5.1.2.2 Экранно-(слоисто-)вакуумная изоляция

Слоисто-вакуумная изоляция по целому ряду параметров превосходит порошково-вакуумную изоляцию. Широкому внедрению слоисто-вакуумной изоляции способствовали разработка новых видов материалов, эффективных криосорбционных вакуумных насосов и совершенствование технологии ее нанесения на поверхности.

Принцип действия слоисто - вакуумной изоляции основан на многократном экранировании теплового излучения за счет применения легких экранов с высокой отражательной способностью. Если степень черноты граничных поверхностей и экранов одинакова, то плотность теплового потока при экранировании теплового излучения определяется выражением

,

где q₀ —тепловой поток от теплой стенки к холодной без промежуточных экранов; n —число экранов; q_п —тепловой поток при наличии п числа экранов между теплой и холодной стенками.

В реальных конструкциях теплоперенос в экранно-вакуумной изоляции имеет гораздо более сложную физическую природу, чем простое экранирование излучения, так как он дополняется переносом тепла остаточным газом, теплопроводностью материала экрана и прокладок.

Эффективность слоисто-вакуумной изоляции в сильной степени зависит от вида, структуры и толщины материалов экранов и прокладок, а также от качества монтажа изоляции. Применение достаточно тонких структур и технологии монтажа, исключающей обжатие слоев и появление незакрытых участков защищаемой поверхности, значительно уменьшает теплоприток к жидкости.

Особенностью экранно-вакуумной изоляции является неаддитивность термического сопротивления относительно числа экранов и то, что термическое сопротивление изоляции практически перестает возрастать при достижении определенного количества слоев.

Реализация в промышленных изделиях возможной эффективности изоляции, полученной на лабораторных образцах, требует тщательной конструкторской и экспериментальной отработки на крупномасштабных стендах. Монтаж слоисто-вакуумной изоляции осуществляется укладкой пакетов или послойной намоткой — спиральной, винтовой, диагональной. Первый способ применяется при изолировании крупных резервуаров и поверхностей сложной формы, например днищ сосудов, три остальных — при изолировании цилиндрических поверхностей.

Многослойные изоляции состоят из комбинации слоев материалов с высокой отражательной способностью, таких, как алюминиевая фольга, медная фольга или алюминизированный майлар, и прокладок с низкой проводимостью, таких, как стеклобумага, стекловолокно или нейлоновая сетка. Отражающие слои могут быть выполнены в виде гофрированных или тисненых листов, так чтобы они соприкасались между собой только в нескольких точках, и тогда прокладки не нужны.

Для большей эффективности пространство в многослойной изоляции должно иметь давления ниже 10 мПа.

П оразительно низкая теплопроводность многослойных изоляций объясняется тем, что все виды теплопередачи — излучение, теплопроводность через твердое тело и газ — уменьшены до минимума. Радиация минимизирована путем использования слоев из высокоотражающей металлической фольги, а теплопроводность через прокладочный материал — применением волокнистых материалов или гофрированных экранов, материал которых допускает контакт только в нескольких точках. Теплопроводность газа практически исключена за счет уменьшения давления примерно до 1.3 мПа. Объемная плотность многослойных изоляций зависит от толщины и плотности отражающих экранов, типа используемого материала прокладки и плотности слоев или числа слоев на единицу толщины. Типичные плотности многослойных изоляций лежат в пределе между 32 и 320 кг/м³ с плотностью укладки от 8 до 40 слоев. При глубоком вакууме теплота в многослойной изоляции передается преимущественно излучением и теплопроводностью по твердому телу через прокладочный материал. Эффективная теплопроводность многослойной изоляции может быть уменьшена путем увеличения плотности слоев в определенных пределах. Если изоляция сжата слишком плотно, то теплопроводность твердого тела растет быстрее и теплопроводность изоляции снова возрастает. Теплопроводность многослойных изоляций вдоль экранов на три порядка больше, чем поперек. Поэтому при монтаже и эксплуатации многослойных изоляций требуются специальные меры, чтобы не допускать замыкания экранов между собой. Качество изоляции существенно ухудшается, если, например, кромки экранов контактируют с трубопроводом дренажа.

Одной из проблем, связанных с использованием многослойных изоляций, является эффективная эвакуация остаточного газа из внутреннего пространства между слоями изоляции. С этой целью в слоях фольги предусматриваются небольшие отверстия, позволяющие более эффективно удалять газовыделения. Газовыделения экранов могут поглощаться внутри изоляции. Это открытие позволило использовать в многослойных изоляциях в качестве прокладочного материала стекловолокнистую бумагу с нитями из активированного угля. Уголь действует как хороший поглотитель внутренних газовыделений и обеспечивает низкое давление внутри изоляции. В результате многослойная изоляция имеет эффективную теплопроводность 14 мкВт/(м К).

Теплоизоляция кислородного бака "Бурана"