4. Возможности применения

АКТИВНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ В КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКЕ

Большинство пористых материалов, которые находят применение в качестве тепловой изоляции, имеют теплопроводность 0,05…0,035 Вт/(м·К). Теоретически теплопроводность пористых материалов, работающих при атмосферном давлении, не может быть ниже теплопроводности спокойного атмосферного воздуха, которая равна 0,024 Вт/(м·К).

Понизить теплопроводность пористых материалов можно путем откачки воздуха, заполняющего поры внутри пористого материала, до давления, которое соответствует высокому вакууму внутри пор. В результате откачки воздуха из пористых материалов получается вакуумно-порошковая теплоизоляция, имеющая эквивалентную теплопроводность примерно на порядок ниже теплопроводности теплоизоляции, работающей при атмосферном давлении  0,005…0,0035 Вт/(м·К). Причем более низкие значения эффективной теплопроводности вакуумно-порошковой теплоизоляции достигаются при добавлении алюминиевой или бронзовой пудры, уменьшающих лучистую составляющую теплового потока.

Следовательно, в настоящее время отсутствуют материалы и технологии, при помощи которых можно было бы создавать теплоизоляцию с эффективной теплопроводностью в диапазоне от 0,03 до 0,005 Вт/(м·К) без необходимости получения и сохранения вакуума.

Вакуумная теплоизоляция, кроме высокой стоимости, имеет ещё и множество других недостатков.

Наружный корпус вакуумных сосудов должен выдерживать сжимающее атмосферное давление. Вследствие того, что наружная оболочка вакуумного сосуда работает на устойчивость, при увеличении диаметра сосуда быстро растет его масса и стоимость. Проиллюстрируем это утверждение на практическом примере.

Фирма «Linde» выпускает широкий ряд криогенных емкостей с вакуумно-порошковой теплоизоляцией, предназначенных для хранения жидкого азота. Технические характеристики линейки выпускаемых фирмой «Linde» криогенных цистерн емкостью от 3000 л. до 76340 л. имеются на сайте фирмы [10]. Увеличение объема емкостей для жидкого азота достигается как за счет увеличения их диаметра от 1600 мм до 3000 мм, так и за счет увеличения длинны цистерн от 4150 мм до 18050 мм.

На рисунке 7 приведена зависимость массы пустой цистерны, отнесенной к её полезному объёму, от самого полезного объёма для криогенных цистерн с вакуумно-порошковой теплоизоляцией, выпускаемых фирмой «Linde». Кроме этого, на рисунке приведен график аппроксимации этих данные полиномом второй степени. Выбор полинома второй степени объясняется тем, что метод парабол широко используется в теории оптимизации для приближенного определения максимума или минимума целевой функции.

Из приведенного графика видно, что при увеличении диаметра криогенной цистерны от 1,6 до 2,0 м отношение ее массы к объему заметно уменьшается. Дальнейшее увеличение диаметра цистерн от 2,4 до 3,0 м даёт существенно меньший эффект. Аппроксимация имеющихся данных полиномом второй степени показывает, что при сохранении существующей тенденции увеличение диаметра криогенных цистерн выше примерно 3,0 м приведет к тому, что масса такой цистерны будет расти быстрее, чем её объем.

Следовательно, увеличение диаметра криогенных цистерн выше 3.0 м нецелесообразно, так как масса и стоимость такой цистерны будут больше, чем у аналогичной цистерны диаметром 3.0 м, необходимый объем которой достигается за счет простого увеличения длины цистерны.

Вместе с тем, возможности увеличения длины цистерн для жидкого азота также ограничены. Во-первых, имеются четкие ограничения по габаритам аппаратов, которые можно перемещать на различных видах транспорта. Во-вторых, при увеличении длины криогенной цистерны остается практически неизменным отношение наружной поверхности такой цистерны к ее объему. В результате этого при увеличении объема цистерны практически не уменьшается относительная величина потерь от испаряемости хранимой криогенной жидкости. Линейка криогенных емкостей, выпускаемых фирмой «Linde», может служить хорошим подтверждением этому утверждению. У криогенных емкостей с наружным диаметром 3,0 м и объемами 46,57, 58,54 и 76,34 м³ испаряемость жидкого азота составляет, соответственно: 0,21, 0,20 и 0,19% в сутки.

При использовании теплоизоляции, работающей при атмосферном давлении, увеличение размеров криогенных емкостей почти всегда сопровождается уменьшением относительной величины потерь хранимых криогенных жидкостей. Это достигается за счет уменьшения наружной поверхности стенки, приходящейся на единицу объёма криогенной жидкости. В результате этого, при объеме емкостей более 100 м³ потери от испаряемости криогенных жидкостей, которые хранятся в цистернах с вакуумно-порошковой и просто порошковой теплоизоляцией, становятся сопоставимыми.

Единственным способом уменьшения потерь криогенных жидкостей при их хранении в крупных резервуарах является переход от вакуумно-порошковой теплоизоляции к более эффективной экранно-вакуумной теплоизоляции. Однако этот путь совершенствования криогенных емкостей связан с существенным усложнением технологии их производства и, как следствие, с резким повышением их стоимости.

Альтернативный подход основан на совершенствовании теплоизоляции, работающей при атмосферном давлении. Разработка технологии активной тепловой защиты криогенных емкостей, работающей при атмосферном давлении, позволила бы создавать крупные резервуары для хранения криогенных жидкостей, имеющие низкие значения потерь криогенных жидкостей за счет испарения.

На рисунке 8 приведена схема криогенной емкости с активной тепловой защитой. Образующиеся в емкости пары криогенной жидкости многократно проходят по каналам упорядоченной теплоизолирующей структуры и выбрасываются в атмосферу с температурой близкой к температуре окружающей среды.

Оценим возможности применения выше описанной технологии для теплоизоляции крупных криогенных емкостей. Для этого воспользуемся ранее полученной математической моделью теплообмена живой ткани для расчета активной тепловой защиты криогенной цистерны.

Зададимся следующими параметрами упорядоченной структуры, используемой для активной тепловой защиты. Материал структуры  поликарбонат; теплопроводность поликарбоната  0,2 Вт/(м·К). Геометрические характеристики активной тепловой защиты принимаем следующими: толщина слоя активной тепловой защиты  0,1 м; толщина ребра в активной тепловой защите  0,3 мм; толщина зазора между ребрами  0,7 мм.

Проведенные оценочные расчеты показывают, что при объемном расходе азота равном 0,0018 нл/с (соответствует скорости газа в зазоре между ребрами 2,6 мм/с) эквивалентная теплопроводность слоя активной тепловой защиты составляет 0,014 Вт/(м·К). Это значение существенно ниже, чем теплопроводность пористых материалов при атмосферном давлении, но превышает эквивалентную теплопроводность вакуумно-порошковой теплоизоляции.

Следует отметить, что согласовать испаряемость криогенной жидкости с расходом газа, необходимым для активной тепловой защиты, можно варьируя числом заходов в слое активной тепловой защиты и регулируя избыточное давление внутри криогенной емкости.

Возможен вариант реализации активной тепловой защиты с замкнутым контуром движения газа внутри каналов. В этом случае потребуется нагнетатель для организации циркуляции газа в активной тепловой защите, и этот нагнетатель будет потреблять некоторое количество энергии. Как показывают оценочные расчеты, расход энергии получается относительно небольшим. В рассматриваемом случае, расход энергии имеет величину порядка 1мВт на квадратный метр изолируемой поверхности.

Технология активной тепловой защиты может дать существенный эффект в ракетной технике. Современные ракеты-носители, которые используются для вывода космических аппаратов на околоземную орбиту, используют в качестве топлива жидкий водород. Баки для хранения водорода имеют очень большие размеры, и для их теплоизоляции используется пористая теплоизоляция, работающая при атмосферном давлении [11]. Так, например, во второй ступени ракеты «Сатурн-V», которая использовалась для полетов по программе «Аполлон», в качестве топлива и окислителя использовались жидкие водород и кислород. Объём водородного бака этой ступени составлял 1100 м³, наружный диаметр бака  10,1 м. Для теплоизоляции этого бака использовался пенопласт с порами, заполненными гелием. Гелий имеет большую теплопроводность, чем воздух, но его использование оправдано тем, что это единственный газ, который не конденсируется при температуре жидкого водорода. Теплопроводность пенопластовой теплоизоляции с порами, заполненными гелием составляла 0,08 Вт/(м·К). Толщина теплоизоляции водородного бака составляла всего лишь 40 мм. При этом испаряемость жидкого водорода в таком баке составляла 6% в час.

Применение активной тепловой защиты с замкнутым контуром циркуляции гелия для водородных баков ракет-носителей позволило бы существенно уменьшить потери водорода на стартовой позиции и в полете ракеты.

Применение технологии активной тепловой защиты имеет очевидные перспективны в системах кондиционирования воздуха. Возможность использования материалов с регулируемой теплопроводностью может существенно уменьшить затраты энергии на поддержание комфортной температуры воздуха внутри жилых помещений.