6.12. Теплоизоляция

Для предотвращения потери теплоты в окружающую среду нагревательными приборами, газами и жидкостями, переме­щающимися по трубам и шлангам, для сохранения постоянства низких температур в криостатах применяют разнообразны⁶ теплоизоляционные материалы (табл. 26).

Таблица 26. Свойства порошкообразных и волокнистых теплоизоля­ционных материалов

Материал	Плотность, г/л	Λ , Вт/(м * К), при t 0С	Предельная температура применения, °С
Асбест	500-800	0,107 + 0,00019 t	700
Асбозурит	400	0,160 + 0,00016 t	300
Асбослюда	500-600	0,134 + 0,00015 t	600
Вата стеклянная	180-250	0,047 + 0,00058 t	500
Вата шлаковая	200	0,060 + 0,000145 t	750
Вермикулит	150- 250	0,072 + 0,00029 t	900-1000
Войлок-кошма	300	0,04 (0 °С)	100
Вулканит	400	0,080 + 0,00021 t	750
Диатомит (трепел)	450	0,091 + 0,00028 t	800
Ньювель	180-200	0,075 + 0,000055 t	325-370
Опилки древесные	190-215	0,05 - 0,06 (20 °С)	150
Пенопласт (фенолформальдегидный полимер)	18-22	0,022 (20 °С)	100-150
Пробковая крошка	35	0,03 - 0,04 (20 °С)	100-150
Совелит	230-450	0,091 + 0,000087 t	400-450
Торфяная крошка	200-350	0,0465 + 0,00014 t/	100

Примечание. Асбозурит - смесь 70% диатомита (см. разд. 1.5) и 30% асбеста. Асбослюда - смесь 63% трепела (см. разд. 1.5), 27% асбеста и 10% слюды. Вермикулит - при­родный минерал, алюмосиликат магния и железа из группы гидрослюд, способный при нагревании сильно вспучиваться и расщепляться на тонкие листочки, увеличиваясь в объеме почти в 20 раз. Вулканит (вулканический туф) - мелкие обломочные породы, состоящие из сцементированных частичек вулканического песка (0,1 - 2,0 мм) и пепла (менее 0,1 мм). Ньювель - смесь 85% MgO и 15% асбеста. Совелит - смесь 85% доломита MgC0₃ СаС0₃ и 15% асбеста.

Коэффициент теплопроводности λ [единица измерения Вт/(м - К)] входит в уравнение Фурье:

dQ = -λdSdτdT/dx,

где dQ - количество теплоты, перешедшее за время dτ через поверхность пло­щадью dS в направлении нормали х к этой поверхности в сторону убывания температуры при ее градиенте dT/dx.

Фурье Жан Батист Жозеф (1768 - 1830) - французский математик и физик. В 1822 г. открыл закон распространения теплоты в твердом веществе.

Как следует из табл. 26, теплопроводность приведенных в ней теплоизоляционных материалов увеличивается с повышением температуры, особенно сильно она возрастает у пористых материалов. Если у материала коэффициент теплопроводности значительно больше 0,25 Вт/(м • К), то он считается малоэф­фективным для зашиты нагревательных приборов от потерь тепла в окружающую среду.

Приведенные в табл. 26 теплоизоляционные материалы пригодны для использования только в температурном интервале от 100 до 1000 °С. Нагревательные устройства, создающие тем. пературу от 1000 до 1800 ^СС, требуют уже иной теплоизоляции, К ней принадлежат такие материалы, как шамот динас (см разд. 1.2), ортосиликат циркония ZrSiO₄, диоксид кремния Si0₂ оксид алюминия AI₂O₃, оксид магния MgO [λ = 0,180 Вт/(м • К) при 1600 °С], диоксид циркония Zr0₂ [λ = 0,117 Вт/(м • К) при 1600 °С], нитрид бора BN [λ = 0,125 Вт/(м • К) при 1600 °С].

Эти теплоизоляционные материалы выпускают в виде по­рошков и блоков. Из AI₂O₃ готовят волокнистый материал "саффил", который можно использовать при температуре 1400 °С [λ = 0,16 Вт/(м • К)].

Теплопроводность перечисленных материалов снижается с увеличением дисперсности порошков, но при этом возрастает их склонность к спеканию при высоких температурах. Чтобы уменьшить спекаемость порошков при высоких температурах, в них вводят различные добавки. В частности, установлено, что введение в порошок Zr0₂ до 10% Ta₂O₅ снижает склонность диоксида циркония к спеканию при 2000 - 2300 ^СС.

Для печей, работающих в области температур от 1800 до 2500 °С, ассортимент теплоизоляционных материалов резко со­кращается. Он сводится к оксидам алюминия, бериллия, цирко­ния, скандия и иттрия. Например, для футеровки индукцион­ных печей (см. разд. 6.7) применяют смесь порошка Zr0₂и Н₃РО4 (4 - 5%), спеченную при 400 - 500 °С. Полученная кера­мика выдерживает нагрев до 2300 °С [λ = 1,15 ВтДм • К)].

Наиболее высокой рабочей температурой (до 2500 °С) обла­дают волокнистые материалы, полученные из оксидов алюми­ния, бериллия, церия, кальция, магния, циркония и тория. Во­локна готовят выдавливанием через фильеры золей и гелей этих веществ с последующим прокаливанием при температуре 1000 -1500 °С. Например, волокна из Zr0₂ готовят смешиванием вод­ного раствора ZrOCl₂ • 8Н₂0 или Zr(CH₃COO)₄ с 2%-м водным раствором поливинилового спирта, испарением части воды и экструдированием полученного геля через фильеры в камеру с температурой около 1000 °С. Некоторые зарубежные фирмы выпускают волокна Zr0₂, стабилизированные Y₂O₃ (8%), полу­чившие название "циркара". "Циркар" выдерживает длительное нагревание при 1800 °С и кратковременное до 2500 °С [λ = 0,29 ВтДм • К].

Из карбидов вольфрама WC и циркония ZrC получают гиб­кие ткани, которые можно использовать до 2500 °С [λ = 2,0 ВтДм • К]. Для получения такой ткани вискозную ткань погружают в водный раствор паравольфрамата аммония и пероксида водорода. Пропитанную ткань нагревают на воздухе до 350 ^СС со скоростью 20 °С/ч, а затем прокаливают в токе сухого водорода при 600 - 1000 °С.

Для теплоизоляции высокотемпературных нагревательных приборов производят углеграфитовые войлоки, легко режущиеся ножницами и ножом [марки ВИН-66-250 и ВВП-66-250 со зна­чением λ = 0,35 ВтДм • К.) в атмосфере аргона при 1000 °С, а вакууме (λ = 0,23 ВтДм • К]. Интересно, что прочность такого войлока при 1600 - 1800 ^СС примерно вдвое выше, чем при 25 ⁰С, а теплопроводность в два-три раза меньше графитовой крупки (криптола, см разд. 6.6) в том же интервале температур.

Благодаря хорошим теплоизоляционным свойствам углеграфитовый войлок применяют в электропечах (см. разд. 6.6) и индукционных печах (см. разд. 6.7). Он не подвергается индукционному нагреву при частотах до 500 кГц.

Для поддержания наиболее низких температур используют почти исключительно сосуды с двойными стенками, простран­ство между которыми эвакуировано от воздуха до 10^{- 6} -10^-5 торр

(10^-4 – 10^-3 Па). Теплопроводность столь разреженного воздуха практически равна нулю, и теплопотери вызваны пре­имущественно излучением и теплопроводностью вдоль стенок сосудов. Чтобы уменьшить потери теплоты за счет излучения, внутренние стенки вакуумной рубашки серебрят. Помещая там же металлический полированный цилиндр, например свернутую алюминиевую фольгу, можно уменьшить потери из-за излуче­ния примерно на 20%. В частности, потери жидкого воздуха за 24 ч из сосуда с неоткаченной и непосеребренной рубашкой составляют 9600 г, а из сосуда с эвакуированной до 10^-6 торр рубашкой и посеребренной - всего 250 г. Почти такого же изо­лирующего действия можно достигнуть при значительно мень­шем вакууме, если вакуумную рубашку заполнить пористым материалом 2 (рис. 129, а) с малой теплопроводностью, а затем эвакуировать воздух и запаять отросток 3, через который прово­дилась откачка. Так, при заполнении вакуумной рубашки крош­кой фенолформальдегидного пенопласта (см. табл. 26) и откачи­вании воздуха до остаточного давления 0,01 торр (1 Па) удалось достичь равноценной теплоизоляции, как и при вакууме 10 ^-5 торр.

Поскольку прочность обычного стекла на растяжение при­близительно в 10 раз меньше, чем на сжатие, при большой раз­ности температур стенки вакуумной рубашки могут лопнуть. Поэтому у сосудов с вакуумной рубашкой 1 делают пружинис­тые спиральные трубки 4 (рис. 129, б).

Когда вакуумные рубашки применять по тем или иным при­чинам невозможно, используют пористый теплоизоляционный материал в виде крошки 2, помещаемой в закрытый с двух сто­рон кожух 5 (рис. 129, в), имеющий в пробках трубки б для за­сыпки и удаления теплоизоляционного порошка 2.

Рис. 129. Теплоизолирующие вакуумные рубашки: съемная (а), с компенси­рующей спиралью (б)

и с теплоизолирующей крышкой (в)

В температурном интервале от -30 до +100 °С рекомендуется применять теплоизоляцию из алюминиевой фольги (альфоль). Изолирующее действие в этом случае оказывает слой воздуха между слоями фольги. Одновременно блестящая поверхность фольги хорошо предохраняет от излучения тепла. Альфольная теплоизоляция отличается легкостью и незначительным коэф­фициентом теплопроводности, равным 0,03 - 0,05 Вт/(м • К).

Теплоизоляция сосудов и нагревательных приборов, рабо­тающих при повышенных температурах, должна быть не только термически устойчивой, но и химически инертной по отноше­нию к проволочным сопротивлениям и другим нагревательным элементам. Особенно неудачны для электронагревательных пе­чей такие теплоизоляторы, как асбест и стеклянная вата (см.разд. 1.5): они вступают в химическое взаимодействие при тем­пературе выше 400 - 500 °С с проволочным сопротивлением и разрушают его.

Теплоизолирующая способность материала зависит не столько от его природы, сколько от плотности. Чем меньше плотность, чем больше он содержит воздуха, чем большей пористостью он обладает, тем выше его изолирующая способность.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Кац С.М- Высокотемпературные теплоизоляционные материалы. М.: Металлургия .981-

Терможаростойкие и негорючие волокна/Под. ред. Конкина А.А. М.: Химия. 1978

Горбатков С.А., Кувалдин А.Б. и др. Химические аппараты с индукционным нагревом. М.: Химия, 1985.

Луке Г. Экспериментальные методы в неорганической химии/Пер. с нем. М.: Мир, 1965.

Руководство по неорганическому синтезу/Под. ред. Г. Брауэра. Пер. с нем.М.: Мир, 1985. Т.1.