Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Холодильная и компрессорная техника и технология»

ЛЕКЦИИ

по дисциплине:

«Теплофизические процессы в криогенной технике»

Омск-2011

Предмет дисциплины

Данная дисциплина связана с изучением протекания процессов тепломасссообмена в различных низкотемпературных и криогенных системах.

В криогенной технике выделяют следующие виды криогенных систем, в которых теплофизические процессы имеют определенную специфику:

1. Теплоизолированные системы (в этих системах изучаются процессы теплообмена в изоляционных конструкциях).

2. Системы – хранилища жидких криопродуктов.

3. Магистрали, по которым осуществляется транспортировка жидких и газообразных криопродуктов.

4. Системы криостатирования.

Изоляция криогенных систем. Классификация изоляции

Поскольку криогенные системы работают при Т < Т_ОС, то разностью этих температур обусловлено наличие теплопритоков, которые оказывают негативное влияние на протекание низкотемпературных процессов.

Теплопритоки в 1 Вт, подводимые на температурный уровень жидкого гелия (4,2 К) приводит к испарению около 1,5 литров жидкого гелия в течение часа.

Для нейтрализации теплопритоков из окружающей среды на этом температурном уровне (4,2 К) требуется 400 ÷ 500 Вт дополнительных затрат энергии для нейтрализации теплопритоков в 1 Вт, что обуславливает необходимость хорошей изоляции криогенных систем от окружающей среды.

Основной характеристикой любой тепловой изоляции является коэффициент теплопроводности изоляции материала

λ = [Вт/(м·К)]

Задача состоит в том, чтобы минимизировать значение λ изоляции.

Существует несколько способов минимизации:

1. Использование дисперсных материалов.

2. Вакуумирование.

3. Использование термоэкранов.

Теплота может распространяться тремя основными способами:

1. Теплопроводностью, при которой теплота переносится за счет межмолекулярных взаимодействий в твердых телах.

2. Конвекцией, при которой перенос теплоты обусловлен перемещением масс жидкостей и газов.

3. Излучением, при котором перенос теплоты связан с распространением электромагнитных волн.

Диспергирование изоляционного материала направлено на уменьшение теплопроводности материала (в этом случае величина теплопередающего потока уменьшается за счет площади теплопередающей поверхности).

Вакуумирование направлено на уменьшение теплового потока, передаваемого конвекцией, за счет уменьшения массы переносимого газа.

Экранирование направлено на уменьшение теплового потока, передаваемого излучением.

Поскольку в чистом виде теплопроводность, конвекция и излучение встречается редко, а в основном имеет место сложный теплообмен, при котором теплота распространяется несколькими способами, то в большинстве теплоизоляционных конструкций используют сразу несколько типов изоляции.

Все типы изоляции делятся на две группы:

1. Изоляция, применяемая при р_о.с.

2. Изоляция, применяемая при р < р_о.с.

Изоляция, применяемая при давлении окружающей среды.

Этот тип изоляции, применяется в том случае, если температура криостатируемого изолируемого объекта не ниже 80 К. В этом случае воздух, поступающий из окружающей среды, находится еще в газообразном состоянии, что обеспечивает достаточно низкий для этого типа изоляции коэффициент теплопроводности λ (λ = 0,05 ÷ 0,2 Вт/(м·К)).

Таким образом, этот тип изоляции представляет в основном дисперсную изоляцию, цель которой состоит в уменьшении тепловых потерь по средствам теплопроводности.

Различают три типа такой изоляции:

1 тип: волокнистая изоляция (пример: мин. вата, стекловата);

2 тип: порошковая изоляция (пример: аэрогель);

3 тип: мелкодисперсная изоляция (пример: «Мипора»).

Эти материалы обладают следующими характеристиками:

Материал	Плотность, кг/м3	λ
		Т = 190 К	Т = 293 К
Аэрогель	50	0,02	0,025
Мин. Вата - 100	100	0,03	0,044
Вата СТВ	20	0,023	0,044
Вспученный перлит пудра 150 порошок 75	150 75	0,035 0,03	0,058 0,047
Пенополиуретан	50÷70	0,03	0,05
Пенопласт ПС4-40 ПС1-150	40 150	0,026 -	0,04 0,05

Теплопритоки через данный тип изоляции определяются по формуле:

,

где Q – тепловой поток через изоляцию; λ – коэффициент теплопроводности материала изоляции; δ – толщина изоляции; Т₁ – температура на наружной поверхности изоляции (температура окружающей среды); Т₂ – температура на внутренней поверхности изоляции (температура изолируемого объекта); F_ef – эффективная площадь поверхности изоляции.

,

где F₁ – наружная площадь поверхности изоляции; F₂ – площадь внутренней поверхности изоляции.

Данный тип изоляции используется при изоляции ВРУ.

Вакуумная изоляция (изоляция используемая при p < p_ос)

Этот тип изоляции используется для криостатов и рефрижераторов на температурных уровнях жидкого гелия или водорода. Может также использоваться в сосудах Дьюара для длительного хранения жидких криопродуктов. В этой изоляции используется вакуум порядка 10^-4 Па, который обеспечивается откачкой воздуха. Откачка воздуха необходима для того, что при температуре ниже 80 К воздух переходит из газообразной фазы в жидкую, а жидкая фаза имеет теплопроводность на несколько порядков выше, чем у газообразной фазы.

Различают три вида вакуумной изоляции:

1 тип: высоковакуумная;

2 тип: вакуумно-порошковая;

3 тип: многослойно-вакуумная.

В вакуумной изоляции тепловой поток через изоляцию определяется по формуле:

Q= Q_t + Q_k + Q_iz,

где Q – суммарный тепловой поток через изоляцию; Q_t – тепловой поток через изоляцию, обусловленный теплопроводностью по тепловым мостам; Q_k – тепловой поток, обусловленный конвекцией, не откаченной газовой среды; Q_iz – тепловой поток, обусловленный излучением между холодной и теплой поверхностями изоляции.