5. Криогенная тепловая изоляция

Для уменьшения теплопритоков из окружающей среды и от «горячих» элементов конструкций в низкотемпературную зону криосистемы используется специальная тепловая изоляция.

Основная сложность хранения, транспортирования и использование криожидкостей - их высокая испаряемость при небольших теплопритоках и низкая температура хранения. Для уменьшения теплопритоков применяют высокоэффективные виды теплоизоляции, специальные конструкции емкостей (баков) и магистралей.

Криожидкости разделяют условно на три группы А, Б и В. В группу А входят криожидкости с температурой насыщения (кипения) при стандартном давлении от 77 до 135 К (азот, кислород, аргон и т.п). В группу Б включены криожидкости с температурой насыщения при стандартном давлении от 4 до 27 К (неон, водород, дейтерий и гелий). В группу В включены криожидкости с температурой насыщения при стандартном давлении от 27 до 77 К.

Криожидкости группы Б имеют высокую стоимость и предъявляют повышенные требования к эффективности теплоизоляции.

Теплоприток к криожидкости от окружающей среды (Q_) вызван большой разницей между температурой среды (200…330 К) и температурой криожидкости (4…120 К). Он возникает не только через нанесенную на поверхности емкости или трубопровода теплоизоляцию (Q_изол), но и через конструктивные элементы емкостей и труб в виде опор и подвесов, которые называется тепловыми "мостами" или "термомостами" (Q_TM).

Суммарная величина теплового потока за счет теплопритоков в этом случае имеет вид

Q_= Q_изол+ Q_TM. (5.1)

При создании эффективной теплоизоляции необходимо заботиться об уменьшении теплопритока не только через слой теплоизоляции, но и по термомостам.

Механизмы переноса тепла в изоляции.

Существуют три основных механизма переноса тепла через теплоизоляцию и по термомостам:

1 - Q_con – за счёт конвективного теплообмена; 2 - Q_изл – за счёт излучения; 3 - Q_s – за счёт теплопроводности.

При правильной конструкции криососудов теплоприток через термомосты не должен превышать 30...50 % от суммарного теплопритока (Q_).

Классификация теплоизоляции.

На рисунке 36 показана упрощенная классификация используемой в криогенной технике теплоизоляции.

Существует условное разделение применяемой теплоизоляции на две характерные группы - пассивную и активную.

Теплоизоляция пассивного типа основана на снижении теплопроводности элементов конструкции, между низкотемпературной зоной и окружающей средой. В зависимости от величины давления в объеме, занятом теплоизоляцией, она разделяется на две большие группы - газонаполненную и вакуумированную. При давлении в полости, занятой теплоизоляцией, ниже 100 Па изоляция называется вакуумированной, а выше - газонаполненной.

В теплоизоляции активного типа для уменьшения теплопритоков используется или пар, образующийся при испарении в емкости жидкости, или дополнительные газы или жидкости, циркулирующие в контурах охлаждения. Наибольшее распространение получила активная теплоизоляция, выполненная в виде экранов, охлаждаемых отходящим с поверхности жидкости паром. Теплоизоляция активного типа всегда используется только в сочетании с теплоизоляцией пассивного типа.

Газонаполненная теплоизоляция получила наибольшее распространение из-за высокой эффективности и технологичности.

Рассмотрим последовательно виды и особенности использования криогенной теплоизоляции.

Рисунок 36 - Классификация видов теплоизоляции