличение плотности мелкодисперсного волокнистого или пористого материала, влияющее на значение λ_эф, может быть вызвано двумя причинами: во-первых, увеличением толщины частиц, волокон или стенок пор и, во-вторых, увеличением числа частиц, волокон и пор в единице объема при одновременном уменьшении размеров пор.

Перенос тепла излучением при увеличении плотности в обоих случаях будет уменьшаться, но причины этого уменьшения разные. В первом случае основной причиной является поглощение излучения; во втором случае перенос излучением будет снижаться за счет возрастающего эффекта рассеяния.

С другой стороны, с увеличением плотности растет тепловой поток, передающийся теплопроводностью по твердому скелету изоляционного материала. Таким образом, должно существовать некоторое оптимальное значение плотности заполнения при порошково- и волокнисто-вакуумной изоляции, обеспечивающее минимальное значение λ_эф. Экспериментальные данные подтверждают это положение.

Из рис. 14 видно, что оптимальное значение плотности заполнения составляет 150-200 кг/м³. Это означает, что в случае применения аэрогеля его плотность должна быть повышена по сравнению с естественной плотностью. Испытания показали что при вакуумировании аэрогель дает значительную усадку, поэтому его следует засыпать в изоляционное пространство с уплотнением поп вакуумом (при давлении около 100-150 Тор). Это приводит к увеличению объемной массы примерно в два раза и исключает последующую усадку при транспортировке сосуда, а также при потере вакуума вследствие нарушения герметичности.

Рис. 14. 3ависимость «эффективного» коэффициента теплопроводности изоляционных материалов от плотности заполнения (Т₁=293K, Т₂=90K): 1 - аэрогель; 2 - перлит; 3 - мипора; 4 - стеклянная вата (диаметр волокон 1,15 мкм).

Перлитовая пудра в условиях вакуума имеет более низкий коэффициент теплопроводности, чем аэрогель, возрастающий, однако, довольно быстро при ухудшении вакуума. Перлит является более крупнопористым материалом, чем аэрогель, поэтому он адсорбирует меньше газов, обладает меньшей гигроскопичностью и легко вакуумируется. Он сравнительно дешев. Учитывая это, можно считать, что применение перлита для порошково-вакуумной изоляции предпочтительнее. Особенностью перлита является способность удерживать гелий при попадании последнего в изоляцию (например, при работе с гелиевым течеискателем). Поэтому попадание гелия в изоляцию допускать нельзя, так как он плохо поглощается адсорбентом, что может воспрепятствовать снижению давления до требуемой величины. При использовании перлита для изоляции транспортируемых сосудов следует учитывать один его существенный недостаток - усадку при вибрации. В отличие от аэрогеля засыпка перлита с уплотнением под вакуумом не предотвращает последующей усадки. На практике перлит загружают следующим образом: после засасывания перлита под вакуумом около 400 Тор, изолируемый сосуд подвергают вибрации в течение 1-2 ч с частотой 50 Гц. Затем в изоляционное пространство под вакуумом засыпают еще дозу перлита, после чего эта процедура повторяется. Такой метод засыпки исключает усадку перлита при эксплуатации изделия.

Перспективным материалом для вакуумно-порошковой изоляции является так называемая белая сажа, имеющая хорошие теплоизоляционные свойства и невысокую стоимость.

Из ячеистых материалов практическое применение получила мипора; другие ячеистые материалы мало изменяют свой коэффициент теплопроводности при вакуумировании. Это вызвано, прежде всего, тем, что они имеют высокую степень пористости (пенополистирол, пенополиуретан) и доля теплового потока по твердому скелету материала становится преобладающей в величине общего теплового потока через изоляцию. Кроме того, вследствие малой газопроницаемости твердого скелета, вакуумирование изоляции с упомянутыми материалами требует 10-18 дней.

Высокую эффективность имеет волокнисто-вакуумная изоляция. Наилучшие результаты дает применение стеклянного волокна диаметром 1,0-1,5 мкм.

Теплофизические свойства вакуумированных зернистых, пористых и волокнистых материалов приведены в табл. 1-7.

Таблица 1-7 Эффективный коэффициент теплопроводности зернистых, волокнистых и пористых материалов в вакууме при температурах граничных поверхностен 293 и 90 K.
[ Значение &lamda;_эф при понижении температуры холодной поверхности меняется незначительно.]

При высоковакуумной изоляции необходимым условием снижения теплового, потока излучением является полирование обращенных друг к другу поверхностей. Расчеты и эксперименты с порошково- и волокнисто-вакуумной изоляцией показали, что степень черноты граничных поверхностен может оказывать большое влияние на ?эф лишь при толщине слоя изоляции не более 1-2 см. В промышленных изделиях толщина слоя изоляции обычно больше и достигает 15-30 см, т. е. полирование граничных стенок не обязательно. Этот вывод весьма важен для практики.

Рассмотрим материалы, применяемые при порошково-вакуумной изоляции с металлическим порошком. Во всех модификациях такой изоляции основным материалом является аэрогель. Частицы металлических добавок должны быть малого размера, чтобы в единице объема изоляции можно было разместить их большее количество; частицы по возможности должны иметь дискообразную форму (чешуйки) - коэффициент ослабления излучения для такой формы частиц выше. Металлические добавки должны также иметь малую степень черноты и неокисленную поверхность, так как при окислении степень черноты возрастает. Для металлических добавок в порошково-вакуумную изоляцию применяют порошки алюминия, меди и ее сплавов, полученные путем механического измельчения материалов. Значения λ_эф порошково-вакуумной изоляции с металлическими добавками приведено в табл. 1-8.

Таблица 1-8 Эффективный коэффициент теплопроводности смесей аэрогеля (50%) и металлических порошков, полученных помолом на шаровой мельнице; температуры граничных стенок 293 и 90 K

Увеличение концентрации металлического порошка уменьшает перенос тепла излучением, но одновременно увеличивает перенос тепла теплопроводностью металла. Поэтому смесь изоляционного и металлического порошков должна иметь оптимальную концентрацию, при которой достигается. минимальное значение λ_эф. Экспериментально установлено, что такая концентрация металлического порошка обычно не превышает 60% по массе.

Склонность металлических порошков к окислению является причиной их огнеопасности. Например, смеси аэрогеля с бронзовой пудрой горят в газообразном кислороде при концентрации пудры более 15% по массе, в жидком кислороде - при концентрации выше 45-50%. В среде жидкого кислорода бронзовая пудра в чистом виде и в смеси с аэрогелем не взрывается. Смесь аэрогеля с алюминиевой пудрой горит как на воздухе, так и в кислороде, причем в последнем случае - при содержании алюминия более 10% по массе. В жидком кислороде смесь при содержании пудры свыше 20% загорается, а при содержании более 25% взрывается. Поэтому применение алюминиевой пудры для изоляции сосудов с жидким кислородом недопустимо, а в других случаях нежелательно.

Еще одним недостатком смесей изоляционных и металлических порошков является возможность их расслоения. Свободно засыпанная в сосуд смесь (50% концентрация металлического порошка) после вибрации с частотой 50 Гц и амплитудой 0,5 мм в течение 100 ч расслаивается и концентрация бронзовой пудры в верхних слоях уменьшается на 10-15%.

При засыпке смесей с одновременной утряской расслоение заметно уменьшается; при засыпке смесей с уплотнением под вакуумом расслоение при вибрации вообще не наблюдается. Таким образом, засыпка смесей аэрогеля в металлической пудры с уплотнением под вакуумом обеспечивает стабильность изоляции и устраняет ее расслоение при вибрации изделия.

г) Пример расчета

Определить теплоприток к жидкому водороду, находящемуся в сосуде, рассмотренном в задаче п. 3ж, если применяется порошково-вакуумная изоляция - аэрогель+бронзовая пудра.

Из табл. 1-8 принимаем значение λ_эф=0,4 мВт/м·град, или 4·10^-4 Вт/м·град.

Поверхность наружного контейнера F₁=πD₁² = 6,15 м²

поверхность внутреннего контейнера F₂=3,14 м². По формуле (1-3)

Этот пример показывает, что порошково-вакуумная изоляция очень эффективна.

Следующая страница: 1-5-а. Экранно-вакуумная изоляция