3.7. Тепловая изоляция криогенных систем

Оборудование криогенных заправочных систем, соприкасающееся с криогенной жидкостью, должно быть защищено от притока тепла из окружающей среды. Требования к эффективности теплоизоляции низкотемпературного оборудования возрастают по мере понижения температуры. Это связано с тем, что при понижении температуры увеличива­ется теплоприток через изоляцию, то есть увеличиваются потери продукта.

Основная характеристика теплоизоляции — ее теплопроводность, которая долж­на быть сведена к минимуму.

Современные типы теплоизоляции созданы в результате длительных поисков и исследований [6, 3,4, 14]. Условно изоляцию криогенных систем подразделяют на изоля­цию, находящуюся под атмосферным давлением, и вакуумную теплоизоляцию.

Первую применяют, в основном, при Т > 80 К, исключая тем самым конденсацию воздуха на поверхности трубопровода, аппарата; вторую — при Т< 80 К, вплоть до гели­евых температур.

Теплообмен во всех видах низкотемпературной изоляции происходит за счет излучения, теплопроводности газа и твердого тела. Лучистый тепловой поток в изоля­ции ослабляется в результате рассеивания и поглощения тепла изоляционным материа­лом, а также задержанием его металлическими экранами (фольга, мелкие частицы).

Теплопсренос теплопроводностью определяется отношением длин свободного про­бега молекул газа между соударениями их друг с другом (L) и соударениями со стенками твердого тела (Г). Последнее определяется структурой дисперсного материала. При этом ко­эффициент теплопроводности зависит от механического давления на дисперсный материал.

3.7.1. Теплоизоляция, находящаяся под атмосферным давлением

Тепло в этом виде изоляции передается по теплоизоляционному материалу и че­рез газ, заполняющий пустоты в изоляции, в результате его конвекции и теплопроводно­сти. В качестве теплоизолирующей среды применяют волокнистые (минеральная вата, стекловата), порошкообразные (перлит, аэрогель) и ячеистые (мипора, пенопласт) материалы. Следует иметь в виду, что при появлении капельной влаги и льда процесс теп-лопереноса резко интенсифицируется вследствие высокой их теплопроводности, кото­рая на порядок выше, чем у воздуха. Поэтому попадание влаги в изоляцию необходимо исключать.

Тепловой поток через изоляцию определяется по обычным формулам переноса теп­ла теплопроводностью:

Q=λF_cp∆t/δ

Λ — коэффициент теплопроводности термоизоляционного слоя;

δ — толщина изоляции;

∆t=T₀-T_x— разность температур окружающей среды и холодной части;

F_cp=√F₀F_x, где F₀ и F_x— площади соответственно теплой и холодной части.

Эти формулы применимы для плоских, шаровых и цилиндрических слоев изоля­ции, что подтверждено экспериментально. При проектировании также необходимо учиты­вать стоимостные показатели.

Толщину изоляции целесообразно выбирать так, чтобы приток тепла через нее составлял 20-70 % от общего теплового потока. Ее уменьшение приводит к неоправдан­ному возрастанию потерь холода, а излишнее увеличение — к удорожанию, увеличению габаритов без сколько-нибудь существенного снижения потерь тепла. Обычно толщину изоляции принимают равной не более 0,15 D_нар (100-1000 мм).

Для резервуаров заправочных криогенных систем такую изоляцию сейчас практически не применяют. Известны лишь криогенные резервуары старой постройки, изолированные минеральной ватой и входящие в состав кислородно-азотных заправоч­ных систем для ракет типа «Союз». Потери кислорода в них составляют до 5 % в сутки, что само по себе ведет к серьезным убыткам. Кроме того, возникают серьезные сложнос­ти при ремонте и непредвиденных выходах из строя оборудования.

Применение такого вида изоляции в некоторых случаях может быть обосновано для изоляции низкотемпературных трубопроводов и арматуры. Трубопроводы и блоки клапанов для жидкого кислорода и жидкого азота часто изолируют киперной лентой и стекловолокнистыми матами, а также пенопластом и пеностеклом. Важно также создать надежный паровой барьер, защищающий оборудование от увлажнения, например, по­крывать изоляцию снаружи полимерной пленкой. Стыки замазывают специальной ма­стикой. Характеристики некоторых типов изоляции, в том числе алюминиево-силикат-ной, приведены в [6].

3.7.2. Вакуумная теплоизоляция

Вакуумную изоляцию применяют в системах, работающих в основном при Т < 80 К, то есть при температурах жидких криогенных топлив.

В общем случае теплоту Q, передаваемую изоляцией любого вида, можно предста­вить в виде суммы:

Q=Q_m+Q_г+Q_л

Q_m — теплота, переносимая по твердому скелету теплоизоляционного материала и по

тепловым мостам;

Q_m —теплота, передаваемая вследствие теплопроводности и конвекции газа

Q_л —теплота, передаваемая излучением.

1При вакуумной изоляции теплота Q_m передается в основном по конструкциям, креп­ящим холодный сосуд к внешнему сосуду (опоры, подвески). Для ее уменьшения разраба­тываются специальные конструкции из материалов низкой теплопроводности, что сво­дит Q_m К минимуму.

Перенос тепла вследствие теплопроводности и конвекции газа, Q.., определяется перемещением молекул газа, оставшихся в теплоизоляционном пространстве. Для практи­ческого исключения переноса тепла этим путем в теплоизоляционном пространстве необ­ходимо обеспечить высокий вакуум 1x10⁵- 1x10⁶ мм рт. ст. Доказано, что при таком ва­кууме движение оставшихся молекул между холодной и теплой поверхностями происхо­дит без взаимных столкновений.

Для воздуха Q_г=0.93P(T₀-T_x)F_x;

где Р — давление газа;

{Т₀ - Т_х) — разность температур между холодной и теплой стенкой;

F_x — площадь холодной поверхности, м².

Основная часть теплопритока вносится за счет теплоты излучения, Q,. Эта состав­ляющая определяется переносом энергии от теплой к холодной поверхности электромаг­нитным излучением в области инфракрасного спектра при длине волны X > 1О мкм. Лучи­стый поток может излучаться, поглощаться, отражаться. Излучательная поверхность ха­рактеризуется коэффициентом ее черноты, ε:

ε =E/E_s

где Е и E_s — плотности потока излучения данного тела и абсолютно черного тела.

E_s=δT⁴

где δ_s = 5,77x10^-8 Вт/м³ К⁴ — постоянная излучения абсолютно черного тела.

Значение е зависит от температуры и состава материала и определяется эксперимен­тальным путем. Харакгеристики некоторых теплоизоляционных материалов и коэффициен­ты черноты материалов, применяемых в криогенной технике, приведены в [6].

В криогенных системах ракетно-космической техники в настоящее время широко применяют вакуумно-порошковую и вакуумно-многослойную изоляции. Преимущества этих видов изоляций перед просто вакуумной состоят в том, что существенно уменьшает­ся перенос тепла и граничные стенки не надо полировать. При вакуумно-порошковой изоляции можно работать с более низким вакуумом, чем при вакуумно-многослойной. Перенос тепла через порошково-вакуумную и вакуумно-многослойную изоляцию зави­сит от толщины изоляционного слоя. Так, для сосудов со сжиженным газом (температура кожуха 293 К, а внутреннего сосуда не выше 90 К) вакуумно-порошковая изоляция с исполь­зованием аэрогеля и перлита при толщине слоя экранирования 30-40 мм становится экви­валентной высоковакуумной [4].