Теплоізоляція у кріогенній техніці

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Міністерство освіти Російської Федерації

Санкт-Петербурзький державний університет низькотемпературних і харчових технологій

Кафедра кріогенної техніки

Доповідь

Теплоізоляція у кріогенній техніці

Виконала: Григор'єва О.А., гр. 432

Санкт-Петербург 2008

Введення

Теплоізоляція в техніці низьких температур захищає апаратуру від припливу тепла з навколишнього середовища. Вимоги до ефективності теплоізоляції низькотемпературного обладнання зростають у міру пониження температури, тому що при цьому, з одного боку, збільшується теплопритоку через ізоляцію, тобто, втрати холоду і, з іншого боку, різко зростає вартість втрат холоду.

Крім того, теплота пароутворення різних рідин, віднесена до одиниці об'єму, тим менше, чим нижче їх температури кипіння. Отже, невелика кількість тепла викликає випаровування порівняно великої кількості зрідженого газу з низькою температурою кипіння. Звідси ясно, чому до теплоізоляції для низьких температур пред'являються особливо високі вимоги щодо зменшення теплових потоків через неї. Ці вимоги тим вище, чим менше розміри ізолюється обладнання, тобто більше його питома поверхня.

Основною вимогою до теплоізоляції, застосовуваної в кріогенній техніці, є, як це ясно з викладеного, мінімальна величина коефіцієнта теплопровідності. Коефіцієнт теплопровідності деяких ізоляційних матеріалів, застосовуваних при низьких температурах, лише в 1,5-2 рази більше теплопровідності спокійного повітря, а аерогель кремнієвої кислоти має навіть нижчий, ніж у повітря коефіцієнт теплопровідності.

Ще на зорі розвитку кріогенної техніки дослідники зіткнулися з неможливістю скільки-небудь тривалого зберігання невеликих кількостей рідкого повітря в судинах із звичайною (насипний) ізоляцією. Рішення проблеми вперше знайшов д'Арсонваль, що виготовив в 1887 р. циліндричні скляні посудини з подвійними стінками, з простору між якими було відкачано повітря, тобто судини з вакуумною ізоляцією. При створенні у ізоляційної порожнини досить високого вакууму перенесення тепла теплопровідністю газу практично виключається, і приплив тепла з навколишнього середовища здійснюється, в основному, випромінюванням. Заслуга значного удосконалення судин з вакуумною ізоляцією належить Дж. Дьюара, який розробив в 1893 р. спосіб зменшення перенесення тепла випромінюванням шляхом сріблення скляних стінок посудини, Дьюар запропонував також використовувати адсорбент (активоване вугілля) для поліпшення і тривалого збереження вакууму, що дозволило виготовляти судини з металів, які виділяють у вакуумі велика кількість газів порівняно зі склом. Судини з вакуумною ізоляцією зазвичай називають «посудинами Дьюара», а іноді і просто «Дьюара;». Вони широко застосовуються і в даний час.

У 1910 р. польський вчений М. Смолуховський опублікував результати своїх робіт по теплопередачі через порошки в умовах вакууму. Він встановив, що коефіцієнт теплопровідності порошків швидко знижується при зменшенні тиску газу. Потік тепла через простір, заповнений деякими порошками при низькому вакуумі, був близький за величиною до потоку через порожній простір при високому вакуумі між стінками з високою відбивною здатністю. Досліди Смолуховского і розвинена ним теорія намітили шляхи вивчення вакуумно-порошкової ізоляції. Промислове застосування вакуумно-порошкової ізоляції почалося лише в 40-х роках нашого століття. З тих пір ця ізоляція отримала широке поширення в техніці низьких температур.

Значний внесок в удосконалення низькотемпературної теплоізоляції вніс П. Петерсен, який опублікував в 1958 р. результати своїх дослідів. Він випробував, зокрема, вакуумно-порошкову ізоляцію з екрануванням випромінювання металевим порошком, яка застосовується в даний час в судинах для зріджених газів.

Петерсен застосував також спосіб, що зменшує перенос тепла у вакуумній ізоляції випромінюванням. При цьому способі на ізолюючий посудину намотуються екрани з алюмінієвої фольги, розділені скловолокнистими матами. Ця ізоляція, що представляє собою по суті вміщену в Вакуумований простір ізоляцію типу «альфоль», отримала назву вакуумно-багатошаровою, екранно-вакуумної, вакуумно-шаруватої суперізоляціі (найбільш обгрунтованим можна вважати перша назва).

Теплообмін у всіх видах низькотемпературної ізоляції здійснюється випромінюванням, теплопровідністю газу і твердого тіла. Аналіз теплообміну ускладнюється тим, що поміщаються в ізоляційне простір матеріали мають дисперсну структуру. Проблемам перенесення тепла теплопровідністю і випромінюванням в дисперсних середовищах присвячені відомі монографії проф. А.Ф. Чудновського і професора, К.С. Шифріна, а також ряд робіт інших радянських учених.

Теплоперенос теплопровідністю газу в широкому діапазоні від атмосферного тиску до високого вакууму визначається відношенням довжин вільного пробігу молекул газу між зіткненнями один з одним і між зіткненнями їх із стінками твердого тіла. Розрахунок переносу тепла газом залежить від правильного підходу до оцінки величини, яка визначається структурою дисперсного матеріалу.

Теплоперенос теплопровідністю в зернистих матеріалах зазвичай розраховують, беручи будь-яку впорядковану (наприклад, кубічну або тетраедричних) укладання зерен. Розглядаючи зернистий матеріал, як шар безладно розташованих зерен, в якому число дотиків одного зерна з сусідніми взаємопов'язане з пористістю матеріалу, вдалося отримати нову формулу для визначення коефіцієнта теплопровідності зернистих матеріалів. Використання теорії контактної теплообміну дозволило також знайти залежність коефіцієнта теплопровідності зернистих і волокнистих матеріалів від механічного тиску на них.

Променевий тепловий потік в ізоляції послаблюється внаслідок розсіювання і поглинання ізоляційним матеріалом. Він затримується також металевими екранами у вигляді фольги або дрібних частинок. Теорія розсіяння випромінювання окремими частинками просунулася досить далеко в своєму розвитку, чого не можна сказати про теорії переносу випромінювання в дисперсних середовищах. Зіставлення результатів експериментального дослідження вакуумно-порошкової ізоляції з даними теорії для окремих частинок дає можливість оцінити вплив різних факторів на розсіювання випромінювання малими частками в дисперсних середовищах.

Як видно, всі види теплообміну в дисперсному середовищі залежать, в першу чергу, від її структури. Тому вивчення структури (розмірів частинок і пір, питомої поверхні) є важливою складовою частиною дослідження теплообміну в низькотемпературній ізоляції.

Теплоізоляційні матеріали та їх властивості

Теплоізоляційні матеріали поділяються на волокнисті, зернисті і комірчасті (пеноматеріалов). У теплотехніці отримали широке поширення також вироби у вигляді матів, плит, шкаралуп та іншої форми, виготовлені з волокнистих і зернистих матеріалів з ​​додаванням сполучних матеріалів. У техніці низьких температур такі вироби використовують рідко, оскільки вони мають порівняно високий коефіцієнт теплопровідності. Характеристика теплоізоляційних матеріалів дана в ряді монографій і довідників.

На теплообмін в низькотемпературній ізоляції великий вплив мають конвективні струми повітря. Теплообмін при природній конвекції тим інтенсивніше, чим більше комплекс , Де - Коефіцієнт об'ємного розширення, - Кінематична в'язкість і - Температуропровідність. Величина цього комплексу для повітря при зниженні температури з 273 до 173К зростає в 6 разів, а при подальшому зниженні до 90К - у 70 разів. Зменшення конвективного теплообміну в низькотемпературній теплоізоляції досягають зменшенням розмірів пустот (пор) в ній. З цією метою, зокрема, зернисті матеріали застосовують зазвичай у вигляді порошків з розміром зерен менше 1 мм. Нижче наведена коротка характеристика матеріалів, що застосовуються в техніці низьких температур, із зазначенням особливостей їх використання.

Характеристики і область застосування

Волокнисті матеріали. Волокнисті матеріали використовуються в техніці низьких температур здебільшого для теплоізоляції апаратури установок скраплення і поділу газів

Мінеральна вата є одним з найбільш дешевих і доступних матеріалів. Вона складається з склоподібних волокон, одержуваних з розплавів гірських порід (граніту, глини, доломіту, кварциту) або шлаків металургійних печей. Сировина розплавляється в вагранки і витягується в нитки розплаву шляхом роздування струменем пари плі повітря. Утворена вата складається з волокон діаметром б-10 мкм і довжиною від 3 до 20 мм і містить певну кількість кульок - «корольків», так як краплі розплаву при роздуванні не встигають повністю витягнутися в нитки.

Коефіцієнт теплопровідності мінеральної вати залежить від діаметра волокон, змісту «корольків» і ступеня ущільнення.

При середній температурі 580 - 190 ° До він становить 0,03 - 0,04 . Для зменшення конвективних струмів в ізоляції вату слід набивати в ізоляційне простір низькотемпературних установок до максимально можливої ​​щільності (300-400 ). Досвід показує, що щільність набивання вати в ізоляційне простір приблизно в 1,5 рази вище щільності її в лабораторному циліндрі під навантаженням 9807 н/м2 (0,1 кг/см2). Це співвідношення дає можливість заздалегідь визначити потрібне для ізоляції кількість мінеральної вати і оцінити коефіцієнт теплопровідності ізоляції вироби.

Волокна мінеральної вати при монтажних роботах вражають шкіру і дихальні шляхи. Цей недолік значною мірою усунений у гранульованої мінеральній ваті, яка складається з грудочок розміром 10-15 мм, утворених з волокон механічним шляхом. Гранульована вата не має «корольків», її вага і теплопровідність менше, ніж у звичайної вати.

Мінеральна вата є неорганічний і, отже, негорючий матеріал. Однак вона зазвичай містить до 1% олії, яку додають при виготовленні для зменшення пилення. При такому змісті масла вата горить в середовищі кисню, а при 1,5% масла стає вибухонебезпечною при контакті з рідким киснем. Для ізоляції кисневих установок застосовують спеціально виготовлену вату, що не містить олії,

У техніці низьких температур використовують іноді повсть і мати, виготовлені з мінеральної вати з використанням бітуму або синтетичних смол в якості сполучного речовини.

Скляна вата виготовляється двома способами: дутьевих і способом безперервного витягування. Перший спосіб більш простий і дешевий, волокна виходять діаметром від 3 до 30 мкм і довжиною до 100 мм. За другим способом нитки витягуються за допомогою швидко барабана, що обертається з цівок розплаву скляної шихти, що випливають через фільєри в спеціальній пластині. При цьому виходять волокна такого ж діаметру, але більшої довжини. Роздування отриманих таким чином безперервних скляних волокон потоком гарячих газів дозволяє виготовити вату з діаметром волокон до 0,5 мкм.

Її коефіцієнт теплопровідності при 293 ° К дорівнює 0,047 . Волокно діаметром менше 15 мкм не ламається, вата з тонкого волокна має більш низьку теплопровідність.

Мати й смуги зі скловолокна виготовляються шляхом накладення один на одного і скріплення прошивкою тонких шарів скляних волокон, що перетинаються під прямим кутом. Мати марки виготовляються з волокна діаметром 11-13 мкм, покритого з двох сторін скляній тканиною і простьобаного скляними нитками. Вони мають щільність 100-110 кг / м 2 і коефіцієнт теплопровідності 0,043 . Також мати з бесщелочного і більш тонкого штапельного волокна діаметром 5-7 мкм і довжиною 45-5.5 мм. Вони мають довжину 1050 мм, ширину 840 мм і товщину 5-15 см. Коефіцієнт теплопровідності мат не перевищує 0,048 при щільності 75 - 85 кг/м2.

Високими теплоізоляційними властивостями володіє вата з ультратонкого волокна (утв), одержуваного способом роздування безперервних волокон гарячими газами. Основні показники вати: середній діаметр волокна 0,7 - 1, 5 мкм, щільність (без навантаження) 5-6 кг/м3, коефіцієнт теплопровідності 0030-0,032 вт / (м-град) при 273 ° К, Під навантаженням 0,002 - 0 * 004 Мн/м2 (0,02-0,04 кг/см2) вата ущільнюється до 50 - 60 кг/м2. З такою щільністю її і слід набивати в ізоляційне простір низькотемпературного обладнання. Коефіцієнт теплопровідності скловати з утв при щільності 60 кг/м3 і середній температурі 190 ° К складає 0,023 . Цей матеріал доцільно застосовувати для ізоляції транспортується низькотемпературного обладнання, де важливо нарівні з низькою теплопровідністю забезпечити і мала вага ізоляції.

Мати з утв представляють собою пухкий шар волокон, скріплених між собою природним зчепленням або сполучною з синтетичних смол. Основні вимоги до мат: щільність (без навантаження) 6-7 кг / м 2 без підкладки та 10 - 12 кг/м2 з підкладкою (підкладкою служить алюмінієва фольга завтовшки 20-25 мкм або органічна плівка товщиною 20 мкм), зміст зв'язувальної 15%, коефіцієнт теплопровідності 0,035 при 273 ° К.

Скловолокно з лужного скла мало стійко по відношенню до води. При тривалому зберіганні воно значно знижує міцність, а при перебуванні у вологому атмосфері з часом зовсім руйнується. Для низькотемпературної ізоляції можна застосовувати тільки волокно з бесщелочного стекол, стійких по відношенню до води.

Скловолокнисті матеріали застосовують також для вакуумно-багатошарової теплоізоляції як теплоізолюючих, прокладок між шарами, що відбивають теплове випромінювання.

Шовкові пачоси являють собою відходи шовкопрядильних промисловості. По щільності і коефіцієнту теплопровідності цей матеріал близький до кращих сортів мінеральної та скляної вати. Його перевага - більш сприятливі, безпечні умови ізоляційних робіт. Шовкові пачоси застосовують іноді для ізоляції низькотемпературних установок, зокрема установок для розділення природного газу.

Порошкоподібні матеріали. Порошкоподібні матеріали застосовуються в техніці низьких температур, в основному, для ізоляції судин із зрідженими газами.

Вуглекисла магнезія «альбу» утворюється при «білої варінні» вуглекислої магнезії. Щільність магнезії «альбу» 125 - 150 кг/ж3, коефіцієнт теплопровідності при 190 ° К - в межах 0,026-0,030 , До недавнього часу магнезію широко застосовували і судинах для зріджених газів. Поряд з магнезією «альбу» використовували вуглекислу магнезію з щільністю 400 кг/м3 і коефіцієнтом теплопровідності 0,052 при 190 ° К. Наразі магнезія витіснена більш ефективними дешевими ізоляційними матеріалами.

Пробкова крупа використовується в даний час для теплоізоляції дуже рідко.

Діатоміт (кизельгур, інфузора земля) - це легка пориста порода, що утворилася з кременистих панцирів діатомових водоростей, що складається, в основному, з аморфного кремнезему з домішками оксидів металів. Щільність діятимуть коливається від 350. до 950 кг/м3, досягаючи для кращих сортів 150-200 кг/м3. Коефіцієнт теплопровідності діятимуть 0,05-0,07 при 293 ° К і 0,03 - 0,04 при 190 ° К

Спучений вермикуліт (термовермікуліт) отримують з мінералу вермикуліту, що представляє собою складний високогідратірованний алюмосилікат магнію, який утворився з ферромагнезіальних слюд: флогопіту і біотиту. При нагріванні вермикуліту дб 700-1100 ° С міститься в ньому кристалізаційна вода перетворюється на пару. У результаті частинки вермикуліту спучуються, збільшуючись в об'ємі в 20-25 разів і перетворюючись на червоподібні гранули. Технологія виготовлення спученого времікуліта складається в дробленні породи в молотковій дробарці, розсіві на фракції, збагаченні і випалюванні в шахтних або інших печах.

Щільність термовермікуліта становить 100-200 кг/м3, розмір зерен I -12 мм. Коефіцієнт теплопровідності матеріалу, що має щільність 140-160 кг/м3 і розмір зерна менше 3 мм, дорівнює 0,052-0,056 при 293К. Доступність і низька вартість спученого вермикуліту і хороші теплоізоляційні властивості призводять до все більш широкому впровадженню цього матеріалу г промисловість.

Спучений перліт також представляє собою матеріал, отриманий шляхом випалу мінералу. Перлітом називають вивержені кремнеземисті гірські породи, що складаються з вулканічного скла з включенням плагиоклазов, польових шпатів, кварцу і інших мінералів. Для перлитів характерна особлива, концентрично скорлуповатая структура. Вони розколюються по концентричних тріщинах. Отримувані при цьому кульки мають перламутрову поверхню, що нагадує перли (звідси і пішла назва породи). Сировиною для виробництва спучених перлитів можуть служити і інші силікатні породи вулканічного походження, до яких відносяться обсидіани, щільні пемзи, туфи і ін

Перліт складається на 70% з двоокису кремнію, крім того, він містить 10-15% глинозему і 4-8% окислів калію і натрію. У перліті знаходиться також кілька відсотків кристалізаційної води. При нагріванні до 700-1000 ° С порода розм'якшується, а міститься в ній, вода переходить у пар, спучення розм'якшену масу матеріалу. Технологія виготовлення спученого перліту: дроблення породи в щековой, а потім у валкової дробарках або кульовий млині, розсівання на виброситах, попереднє сушіння і подальший випал в підвішеному стані в шахтній або обертової печі.

Щільність спученого перліту, отриманого з порід різних родовищ, коливається від 40 до 300 кг/м3, розмір зерен не перевищує 3 мм. Спучений перліт є високоефективним і дешевим теплоізоляційним матеріалом. Для ізоляції апаратів і машин низькотемпературних установок використовується спучений перлітовий порошок, виготовлений за технічним умовам МРТУ 6 № ЄУ-231-62. Перлітовий порошок має щільність при вільній засипці 100 кг/м3, розмір зерен не більше 1 мм і коефіцієнт теплопровідності 0,031 при 183 ° До

Аерогель кремнієвої кислоти є найбільш ефективним з відомих у даний час теплоізоляційних матеріалів. Існує кілька способів одержання легкого тонкодисперсного порошку кремнезему, що представляє собою по суті аерогель кремнієвої кислоти, однак, останню назву отримав лише матеріал, одержуваний шляхом видалення рідини з гелю кремнієвої кислоти без помітного стиснення його скелета.

Спосіб отримання аерогелю заснований на видаленні рідини з гелю при температурі і тиску вище критичних. У цьому випадку рідина переходить у пар безпосередньо в порах матеріалу, що виключає стиснення пор за рахунок сил поверхневого натягу, З метою зниження робочої температури і тиску вода в гідрогель попередньо заміщається етиловим або метиловим спиртом. Технологічна схема процесу полягає в наступному. Попередньо приготовані розчини рідкого скла густиною 1150-1170 кг/м3 і сірчаної кислоти густиною 1126-1128 кг/м3 надходять в змішувач. Утворений протягом 6-8 сек гідрогель проходить через масло, коагулює і набуває форми кульок. Потім він промивається у чанах водою, після чого вода в гідрогель заміщається етиловим спиртом в 16-ти послідовно з'єднаних диффузорах. Спирт видаляється з гелю в автоклавах при 7-9 Па і 540 ° К. Залишки парів спирту відсмоктують вакуумним насосом. Вміщені в отриманому продукті домішки органічних речовин видаляють прокаливанием у зваженому шарі при температурі 570-670 ° К.

Виготовлений за цією технологією продукт має щільність 90-120 кг/м3 і коефіцієнт теплопровідності 0,014 - 0,016 при температурі 190 ° К.

Пізніше перейшли на нову технологію отримання аерогелю, що відрізняється тим, що спирт віддаляється з гелю безперервним способом в теплообмінниках. Одержуваний за цією технологією аерогель має щільність 20 - 40 кг/м3 і коефіцієнт теплопровідності 0,019-0,020 при температурі 190 ° К.

Недоліком аерогелю є необоротна зміна структури і збільшення теплопровідності при попаданні в нього краплинної вологи. Для того щоб зменшити здатність аерогелю поглинати вологу і змінювати при цьому свою структуру, його можна піддати гідрофобізації шляхом обробки метілхлорістимі сіланом, фтористими сполуками, бутиловим спиртом. Найкращі результати дає обробка діметілдіхлорсіланом.

Можливі й інші способи отримання аерогелю, не пов'язані із застосуванням автоклава, що працює під тиском. Запропоновано видаляти воду з гідрогелю вакуумуванням його. Розроблено спосіб, що складається в зневодненні гідрогелю нагріванням його з рідиною, що володіє малим поверхневим натягом, з наступним прожарюванням отриманого гелю. Обидва ці способи дають аерогель з дещо більш високими значеннями щільності та теплопровідності.

Кремнегель представляє собою один з видів тонкодисперсного порошку двоокису кремнію. Він виходить, зокрема, у виробництві суперфосфату при взаємодії фторапатитом з сірчаною кислотою і кремнеземом і наступному гідролізі утворюється двоокису кремнію. Щільність кремнегеля 100-150 кг/м3, коефіцієнт теплопровідності 0,030 - 0,035 при 190 ° К.

Біла сажа також є тонкодисперсні порошки, що складається, в основному, з двоокису кремнію. Її отримують шляхом осадження кремнекислоти з розчину рідкого скла вуглекислотою і обробки отриманої суспензії соляної чи сірчаної кислотою. Щільність сажі становить 160-240 кг/м3, розмір часток для деяких марок сягає декількох мкм, коефіцієнт теплопровідності при 190 ° К дорівнює 0,02 - 0,03 . До білої сажі близький за властивостями аеросил, одержуваний спалюванням чотирихлористого кремнію в середовищі водню при 1100 ° С.

Ніздрюваті матеріали. Ніздрюваті теплоізоляційні матеріали також широко застосовують в техніці низьких температур ..

Пробка є ніздрюватий матеріал природного походження і давно використовується в техніці помірного холоду: Вона виробляється з кори коркового дуба і, почасти, кори оксамитового дерева. У холодильній техніці застосовуються плити, які пресуються з коркової крупи великих фракцій і піддаються термічній обробці при 260-280 ° С. Властивості експанзіта згідно ВТУ № 190 та ТУ № 174/5-2-41 характеризуються такими даними: щільність не більше 180 кг / м3, коефіцієнт теплопровідності не більше 0,058 при 293 ° К.

Спучений ебоніт (оназот) відноситься до числа найбільш ефективних ніздрюватих теплоізоляційних матеріалів. При спученні ебоніт збільшується в об'ємі приблизно в 15 разів, його щільність знижується до 60-70 кг/м3. Оназот має 20 000 осередків в 1 см2, середня товщина стінок комірок становить 0,012 мм. Він дорожчий пінополістиролу, але перевершує останній то коефіцієнту теплопровідності (0,028 при 288 ° К), а також по водопоглинанню і паропроникності.

Міпора має найменші щільність і коефіцієнт теплопровідності порівняно з усіма іншими пінопласту. Вона являє собою отверділу піну сечовино-формальдегідних смол. Міпора випускають по у вигляді блоків щільністю 10-20 кг/м3. У ізоляційний обсяг складної конфігурації її завантажують у вигляді крихти з щільністю набивання 40-50 кг/м3. Коефіцієнт теплопровідності в обох випадках однаковий і дорівнює 0,030-0,033 при 293 ° К.

Недолік міпори - гігроскопічність. Цей матеріал досить швидко зволожується в умовах експлуатації низькотемпературної теплоізоляції. Міпора не підтримує горіння в атмосфері повітря. Однак у середовищі кисню вона вогненебезпечна, а при великій щільності набивання вибухонебезпечна. Тому її не можна рекомендувати як теплоізоляції установок поділу повітря і судин для рідкого кисню.

Пінополістирол є ніздрюватий матеріал (пори замкнені) з дуже малим поглинанням. Він може бути виготовлений різними способами. Пресовий метод полягає у змішуванні полімеру з газообразователями та іншими компонентами, пресуванні композиції і вспіненні заготовок. Так отримують пінополістирол з щільністю 60-220 кг/м3 і з щільністю 35-80 кг/м3. Коефіцієнт теплопровідності зростає із збільшенням щільності і знаходиться в межах 0,030-0,050 при 293 ° К.

Автоклавний метод заснований на насиченні полістиролу в автоклаві газами або низькокиплячих органічними речовинами і наступному вспіненні при знятті тиску. У США таким методом отримують продукт під назвою «стірофом" із щільністю 20-40 кг/м3, розміром пор 0,5-2 мм і коефіцієнтом теплопровідності близько 0,040 при 293 ° К.

Метод отримання пінополістиролу з гранул простий у апаратурному оформленні і дозволяє при дотриманні необхідних умов одержувати пінопласт безпосередньо в ізоляційному просторі. Гранули полістиролу, насичені низькокиплячих органічними речовинами, спінюють шляхом нагрівання. Приготовлені таким чином пористі гранули засипають у форму і вдруге піддають нагріванню за допомогою гострої пари або гарячої води протягом 5-10 хв. Під впливом високої температури гранули ще більше збільшуються в обсязі, розм'якшуються і склеюються (спекаются) між собою, утворюючи суцільний матеріал. Він має щільність 20-60 кг/м3 розмір пор 0,01 - 0, 1 мм і коефіцієнт теплопровідності 0,032-0,045 при 273 ° К.

Пінополіуретан отримують в результаті складних реакцій, що протікають при змішуванні поліефіру, диизоцианата і води в присутності відповідних каталізаторів і емульгаторів. Суміш заливається у форму, де вона спінюється. Потім спінений матеріал прогрівається протягом 4-6 год при температурі 50-150 ° С, в результаті чого відбувається його затвердіння. Виготовляють як жорсткі, так і еластичні пінополіуретани в залежності від виду поліефіру.

Матеріал має щільність 100 - 220 кг/м3 і коефіцієнт теплопровідності 0,047-0,057 при 293 ° К. Еластичний пінополіуретан має щільність 30-60 кг/м3 і коефіцієнт теплопровідності 0,035 .

Перевага цього матеріалу перед іншими - можливість заповнення ізоляційного простору композицією в рідкому вигляді, що спрощує техніку ізоляційних робіт, забезпечує заповнення ізоляційного простору складної форми без утворення порожнин, зменшує накопичення вологи в ізоляції. Як недолік слід вказати на отруйність одного з компонентів - диизоцианата.

Піноскло отримують шляхом термічної обробки при 700 - 850 ° С суміші порошкоподібних скла і газообразователя. Суміш завантажують в жароміцні форми і направляють в піч, в якій відбувається розм'якшення скломаси і розкладання газообразователя. Утворені при цьому бульбашки газу спінюють в'язку скломасу і надають їй пористу структуру. Отримувані блоки мають щільність 100-400 кг/м3 (діаметр пор 0,1 - 2 мм), і коефіцієнт теплопровідності 0,06-0,10 при 293 ° К.

Піноскло має мале водопоглинання, легко піддається механічній обробці. Будівельні блоки з піноскла мають максимальні габарити 450х450х130. Випускаються блоки, що розрізняються по щільності, опору стисненню і коефіцієнту теплопровідності.

Структура

Перенесення тепла в ізоляційних матеріалах мало залежить від їх хімічного складу і визначається їх структурою, т, е. формою часток (волокна, зерна), об'ємом пор між частинками і всередині їх, ​​розподілом пор за розмірами.

Матеріали, застосовувані для низькотемпературної теплоізоляції, мають мілкодисперсну структуру. Найбільш тонкою структурою мають порошкоподібні матеріали, основою яких є двоокис кремнію.

Рис. 29. Диференціальні структурні криві зразків аерогелю кремнієвої кислоти (цифри на кривих відповідають номерам зразків у табл.)

Розподіл пор за розмірами характеризується диференціальними та інтегральними структурними кривими. На рис. 29 розповідається про диференціальні структурні криві зразків аерогелю кремнієвої кислоти. Криві розраховані на основі теорії капілярної конденсації по ізотермам адсорбції метилового спирту. Величина найбільш ймовірного радіуса пор, відповідного максимуму на кривих, знаходиться в межах 7-9 нм (70-90 Ангстрем). У аеросилу, одержуваного спалюванням чотирихлористого кремнію в середовищі водню, максимум припадає на пори радіусом 12-13 нм.

Обсяг мікропор аерогелю, що мають радіус менше 0,1 мкм, порівняно невеликий і складає 15-25% від загального об'єму пор. Однак саме ці пори визначають властивості аерогелю як найбільш ефективного теплоізоляційного матеріалу і утворюють розвинену поверхню, складову кілька сотень квадратних метрів в 1 г матеріалу. Дані, що характеризують структуру аерогелю, наведені в таблиці.

Значення середнього радіусу мікропор обчислені за формулою

де V-обсяг мікропор;

S - поверхня всіх пір.

Обчислений таким чином середній радіус лише в 1,5 - 2 рази більше найбільш ймовірного радіуса пор. Це показує, що майже вся виміряна поверхня утворена мікропорами.

На рис. 30 нанесені інтегральні структурні криві декількох зразків дрібнодисперсних високопористих порошків двоокису кремнію. Вимірювання виконані методом вдавлювання ртуті. Порошок, отримані різними способами, мають різко розрізняти структуру. При цьому всі вони містять 30-50% за об'ємом пір радіусом менше 1 мкм.

Питома поверхня більшості цих порошків перевищує 100 м2 / г. До них відноситься також біла сажа, що має питому поверхню 150-300 м2 / г.

Спучений перліт є більш великопористий матеріалом. Він містить не більше 5-7% за обсягом пір радіусом менш 1 мкм (рис. 31). Питома поверхня пір спученого перлітового піску, як правило, не перевищує 20 м2 / а. Інші ізоляційні матеріали також є більш великопористий, ніж порошки двоокису кремнію. Вони зазвичай не містять пір розміром менше 0,1 мкм і мають питому поверхню менш 40м2 / м.

Вакуумна багатошарово-порошкове теплоізоляція

Один з основних недоліків вакуумно-багатошарової теплоізоляції полягає в необхідності створення високого вакууму. Тиск газу у разі багатошарової ізоляції має бути приблизно в 100 разів нижче, ніж при вакуумно-порошкової ізоляції. Причиною є порівняно великі розміри порожнин у багатошарової ізоляції, що представляють собою зазори між сусідніми шарами. Зменшення цих зазорів шляхом більш щільної укладки ізоляції призводить до зростання коефіцієнта теплопровідності за рахунок збільшення контактного теплообміну між екранами і прокладками.

Проблема може бути вирішена, якщо заповнити зазори між екранами тонкодисперсних теплоізоляційним порошком. При такому поєднанні перенесення тепла випромінюванням буде затримуватися екранами, а перенесення тепла газом різко знизиться вже при низькому вакуумі завдяки наявності тонкодисперсного порошку. Провідність по твердому тілу для таких порошків, як аерогель і перлітова пудра, також дуже мала. На практиці такий варіант ізоляції в чистому вигляді не може бути реалізований. Якщо б навіть і вдалося спочатку змонтувати екрани, не допускаючи контактів між ними шляхом засипання порошку, то при вакуумуванні та перевезення вироби неможливо було б уникнути часткового переміщення порошку і появи контактів між екранами. Тому екрани спочатку потрібно монтувати з прошарками між ними, тобто виготовити звичайну багатошарову ізоляцію, після чого заповнити зазори між шарами порошком.

Ще в СРСР проведено дослідження такого виду ізоляції. Після визначення залежності коефіцієнта теплопровідності від тиску повітря для багатошарової ізоляції (крива 2 на рис. 70) простір між шарами заповнювалося порошком і знову перебувала залежність теплопровідності від тиску (крива 3 на рис. 70).

Коефіцієнт теплопровідності при засипці перлітової пудри знизився приблизно в 3 рази в області тисків 0,1 -10 н/м2. Він досяг 0,1 при тиску 0,5 н/м2, тоді як при чисто багатошарової ізоляції таку величину вдається отримати, як правило, при тисках нижче 0,05 н/м2. Таким чином, застосування комбінованої багатошарово-порошкової ізоляції доцільно в тих випадках, коли важко підтримувати протягом тривалого часу високий вакуум, наприклад, в судинах для зріджених газів з відносно високою температурою кипіння, зокрема, для рідкого кисню.

Багатошарово-порошкове ізоляція має і додаткові переваги, які проявляються при використанні її в промислових судинах. По-перше, засипка порошку зменшує приплив тепла через зазори в стиках між окремими пакетами (матами) багатошарової ізоляції і приплив тепла через торці пакетів. По-друге, тепловий потік додатково зменшується внаслідок заповнення порошком вільного простору, не зайнятого багатошарової ізоляцією. Цей ефект може бути дуже великою, оскільки вільний простір має часто з конструктивних міркувань (розміщення опор, труб, зручності монтажу) навіть більший обсяг, ніж обсяг, зайнятий багатошарової ізоляцією. По-третє, має місце додаткове зменшення теплового потоку внаслідок ефективного ізолювання порошком опор, підвісок і труб, що розміщуються в ізоляційному просторі.

Порівняльні випробування багатошаровою і багатошарово-порошкової ізоляції були проведені на посудині ємністю 320 дм3

Посудина є вертикальний кругової циліндр діаметром 800 мм і висотою 750 мм з еліптичними днищами. Відстань між стінками циліндричної частини кожуха і судини становить 93 мм. Посудина закріплений у кожусі на двох опорах з текстоліту.

Приплив тепла по опорах і трубах був знайдений шляхом визначення втрат від випаровування з посудині з ізоляцією з аерогелю при різних тисках в ізоляційному просторі. У цих та подальших випробуваннях в посудину заливали рідкий кисень або рідкий азот. Експериментально отримана величина 7,1 вт близька до обчисленої.

Посудина ізолювали розміщеними у два ряди матами з 10 екранів алюмінієвої фольги з прокладками з склополотна ЕВТІ. Після випробувань судини з багатошаровою ізоляцією в міжстінний простір засипали аерогель і знову визначали втрати від випаровування при різних тисках повітря в міжстінний просторі. Аналогічні випробування були проведені при засипці перліту в міжстінний простір з багатошаровою ізоляцією.

Втрати кисню від випаровування в посудині з багатошаровою ізоляцією при тиску 0,027 н/м2 склали 0,305 кг / год або 2,0% на добу, а при ізоляції з аерогелю 0,312 кг / год або 2,05% на добу. Відсутність помітної різниці у величині втрат пояснюється порівняно малою товщиною багатошарової ізоляції (20 екранів при ширині міжстінний простору 93 мм). Застосування багатошарово-порошкової ізоляції з засипкою перліту дозволило знизити втрати кисню від випаровування до 0,165 кг / год або 1,08% на добу при тиску 1,46 н/м2. Питомий тепловий потік через ізоляцію зменшився в 3 рази (рис. 71) навіть при тиску на порядок вище в порівнянні з багатошаровою ізоляцією.

Таким чином, багатошарово-порошкове ізоляція поєднує достоїнства порошкової і багатошарової ізоляцій і дозволяє досягти ефективності багатошарової ізоляції при порівняно високих тисках, відповідних робочої області тисків вакуумно-порошкової ізоляції. У деяких випадках ця комбінована ізоляція дає можливість знизити тепловий потік у порівнянні з багатошаровою ізоляцією.

Ізоляція низькотемпературних установок

Апарати установок низькотемпературного розділення газових сумішей зазвичай поміщають в загальний кожух і ізолюють волокнистими матеріалами: мінеральною або скляною ватою, шовковими очесами. Кожух виконується з окремих сталевих щитів з привареними по краях куточками. Щити з'єднуються між собою болтами. Між полицями куточків прокладають для ущільнення гумові смуги. Ізоляційний матеріал заповнює весь простір між кожухом і розташованими в ньому апаратами і трубопроводами.

Для захисту ізоляції від зволоження в неї іноді подають під невеликим надлишковим тиском частина відходить з блоку розділення сухого азоту, що перешкоджає проникненню вологого атмосферного повітря. З цією метою в ізоляційному просторі поміщають декілька перфорованих трубок, в які подають газ за допомогою спеціального вентиля на лінії виходу азоту з блоку розділення.

Спосіб ізоляції шляхом заповнення всього простору всередині кожуха мінеральною ватою має істотні недоліки. Значна частина ізоляційного матеріалу витрачається зайво на заповнення проміжків між основними апаратами, температури яких близькі між собою. Велика кількість ізоляційного матеріалу подовжує пусковий період встановлення. При ремонтах доводиться вивантажувати великі кількості шлакової вати, що ускладнює і здорожує ремонт.

У зв'язку з цим у великих установках в останні роки стали застосовувати двостінний кожух (так звана камерна ізоляція). Основні низькотемпературні апарати розміщуються у внутрішньому кожусі (холодної камері), вільному від ізоляції. Простір між зовнішнім кожухом і холодною камерою заповнюється ізоляційним матеріалом.

При проектуванні холодної камери необхідно врахувати наявність температурних деформацій, що виникають при її охолодженні від температури навколишнього середовища до приблизно -160 ° С.

У вітчизняних установках як внутрішній, так і зовнішній кожух виготовляються із сталевого листа товщиною 4 мм. Між ними встановлюються розпірки, конструкція яких показана на рис, 104, а. Для зменшення припливу тепла труба 1 виконана зі сталі Х18Н9Т і ізолюється від стінок дерев'яними подушками. Товщину шару ізоляції приймають рівною 500-600 мм.

У кожусі залишають спеціальні люки для проходу, що закриваються окремими щитами.

На рис. 104, б показано пристрій двостінного кожуха установки на 5000 м * / ч кисні фірми Лінде (Німеччина). До тавровим балках кріпляться спеціальні напрямні елементи, на які навішуються алюмінієві листи на кшталт покрівельної черепиці. Такий пристрій дозволяє здійснювати місцеве видалення мінеральної вати, після того, як буде вирване декілька алюмінієвих листів.

Застосування двостінного кожуха (мал. 105) дозволяє зменшити масу ізоляції приблизно в 2 рази в порівнянні зі звичайними конструкціями. Це призводить до значного скорочення пускового періоду. Приплив тепла через ізоляцію дещо збільшується.

Приплив тепла через ізоляцію установок, що працюють на температурному рівні 80-90 ° К і ізольованих мінеральною ватою, може бути оцінений без урахування зволоження і конвективних струмів в ізоляції

За даними випробувань двох установок продуктивністю 5000 м3 / ч кисні приплив тепла в установці зі «суцільний» ізоляцією знаходився в межах 10,1-17,5 вт/м2, а в установці з двостінні кожухом. 9,9-27,5 вт/м2. За даними обстеження декількох установок КТ-3600 і БР-5 приплив тепла склав на установках першого типу 35-45 вт/м2, а. Другого типу 30-35 вт/м2.

Для зручності розрахунків приплив тепла через ізоляцію кисневих установок прийнято відносити. До 'кількістю переробляється повітря. Зокрема, наведені вище цифри відповідають 1,7-2,0 кДж/м3 переробляється повітря. Значна кількість тепла передається також по трубопроводах, вентилів та іншої арматури. Приймається для розрахунку величина. Припливу тепла з навколишнього середовища почасти враховує і не піддаються точному обліку витоку холодного газу через нещільність. Ця величина складає 8,4 кДж/м3 і і більше для установок, переробних повітря в кількості до 2000 м3 / год; від 4,6 до 7,5 кДж/м3 в установках, переробних 5000-10 000 м3 / год; від 3 , 3 до 5,4 кДж/м3 в установках, переробних від 10000 до 30000 м3 / ч. В установках, переробних від 30 000 до 100 000 м3 / год приплив тепла через ізоляцію знаходиться в межах 2,5-4,2 кДж/м3.

Навіть в установках з двостінні кожухом маса ізоляції вельми велика. Наприклад, установка БР-2 продуктивністю 35 000 м3 / год кисню має масу разом з ізоляцією 1230 т, з яких маса ізоляції складає 540 т або 44%. Різкого зниження маси ізоляції можна досягти шляхом заміни мінеральної вати на спучений перлітовий пісок, об'ємна маса якого в 3-4 рази менше. При цьому значно покращаться умови праці при завантаженні ізоляції й зменшиться надходження тепла через ізоляцію.

В установках для зрідження водню з насипною ізоляцією повітря, що міститься в ізоляційному обсязі, буде конденсуватися в зоні ізоляції, яка має температуру нижче 80 ° К. Тому ізоляцію заповнюють воднем 'або гелієм під надлишковим тиском 50-100 н/м2. Коефіцієнт теплопровідності ізоляції в цьому випадку в 3-5 разів 'вище, ніж у ізоляції, заповненої повітрям. Тому для зменшення загальної товщини ізоляції її поділяють герметичною перегородкою на два шари, з яких воднем заповнюють лише шар, прилеглий до холодної апаратурі. Це дозволяє зменшити товщину ізоляції приблизно в 3 рази, не збільшуючи теплопритоку через неї.

Витрата дорогого низькотемпературного холоду рівня 20 ° К може бути зменшений шляхом встановлення екрану, охолоджуваного рідким азотом. При заданій загальній товщині ізоляції 6 може бути знайдено теоретично оптимальне місце розташування екрану.

Позначимо через x товщину ізоляції між екраном і поверхнею холодного апарату, - Температури зовнішнього кожуха, екрана і холодного апарату, - Теплопровідність ізоляції до і після екрана.

Тепло, проникаюче через ізоляцію, компенсується холодильним циклом на рівнях . для компенсації втрат холоду на рівні буде потрібно робота , Де - Термодінаміческтй ККД холодильного циклу на рівні . Відповідно, для компенсації втрат холоду на рівні буде необхідна робота .

Враховуючи, що і , Знаходимо:

Ця сума повинна бути мінімальною. Прирівнюючи нулю першу похідну, отримуємо:

З цього рівняння можна знайти х. Якщо покласти , То отримаємо х = 0,7 і

Подальшого зниження втрат холоду досягають шляхом застосування вакуумних видів ізоляції.

У конструкціях з вакуумними видами ізоляції граничні стінки повинні мати порівняно велику товщину, що забезпечує стійкість від зминання під впливом атмосферного тиску. М.І. Блат, С.Є. Бреслер і Ю.М. Рябінін запропонували, використовувати ізоляційний матеріал для підтримки стінок і сприйняття навантаження від атмосферного тиску. Промислові конструкції тонкостінних панелей з вакуумними видами ізоляції були розроблені лише недавно. У якості ізоляційного матеріалу використовується скловолокно та перліт. Товщина вакуумованого скловолокнистого мату зменшується під впливом атмосферного тиску приблизно на 2%, Надалі товщина поступово стабілізується, зменшуючись ще на 2% через 1000 год Коефіцієнт теплопровідності мату майже не змінюється при стисненні.

Панель із скловолокнисті матом відкачується 30 хв при 300 ° С, що забезпечує початковий тиск близько 1 н/м2. Вакуум має тенденцію до підвищення і зберігається за даними випробувань 10 років. Середня товщина панелей складає 10-12 мм. У панелях розміром 1 X 1 м тепловий потік через краї, виконані з нержавіючої сталі товщиною 0,25 мм, приблизно в 2 рази менше теплового потоку через ізоляцію панелі. Конфіденційність площею 0,3 м2 і більше еквівалентні по ізолююча дія мату такої ж площі зі скловолокна щільністю 40 кг / м 2 і товщиною 90-100 мм.

В якості порошку для заповнення панелей був обраний перліт. Випробування показали, що найменшою стискальністю володіє крупнозернистий перліт, для якого стиснення під атмосферним тиском становить близько 10% за обсягом.

Стінки панелі виготовляють з листової холоднокатаної сталі товщиною 0,7 мм. Протилежні стінки панелі з'єднують по краях проставкамі U-подібної форми з нержавіючої сталі з метою зменшення потоку тепла між теплою і холодною стінками. Проставка приварюється між двома гладкими стінками і може утворювати закруглені кути.

Бажано, щоб у панелі було якомога менше отворів, для чого був розроблений спосіб введення порошку в панель через одне невелике отвір. Пристрій являє собою ежектор, в який потоком повітря високого тиску порошок засмоктується і потім подається в панель. Трубка, за якою йде виважений у повітрі порошок, оточена зовнішньої концентричної трубкою, за якою повертається відпрацьований газ. Тиск усередині панелі регулюється шляхом зміни швидкості вихідного потоку. Під час процесу заповнення панель повинна вібрувати, щоб полегшити заповнення порошком всіх кутів. При заповненні в панель вводиться невеликий надлишок порошку; в процесі вакуумування порошок стискається і панель згладжується.

Прикладом застосування описаних панелей може служити холодильник з внутрішнім об'ємом 550 дм3 та ізоляцією товщиною 16 мм. Замість використання в холодильнику окремих панелей його корпус виконаний з зовнішньої і внутрішньої оболонок, які з'єднуються у краю, зверненого до дверцят. Дверцята виготовлена ​​з окремої панелі.

Згідно з результатами випробувань ряду панелей збільшення тиску протягом трьох років від вихідного тиску 2,7 н/м2 становило від 24,6 до 66,6 н/м2.

31


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Доповідь
117.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Теплоізоляція
Теплоізоляція обладнання
Теплоізоляція будівель і споруд
Застосування напівпровідників у техніці
Температура в природі і техніці
Жінки в науці та техніці
Надпровідність та її використання в техніці
Струми і напруги в техніці НВЧ
Застосування радіоактивних ізотопів в техніці
© Усі права захищені
написати до нас