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

4. Вакуумно-порошковая и вакуумно-волокнистая изоляция

б) Перенос тепла в вакуумно-порошковой и вакуумно-волокнистой изоляции

Первые работы по теплопередаче через порошки в условиях вакуума относятся к 1910 г. Польский учебный Ю. Смолуховский установил, что приведенный коэффициент теплопроводности композиции порошок+вакуум быстро снижается при уменьшении давления газа и что тепловой поток через эту композицию близок к тепловому потоку через незаполненное изоляцией пространство при высоком вакууме между стенками с высокой отражательной способностью.

Каковы же пути передачи тепла через порошкообразные или волокнистые материалы в условиях вакуума?

Прежде всего - это тепловой поток излучением. Излучение, которое испускает ограничивающая стенка 1, падает на частицы или волокна изоляционного материала, расположенные у этой стенки. В результате этого часть потока излучения поглощается частицами и волокнами, другая часть отражается и рассеивается. Далее происходит лучистый теплообмен в аналогичной форме между частицами или волокнами изоляционного материала и, наконец, между частицами или волокнами и внутренней стенкой 2 (рис. 12).

Таким образом, при порошково- или волокнисто-вакуумной изоляции происходит теплообмен излучением в поглощающей и рассеивающей среде. Задача получения аналитического выражения для величин теплового потока в случае теплообмена излучением в поглощающей и рассеивающей среде весьма сложна и ее решение получено с некоторыми допущениями лишь для наиболее простых случаев.

В порошково- и волокнисто-вакуумной изоляции тепло от 1 к 2 передается также в результате теплопроводности остаточных газов, а также вследствие теплопроводности изоляционного материала и контактного теплообмена между частицами или волокнами изоляции. В этом случае, как и в случае применения газонаполненной изоляции, налицо сложный вид теплообмена. При тепловых расчетах сложный механизм передачи тепла в порошково- или волокнисто-вакуумной изоляции заменяют наиболее простым - теплопроводностью. Условно считается, что тепловой поток прямо пропорционален градиенту температур; коэффициент пропорциональности - эффективный коэффициент теплопроводности - определяется для каждой модификации этого типа изоляции экспериментально. Тепловой поток от 1 к 2 определяется по формуле (1-2) или (1-3).

Рассмотрим, как меняется эффективный коэффициент теплопроводности порошково- или волокнисто-вакуумной изоляции при откачке воздуха из изоляционного пространства (рис. 13). Изоляционному пространству, заполненному либо порошкообразным, либо волокнистым изоляционным материалом и содержащему воздух при атмосферном давлении, будет соответствовать точка а. В этой точке показатели отражают свойства обычной газонаполненной изоляции. При откачивании воздуха его количество в изоляции будет уменьшаться, следовательно, будет снижаться доля теплу, которая переносится теплопроводностью воздуха. Эффективный коэффицнент теплопроводности (λ_эфф), естественно, уменьшается. Это состояние может характеризоваться промежуточной точкой б. При дальнейшем понижении давления до величины порядка 1 Тор количество оставшегося воздуха в изоляции относительно небольшое; при этом давлении уже заметная часть теплового потока передается излучением - точка в. Дальше по мере откачки доля теплового потока, передаваемого излучением продолжает увеличиваться, а теплового потока, передаваемого теплопроводностью остаточных газов, падает. Так как при прочих равных условиях излучением передается существенно меньше тепла, чем теплопроводностью воздуха, то на участке в-г наблюдается резкое падение λ_эфф. Дальнейшее снижение давления от точки г до точки д ведет лишь к незначительному снижению λ_эфф, так как при давлении <10^-3 Тор тепловой поток определяется, в основном, тепловым излучением и теплопроводностью изоляционного материала.

Рис. 13. Принципиальная зависимость «эффективного» коэффициента теплопроводности порошково- и волокнисто-вакуумной изоляции от давления в изоляционном пространстве.

Анализируя зависимость λ_эфф от давления, можно сделать следующие выводы:

1. Оптимальное рабочее давление в изоляционном пространстве при порошково- или волокнисто-вакуумной изоляции составляет 10^-2-10^-3 Тор. Это давление может быть получено с помощью обычного форвакуумного насоса; с этой точки зрения, такая изоляция значительно проще высоковакуумной.

2. При нарушении по каким-то причинам герметичности вакуумного пространства значение λ_эфф возрастает до величины λ_эфф газонаполненной изоляции данной композиции, и увеличенный теплоприток не вызывает резкого увеличения испаряемости жидкости или резкого снижения холодопроизводительности установки (высоковакуумная изоляция в этом случае полностью выходит из строя).

Существует сравнительно простой метод дальнейшего улучшения эффективности порошково-вакуумной изоляции. Он основан на том, что преобладающим фактором при переносе тепла через порошково-вакуумную изоляцию является тепловое излучение. Поэтому для уменьшения переноса тепла излучением было предложено добавлять к изоляционным порошкам металлические порошки, которые бы, выполняя роль своеобразных экранов, ослабляли поток излучения. Реализация этой идеи привела к созданию порошково-вакуумной изоляции с металлическим порошком, которая имеет эффективный коэффициент теплопроводности в 3-4 раза ниже, чем λ_эфф обычной порошково-вакуумной изоляции.

Следующая страница: 1-4-в. Вакуумно-порошковая и вакуумно-волокнистая изоляция. Применяемые материалы